毫米波元器件發(fā)展動態(tài)

1、2008年年長長波波 音音頻頻 視視頻頻 30hz 300hz 3khz 30khz 300khz 3mhz 30mhz 300mhz 3ghz 30ghz 300ghz 3thz 30thz 10000km 1000km 100km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 0.1mm 10um 1um0. 1um0. 01um10 1 0.1 0.01 0.001 射射頻頻超超長長波波中中波波短短波波超超短短波波米米波波分分米米波波厘厘米米波波毫毫米米波波射射線線 x x射射線線紫紫外外線線紅紅外外線線亞亞毫毫米米波波遠遠紅紅外外近近紅紅外外5.6um1.5um可

2、可見見光光0.760.4um微微波波電電磁磁波波頻頻譜譜表表中中紅紅外外無無線線電電波波毫米波頻率：毫米波頻率：30300ghz毫米波波長：毫米波波長：101mm毫米波波導(dǎo)頻段劃分毫米波固態(tài)電路millimeter wave solid-state circuits振蕩器振蕩器oscillators混頻器混頻器mixers放大器放大器amplifiers功率合成器功率合成器power combiner倍頻器倍頻器frequency multipliers檢波器檢波器detectors開開 關(guān)關(guān)switches移相器移相器phase shifters。推動毫米波技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵推動毫米波技術(shù)發(fā)展的

3、關(guān)鍵毫米波固態(tài)電路 50ghz以下頻段，基本采用以下頻段，基本采用mmic器件實現(xiàn)器件實現(xiàn) 50ghz以上頻段，多采用分離元件的波導(dǎo)電路以上頻段，多采用分離元件的波導(dǎo)電路 國外毫米波部件主要廠商：國外毫米波部件主要廠商： 愛爾蘭愛爾蘭farran公司：公司：26.5325ghz 美國美國hughes公司：公司：26.5140ghz 美國美國millitech公司：公司：18300ghz 美國美國agilent公司：公司：26.5325ghz 美國美國alpha公司：公司：26.5140ghz毫米波固態(tài)源低電壓，長壽，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕低電壓，長壽，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕毫米波固態(tài)源實際

4、上是一種換能器，把直流功率變換毫米波固態(tài)源實際上是一種換能器，把直流功率變換為毫米波功率，利用器件固有的非線性特性與器件中為毫米波功率，利用器件固有的非線性特性與器件中的電流作用來產(chǎn)生毫米波振蕩的電流作用來產(chǎn)生毫米波振蕩impatt器件可用于器件可用于30ghz300ghz的整個毫米波頻的整個毫米波頻率范圍，有很好的連續(xù)波和脈沖功率效率與可靠性率范圍，有很好的連續(xù)波和脈沖功率效率與可靠性gunn器件也可以用到器件也可以用到140ghzfet器件可以用到器件可以用到80ghz目前在毫米波頻率高端（如目前在毫米波頻率高端（如3mm波段以上）應(yīng)用最廣波段以上）應(yīng)用最廣泛的還是泛的還是impatt和和

5、gunn這兩種負阻器件這兩種負阻器件負阻振蕩器起振后，振蕩幅度不可能一直增長，由于負阻負阻振蕩器起振后，振蕩幅度不可能一直增長，由于負阻器件的非線性特性，隨著振蕩幅度增長，負阻器件的非線性特性，隨著振蕩幅度增長，負阻|rd|下降。下降。直到直到|rd|=r（外接回路損耗電阻）時，達到平衡，實現(xiàn)穩(wěn)（外接回路損耗電阻）時，達到平衡，實現(xiàn)穩(wěn)幅振蕩幅振蕩振蕩平衡的幅度條件：振蕩平衡的幅度條件：r( )-rd(i)=0振蕩平衡的相位條件：振蕩平衡的相位條件：x( )-xd(i)=0負阻器件振蕩器的工作原理z() -z(a) i 利用半導(dǎo)體內(nèi)的雪崩現(xiàn)象和渡越時間效應(yīng)來獲得動態(tài)負利用半導(dǎo)體內(nèi)的雪崩現(xiàn)象和渡越

6、時間效應(yīng)來獲得動態(tài)負阻，從而產(chǎn)生振蕩。阻，從而產(chǎn)生振蕩。w. t. read在在1958年提出年提出impatt工作原理工作原理1965年首次報道在簡單的年首次報道在簡單的si pn結(jié)二極管上獲得了微波振結(jié)二極管上獲得了微波振蕩蕩在整個毫米波頻段甚至亞毫米波頻段低端，在整個毫米波頻段甚至亞毫米波頻段低端，impatt器器件都可以用作產(chǎn)生毫米波功率件都可以用作產(chǎn)生毫米波功率目前，目前，si材料的材料的impatt二極管在毫米波器件中幾乎處二極管在毫米波器件中幾乎處于壟斷地位，這是因為它具有有效散熱所需的良好熱傳于壟斷地位，這是因為它具有有效散熱所需的良好熱傳導(dǎo)特性導(dǎo)特性impatt diode（

