電子信息導論 第九章 微波技術及微波集成電路

1、第九章 微波技術與微波集成電路電子信息技術導論電子信息技術導論編制編制 黃載祿黃載祿第九章第九章 微波技術微波技術 與微波集成電路與微波集成電路提綱提綱一、一、 概述概述二、二、 微波元器件微波元器件三、三、 微波天線微波天線四、四、 平面微波電路平面微波電路五、五、 微波電路與系統(tǒng)設計工具簡介微波電路與系統(tǒng)設計工具簡介六、六、 我國微波集成電路狀況我國微波集成電路狀況一、概述一、概述（一）（一） 微波的特性微波的特性2似聲性：似聲性：傳傳送微波的波送微波的波導類似于聲導類似于聲學中的傳聲學中的傳聲筒；發(fā)射微筒；發(fā)射微波的喇叭天波的喇叭天線和縫隙天線和縫隙天線類似于樂線類似于樂器中的喇叭、器中

2、的喇叭、簫和笛；微簫和笛；微波諧振腔類波諧振腔類似于聲音共似于聲音共鳴箱等。鳴箱等。3穿透性：穿透性：微微波能深入到某波能深入到某些物體內(nèi)部或些物體內(nèi)部或者穿透物體，者穿透物體，這和可見光不這和可見光不同，和某些射同，和某些射線相同（微波線相同（微波可以透過塑料、可以透過塑料、木板、植被、木板、植被、積雪和地表層積雪和地表層等，其穿透能等，其穿透能力與波長有力與波長有關）。關）。4共渡性：共渡性：電電子在真空管子在真空管內(nèi)的渡越時內(nèi)的渡越時間（間（1010-9-9秒左秒左右）與微波右）與微波的振蕩周期的振蕩周期相當，相當， 因而因而控制電子的控制電子的渡越時間，渡越時間，可使電子能可使電子能量

3、轉(zhuǎn)換成微量轉(zhuǎn)換成微波能量。波能量。6微波參數(shù)可微波參數(shù)可控性控性：微波：微波信號的頻率、信號的頻率、相位等能夠相位等能夠控制。利用控制。利用這一特性可這一特性可讓微波信號讓微波信號承載大量的承載大量的信息。信息。5非電離性：非電離性：微波在穿微波在穿透物體時透物體時不會改變不會改變物質(zhì)分子物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞構(gòu)或破壞分子的化分子的化學鍵。學鍵。1似光性：似光性：微微波的傳播特波的傳播特性和幾何光性和幾何光學相似，能學相似，能像光線一樣像光線一樣直線傳播；直線傳播；當照射到地當照射到地球上的一般球上的一般物體上時，物體上時，會產(chǎn)生反射、會產(chǎn)生反射、折射。折射。微波的特性微波的特性（二

4、）微波技術的發(fā)展與應用二）微波技術的發(fā)展與應用一、概述一、概述微波成為一門獨立的科學技術，開始于微波成為一門獨立的科學技術，開始于20世紀世紀30年代，成熟于第二次世界大戰(zhàn)年代，成熟于第二次世界大戰(zhàn)之后之后60、70年代。年代。 1 1，微波電路的發(fā)展歷程微波電路的發(fā)展歷程由波導傳輸線由波導傳輸線及器件、諧振及器件、諧振腔和微波電子腔和微波電子管（包括速調(diào)管（包括速調(diào)管、行波管、管、行波管、磁控管、返波磁控管、返波管、回旋管、管、回旋管、虛陰極振蕩器虛陰極振蕩器等）等組成。等）等組成。20世紀世紀40年代年代分立微波電路分立微波電路由微帶元件、集由微帶元件、集總元件、微波固總元件、微波固態(tài)器件

5、等無源微態(tài)器件等無源微波器件和有源微波器件和有源微波元件，利用擴波元件，利用擴散、外延、沉積、散、外延、沉積、蝕刻等制造技術蝕刻等制造技術制作在一塊半導制作在一塊半導體基片上的微波體基片上的微波混合集成電路。混合集成電路。60年代初年代初微波混合集成電路微波混合集成電路70年代年代單片微波集成電路單片微波集成電路單片微波集成電單片微波集成電路（路（MMIC）比混）比混合微波電路合微波電路HMIC體積更小、壽命體積更小、壽命更長、可靠性高、更長、可靠性高、噪聲低、功耗小、噪聲低、功耗小、工作的極限頻率工作的極限頻率更高，是當前微更高，是當前微波電路發(fā)展的主波電路發(fā)展的主要潮流。要潮流。一、概述一

