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一文读懂毫米波技术与毫米波芯片
- 发布日期：2024-11-19 07:22 点击次数：81 毫米波通信、毫米波雷达和其他与毫米波相关的概念正在我们的日常生活中迅速出现，但并不是每个人都知道毫米波技术。 为了最大限度地普及毫米波相关概念，本文将对毫米波技术和毫米波芯片进行阐述，以提高人们对毫米波的认知深度。以下是正文部分 由于毫米波器件的高成本，它们以前主要用于军事。 然而，随着高速宽带无线通信、汽车驾驶辅助、安检、医疗检测等应用领域的快速发展，毫米波近年来也在民用领域得到了广泛的研究和应用。 目前，在6 GHz以下的黄金通信频段很难获得宽的连续频谱，严重制约了通信行业的发展。 相比之下，毫米波频段仍有大量潜在的未充分利用的频谱资源。 因此，毫米波已经成为第五代移动通信的研究热点。 在2015年的WRC2015会议上，确定了第五代移动通信研究的替代频带:24.25-27.5 GHz、37-40.5 GHz、42.5-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-50.2 GHz、50.4-52.6 GHz、66-76 GHz和81-86 GHz。其中，31.8-33.4 GHz、40.5-42.5 GHz和47-47.2 GHz允许在特定使用条件下共同选择频带。 各种毫米波器件、芯片和应用正在全面展开。 与微波波段相比，毫米波有其自身的特点。 首先，毫米波具有较短的工作波长，这可以有效地减小器件和系统的尺寸。其次，毫米波具有丰富的频谱资源，能够满足未来超高速通信的需求。 此外，由于波长的原因，毫米波在雷达、成像等方面具有更高的分辨率。 迄今为止，人们对毫米波进行了大量的研究，各种毫米波系统得到了广泛的应用。 随着第五代移动通信、自动驾驶、安检等民用技术的飞速发展，毫米波将广泛应用于人们日常生活的各个方面。
毫米波技术，结合一些流行的毫米波频段系统应用，如毫米波通信、毫米波成像和毫米波雷达等。着重介绍毫米波芯片的发展。 1、毫米波芯片传统毫米波单片集成电路主要采用化合物半导体工艺，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。它们在毫米波频段具有良好的性能，是该频段的主流集成电路工艺。 另一方面，硅基(互补金属氧化物半导体、硅锗等)。)近十年来，毫米波亚毫米波集成电路也取得了很大进展。 此外，基于氮化镓(GaN)技术的大功率高频器件也迅速扩展到毫米波频段。 以下将分别介绍 1.1 GaAs和InP毫米波芯片近十年来，GaAs和InP工艺和器件取得了很大进展。 基于这种技术的毫米波器件主要包括高电子迁移率晶体管(HEMT)、改进型高电子迁移率晶体管(mHEMT)和异质结双极晶体管(HBT) 目前，GaAs、mhmt、磷化铟、HEMT和磷化铟HBT的截止频率均超过500千兆赫，最大振荡频率均超过1太赫兹。美国诺斯罗普·格鲁门公司报告说，在HEMT，放大器的工作频率为0.851赫兹。2015.2013年，Teledyne公司和加州理工学院喷气推进实验室报告说，InP HBT放大器的工作频率为0.67太赫兹，2012年和2014年，德国弗劳恩霍夫应用固态物理研究所报告说，mHEMT放大器的工作频率高于0.6太赫兹。 1.2 GaN毫米波芯片GaN作为第三代宽带隙化合物半导体，具有带隙大、电子迁移率高和击穿场强高等优点。该装置的功率密度是GaAs的5倍以上， 亿配芯城 可以显著提高输出功率，降低体积和成本。 随着20世纪90年代氮化镓材料制备技术的逐渐成熟，氮化镓器件和电路已经成为化合物半导体电路发展领域的热点。美国、日本、欧洲等国家已经将氮化镓作为微波毫米波器件和电路的发展重点。 在过去的十年中，低成本的氮化镓衬底材料碳化硅逐渐成熟。