7、impact avalanche and transit time diode)碰撞雪崩及渡越時間二極管（簡稱雪崩二極管）碰撞雪崩及渡越時間二極管（簡稱雪崩二極管）gunn在在1962年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)gaas的轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)的轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)和和impatt器件不同，器件不同，gunn二極管是純粹體效應(yīng)器件，二極管是純粹體效應(yīng)器件，它沒有一般固態(tài)器件里的半導(dǎo)體摻雜形成結(jié)的概念，而是它沒有一般固態(tài)器件里的半導(dǎo)體摻雜形成結(jié)的概念，而是基于多數(shù)載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的運動特性，即利用電子轉(zhuǎn)移基于多數(shù)載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的運動特性，即利用電子轉(zhuǎn)移特性來產(chǎn)生微波振蕩的特性來產(chǎn)生微波振蕩的gaas(砷化鎵砷化鎵)材料材料(常

8、用的半導(dǎo)體材料常用的半導(dǎo)體材料)： 工作頻段一般小于工作頻段一般小于 60ghzinp(磷化銦磷化銦)材料材料(更優(yōu)越的毫米波性能更優(yōu)越的毫米波性能)： 工作頻段達到工作頻段達到100ghz以上以上gunn diode耿氏二極管耿氏二極管/體效應(yīng)二極管體效應(yīng)二極管/轉(zhuǎn)移電子器件轉(zhuǎn)移電子器件美國美國hughes公司公司美國美國alpha公司公司美國美國millitech公司公司烏克蘭烏克蘭orion研究所研究所俄羅斯依斯托克公司俄羅斯依斯托克公司中國南京中國南京55研究所研究所。毫米波impatt和gunn器件主要來源毫米波固態(tài)源技術(shù)水平現(xiàn)狀幾種常用毫米波固態(tài)振蕩器結(jié)構(gòu)吸收負載的位置，腔體尺寸，

9、輸出負載以及短路活吸收負載的位置，腔體尺寸，輸出負載以及短路活塞的位置都是獲得較高功率的關(guān)鍵性參數(shù)塞的位置都是獲得較高功率的關(guān)鍵性參數(shù)毫米波gunn振蕩器產(chǎn)品ireland farran公司毫米波gunn振蕩器產(chǎn)品ireland farran公司毫米波gunn振蕩器產(chǎn)品毫米波gunn振蕩器產(chǎn)品美國美國alpha產(chǎn)品：產(chǎn)品：140ghz系列系列美國美國hughes產(chǎn)品：產(chǎn)品：26.5100ghz系列系列25010mw毫米波impatt振蕩器產(chǎn)品美國美國hughes公司公司34143ghz系列系列連續(xù)波功率：連續(xù)波功率：1w20mw脈沖功率：脈沖功率：121w9294ghz150mw(cw)10w

10、脈沖脈沖電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)gaas gunn諧波振蕩器(harmonic oscillators)一種重要的毫米波固態(tài)振蕩器 理論預(yù)言理論預(yù)言(1974年年) ：gaas gunn器件的極限工作頻器件的極限工作頻率約為率約為60ghz 實踐見證實踐見證(1975年年)：95ghz gaas gunn 振蕩器問世振蕩器問世 實驗方法證實實驗方法證實(直到八十年代初直到八十年代初)：原來：原來gaas gunn器器件是工作在諧波提取工作模式。也就是說，除了檢件是工作在諧波提取工作模式。也就是說，除了檢測到的實際輸出頻率外，還在其恰好二分之一的頻測到的實際輸出頻率外，還在其恰好二分之一的頻率點

11、和二分之三的頻率點上發(fā)現(xiàn)了振蕩頻率率點和二分之三的頻率點上發(fā)現(xiàn)了振蕩頻率 理論和實驗研究表明：諧波振蕩器具有比一般基波理論和實驗研究表明：諧波振蕩器具有比一般基波振蕩器更好的抗負載牽引能力振蕩器更好的抗負載牽引能力諧波振蕩器頻率穩(wěn)定性分析 21221)(211bbvv bgq2 對于第二次諧波振蕩器對于第二次諧波振蕩器,由于基頻回路不加載由于基頻回路不加載,故基頻回故基頻回路的路的q值很高值很高,并且并且v122v22,所以第二次諧波振蕩器的所以第二次諧波振蕩器的頻率穩(wěn)定性遠遠高于基頻振蕩器的頻率穩(wěn)定性。頻率穩(wěn)定性遠遠高于基頻振蕩器的頻率穩(wěn)定性。采用外部高采用外部高q腔進行穩(wěn)頻時腔進行穩(wěn)頻時,