6、、概述 2 2，微波技術的主要應用微波技術的主要應用雷達雷達通信通信導航導航大地大地測量測量氣象氣象微波技術微波技術應用應用射電射電天文天文工業(yè)工業(yè)檢測檢測醫(yī)療醫(yī)療遙感遙感通信、雷達是應用最廣的領域。通信、雷達是應用最廣的領域。二、二、 微波元器件微波元器件（一）分立微波元器件分立微波元器件 1 1，無源器件，無源器件20世紀世紀6070年代，主要采用由銅或年代，主要采用由銅或者鋁制作的方形波導、圓形波導。者鋁制作的方形波導、圓形波導。環(huán)形隔離器環(huán)形隔離器（用于收、發(fā)用于收、發(fā)兩方向信號隔離）兩方向信號隔離）雙脊波導可調(diào)衰減器移相器可調(diào)衰減器二、二、 微波元器件微波元器件 2 2，有源器件，有

7、源器件微波電真空器件微波電真空器件行波管放大器行波管放大器磁控管磁控管微波晶體管微波晶體管二、二、 微波元器件微波元器件（一）分立微波元器件分立微波元器件 3 3，波導中的電磁波，波導中的電磁波電磁波能量在波導內(nèi)以一定的電磁波能量在波導內(nèi)以一定的“模式模式”傳輸，波導尺寸與模式有關。傳輸，波導尺寸與模式有關。矩型諧振腔中電力線、磁力線分布示意矩型諧振腔中電力線、磁力線分布示意波導外面沒有電磁波。波導外面沒有電磁波。二、二、 微波元器件微波元器件（二）微帶元器件（二）微帶元器件1 1，原理，原理帶狀傳輸線帶狀傳輸線（雙傳輸線）（雙傳輸線）微帶傳輸線微帶傳輸線（單傳輸線）（單傳輸線）微帶線基本結(jié)構(gòu)

8、型式有兩種：微帶傳輸線和帶狀傳輸線。微帶線基本結(jié)構(gòu)型式有兩種：微帶傳輸線和帶狀傳輸線。微帶線是單接地板固體介質(zhì)傳輸線，帶狀線是雙接地板空微帶線是單接地板固體介質(zhì)傳輸線，帶狀線是雙接地板空氣或固體介質(zhì)傳輸線。氣或固體介質(zhì)傳輸線。二、二、 微波元器件微波元器件（二）微帶元器件（二）微帶元器件2 2，器件，器件微帶線匹配的微帶線匹配的50M50M功率放功率放大器大器30GHz30GHz微帶毫米波耦合電路微帶毫米波耦合電路印制電路板上微帶線印制電路板上微帶線二、二、 微波元器件微波元器件利用微帶線理論可以設計微波帶通濾波器；根據(jù)基片厚度、介質(zhì)厚度、利用微帶線理論可以設計微波帶通濾波器；根據(jù)基片厚度、介

9、質(zhì)厚度、介電常數(shù)等參數(shù)設計好結(jié)構(gòu)樣圖后，利用擴散、外延、沉積、蝕刻等介電常數(shù)等參數(shù)設計好結(jié)構(gòu)樣圖后，利用擴散、外延、沉積、蝕刻等工藝制造。工藝制造。從從9090年代開始，微帶電路已開始在年代開始，微帶電路已開始在3mm3mm波段用在微波集成電路中，至今波段用在微波集成電路中，至今已進入已進入1mm1mm波段。微帶集成的毫米波子系統(tǒng)和系統(tǒng)已經(jīng)大量用子實際工波段。微帶集成的毫米波子系統(tǒng)和系統(tǒng)已經(jīng)大量用子實際工程。程。由于所用材料、工藝都不同于半導體集成電路，因而不能將微波集成由于所用材料、工藝都不同于半導體集成電路，因而不能將微波集成電路和半導體集成電路等同。電路和半導體集成電路等同。微帶電路是微

10、波電路集成化、固態(tài)化、小微帶電路是微波電路集成化、固態(tài)化、小型化的基礎。其理論、設計與制造是當前型化的基礎。其理論、設計與制造是當前我國的弱項，它關系國防現(xiàn)代化。我國的弱項，它關系國防現(xiàn)代化。三、三、 微波天線微波天線（一）微波拋物面天線（一）微波拋物面天線多種形式的拋物面天線多種形式的拋物面天線（二）微波縫隙天線（二）微波縫隙天線三、三、 微波天線微波天線原理圖原理圖雷達平板縫隙天線實物實物三、三、 微波天線微波天線（二）微波縫隙天線（二）微波縫隙天線縫隙天線應用縫隙天線應用飛機飛機高速艦艇高速艦艇導彈導彈飛船飛船雷達雷達縫隙天線縫隙天線應用應用縫隙天線外有保護層，不易發(fā)現(xiàn)?？p隙天線外有保護

