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毫米波技术的国内外发展现状与趋势chenpufeng@ime.ac.cn【主要整理与翻译自“mm-WaveSiliconTechnology,60GHzandBeyond,AliM.Niknejad,HosseinHashemi,Springer2008”，以及部分网络资料，如有侵权请勿怪！】随着千兆比特流（Gb/s）点对点链接通信、大容量的无线局域网（WLAN）、短距离高速无线个人局域网（WPAN）和车载雷达等高速率宽频带通信应用的市场需求不断扩大，设计实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波单片集成电路（MMIC）迫在眉睫。毫米波可以广泛应用于军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域。采用GaAs或InP基的毫米波频段的MMIC已经应用于军事上的雷达和卫星通信中。由于GaAs和InP材料具有较高的电子迁移率和电阻率，因此电路可以获得较好的RF性能，但成本较高。由于受到成本和产量的限制，毫米波产品还没有真正实现商业化。作为成熟的工艺，Si基CMOS具有低成本、低功耗以及能与基带IC模块的工艺相兼容等优点，但是与GaAs相比，其在高频性能和噪声性能方面并不具备优势。然而，随着深亚微米和纳米工艺的日趋成熟，设计实现毫米波CMOS集成电路已经成为可能。近年来，美、日、韩等国相继开放了无需授权使用的毫米波频段（北美和韩国57-64GHz，欧洲和日本59-66GHz），从而进一步刺激了对毫米波CMOS技术的研究。可以预期，在今后几年里，毫米波CMOS技术将会突飞猛进，成为设计毫米波MMIC的另一种有效的选择。硅基毫米波的研究起始于2000年左右，同年Berkeley的无线研究中心专门设立了60GHz项目，但是当时很少有人认为硅技术能够应用于60GHz频段。而时至今日，毫米波的研究已经从一项模糊的课题演变至今日的研究热点，引起了工业界与风险投资商的浓厚兴趣。目前，该项研究已经拓展到了商业领域，NEC、三星、松下和LG等消费类电子厂商共同成立了WirelessHD联盟来推动60GHz技术在无压缩高清视频传输中的应用，并于2007年制定了相关协议白皮书。为何是毫米波？基于香农定理，我们知道通信信道的最大数据速率，即信道容量C，与信道的带宽BW和信噪比SNR具有如下关系C=BW?log2(1+SNR)。上式表明增加通信数据速率的一个方法就是使用更宽的带宽。信号的关联信息通常被调制在一个载波频率附近，因此，在更高的载波频率处可以获得更宽的带宽。美国的FCC已经分配了几个毫米波的频带用于无线通信的数据传输，如22-29GHz频带分配给短距离应用（如parkassist，stop-and-go，blindspotdetection），77GHz频带用于长距离的自动巡航控制。第二个影响通信数据率的因素是系统整体的SNR。不利的是，对于给定距离，在高频处接收到的信号由于以下因素会经受更多的衰减：首先，天线尺寸与载波频率成反比，载波频率越高，天线尺寸越小，导致收集的能量也更少；第二，在高频处空气以及其他物质的高吸收导致信号衰减；第三，多径效应导致信号衰减。更低的SNR减小了通信系统在固定距离下的数据速率或减小了无线通信的距离。干扰信号也会表现得像噪声一样，减小了SNR。有利的是，在高频处的大量的衰减，减少了干扰信号水平，也减少了多径成分；后者引起更小的延迟扩散，使得60GHz这样的毫米波频段非常适合用于短距离的高速无线传输。毫米波的独特应用毫米波的潜在应用，包括毫米波成像（mm-waveimaging）、亚太赫兹（sub-THz）化学探测器，以及在天文学、化学、物理、医学和安全方面的应用。感兴趣的重要频率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz区域。