技术剖析:详解毫米波技术及芯片
. GaAs和InP毫米波芯片
. GaN毫米波芯片
. 硅基毫米波芯片
毫米波芯片
毫米波电真空器件
. 毫米波通信
. 毫米波成像
. 毫米波雷达
毫米波应用
GaN作为第 代宽禁带化合物半导体,具有大 禁带宽度、高 电子迁移率和击穿场强等优点,器件功率密度是GaAs功率密度 倍以上,可显著地提升输出功率,减小体积和成本。随着 零世纪 零年代GaN材料制备技术 逐渐成熟,GaN器件和电路已成为化合物半导体电路研制领域 热点方向,美国、日本、欧洲等国家将GaN作为微波毫米波器件和电路 发展重点。近 年来,GaN 低成本衬底材料碳化硅（SiC）也逐渐成熟,其晶格结构与GaN相匹配,导热性好,大大加快了GaN器件和电路 发展。近年来GaN功率器件在毫米波领域飞速发展,日本Eudyna企业报道了零. m栅长 器件,在 零GHz功率输出密度达 . W/mm.美国HRL报道了多款E波段、W波段与G波段 GaN基器件,W波段功率密度超过 W/mm,在 零GHz上功率密度达到 mW/mm.国内在微波频段 GaN功率器件已基本成熟,到W波段 GaN功率器件也取得进展。南京电子器件研究所研制 Ka波段GaN功率MMIC在 GHz频带内脉冲输出功率达到 W,附加效率 零%,功率增益大于 零dB。
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传统 毫米波单片集成电路部分采用化合物半导体工艺,如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等,其在毫米波频段具有良好 性能,是该频段 主流集成电路工艺。另 方面,近 几年来硅基（CMOS、SiGe等）毫米波亚毫米波集成电路也取得了巨大进展。此外,基于氮化镓（GaN）工艺 大功率高频器件也迅速拓展至毫米波频段。下面将分别进行介绍。
利用毫米波穿透性、安全性等优点,毫米波成像可有效地对被检测物体进行成像,在国家安全、机场安检、大气遥感等方面得到了广泛 研究,根据成像机理分为被动式成像和主动式成像。毫米波被动式成像是通过探测被测物自身 辐射能量,并分辨不同物质辐射强度 差异来实现成像。被动式成像从机理上看是 种安全 成像方式,不会对环境造成电磁干扰,但对信号本身 强度以及接收机 灵敏度要求较高。国内外对毫米波被动式成像技术已开展了大量 研究。
卫星通信覆盖范围广,是保障偏远地区和海上通信以及应急通信 重要手段,目前其工作频段部分集中在 S、 Ku及Ka波段。随着卫星通信研究 不断深入,已在尝试更高频段。因为毫米波频段可以提供更宽 带宽,因而可实现更高 通信速率。此外,低功耗、小体积、抗干扰以及较高 空间分辨率都是其值得利用 特点。目前卫星与地面通信 部分研究方向集中在两个大气衰减较小 窗口,Q频段和W频段,而 零GHz频段被认为是实现星间通信 重要频段。
国内东南大学提出了工作在 GHz频段 超高速近远程无线传输质量（Q-LINKPAN）,其短距部分已成为IEEE 零 . aj全世界质量。 GHz频段 大气衰减小于 dB/km,因此不仅可以像 零GHz频段 样实现高速短距传输,同时也适用于远距传输。目前实验系统在 m 传输距离上已实现 Gbps 传输速率,并研制了相应 支持Gbps传输 毫米波芯片。
在毫米波亚毫米波硅基集成电路方面我国大陆起步稍晚,但在国家 计划、 计划和自然科学基金等 支持下,已快速开展研究并取得进展。东南大学毫米波国家重点实验室基于 零nmCMOS工艺成功设计了Q、V和W频段放大器、混频器、VCO等器件和W波段接收机、Q波段多通道收发信机等,以及到 零零GHz CMOS倍频器和到 零GHz SiGe振荡器等。
在短距高速通信系统中, 零GHz频段得到了广泛地研究和应用。欧洲、美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚以及我国陆续开启了这 频段 免费频谱资源。 零GHz频段处于大气衰减峰,虽然不适合远距通信,但可用于短距离传输,且不会对周围造成太多干扰。近年来,在 零GHz频段已发展了高速Gbps通信、WirelessH WiGig、近场通讯、IEEE 零 . ad、IEEE 零 . . c等各种系统与质量。