11、層，不易發(fā)現(xiàn)。三、三、 微波天線微波天線（三）微帶天線（三）微帶天線微帶天線可用于微帶天線可用于1 150GHz50GHz。主要優(yōu)點：剖面薄、體積小、。主要優(yōu)點：剖面薄、體積小、重量輕、易于結(jié)構(gòu)造型、易集成、成本低和容易制作等。重量輕、易于結(jié)構(gòu)造型、易集成、成本低和容易制作等。四、四、 平面微波電路平面微波電路（一）混合微波集成電路混合微波集成電路微波混合集成電路有：微帶混頻器、微波低噪聲放大器、功率放大器、微波混合集成電路有：微帶混頻器、微波低噪聲放大器、功率放大器、倍頻器、相控陣單元等各種寬帶微波電路。倍頻器、相控陣單元等各種寬帶微波電路。實物圖實物圖四、四、 平面微波電路平面微波電路混合

12、微波集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)混合微波集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)四、四、 平面微波電路平面微波電路 小結(jié) 與分立微波元件相比，混合微波與分立微波元件相比，混合微波集成電路可以大大減小微波器件的體集成電路可以大大減小微波器件的體積。但由混合微波集成電路構(gòu)成的設積。但由混合微波集成電路構(gòu)成的設備仍大，各單元間的連接嚴重影響了備仍大，各單元間的連接嚴重影響了設備的可靠性。隨著集成電路的工作設備的可靠性。隨著集成電路的工作頻率不斷向微波高端延伸，對單片微頻率不斷向微波高端延伸，對單片微波集成電路的需求日益迫切。波集成電路的需求日益迫切。（二）單片微波集成電路（二）單片微波集成電路四、四、 平面微波電路平面微波電路 MMI

13、CMMIC的制作過程與一般半導體的制作過程與一般半導體ICIC有相似之處，需經(jīng)過版圖設計、制作、有相似之處，需經(jīng)過版圖設計、制作、測試與封裝等階段。但測試與封裝等階段。但MMICMMIC的設計、制作工藝和封裝都與一般半導體的設計、制作工藝和封裝都與一般半導體ICIC不同。不同。 1.MMIC 1.MMIC的版圖的版圖811GHZ功率放大級芯片版圖功率放大級芯片版圖激勵放大器芯片布線激勵放大器芯片布線功率功率控制控制電路電路芯片芯片布線布線四、四、 平面微波電路平面微波電路（二）單片微波集成電路（二）單片微波集成電路 2.MMIC 2.MMIC的版圖設計的版圖設計 以以VirtuosoVirtu

14、oso模擬模擬/ /數(shù)字混合射頻仿真軟件為例，進行版圖設計。數(shù)字混合射頻仿真軟件為例，進行版圖設計。 第一步，根據(jù)設備指標需求，擬定系統(tǒng)組成框圖（以第一步，根據(jù)設備指標需求，擬定系統(tǒng)組成框圖（以5.25GHz 5.25GHz 典型高典型高頻收發(fā)系統(tǒng)為例）給出各單元電路的性能指標及各單元的電原理圖。頻收發(fā)系統(tǒng)為例）給出各單元電路的性能指標及各單元的電原理圖。第二步，射頻收發(fā)系統(tǒng)的整體電路仿真第二步，射頻收發(fā)系統(tǒng)的整體電路仿真系統(tǒng)電路布局系統(tǒng)電路布局 系統(tǒng)芯片測試點設置系統(tǒng)芯片測試點設置把所有模塊連成系統(tǒng)，加上襯墊、靜電保護等構(gòu)成一個完整的芯片系統(tǒng)。把所有模塊連成系統(tǒng)，加上襯墊、靜電保護等構(gòu)成一個