其晶格结构与氮化镓相匹配，具有良好的热导率，极大地促进了氮化镓器件和电路的发展。 近年来，氮化镓功率器件在毫米波领域发展迅速。日本Eudyna公司报告了栅极长度为0.15米、30千兆赫时功率输出密度为13.7瓦/毫米的器件。美国的HRL报告了一些基于氮化镓的电子波段、微波波段和微波波段器件，在微波波段功率密度超过2 W/mm。在180千兆赫时，功率密度达到296毫瓦/毫米。微波波段的氮化镓功率器件在我国已经基本成熟，微波波段的氮化镓功率器件也取得了进展。 南京电子器件研究所研制的Ka波段氮化镓功率MMIC脉冲输出功率为15W，附加效率为30%，在3436千兆赫波段功率增益超过20 dB。 1.3硅基毫米波芯片硅基技术传统上基于数字电路应用 随着深亚微米和纳米技术的不断发展，硅基技术的特征尺寸不断减小，栅极长度的减小弥补了电子迁移率的不足，从而提高了晶体管的截止频率和最大振荡频率，使得硅技术在毫米波甚至太赫兹频段的应用成为可能。 国际半导体技术路线图预测，到2030年，CMOS工艺的特征尺寸将减少到5纳米。截止频率英尺将超过700千兆赫..德国IHP研究所硅锗工艺晶体管的截止频率ft和最大振荡频率fmax分别达到了300千兆赫和500千兆赫，相应硅基工艺电路的工作频率可以扩展到200千兆赫以上。 由于硅技术在成本和集成度方面的巨大优势，硅基毫米波亚毫米波集成电路的研究已经成为当前的研究热点之一。 佛罗里达大学设计了410千兆赫的互补金属氧化物半导体振荡器，多伦多大学开发了基于硅锗HBT工艺的170千兆赫放大器，基于互补金属氧化物半导体工艺的160千兆赫混频器和140千兆赫变频器，圣巴巴拉加州大学开发了基于互补金属氧化物半导体工艺的150千兆赫放大器，康奈尔大学开发了基于互补金属氧化物半导体工艺的480千兆赫倍频器 在系统集成方面，加拿大多伦多大学设计了一个140千兆赫的互补金属氧化物半导体接收器芯片和一个165千兆赫的硅锗片上收发器系统。加州大学伯克利分校首次在一个互补金属氧化物半导体芯片上集成了一个60千兆赫波段硅基模拟收发器电路和一个数字基带处理电路。新加坡微电子研究所还实现了一个60千兆赫的互补金属氧化物半导体收发器芯片，包括一个片内天线。洛杉矶加利福尼亚大学报道了一种0.54太赫兹频率合成器。德国乌卢帕塔尔大学开发了一种820千兆赫硅锗有源成像系统。加州大学伯克利分校利用硅锗技术成功开发了380千兆赫雷达系统。 日本的NICT和其他国家已经实现了基于互补金属氧化物半导体技术的300千兆赫收发器芯片，传输速率超过10千兆比特。然而，由于没有功率放大和低噪声电路，传输距离非常短。 通过采用硅基技术，包括数字电路在内的所有电路都可以集成在一个芯片上，因此有望大大降低毫米波通信系统的成本。 中国大陆在毫米波亚毫米波硅基集成电路方面起步稍晚，但在国家973计划、863计划和自然科学基金的支持下，研究得到了迅速开展并取得了进展。 东南大学毫米波国家重点实验室基于90纳米互补金属氧化物半导体技术，成功设计了Q、V、W波段放大器、混频器、压控振荡器等器件、W波段接收机、Q波段多通道收发器、200千兆赫的互补金属氧化物半导体倍频器和520千兆赫的硅锗振荡器。 2、毫米波电真空器件毫米波集成电路具有体积小、成本低等诸多优点。，但他们的力量有限。 为了获得更高的输出功率，可以使用电真空器件，例如加拿大CPI公司开发的速调管(Klystron)，其在W波段的脉冲输出功率超过2000瓦。北京真空电子研究所研制的行波管放大器，在W波段的脉冲输出功率超过100瓦。电子科技大学也成功地设计了一个钨波段的行波管功率放大器。中国科学院合肥材料科学研究所研制的回旋管在140千兆赫时脉冲输出功率达到0.9兆瓦，相当于国外的水平。
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