在移动通信方面,探索了毫米波移动通信系统场景、网络结构及空中接口。在目前开展 第 代移动通信（ G）研究中,几个毫米波频段已经成为 G候选频段。毫米波技术将会在 G 发展中起着举足轻重 作用。
微波毫米波汽车防撞雷达部分集中在 GHz和 GHz频段上,是未来智能驾驶或自动驾驶 核心技术之 。在直升机毫米波防撞雷达 研究上,人们特别关注毫米波雷达对电力线等 探测效果。
此外,毫米波光载无线通信（RoF）系统也得到了迅速 发展。光纤具有成本低、信道带宽大、损耗小、抗干扰能力强等优点,成为现代通信系统中不可或缺 部分。正如上文提到 ,毫米波具有传输容量大、体积小等优点,但也有空间传输损耗大等缺点。毫米波RoF系统结合了毫米波和光纤通信 优点,是实现宽带毫米波通信远距离传输 有效手段。自从 零年光载无线通信 概念被提出之后,这个领域目前在毫米波频段成为了研究热点,很多研究小组在不同 毫米波频段进行了研究,比如 零GHz、 - 零GHz、 零GHz、 零GHz、 零GHz等。
毫米波
毫米波主动式成像部分是通过毫米波源发射 定强度 毫米波信号,通过接收被测物 反射波,检测被测目标与环境 差异,然后进行反演成像。主动式成像系统可以对包括塑料等非金属物体进行检测,其受环境影响较小,获得 信息量大,可以有效地进行 维成像。常用 主动式成像系统部分包括焦平面成像以及合成孔径成像。毫米波成像系统已应用于国内外许多机场 安检。国内上海微系统所孙晓玮团队研发成功了毫米波成像安检系统,电子科技大学樊勇团队研制成功了毫米波动态成像系统。
毫米波在大气遥感方面也有很重要 应用,其中代表性 有毫米波云雷达。毫米波云雷达部分针对降水云进行探测,,用于探测云内部宏观和微观参数,,反映大气热力及动力过程。由于毫米波波长短,在云探测中表现出很高 测量精度和分辨率,具有穿透含水较多 厚云层等优势。南京信息工程大学葛俊祥团队研制了W波段云雷达,北京理工大学吕昕团队正在研制 / 零GHz双频段云雷达。
毫米波技术方面,结合目前 些热门 毫米波频段 系统应用,如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷达等,对毫米波芯片发展做了重点介绍。
毫米波集成电路具有体积小、成本低等很多优点,但功率受限。为了获得更高 输出功率,可以采用电真空器件,如加拿大CPI企业研制 速调管（Klystron）在W波段上获得了超过 零零零W 脉冲输出功率,北京真空电子研究所研制 行波管（TWT）放大器在W波段 脉冲输出功率超过了 零零W,电子科技大学在W波段上也成功设计了TWT功率放大器,国内科学院合肥物质科学研究院研制 迴旋管（Gyrotron）在 零GHz上获得了零. MW 脉冲输出功率,与国外水平相当。
毫米波雷达具有频带宽、波长短、波束窄、体积小、功耗低和穿透性强等特点。相比于激光红外探测,其穿透性强 特点可以保证雷达能够工作在雾雨雪以及沙尘环境中,受天气 影响较小。相比于微波波段 雷达,利用毫米波波长短 特点可以有效减小系统体积和重量,并提高分辨率。这些特点使得毫米波雷达在汽车防撞、直升机避障、云探测、导弹导引等方面具有重要 应用。
由于硅工艺在成本和集成度方面 巨大优势,硅基毫米波亚毫米波集成电路 研究已成为当前 研究热点之 。美国佛罗里达大学设计了 零GHzCMOS振荡器,加拿大多伦多大学研制了基于SiGeHBT工艺 零GHz放大器、 零GHz混频器和基于CMOS工艺 零GHz变频器,美国加州大学圣芭芭拉分校等基于CMOS工艺研制了 零GHz放大器等,美国康奈尔大学基于CMOS工艺研制了 零GHz倍频器。在系统集成方面,加拿大多伦多大学设计了 零GHzCMOS接收机芯片和 GHzSiGe 片上收发系统,美国加州大学柏克莱分校首次将 零GHz频段硅基模拟收发电路与数字基带处理电路集成在 块CMOS芯片上,新加坡微电子研究院也实现了包括在片天线 零GHzCMOS收发信机芯片,美国加州大学洛杉矶分校报道了零. THz 频率综合器,德国乌帕塔尔综合大学研制了 零GHz硅基SiGe有源成像系统,加州大学伯克利分校采用SiGe工艺成功研制了 零GHz 雷达系统。日本NICT等基于CMOS工艺实现了 零零GHz 收发芯片并实现了超过 零Gbps 传输速率,但由于没有功率放大和低噪声电路,其传输距离非常短。通过采用硅基技术,包含数字电路在内 所有电路均可集成在单 芯片上,因此有望大幅度降低毫米波通信系统 成本。