15、完整的芯片系統(tǒng)。設置測試點，對這個系統(tǒng)加上激勵信號，觀察輸出，進行仿真測試。設置測試點，對這個系統(tǒng)加上激勵信號，觀察輸出，進行仿真測試。四、四、 平面微波電路平面微波電路第三步，輸出版圖，并進行后仿真第三步，輸出版圖，并進行后仿真單單片片射射頻頻收收發(fā)發(fā)芯芯片片版版圖圖后仿真包括：全面測試系后仿真包括：全面測試系統(tǒng)性能、干擾、穩(wěn)定性等。統(tǒng)性能、干擾、穩(wěn)定性等。觀察各項指標是否符合預觀察各項指標是否符合預定要求。后仿真是系統(tǒng)級定要求。后仿真是系統(tǒng)級在各項指標符合要求后，在各項指標符合要求后，可進行下一步生產(chǎn)版圖的可進行下一步生產(chǎn)版圖的設計。通常生產(chǎn)版圖是由設計。通常生產(chǎn)版圖是由生產(chǎn)廠完成。生產(chǎn)廠

16、完成。版圖設計（電路仿真）是一個反復進行的過程，其中版圖設計（電路仿真）是一個反復進行的過程，其中包括修改單元電路方案、調(diào)整元件參數(shù)、版圖布局等，包括修改單元電路方案、調(diào)整元件參數(shù)、版圖布局等，最終才能達到系統(tǒng)的整體優(yōu)化。最終才能達到系統(tǒng)的整體優(yōu)化。四、四、 平面微波電路平面微波電路 小結(jié)小結(jié) 微波電路的設計仿真軟件是電子信微波電路的設計仿真軟件是電子信息系統(tǒng)、器件或單元電路模塊設計廣泛息系統(tǒng)、器件或單元電路模塊設計廣泛采用的工具，這不僅可大大提高了設計采用的工具，這不僅可大大提高了設計效率、質(zhì)量，同時也是技術工作方式的效率、質(zhì)量，同時也是技術工作方式的變革：懂得系統(tǒng)原理，具有實際知識，變革：

17、懂得系統(tǒng)原理，具有實際知識，會使用仿真軟件，就可以設計出系統(tǒng)。會使用仿真軟件，就可以設計出系統(tǒng)。了解電路設計工程實際中的這一狀況，了解電路設計工程實際中的這一狀況，應有助于大學專業(yè)課程的學習與能力培應有助于大學專業(yè)課程的學習與能力培養(yǎng)。養(yǎng)。四、四、 平面微波電路平面微波電路四、四、 平面微波電路平面微波電路（三）微波集成電路的封裝（三）微波集成電路的封裝 封裝技術是實現(xiàn)微波器件小型化的重要手段。采用多芯片組件（封裝技術是實現(xiàn)微波器件小型化的重要手段。采用多芯片組件（MCMMCMMulti-Chip ModuleMulti-Chip Module），可以省去），可以省去MMICMMIC之間的高頻

18、接頭，進一步實現(xiàn)小型化。之間的高頻接頭，進一步實現(xiàn)小型化。多芯片組裝是一項激動人心的微電子技術，該技術對電子信息產(chǎn)品發(fā)展的多芯片組裝是一項激動人心的微電子技術，該技術對電子信息產(chǎn)品發(fā)展的影響無法估量。影響無法估量。 MCM MCM用于微波組件封裝具有特別的重要性和技術難度。近年發(fā)展了一種用于微波組件封裝具有特別的重要性和技術難度。近年發(fā)展了一種低溫共燒陶瓷（低溫共燒陶瓷（LTCC,Low Temperature Co-fired CeramicsLTCC,Low Temperature Co-fired Ceramics）的三維微波）的三維微波多層結(jié)構(gòu)組件技術，它通過微波傳輸線（如微帶線、帶狀

19、線、共面波導）、多層結(jié)構(gòu)組件技術，它通過微波傳輸線（如微帶線、帶狀線、共面波導）、邏輯控制線和電源線的混合信號設計，將單片微波集成電路邏輯控制線和電源線的混合信號設計，將單片微波集成電路MMICMMIC芯片與收芯片與收/ /發(fā)模塊組合在同一個三維微波多層結(jié)構(gòu)組件中。發(fā)模塊組合在同一個三維微波多層結(jié)構(gòu)組件中。MMICMMIC芯片組件芯片組件LTCCLTCC封裝結(jié)構(gòu)示意封裝結(jié)構(gòu)示意MMICMMIC芯片組件封裝結(jié)構(gòu)示意芯片組件封裝結(jié)構(gòu)示意MCMMCM封裝技術可實現(xiàn)微波組件的三維結(jié)構(gòu)，縮小了體積，提高了設備可靠性。封裝技術可實現(xiàn)微波組件的三維結(jié)構(gòu)，縮小了體積，提高了設備可靠性。該技術已從軍用向民用擴展

