“微波、毫米波集成电路”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

微波、毫米波集成电路

释义

【微波、毫米波集成电路】

拼译：microwave and millimeter wave integrated circuit(MIC)

微波、毫米波集成电路是低频模拟或数字集成电路向更高工作波段的扩展，但有其特殊性。首先要提供在微波、毫米波段低损耗的介质基片；要有能构成无源元件并能用微电子工艺制作的各种平面型微波传输线，以及分布或集中元件；要有能完成所需有源电路功能的相应微型固态器件；要能对MIC在研究、开发和生产过程中进行性能、质量检测，除常规方法外，还要发展在片(on-Wafer)检测技术；要研究各种有效的MIC制作工艺，提高其性能价格比，以利应用在军事、民用和消费产品。

1936年惠勒(H．Wheeler)首先用带状线(Stripline)作为微波低耗传输线，开创了微波平面传输线的先例。1950年贝谷维奇(N．A．Begovitch)和马哥林(A．R．Margolin)对带状线进行了初步理论分析。1952年格累(D．C．Grieg)、恩格门(H．Engelmann)、阿沙多(Assadourian)和瑞曼(Rimai)在Proc．IRE上集中发表的论文，创立了各种微带(Microstrip)的概念和理论。1954年在美国塔夫脱学院(Tuft’s college)召开的第1届微带线学术讨论会，发表了21篇具有里程碑性的论文。但由于当时尚无可供实用的基片，故微带电路未能推广应用。1960年后制成低耗、均匀、稳定的基片，厚膜和薄膜工艺方面也有很大进展，这就促使对平面传输线的研究重又复苏，相继提出了悬置带线和微带、槽线(Slotline)、共面波导和共面带线(Coplanar Waveguide，Coplanar Strip)等一维平面传输线。1965年前后微波半导体器件迅速发展，出现了IMPATT二级管、Gunn二极管、Schottky势垒二极管、PIN二极管、砷化镓场效应晶体管(GaAsFET)和硅双极晶体管等。平面传输线和分立的微波半导体器件的结合构成了混合微波集成电路(Hybrid Microwave Integrated CircuitHMIC)。1964年美国空军航空电子学实验室和Texas公司合作研究MERA计划(Molecular Electronics for Radar Application Program)，至1968年完成了600个组件的S波段机载相控阵雷达，使MIC进入工程应用阶段。除一维平面传输线外，1969年日本大越孝敬和意大利瑞地拉(Ridella)、毕安柯(Bianco)提出了二维平面电路，增加了电路设计的自由度，特别适合于毫米波集成电路。

由于高电阻的Si(2×10³～10⁴Ω·cm)和半绝缘的GaAs(10⁷～10⁹Ω·cm)可作为良好的基片材料，以便将有源器件、无源元件及平面传输线制作在单个晶片上，构成单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit-MMIC)。1974年应用MES FETS得到第1片单片微波集成电路，1985年生产了第1批2～18GHz的GaAs MMIC分布放大器。中国于70年代开始研制MIC，1980年研制成功MMIC，并在工程系统中得到应用。MMIC比HMIC有更多的优点：(1)在MMIC中采用在片(on-chip)互连，提高了电性能和可靠性；(2)根据微波系统的要求，可以集成MESFET、MODFET(Modulation-doped FET)、HEMT(High Electron Mobility Transistors)、PMHEMT(Pseudomorphic HEMT)，引入AlGaAs异质结构可以改进MESFET的性能。采用亚微米栅宽的MESFET、HEMT、PMHEMT已可在毫米波段工作，成为发展下一代毫米波系统，如雷达、辐射计、通信、精巧武器等的关键；(3)功耗小、尺寸小，可大批量生产，成本低。在低噪声、宽频带、高速方面更具优越性。MMIC的出现，使微波工业发生了一场革命，它在设计效率、价格、小型化、电性能、系统集成度、总效率等方面，都创造了微波工程上前所未有的奇迹。

