毫米波技術(shù)及芯片詳解

由于毫米波器件的成本較高， 之前主要應(yīng)用于軍事。 然而隨著高速寬帶無線通信、汽車輔助駕駛、安檢、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展， 近年來毫米波在民用領(lǐng)域也得到了廣泛的研究和應(yīng)用。 目前，6 GHz 以下的黃金通信頻段， 已經(jīng)很難得到較寬的連續(xù)頻譜， 嚴(yán)重制約了通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 相比之下，毫米波頻段卻仍有大量潛在的未被充分利用的頻譜資源。 因此， 毫米波成為第5 代移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn)。 2015 年在WRC2015 大會(huì)上確定了第5 代移動(dòng)通信研究備選頻段： 24.25-27.5 GHz、37-40.5GHz、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 在滿足特定使用條件下允許作為增選頻段。 各種毫米波的器件、芯片以及應(yīng)用都在如火如荼的開發(fā)著。 相對(duì)于微波頻段， 毫米波有其自身的特點(diǎn)。 首先， 毫米波具有更短的工作波長(zhǎng)， 可以有效減小器件及系統(tǒng)的尺寸; 其次， 毫米波有著豐富的頻譜資源，可以勝任未來超高速通信的需求。 此外， 由于波長(zhǎng)短， 毫米波用在雷達(dá)、成像等方面有著更高的分辨率。 到目前為止， 人們對(duì)毫米波已開展了大量的研究， 各種毫米波系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用。 隨著第5 代移動(dòng)通信、汽車自動(dòng)駕駛、安檢等民用技術(shù)的快速發(fā)展， 毫米波將被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

毫米波技術(shù)方面， 結(jié)合目前一些熱門的毫米波頻段的系統(tǒng)應(yīng)用， 如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷達(dá)等， 對(duì)毫米波芯片發(fā)展做了重點(diǎn)介紹。

1、毫米波芯片

傳統(tǒng)的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導(dǎo)體工藝， 如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP） 等， 其在毫米波頻段具有良好的性能， 是該頻段的主流集成電路工藝。 另一方面， 近十幾年來硅基（CMOS、SiGe等） 毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進(jìn)展。 此外， 基于氮化鎵（GaN） 工藝的大功率高頻器件也迅速拓展至毫米波頻段。 下面將分別進(jìn)行介紹。

1.1 GaAs 和InP 毫米波芯片

近十幾年來， GaAs 和InP 工藝和器件得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 基于該類工藝的毫米波器件類型主要有高電子遷移率晶體管（HEMT）、改性高電子遷移率晶體管（mHEMT） 和異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（HBT）等。 目前GaAs 、mHEMT、InP、 HEMT 和InP HBT 的截止頻率（ft） 均超過500 GHz， 最大振蕩頻率（fmax） 均超過1THz. 2015 年美國(guó)Northrop Grumman 公司報(bào)道了工作于0.85 THz 的InP HEMT放大器， 2013 年美國(guó)Teledyne 公司與加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了工作至0.67 THz 的InP HBT 放大器， 2012 年和2014 年德國(guó)弗朗霍夫應(yīng)用固體物理研究所報(bào)道了工作頻率超過0.6 THz 的mHEMT 放大器。

1.2 GaN 毫米波芯片

GaN 作為第3 代寬禁帶化合物半導(dǎo)體， 具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，器件功率密度是GaAs 功率密度的5 倍以上， 可顯著地提升輸出功率， 減小體積和成本。 隨著20 世紀(jì)90 年代GaN 材料制備技術(shù)的逐漸成熟， GaN 器件和電路已成為化合物半導(dǎo)體電路研制領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向， 美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家將GaN 作為微波毫米波器件和電路的發(fā)展重點(diǎn)。 近十年來， GaN 的低成本襯底材料碳化硅（SiC） 也逐漸成熟， 其晶格結(jié)構(gòu)與GaN 相匹配，導(dǎo)熱性好， 大大加快了GaN 器件和電路的發(fā)展。 近年來GaN 功率器件在毫米波領(lǐng)域飛速發(fā)展， 日本Eudyna 公司報(bào)道了0.15 m 柵長(zhǎng)的器件， 在30 GHz 功率輸出密度達(dá)13.7 W/mm. 美國(guó)HRL 報(bào)道了多款E波段、W 波段與G 波段的GaN 基器件， W 波段功率密度超過2 W/mm， 在180 GHz 上功率密度達(dá)到296 mW/mm.國(guó)內(nèi)在微波頻段的GaN 功率器件已基本成熟，到W 波段的GaN 功率器件也取得進(jìn)展。 南京電子器件研究所研制的Ka 波段GaN 功率MMIC 在3436 GHz 頻帶內(nèi)脈沖輸出功率達(dá)到15W， 附加效率30%， 功率增益大于20 dB。