20、，如汽車雷達（該技術已從軍用向民用擴展，如汽車雷達（767677GHz77GHz的的MMICMMIC模塊）巡航控制、模塊）巡航控制、無線局域網(wǎng)收無線局域網(wǎng)收/ /發(fā)模塊、通信網(wǎng)絡組件、藍牙收發(fā)模塊、通信網(wǎng)絡組件、藍牙收/ /發(fā)模塊和天線開關模塊、手機發(fā)模塊和天線開關模塊、手機等設備中。它有廣闊市場。等設備中。它有廣闊市場。四、四、 平面微波電路平面微波電路五、五、 微波電路與系統(tǒng)微波電路與系統(tǒng) 設計工具簡介設計工具簡介傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能滿足微傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能滿足微波電路設計的需要波電路設計的需要, ,使用微波使用微波EDA EDA （Electronic Design Electro

21、nic Design AutomationAutomation）軟件工具進行微波）軟件工具進行微波元器件與微波系統(tǒng)的設計已經(jīng)成元器件與微波系統(tǒng)的設計已經(jīng)成為微波電路設計的必然趨勢。為微波電路設計的必然趨勢。 （一）微波電路設計的發(fā)展趨勢（一）微波電路設計的發(fā)展趨勢電路的尺寸電路的尺寸要求越做越小要求越做越小電路的功能電路的功能越來越多越來越多對電路的指標對電路的指標要求越來越高要求越來越高系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計越來越復雜越來越復雜設計周期設計周期越來越短越來越短微波微波EDAEDA工具是電磁場理論數(shù)學方程求解的計算機程序化。工具是電磁場理論數(shù)學方程求解的計算機程序化。學好學好“高等數(shù)學高等數(shù)學”

22、將有助于從事創(chuàng)新設計軟件工具開發(fā)。將有助于從事創(chuàng)新設計軟件工具開發(fā)。五、五、 微波電路與系統(tǒng)微波電路與系統(tǒng) 設計工具簡介設計工具簡介 （二）微波電路與系統(tǒng)設計的仿真軟件（二）微波電路與系統(tǒng)設計的仿真軟件1 1，基于矩量法的微波仿真軟件基于矩量法的微波仿真軟件ADS仿真軟件仿真軟件Sonnet仿真軟件仿真軟件 Zeland IE3D仿真軟件仿真軟件Microwave Office 軟件軟件Ansys公司的公司的FEKO 軟件軟件nsoft Designer2 2，基于時域有限差分法的微波仿真軟件基于時域有限差分法的微波仿真軟件Zeland FIDELITY 仿真軟件仿真軟件IMST Empire

23、 仿真軟件仿真軟件 XFDTD 仿真軟件仿真軟件3 3，其它，其它微波仿真軟件微波仿真軟件Ansoft HFSS有限元的微波仿真軟件有限元的微波仿真軟件時域積分法（時域積分法（FITD）仿真軟件）仿真軟件模擬模擬/數(shù)字混合射頻仿真軟件（數(shù)字混合射頻仿真軟件（Virtuoso ）仿真軟件眾多，仿真軟件眾多，這是當前電子這是當前電子系統(tǒng)工程師的系統(tǒng)工程師的最重要的設計最重要的設計工具之一。各工具之一。各軟件工具都各軟件工具都各具特色，只有具特色，只有在要應用時才在要應用時才需要去詳細熟需要去詳細熟悉、掌握。悉、掌握。六、六、 我國微波集成電路我國微波集成電路 狀況狀況 MCM MCM技術有二維和三

24、維。國外二維技術有二維和三維。國外二維MCMMCM技術己成熟，三維技術己成熟，三維MCMMCM系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成技術在高速發(fā)展。目前，國外三維技術在高速發(fā)展。目前，國外三維MCMMCM技術主要應用于航天、航空、軍技術主要應用于航天、航空、軍事和大型計算機等領域。事和大型計算機等領域。 目前我國微波集成電路的發(fā)展水平和國外有較大差距，微波薄膜電目前我國微波集成電路的發(fā)展水平和國外有較大差距，微波薄膜電路完全依賴進口，如涉及敏感頻段（如毫米波）往往設置了種種限制，路完全依賴進口，如涉及敏感頻段（如毫米波）往往設置了種種限制，已成為制約我國微波產(chǎn)業(yè)技術水平提升的瓶頸。已成為制約我國微波產(chǎn)業(yè)技術水平提升的瓶頸。 其差距主要表現(xiàn)在：一是單片微波集成電路（其差距主要表現(xiàn)在：一是單片微波