由于MMIC制成后无法再修改、调整，故要求建立精确的元、器件模型(即建模)和与其配合的机助工程(包括CAA、CAD、CAM)。对于无源结构，近年来已发展了一系列计算电磁学的方法，如：准静法、全波法、变分法、有限差分法(空域和时域)、有限元法、边界元法、横向传输法、TLM法(空域和频域)、谱域法、积分方程法、线法、广义散射矩阵法、等效波导模法和平面电路模型等。对非线性电路分析则有：摄动法、谐波平衡法、Volterra级数法、描述函数法、平均法、相平面法、Hopf分支定理分析等。

对MMIC的检测除传统的微波测量方法外，还结合MMIC的特点发展了在片检测。1980年霍贝克(Hornbuckle)等人采用了微带探针，带宽达6GHz。1986年史特累德(Strid)研制了带宽达7．5GHz的共面波导探针。1987年琼斯(Jones)研制的接地共面波导(GCPW)探针可工作到50GHz。为了测量宽带响应，采用了上升时间为20ps的时域反射计(Time Domain Reflectometry-TDR)。1987年范德门(Valdmanis)用电光晶体作探针，根据晶体双折射效应，探测MMIC中的电场分布，实现非接触、无损的电光取样，适用于任何基片材料。1988年韦加登(Weigarten)根据非中心对称晶体(如GaAs、InP等)的Pockell电光效应，用PS激光脉冲束探测基片内的二维场图，适用于能透激光的基片。1992年李齐湘(Chi H．Lee)提出了光电导取样法，用光电导开关产生的纳秒电脉冲(对应THz的带宽)，它在MMIC芯片内激起极宽频谱(复盖微波和毫米波)的信号，再从芯片取出低频取样信号，故可在极宽频带内对MMIC的响应进行表征，其灵敏度也高于其它光学方法。

MIC除一维和二维的结构外，还有三维结构。1987年日本小西良弘提出了平面立体电路(Planar circuit Mounted in Waveguide-PCMW)，同时梅尔(P．J．Meier)提出了E面电路(Printed E-plane Ciruit)或鳍线(Finline)的三维结构，它们都是将平面电路放置在矩形波导中央E平面处，同时兼有平面电路和波导电路的优点，即制作方便、尺寸小、低损耗、适用于长毫米波段。1987年小西良弘提出了垂直配置平面电路(Vertically Installed Planar Circuit-VIP)，能改进电路性能，增加电路设计自由度。1985年前苏联格伏捷夫(B．И．Говэдeв)和聂飞多夫(E．И．Heфeдoв)提出的立体集成电路(Volume Integruted Circuit)，是一种多层立体结构，每层间的平面电路通过空间电磁场相互耦合，这不仅能缩小体积，还扩展了电路的功能。同时，他们还定义了“立体集成电磁建筑学”的概念。

本学科的研究热点为：(1)在机助工程方面有：研究MMIC设计一次的成功CAD方法(MMIC Design Techniques for first-Pass Success)；并行设计工程方法(Concurrent Design Engineering in Microwave Systems Design-CDE)；全波(Full Wave)法模拟HMIC和MMIC，建立全波三维计算；非线性微波电路CAD的场理论方法。(2)与高Tc超导电子学的结合：在LaAlO₃、CaNdAlO₄、SrLaAlO₄、SrLaGa₃O₇、NdGaO₃等单晶体基片上沉积高Tc超导薄膜，可集成滤波器、谐振器和天线，具有插耗低、边带陡、高Q、高辐射效率的优异特性，可与致冷半导体器件结合，集成有源电路；(3)微波半导体器件和光电子器件在材料和工艺方面有兼容性，故可以同一基片上进行微波集成和光集成，构成光电集成电路(OEIC)，使微波技术和光电子技术相结合；(4)探索在片检测新技术和毫微工艺(Nanotechnology)，开发新型器件。

【参考文献】：

1 Howe H．IEEE Trans．on MTF32，1984，991～997．

2 Mcquiddy D N，et al．ibid，1984，997～1008

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5 Bhharathi Bhat，Shiban K Koul．Stripline-like Transmission Lines for Microwave Integrated circuits，Tohn Wiley & Sons，1989

6 Ravender Goyal．Monolithic Microwave Integrated circuits，ARTECH House，1989

7 Yoshihiro Konishi，Microwave Integrated Circuits，Marcel Dekker，Inc．1991

8 IEEE MTT-S Int．Microwave Symposium，1992

(上海科学技术大学李英教授撰)

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