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工藝傳統(tǒng)上以數(shù)字電路應(yīng)用為主。 隨著深亞微米和納米工藝的不斷發(fā)展， 硅基工藝特征尺寸不斷減小， 柵長(zhǎng)的縮短彌補(bǔ)了電子遷移率的不足， 從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高， 這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應(yīng)用成為可能。 國(guó)際半導(dǎo)體藍(lán)圖協(xié)會(huì)（International Technology Roadmap for Semiconductors） 預(yù)測(cè)到2030 年CMOS 工藝的特征尺寸將減小到5 nm， 而截止頻率ft 將超過700 GHz. 德國(guó)IHP 研究所的SiGe 工藝晶體管的截止頻率ft 和最大振蕩頻率fmax都已經(jīng)分別達(dá)到了300 GHz 和500 GHz，相應(yīng)的硅基工藝電路工作頻率可擴(kuò)展到200 GHz 以上。

由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢(shì)， 硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)了410 GHz CMOS 振蕩器，加拿大多倫多大學(xué)研制了基于SiGe HBT 工藝的170 GHz 放大器、160 GHz 混頻器和基于CMOS 工藝的140 GHz 變頻器，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校等基于CMOS 工藝研制了150 GHz 放大器等，美國(guó)康奈爾大學(xué)基于CMOS 工藝研制了480 GHz 倍頻器。 在系統(tǒng)集成方面， 加拿大多倫多大學(xué)設(shè)計(jì)了140 GHz CMOS接收機(jī)芯片和165 GHz SiGe 的片上收發(fā)系統(tǒng)， 美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校首次將60 GHz 頻段硅基模擬收發(fā)電路與數(shù)字基帶處理電路集成在一塊CMOS 芯片上，新加坡微電子研究院也實(shí)現(xiàn)了包括在片天線的60 GHz CMOS 收發(fā)信機(jī)芯片，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校報(bào)道了0.54 THz 的頻率綜合器， 德國(guó)烏帕塔爾綜合大學(xué)研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系統(tǒng)， 加州大學(xué)伯克利分校采用SiGe 工藝成功研制了380 GHz 的雷達(dá)系統(tǒng)。日本NICT 等基于CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了300 GHz的收發(fā)芯片并實(shí)現(xiàn)了超過10 Gbps 的傳輸速率， 但由于沒有功率放大和低噪聲電路， 其傳輸距離非常短。 通過采用硅基技術(shù)， 包含數(shù)字電路在內(nèi)的所有電路均可集成在單一芯片上， 因此有望大幅度降低毫米波通信系統(tǒng)的成本。

在毫米波亞毫米波硅基集成電路方面我國(guó)大陸起步稍晚， 但在國(guó)家973 計(jì)劃、863 計(jì)劃和自然科學(xué)基金等的支持下， 已快速開展研究并取得進(jìn)展。 東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于90 nm CMOS 工藝成功設(shè)計(jì)了Q、V 和W 頻段放大器、混頻器、VCO 等器件和W 波段接收機(jī)、Q波段多通道收發(fā)信機(jī)等， 以及到200 GHz 的CMOS 倍頻器和到520 GHz 的SiGe 振蕩器等。

2、毫米波電真空器件

毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，但功率受限。 為了獲得更高的輸出功率， 可以采用電真空器件， 如加拿大CPI 公司研制的速調(diào)管（Klystron） 在W 波段上獲得了超過2000 W 的脈沖輸出功率， 北京真空電子研究所研制的行波管（TWT） 放大器在W 波段的脈沖輸出功率超過了100 W，電子科技大學(xué)在W 波段上也成功設(shè)計(jì)了TWT 功率放大器， 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研制的迴旋管（Gyrotron） 在140 GHz 上獲得了0.9 MW 的脈沖輸出功率， 與國(guó)外水平相當(dāng)。