MMIC左手傳輸線寬帶功率分配/合成技術研究

左手材料是一類不存在于自然界中的具有負折射率的新型人造電磁材料。使用左手材料可以實現(xiàn)電磁波的反向波傳輸、亞波長聚焦以及后向輻射等特殊行為。零相移左手傳輸線是左手材料在微波集成電路上的成功應用，它消除了微波傳輸線長度對傳輸信號相位的影響，對實現(xiàn)微波器件的小型化有著重要的意義。本項目在對微波頻段左手材料的長期研究基礎上，針對左手傳輸線帶寬窄損耗大，提出了一種超寬帶低損耗的零相移左手傳輸線結(jié)構(gòu)，通過仿真驗證了其在功率分配/合成上應用的可行性，并對其在功率合成放大器等微波電路和器件上的應用作了初步探索。對于克服左手材料高損耗、窄帶寬的缺點，利用其開發(fā)新型微波器件以及微波集成系統(tǒng)有著極其重要的意義。 2100433B

單片微波集成電路，即MMIC是Monolithic Microwave Integrated Circuit的縮寫，它包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器、混頻器、上變頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器（VCO）、移相器、開關、MMIC收發(fā)前端，甚至整個發(fā)射/接收（T/R）組件（收發(fā)系統(tǒng)）。由于MMIC的襯底材料（如GaAs、InP）的電子遷移率較高、禁帶寬度寬、工作溫度范圍大、微波傳輸性能好，所以MMIC具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點。

自1974年，美國的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研制成功世界上第一塊MMIC放大器以來，在軍事應用（包括智能武器、雷達、通信和電子戰(zhàn)等方面）的推動下，MMIC的發(fā)展十分迅速。80年代，隨著分子束外延、金屬有機物化學汽相淀積技術（MOCVD）和深亞微米加工技術的發(fā)展和進步，MMIC發(fā)展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu兩公司實驗室研制出高電子遷移率晶體管（HEMT），在材料結(jié)構(gòu)上得到了不斷的突破和創(chuàng)新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs溝道制成的贗配HEMT（PHEMT），使HEMT向更調(diào)頻率更低噪聲方向發(fā)展。繼HEMT之后，1984年用GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)取代硅雙極晶體管中的P-N結(jié)，研制成功了頻率特性和速度特性更優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和HBT MMIC。由于InP材料具有高飽和電子遷移率、高擊穿電場、良好的熱導率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更為優(yōu)越，隨著InP單晶的制備取得進展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高?！?微波單片集成電路具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、附加效率高等一系列優(yōu)點，并可縮小的電子設備體積、重量減輕、價格也降低不少，這對軍用電子裝備和民用電子產(chǎn)品都十分重要。美國、日本、西歐都把MMIC作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，競相投入大量的人力、物力，展開激烈的競爭?！?80年代中期以前的MMIC，頻率一般在40GHz以下，器件是采用柵長為0.5mm左右的GaAs 金屬半導體場效應晶體管（MESFET）。在低噪聲MMIC領域的先進水平都被HEMT、PHEMT和飛速發(fā)展的InP HEMT所取代，InP基HEMT的最佳性能是fT為340GHz，fmax為600GHz。低噪聲MMIC放大器的典型水平為29～34GHz下，2級LNA噪聲為1.7dB，增益為17dB；92～96GHz，3級LNA噪聲為3.3dB，增益為20dB；153～155GHz，3級低LNA增益為12dB?！?美國TRW公司已研制成功MMIC功率放大器芯片，Ka波段輸出功率為3.5W，相關功率增益11.5dB，功率附加效率為20%，60GHz的MMIC輸出功率為300mW，效率22%，94GHz采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型柵功率二級MMIC，最大輸出功率300mW，最高功率附加效率為10.5%?！?HP公司研制了6～20GHz單片行波功率放大器，帶內(nèi)最小增益為11dB，帶內(nèi)不平坦度為±0.5dB，20GHz處1dB壓縮點輸出功率達24dB。Raythem. Samvng及Motorola聯(lián)合開發(fā)的X-Ku波段，MMIC單片輸出功率達3.5W，最大功率附加效率為49.5%?！?西屋公司研制成功直流-16GHz，6位數(shù)字衰減器MMIC，16GHz插損小于5dB?！?日本三菱電器公司研制的大功率多柵條AlGaAs/GaAs HBT，在12GHz下功率附加效率為72%；NEC公司開發(fā)的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件達到了目前最高輸出功率（740mW）和功率附加效率（42%）。

MMIC發(fā)展中的里程碑

單片微波集成電路(與混合微波集成電路相比)，有如下優(yōu)點與不足

單片微波集成電路建模技術

對于MMIC設計而言，重復性設計的成本是非常昂貴的，因此器件建模和仿真過程是非常重要的，應用CAD技術建立的器件模型是影響電路設計精度的關鍵因素。電路規(guī)模越大、指標和工作頻段越高，對器件模型精度要求也越高。準確的半導體器件模型對提高微波毫米波單片微波集成電路的成品率、縮短研發(fā)周期起著非常重要的作用。由于MMIC制造技術仍在不斷發(fā)展中，不同工藝線的工藝各不相同，因此不同的工藝上的模型庫也不盡相同，因此必須針對特定的工藝建立特定的MMIC模型庫。

對于無源器件模型，由于電磁場理論分析比較成熟，模型建立比較簡單，但是電感模型的建立是個難點，因為電感要考慮自感、互感及寄生效應的存在及影響，并且電路版圖、原理圖及實測值之間的契合也是難點。對于有源器件，需要建立精確的小信號和大信號模型，對于低噪聲電路(如低噪聲放大器和振蕩器)還要建立噪聲模型。線性的小信號等效電路模型可以準確預測小信號S參數(shù)，但是卻不能反應大信號的功率諧波特性，因此對于功率放大器、混頻器和振蕩器等非線性器件，需要建立微波非線性器件模型。