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毫米波技术及芯片详解

[导读]毫米波技术方面,结合目前一些热门的毫米波频段的系统应用,

如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷达等,对毫米波芯片发展做了重点

介绍。

由于毫米波器件的成本较高,之前主要应用于军事。然而随着高速宽带

无线通信、汽车辅助驾驶、安检、医学检测等应用领域的快速发展,近年来毫

米波在民用领域也得到了广泛的研究和应用。目前,6GHz以下的黄金通信

频段,已经很难得到较宽的连续频谱,严重制约了通信产业的发展。相比

之下,毫米波频段却仍有大量潜在的未被充分利用的频谱资源。因此,毫米

波成为第5代移动通信的研究热点。2015年在WRC2015大会上确定了第5

代移动通信研究备选频段:24.25-27.5GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5

GHz、45.5-47GHz、47.2-50.2GHz、50.4-52.6GHz、66-76GHz和

81-86GHz,其中31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz和47-47.2GHz在

满足特定使用条件下允许作为增选频段。各种毫米波的器件、芯片以及应用

都在如火如荼的开发着。相对于微波频段,毫米波有其自身的特点。首

先,毫米波具有更短的工作波长,可以有效减小器件及系统的尺寸;其次,

毫米波有着丰富的频谱资源,可以胜任未来超高速通信的需求。此外,由于

波长短,毫米波用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。到目前为止,

人们对毫米波已开展了大量的研究,各种毫米波系统已得到广泛的应用。随

着第5代移动通信、汽车自动驾驶、安检等民用技术的快速发展,毫米波将

被广泛应用于人们日常生活的方方面面。

毫米波技术方面,结合目前一些热门的毫米波频段的系统应用,如毫米

波通信、毫米波成像以及毫米波雷达等,对毫米波芯片发展做了重点介绍。

1、毫米波芯片

传统的毫米波单片集成电路主要采用化合物半导体工艺,如砷化镓

(GaAs)、磷化铟(InP)等,其在毫米波频段具有良好的性能,是该频段

的主流集成电路工艺。另一方面,近十几年来硅基(CMOS、SiGe等)毫

米波亚毫米波集成电路也取得了巨大进展。此外,基于氮化镓(GaN)工艺

的大功率高频器件也迅速拓展至毫米波频段。下面将分别进行介绍。

1.1GaAs和InP毫米波芯片

近十几年来,GaAs和InP工艺和器件得到了长足的进步。基于该类工

艺的毫米波器件类型主要有高电子迁移率晶体管(HEMT)、改性高电子迁移率

晶体管(mHEMT)和异质结双极性晶体管(HBT)等。目前GaAs、mHEMT、

InP、HEMT和InPHBT的截止频率(ft)均超过500GHz,最大振荡频

率(fmax)均超过1THz.2015年美国NorthropGrumman公司报道了工作

于0.85THz

的InPHEMT放大器,2013年美国Teledyne公司与加州理工大学喷气推进

实验室报道了工作至0.67THz的InPHBT放大器,2012年和2014年德

国0.6THzmHEMT

弗朗霍夫应用固体物理研究所报道了工作频率超过的放大器

1.2GaN毫米波芯片

GaN作为第3代宽禁带化合物半导体,具有大的禁带宽度、高的电子迁

移率和击穿场强等优点,器件功率密度是GaAs功率密度的5倍以上,可

显著地提升输出功率,减小体积和成本。随着20世纪90年代GaN材料

制备技术的逐渐成熟,GaN器件和电路已成为化合物半导体电路研制领域的

热点方向,美国、日本、欧洲等国家将GaN作为微波毫米波器件和电路的发

展重点。近十年来,GaN的低成本衬底材料碳化硅(SiC)也逐渐成熟,其

晶格结构与GaN相匹配,导热性好,大大加快了GaN器件和电路的发展。

近年来GaN功率器件在毫米波领域飞速发展,日本Eudyna公司报道了

0.15m栅长的器件,在

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