微波電路的發展現狀和前沿技術

1   引言

上世紀六十年代，特別是到了七十年代，由于微波半導體電路的飛速發展，微波在無線電技術領域中占有越來越重要的地位。目前，它已廣泛地應用于微波中繼通信、衛星通信、雷達、制導、電子測量儀器及各種飛行器的電子設備中，因此從事無線電和電子技術的理論和工程技術人員在科研和生產實際中，將大量接觸和使用各種微波電子線路。

2   微波電路的產生

一直以來，“微波電路”就是“波導電路”的同義詞，早在上世紀三十年代初期，人們就認識到對于微波頻率來說，波導是一種很有用的傳輸結構，當然，這些應當提及貝爾實驗室的Southworth等人的工作。研究者們很早就發現經過適當修改后的一小節波導，可以作為輻射器或電抗原件來使用。Southworth在一篇早起論文中就曾談到諧振腔和喇叭天線?，F代波導電路發展過程中，一開始就致力于使微波功率能從微波源有效地傳送到波導傳輸線，并能在接收端有效地回收，這就對相應的發射機原件和接收機原件提出了更高的要求。因此，它導致了行波檢測器、波長計、終端負載等元件的出現。然而，當年所用的微波技術水平是很落后的，當時的微波實驗常常利用光學試驗臺進行，國際無線電工程（IRE）會刊在其五十周年紀念專集中發表了一篇回顧微波技術發展歷史的文章，其中就有幾幅當年所用設備的照片。

微波技術的發展應用，構成了微波電路的基礎。從最初發現的不連續性的多次反射原理和相應的腔體諧振原理，到人們利用這些原理使微波功率源與波導匹配，再到用來使波導與接收機匹配（如晶體檢波器），并且利用這些器件，使得某一頻率的信號通過電路。

微波電路的基本特點之一是通過波導內部的螺釘、膜片（以致壓縮尺寸）憑經驗對其特性進行調整或調諧。起初，這僅是一種試湊方法，后來發展成所謂“波導管工程”。在很長時間內，它也是微波工程的一種最常用方法。

3   微波電路的現狀

微波電路開始于二十世紀四十年代應用的立體微波電路，它是由波導傳輸線、波導元件、諧振腔和微波電子管組成的。到了二十世紀六十年代，便出現了以半導體器件以及薄膜淀積技術、光刻技術見長的新一代微波集成電路。由于具有體積小，重量輕，使用方便等優點，使得它在武器、航空航天以及衛星等方面得到充分的利用。

第二次世界大戰期間，在微波電路中經常采用兩種基本傳輸，即波導和TEM模同軸線。波導的特點是功率高、損耗小。后一特點導致了高Q諧振腔的出現。同軸線則由于不存在色散效應，具備固有的寬帶特性。此外，阻抗的概念也能在同軸線中方便的解釋，從而簡化了元件的設計過程。這兩種傳輸結構發展成為重要的微波電路元件，兩者配合使用，可以達到意想不到的效果。

1951年，Barrett和Barnes提出的這種結構，即在微波電路中采用帶狀線傳輸結構，形式和今天所用的一樣，由兩片外側敷有金屬的介質板夾一根薄條狀導體組成。其平面圖如圖3-1。早期的帶狀工藝，用的是刮刀和膠水，將薄帶導體切下并粘結到介質板上。隨著敷銅層壓板的出現，帶狀線發展成為一項性能可以預先計算的精密工藝。帶狀線傳輸結構最重要的特點，是其特性阻抗受中心條帶導體的寬度控制。帶狀線電路結構的二位特性使得它能實現許多元件的互連而不破壞外導體的屏蔽層，這也給輸入輸出位置帶來很大的靈活性。由于兩根條帶導體緊靠時，存在固有的耦合特性，因此帶狀線在平行線耦合器中應用非常方便 。

自1974年，美國的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研制成功世界上**塊MMIC放大器以來，在軍事應用（包括智能武器、雷達、通信和電子戰等方面）的推動下，MMIC的發展十分迅速。正是由于GaAs技術的問世與GaAs材料的特性而促成了由微波集成電路向單片微波集成電路（MMIC）的過渡。與第二代的微波混合電路HMIC 相比較，MMIC的體積更小、壽命更長、可靠性高、噪聲低、功耗小、工作的極限頻率更高等優點，因此，受到廣泛的重視。