之所以选择致力于这些频点的研究，是因为考虑到其在空气中传播时的信号衰减。很明显，存在各种窗户使得衰减或者最大化或者最小化。60GHz频带由于氧气的吸收，使得它适合于短距离网络应用。而其他的频带，如90GHz是长距离成像的理想选择。汽车雷达成像领域的一个很重要的应用是工作于24GHz和77GHz的汽车雷达。今天仅有非常奢侈的汽车装备了毫米波雷达技术。该技术可以在低能见度情况下帮助汽车驾驶，尤其是大雾的天气，以及自动巡航控制和甚至未来高速公路的自动驾驶。用于医学应用的毫米波成像毫米波技术的另一个潜在应用是无源毫米波成像（passivemm-waveimaging）。仅通过检测物体在毫米波频带的热量辐射，物体的图像就可以像光学系统一样呈现出来。需要或者是一组接收机或者是移动的终端天线来不停地扫描感兴趣的区域。高清视频的无线传输NEC、三星、松下和LG等消费类电子厂商共同成立了WirelessHD联盟来推动60GHz技术在无压缩高清视频传输中的应用。其他的毫米波技术应用还包括肿瘤检测的医学成像，温度测量，血液循环和水分、氧分测量。在过去的二十年里，这些应用都被强烈地探索着，但是，大部分研究停止或放弃了，原因在于这些传统的系统竞争不过已经存在的MRI或者X射线CAT扫描系统。由于波长太长，这些系统的精度很差。随着硅技术允许大量的接收机阵列被低成本地实现在一块小面积上，我们相信这些应用会重新出现。而且随着频率被推到更高频点，如100GHz以上，波长变得更小，还将出现新的应用领域。毫米波研究的发展现状毫米波GaAs集成电路近年来，在微波、毫米波单片集成电路领域内，最引人注目的是美国国防部发展军事微电子电路总计划之一的MMIC计划，此计划总的目标是开发1-100GHz频率范围内的各种单片电路,且要求其成本低、性能好、体积小、可靠性高、能批量产生。功率MMIC随着卫星通信，相控阵雷达和电子战系统的发展，对功率MMIC放大器的需求日益增长，已成为研究的重要领域。在18GHz以下主要是GaAsMESFET和HBT功率MMIC放大器。在18GHz以上，则是PHEMT的功率MMIC放大器。松下已开发出数字移动通信机用的可低压工作的GaAs功率MMIC。采用数字调谐方式的移动通信机的发射功放要求低功耗和低失真特性，但是近年来通信机的电流、电压逐步降下来，这对相互矛盾的特性很难两全。针对这一问题，松下专门在FET的结构和电路结构的最佳化上下功夫。在FET结构方面，通过采用最佳栅长及最佳源、漏间距。实现了1.2V的提升电压，为此成功地实现了3.0V下也能工作的高效FET。在电路结构方面，通过把漏偏压电路设置在外部，从而防止了加到FET上的电源电压下降，成为低压下能够工作的电路结构。另外，模拟出了增益、效益最大，相位漂移量最小的最佳负载电路，正因为在MMIC上实现这一最佳负载电路，所以获得了低失真。采用以上这些技术开发的GaAs功率MMIC，其功率附加效率为40％，邻接沟道漏泄功率为-56dBc，片子尺寸为1.0mm×1.6mm。MitsubishiElectronic研制成用于Ka波段通信系统的MMIC二级功率放大器，在30GHz，输出功率为1.44W，芯片尺寸为1.94mm×2.0mm。TRW公司采用0.508dmm厚PHEMTMMIC和氧化铝微带组合器研制成3WQ波段PHEMTMMIC功率放大器模块，在45GHz下，峰值效率为25％。Sanders公司研制成型号为SGPA07006CC二级单片微波集成电路功率放大器，频率为37-40GHz。采用本公司的0.15μmGaAsPHEMT工艺。TriquintSeniconductor公司采用0.25μmPHEMT技术研制成3.48mm2，0.5W，40GHz功率放大器MMIC，在6V漏偏置条件下，二级功率放大器获得小信号增益为15.6dB，在1dB增益压缩下，输出功率为26.5dBm，饱和输出功率为27.9dBm，功率附加效率为26.6％。TRW公司采用0.1μmAlGaAs/InGaAs/GaAsT栅功率PHEMT研制成二极单片W波段功率放大器。