目前, GHz以下 黄金通信频段,已经很难得到较宽 连续频谱,严重制约了通信产业 发展。
相比之下,桥检车租赁快讯网编辑部获悉,毫米波频段却仍有大量潜在 未被充分利用 频谱资源。因此,毫米波成为第 代移动通信 研究热点。之前年在WRC之前大会上确定了第 代移动通信研究备选频段， . - . GHz、 - 零. GHz、 . - . GHz、 . - GHz、 . - 零. GHz、 零. - . GHz、 - GHz和 - GHz,其中 . - . GHz、 零. - . GHz和 - . GHz在满足特定使用条件下允许作为增选频段。各种毫米波 器件、芯片以及应用都在如火如荼 开发着。相对于微波频段,毫米波有其自身 特点。首先,毫米波具有更短 工作波长,可以有效减小器件及系统 尺寸;_其次,毫米波有着丰富 频谱资源,可以胜任未来超高速通信 需求。此外,由于波长短,毫米波用在雷达、成像等方面有着更高 分辨率。到目前为止,桥检车租赁快讯网昨日这个消息,人们对毫米波已开展了大量 研究,各种毫米波系统已得到广泛 应用。随着第 代移动通信、汽车自动驾驶、安检等民用技术 快速发展,毫米波将被广泛应用于人们日常生活 方方面面。
硅基工艺传统上以数字电路应用为主。随着深亚微米和纳米工艺 不断发展,硅基工艺特征尺寸不断减小,栅长 缩短弥补了电子迁移率 不足,从而使得晶体管 截止频率和新大振荡频率不断提高,这使得硅工艺在毫米波甚至太赫兹频段 应用成为可能。全世界半导体蓝图协会（InternaTIonalTechnologyRoadmapforSemiconductors）预测到 零 零年CMOS工艺 特征尺寸将减小到 nm,而截止频率ft将超过 零零GHz.德国IHP研究所 SiGe工艺晶体管 截止频率ft和新大振荡频率fmax都已经分别达到了 零零GHz和 零零GHz,相应 硅基工艺电路工作频率可扩展到 零零GHz以上。
近 几年来,GaAs和InP工艺和器件得到了长足 进步。基于该类工艺 毫米波器件类型部分有高电子迁移率晶体管（HEMT）、改性高电子迁移率晶体管（mHEMT）和异质结双极性晶体管（HBT）等。目前GaAs、mHEMT、InP、HEMT和InPHBT 截止频率（ft）均超过 零零GHz,新大振荡频率（fmax）均超过 THz.之前年美国NorthropGrumman企业报道了工作于零. THz InPHEMT放大器, 零 年美国Te发光 极管yne企业与加州理工大学喷气推进实验室报道了工作至零. THz InPHBT放大器,过往和 零 年德国弗朗霍夫应用固体物理研究所报道了工作频率超过零. THz mHEMT放大器。
近年来,毫米波器件性能 不断提高,成本 不断降低,有力促进了毫米波在各个领域 应用。目前基于毫米波频段 应用部分体现在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷达等方面。
除了民用,毫米波雷达在军事方面也有着非常重要 应用,比如在精确制导武器中,桥检车租赁快讯网该消息,毫米波雷达导引是 项核心技术,是全天候实施目标精确打击 种有效手段。
随着无线通信技术 飞速发展, GHz以下黄金通信频段 频谱已经非常拥挤,很难满足未来无线高速通信 需求。然而,与此相反 是,在毫米波频段,频谱资源丰富但仍然没有得到充分 开发利用。
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