單片微波集成電路的出現，使得各種微波電路的實現成為可能。因此，各種MMIC器件都的到了空前的發展，如MMIC功放、低噪聲放大器（LNA）、混頻器、上變頻器、壓控振蕩器（VCO）、濾波器等直至MMIC前端和整個收發系統。單片微波集成電路在固態相控陣雷達、電子對抗設備、戰術導彈、電視衛星接收、微波通信和超高速計算機、大容量信息處理方面有廣泛的應用前景。

隨著MMIC技術的進一步提高和多層集成電路工藝的進步，利用多層基片內實現幾乎所有的無源器件和芯片互聯網絡的三維多層微波結構受到越來越多的重視。而且建立在多層互連基片上的MCM（Multi-Chip Module）技術將使微波毫米波系統的尺寸變得更小 。

4   微波電路的發展趨勢

近年來，隨著微波技術的發展，微波電路在很多技術方面也有了長足的進步，微波電路近年來的主要發展趨勢是：

4.1   微波電路的互聯與制造技術

使用頻率1 GHz 以上的微波技術與微波電路互聯與制造技術，發展迅速，應用廣泛。在雷達、導航和通訊設備等現代信息系統與軍事電子裝備中，微波電路是高速信息的“主動脈”。因此，微波電路及其互聯與制造技術是信息化系統與軍事電子裝備研制、生產中的一項重大關鍵技術。微波電路互聯與制造技術包括：微波電路基板材料與制造技術、微波電路設計與制造技術、微波器件或組件的封裝和組裝技術、微波組件或系統的互連與調試技術等內容。它涉及微電子學、材料科學、計算機應用技術、電子機械工程等諸多學科；是一項多學科交叉、綜合性科學技術。具有科技含量高，技術難度大，發展速度快，在信息系統與軍事電子裝備中應用面寬、作用大等特點。

隨著微電子技術、元器件技術、材料科學、計算機輔助設計與制造等科學技術的快速進步，微波電路互聯與制造新工藝、新技術也在不斷涌現。例如多層微波集成電路和三維微波集成電路(3DMMIC)、低損耗傳輸線和屏蔽膜片微帶(SMM)電路、多芯片微波模塊、微波電路的微機電系統(MEMS) 的互聯與制造技術，新型樹脂微波PCB技術、新型微波電路防護涂層技術，以及應用于微波電路設計的三維電路仿真技術、基于智能方法的微波電路CAD與優化技術等等 。

4.2   微波電路的光子帶隙結構

1987年，Yablonovitch提出了子帶隙(PBG)結構，它最初應用于光學領域，近幾年被引入微波波段，引起了人們的廣泛關注。電磁波在具有周期結構的材料中傳播時，會受到調制，產生光子帶隙，當電磁波的工作頻率落在帶隙中時，沒有任何傳輸態存在。子帶隙結構應用于微波波段，能夠使特定頻段內的電磁波完全不能在其中傳播，同時，光子帶隙結構還將改變通帶內的傳播常數，是一種慢波結構。由于光子帶隙結構的以上特點，其廣泛應用于帶阻、抑制高次諧波、改善效率、增加帶寬、減小尺寸等方面。光子帶隙結構可以采用金屬、介質、鐵磁或鐵電物質植入襯底材料,或者直接由各種材料周期性排列而成。國內外提出的微波光子帶隙結構多種多樣，目前由三維結構向一維和二維結構發展，由于易于實現且便于集成，使光子帶隙結構的研究發展到了電子和通信領域?，F在光子帶隙結構的單元形狀、周期性條件、各種周期結構變形體的結合以及材料的開發都是值得關注的研究熱點。

