MMIC左手传输线宽带功率分配/合成技术研究项目摘要

左手材料是一类不存在于自然界中的具有负折射率的新型人造电磁材料。使用左手材料可以实现电磁波的反向波传输、亚波长聚焦以及后向辐射等特殊行为。零相移左手传输线是左手材料在微波集成电路上的成功应用，它消除了微波传输线长度对传输信号相位的影响，对实现微波器件的小型化有着重要的意义。本项目在对微波频段左手材料的长期研究基础上，针对左手传输线带宽窄损耗大，提出了一种超宽带低损耗的零相移左手传输线结构，通过仿真验证了其在功率分配/合成上应用的可行性，并对其在功率合成放大器等微波电路和器件上的应用作了初步探索。对于克服左手材料高损耗、窄带宽的缺点，利用其开发新型微波器件以及微波集成系统有着极其重要的意义。 2100433B

单片微波集成电路，即MMIC是Monolithic Microwave Integrated Circuit的缩写，它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器（VCO）、移相器、开关、MMIC收发前端，甚至整个发射/接收（T/R）组件（收发系统）。由于MMIC的衬底材料（如GaAs、InP）的电子迁移率较高、禁带宽度宽、工作温度范围大、微波传输性能好，所以MMIC具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。

自1974年，美国的Plessey公司用GaAs FET作为有源器件，GaAs半绝缘衬底作为载体，研制成功世界上第一块MMIC放大器以来，在军事应用（包括智能武器、雷达、通信和电子战等方面）的推动下，MMIC的发展十分迅速。80年代，随着分子束外延、金属有机物化学汽相淀积技术（MOCVD）和深亚微米加工技术的发展和进步，MMIC发展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu两公司实验室研制出高电子迁移率晶体管（HEMT），在材料结构上得到了不断的突破和创新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs沟道制成的赝配HEMT（PHEMT），使HEMT向更调频率更低噪声方向发展。继HEMT之后，1984年用GaAlAs/GaAs异质结取代硅双极晶体管中的P-N结，研制成功了频率特性和速度特性更优异的异质结双极晶体管（HBT）和HBT MMIC。由于InP材料具有高饱和电子迁移率、高击穿电场、良好的热导率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更为优越，随着InP单晶的制备取得进展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高。　 微波单片集成电路具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等一系列优点，并可缩小的电子设备体积、重量减轻、价格也降低不少，这对军用电子装备和民用电子产品都十分重要。美国、日本、西欧都把MMIC作为国家发展战略的核心，竞相投入大量的人力、物力，展开激烈的竞争。　 80年代中期以前的MMIC，频率一般在40GHz以下，器件是采用栅长为0.5mm左右的GaAs 金属半导体场效应晶体管（MESFET）。在低噪声MMIC领域的先进水平都被HEMT、PHEMT和飞速发展的InP HEMT所取代，InP基HEMT的最佳性能是fT为340GHz，fmax为600GHz。低噪声MMIC放大器的典型水平为29～34GHz下，2级LNA噪声为1.7dB，增益为17dB；92～96GHz，3级LNA噪声为3.3dB，增益为20dB；153～155GHz，3级低LNA增益为12dB。　 美国TRW公司已研制成功MMIC功率放大器芯片，Ka波段输出功率为3.5W，相关功率增益11.5dB，功率附加效率为20%，60GHz的MMIC输出功率为300mW，效率22%，94GHz采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型栅功率二级MMIC，最大输出功率300mW，最高功率附加效率为10.5%。　 HP公司研制了6～20GHz单片行波功率放大器，带内最小增益为11dB，带内不平坦度为±0.5dB，20GHz处1dB压缩点输出功率达24dB。Raythem. Samvng及Motorola联合开发的X-Ku波段，MMIC单片输出功率达3.5W，最大功率附加效率为49.5%。　 西屋公司研制成功直流-16GHz，6位数字衰减器MMIC，16GHz插损小于5dB。　 日本三菱电器公司研制的大功率多栅条AlGaAs/GaAs HBT，在12GHz下功率附加效率为72%；NEC公司开发的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件达到了目前最高输出功率（740mW）和功率附加效率（42%）。

MMIC发展中的里程碑

单片微波集成电路(与混合微波集成电路相比)，有如下优点与不足

单片微波集成电路建模技术

对于MMIC设计而言，重复性设计的成本是非常昂贵的，因此器件建模和仿真过程是非常重要的，应用CAD技术建立的器件模型是影响电路设计精度的关键因素。电路规模越大、指标和工作频段越高，对器件模型精度要求也越高。准确的半导体器件模型对提高微波毫米波单片微波集成电路的成品率、缩短研发周期起着非常重要的作用。由于MMIC制造技术仍在不断发展中，不同工艺线的工艺各不相同，因此不同的工艺上的模型库也不尽相同，因此必须针对特定的工艺建立特定的MMIC模型库。

对于无源器件模型，由于电磁场理论分析比较成熟，模型建立比较简单，但是电感模型的建立是个难点，因为电感要考虑自感、互感及寄生效应的存在及影响，并且电路版图、原理图及实测值之间的契合也是难点。对于有源器件，需要建立精确的小信号和大信号模型，对于低噪声电路(如低噪声放大器和振荡器)还要建立噪声模型。线性的小信号等效电路模型可以准确预测小信号S参数，但是却不能反应大信号的功率谐波特性，因此对于功率放大器、混频器和振荡器等非线性器件，需要建立微波非线性器件模型。