这种MMIC功率放大器在94GHz下线性增益为8dB，最大输出功率为300mW，峰值功率附加效率为10.5％，衬底厚度为0.508dmm。台湾大学研制成许多单片W波段功率放大器，并可用于远红外本机振荡器和亚毫米波望远镜（FRIST）。这些芯片包括复盖大多数W波段的三个激励器和三个功率放大器，例如频率范围为72-81GHz、90-101GHz和100-113GHz。每种激励放大器和功率放大器分别可提供最小的20dBm和22dBm（160mW）。100-113GHz功率放大器在105GHz时的峰值功率大于250mW（25dBm），这是目前超过100GHz单片放大器的最大输出功率。这些单片芯片采用0.1μmAlGaAs/InGaAs/GaAsT栅功率PHEMT的技术制作，GaAs衬底为0.508dmm。日本FujitsuQuantumDeviceLtd研制低成本金属陶瓷封装的K波段大功率MMIC放大器模块，并可应用于K波段高速无线系统。这种模块由一个激励放大器MMIC和一个功率放大器MMIC组成，在23GHz和26GHz下总的增益为30dB，P1dB为33dB。这种模块总的性能G（dB）×△f/fo为以前的二倍。TRW的RFProductCenter报道了相关功率增益21.5dB的6W、24％PAEKa波段功率模块。功率模块由激励放大器、二级功率放大器芯片组成。这种MMIC放大器采用0.15μmInGaAs/AlGaAs/GaAsHEMT技术制作在0.508dmm厚的衬底上，激励放大器的输出功率为27.5dBm，功率增益为10.7dB，PAE为27％。输出功率放大器采用混合的方法，由二片局部匹配MMIC芯片和8路Wilkinson组合器（制作在氧化铝衬底上）组成。这种MMIC功率放大器的输出功率为35.4dBm（3.5W），PAE为28％，相关增益为11.5dB。8路组合器的插入损耗为0.6dB。低噪声MMIC放大器MistubishElectricCorp采用栅长为0.15μm的PHEMT(AlGaAs/InGaAs/GaAs)研制成Ka波段单片低噪声二级放大器，放大器在32GHz下的相关增益为18.0dB时，噪声系数为1.0dB。日本富士通公司研制成用于LMDS（LocalMulti－PointDistrbutionService）和卫星通信的小型、宽带、高增益K波段PHEMTLNAMMIC。增益和噪声系数在23-30GHz下分别为14.5±1.5dB和1.7±0.2dB。MMIC的芯片尺寸为0.9mm2。这种MMIC的增益密度高达14.4dB/mm2，这是目前所报道的最高水平。TRW公司采用0.15μmAlGaAs/InGaAs/GaAsHEMT工艺技术研制成高可靠Ka波段低噪声MMIC放大器。在Vds=25.2V，和Ids=250mA/mm的DC偏置下工作，在三个温度（Tambient=235℃Ta=250℃，Ta=265℃）对二级平衡放大器进行了寿命测试。用在室温测定的△S21=1.0dB确定每种温度的失效时间。Ea为1.6eV，在125℃结温下，MTF（mediamtimetofailare）为7×1019小时。变频器UKDefenceEvaluationResearchAgeney研制成用于卫星通信接收机的多功能MMIC，工作频率为43.5-45.3GHz。该电路采用25μmPHEMTGaAsInAsGaAlGaAs生产工艺在GECMarconiMaterialsTechnologyLtd制作。多功能MMIC在一块芯片上集成一个低噪声放大器、下变频器、本机振荡器、倍频器和缓冲放大器。其芯片尺寸为3.0mm×3.8mm。噪声系数为4.3dB，本机振荡器在0dBm时的变频增益为8dB。倍频器、混频器TheUniversityofLeeds研制成新型77GHzMMIC自振荡混频器。混频器采用单个PHEMT同时做混频和倍频。这种混频器在77GHz下的变频损耗为12dB，70-85GHz的平均变频损耗为15dB。收/发MMIC德国FraunhoferInstituteforAppli