子晶體就是一種介質在另一種介質中周期排列所形成的人造晶體，光子晶體的基本特是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播的。光子晶體的獨特特性，最初應用于光學領域，后來迅速擴展到其它領域，現在在微波頻段也有研究和應用。目前國內外提出了多種微波光子帶隙結構，最初的微波光子帶隙結構是由三維介質周期排列構成，由于三維結構加工制作及分析都很復雜，微波光子帶隙結構的研究和制作就集中在了平面結構上。平面光子帶隙結構的出現改變了傳統的設計方法，為設計高性能、高集成度的電路提供了新的途徑，帶來了微波集成電路設計思想的一次革命。因為一維和二維的平面帶隙結構形式靈活，易于實現且便于集成，因而在微波電路中得到了廣泛的應用，更帶給微波集成電路更快的發展 。

4.3   微波電路的MEMS開關

根據MEMS的最新定義，它是將電氣元件和機械元件結合在一起的微型化器件或器件陣列，并且可用IC工藝批量制作。盡管傳統的IC制作工藝和MEMS制作工藝有很大的相似之處，但前者是平面技術，后者是三維技術。目前廣泛使用的MEMS制作技術有： 體微加工技術、表面微加工技術、鍵合微加工技術和LIGA技術(光刻電鑄成型技術)。

開關是微波信號變換的關鍵元件。和傳統的p2i2n二極管開關及FET開關相比，現在的RFMEMS開關具有優越的微波特性和固有的重量輕、尺寸小、低功耗等優點。隨著MEMS制作技術和工藝理論的發展，在克服MEMS開關工作壽命短、開關速率低等缺點后，RFMEMS開關必將在微波系統中取得更大的發展。目前，RFMEMS開關已經用于部分微波系統的前端電路、數字電容器組和移相網絡 。

4.4   微波電路的集總元件化

微帶電路的另一個趨勢是采用集總元件。過去，由于集總元件尺寸可與微波波長相比擬，所以不能用于微波頻率。隨著光刻和薄膜技術的發展，集總元件（電容器、電感器等）的尺寸大大減小，從而一直可以用到J波段。將介質襯底上的集總元件與芯片形式的半導體器件裝在一起，對于微波集成電路來說，是一種全新的方法。除了減小尺寸以外，集總元件的另一個有點是：低頻電路中一些十分有用的技術和**化技術，現在可以直接用于微波領域。

4.5   微波電路的二維平面化

除了集總元件和一維傳輸線元件外，還有人提出了用于微波電路的二維平面元件。這類元件可與帶狀線、微帶線兼容，這就為微波電路的設計提供了一個非常有用的可選方案。

目前，實現二維平面電路主要有三元件結構、開放式結構、腔體結構三個方式。與條狀線電路相比，它具有自由度大、輸入電阻低等優點；同波導電路相比，它更加容易分析和設計，借助于高速計算機強大的運算能力，它可以根據要求對任意形狀的平面電路進行分析，從而大大提高了工作效率。相信，在不久的將來，它的應用必將越來越廣泛。

4.6   新一代的MIC

新一代的MIC可能是半導體襯底上的單片微波集成電路，所用的半導體襯底有高電阻率硅、高電阻率砷化鎵以及帶有二氧化硅層的低電阻率硅。它的技術難點有兩個，首先是其中用到的各種微波半導體器件還沒有通用的制造方法，其次是無源分布元件（傳輸線段）需要大面積的襯底。然而，近年來的趨勢表明，砷化鎵工藝是微波單片集成電路的關鍵所在。在千兆赫帶寬的模擬放大器和千兆位速率的數字集成電路中，砷化鎵金屬-半導體場效應晶體管（MESFET）會占有支配地位。無論是混合的還是單片的微波集成電路，其優點與低頻集成電路基本相同，即系統可靠性能高、體積和重量減小。在需要大量標準化元件的場合，最終導致成本下降。像低頻集成電路一樣，MIC在擴充現有市場和開拓許多新用途方面，包括大批民用項目在內，都有很大的潛力。

5   結論

本文重點闡述了微波電路的由來，以及對現狀的總結和前沿技術的介紹。上世紀四十年代微波電路的興起，到六十年代微帶電路的出現，微波電路以一種前所未有的速度向前發展，隨著各種集成電路的流行，微波電路的發展勢必將會有一個美好的前景。

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