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射频集成电路设计—微波毫米波集成电路

信息来源:整理综合自《集成电路产业全书》 | 发布日期: 2022-06-26 | 浏览量:
关键词:射频集成电路设计—微波毫米波集成电路

通常把频率为300MHz~ 300GHz,对应波长为1m-0. 1mm的电磁波称为微波。其进一步可分为4个波段,即分米波(波长范围1m- 100mm)、厘米波(波长范围100- 10mm)、毫米波(波长范围10- 1mm)和亚毫米波(波长范围1~0.1mm),其中毫米波的频率范围为30~ 300GHz。

低于30GHz的频段与射频频段重叠,通常称为射频频段;高于300CHz的频段,即亚毫米波,通常称为太赫兹(Tera Hertz, THz)频段。由此,微波频段通常指额率范围为30- 300GHz的毫米波频段,称为微波毫米波。


微波毫米波集成电路是指工作在微波毫米波频段的集成电路,具有放大、混频、滤波等功能,其在设计中要求更精确的元器件模型,甚至需要进行三维电磁场分析和计算。


微波毫米波集成电路通常含有带通滤波器、低噪声放大器、功率放大器、主放大器、预放大器、混频器、频率合成器和信频器等功能模块电路。微波毫米波收发系统与射频收发系统在系统结构上类似,但频率更高,带宽更大,因此电路设计难度更大。微波毫米波集成电路,根据实现形式,分为混合微波毫米波集成电路和单片微波毫米波集成电路。典型的微波毫米波集成电路系统的结构图如图5-34所示。



混合微波毫米波集成电路是在介质基片材料( 如氧化铝陶瓷、石英、蓝宝石等)上,采用厚膜工艺(如低温/高温烧结工艺、印刷工艺等)或者薄膜工艺( 如溅射工艺、电镀工艺等)制备出各种功能的电路拓扑图形,再将各种分立封装形式的元器件或者芯片安装到相应位置,组成的具有一定功能的微波毫米波集成电路。


单片微波毫米波集成电路是在半导体衬底(如Si、 SiGe、GaAs等)上,使用半导体工艺制备微波有源器件和无源元件,以及各种功能电路,具有高集成、高可靠性和低成本等特点。


GaAs具有电子迁移率高、噪声性能好的特点。CaAs工艺是微波毫米波集成电路的主流工艺。SiGe 工艺具有更高的增益,以及更好的速度和噪声性能,成本也较GaAs工艺低,也是微波毫米波集成电路的常用工艺。近年来,CMOS工艺不断进步,已经满足高于100CHz频段的微波毫米波集成电路的速度要求,这也使得无线系统的射频前端与数字基带的单片集成成为可能。目前, 基于CMOS工艺的单片微波毫米波集成电路已进入快速发展阶段。


早期,微波电路多采用电子管、速调管等器件。随着半导体技术的发展,包括异质结双极晶体管、变容二极管和场效应管等在内的固态微波器件得到广泛应用。随后,系统越来越复杂,工作频率不断升高,分立器件的一致性难以满足系统要求。1976年,使用GaAs工艺的7~ 12GHz微波集成电路的研发,开启了该领域的新时代。采用GaAs或InP工艺的微波毫米波集成电路广泛应用于卫星通信、雷达等。2000年以后,美国、日本、韩国等相继开放了57~64GHz频段,欧洲开放了77GHz频段,进一步促进了基于CMOS工艺的单片微波毫米波集成电路的研究。


目前,低于10GHz频段的频谱资源日渐枯竭,而微波毫米波频段可以提供更多的未分配频谱资源,因此,无线系统的工作频段将逐步向高于60GHz的微波中高频段发展。而工艺技术的进步,为这种发展提供了技术支撑,其中CMOS工艺速度不断提高,结合其高集成度的特点,面向微波毫米波集成电路的CMOS工艺技术将得到更快的发展。





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