12、在基頻回路進行穩(wěn)頻比在諧在基頻回路進行穩(wěn)頻比在諧波回路更好。波回路更好。外部負載的變化主要引起諧波回路的電抗變化，因此，外部負載的變化主要引起諧波回路的電抗變化，因此，諧波振蕩器抗負載牽引能力強。諧波振蕩器抗負載牽引能力強。振蕩器頻率變化與基波和諧波的關(guān)系振蕩器頻率變化與基波和諧波的關(guān)系gaas gunn諧波振蕩器種類寬帶機調(diào)諧波振蕩器寬帶機調(diào)諧波振蕩器電調(diào)諧波振蕩器（電調(diào)諧波振蕩器（vco）高高q腔穩(wěn)頻諧波振蕩器腔穩(wěn)頻諧波振蕩器雙頻段基波、諧波振蕩器雙頻段基波、諧波振蕩器雙端口輸出諧波振蕩器雙端口輸出諧波振蕩器接不同的輸出接不同的輸出波導(dǎo)實現(xiàn)基波波導(dǎo)實現(xiàn)基波或諧波輸出或諧波輸出基波注鎖諧波振

13、蕩器基波注鎖諧波振蕩器基波鎖相諧波振蕩器基波鎖相諧波振蕩器我校在諧波振蕩器提取技術(shù)方面的研究情況 毫米波產(chǎn)品尤其是毫米波高端頻率受到國外嚴(yán)毫米波產(chǎn)品尤其是毫米波高端頻率受到國外嚴(yán)格禁運格禁運 瞄準(zhǔn)諧波提取技術(shù)進行開發(fā)研究意義重大瞄準(zhǔn)諧波提取技術(shù)進行開發(fā)研究意義重大 八十年代國內(nèi)具備的條件：已生產(chǎn)出六毫米八十年代國內(nèi)具備的條件：已生產(chǎn)出六毫米gunn器件器件 電子科大對毫米提取技術(shù)研究作出重要貢獻，電子科大對毫米提取技術(shù)研究作出重要貢獻，完成一系列三毫米波諧波振蕩器研發(fā)完成一系列三毫米波諧波振蕩器研發(fā) 我校研制的各種三毫米波諧波振蕩器我校研制的各種三毫米波諧波振蕩器三毫米波寬帶機三毫米波寬帶機調(diào)

14、 諧 波 振 蕩 器調(diào) 諧 波 振 蕩 器三毫米波諧波三毫米波諧波vco三毫米波高三毫米波高q腔腔穩(wěn)頻諧波振蕩器穩(wěn)頻諧波振蕩器毫米波雙端口、雙頻段基波/諧波振蕩器在三毫米波系統(tǒng)應(yīng)用中具有重要價值 6 6m mm m輸輸出出3 3m mm m輸輸出出v vc cc cg gu un nn n器器件件耦耦合合口口為獲得高質(zhì)量為獲得高質(zhì)量3mm信號提信號提供了一種新穎的技術(shù)手段供了一種新穎的技術(shù)手段特殊應(yīng)用特殊應(yīng)用 基波注鎖諧波振蕩器基波注鎖諧波振蕩器 基波鎖相諧波振蕩器基波鎖相諧波振蕩器毫米波功率合成技術(shù)-power combiners采用一定的方法，將多個毫米波信號相互疊加，采用一定的方法，將多

15、個毫米波信號相互疊加，得到滿足要求的大功率信號的技術(shù)得到滿足要求的大功率信號的技術(shù)功率合成芯片級電路級空間合成混合級其它形式諧振腔式非諧振腔式矩形波導(dǎo)柱形波導(dǎo) 芯片級合成技術(shù)芯片級合成技術(shù)擴展單片器件的功率容量擴展單片器件的功率容量 電路級合成技術(shù)電路級合成技術(shù)突破單元器件功率容量突破單元器件功率容量 矩形波導(dǎo)腔功率合成技術(shù)實例矩形波導(dǎo)腔功率合成技術(shù)實例1980年左右，年左右，kai chang在單腔矩形波導(dǎo)電路中分別實在單腔矩形波導(dǎo)電路中分別實現(xiàn)了三毫米波脈沖現(xiàn)了三毫米波脈沖impatt兩管和兩管和4管功率合成管功率合成兩管合成功率：兩管合成功率：20.5w四管合成功率：四管合成功率：40w

16、合成效率達到合成效率達到80以上以上 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功率合成技術(shù)實例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功率合成技術(shù)實例4-wayadaptor2-diodecombiner2-diodecombiner2-diodecombiner2-diodecombinerinputoutputterminationtermination3db hybridcoupler3db hybridcoupler1981年年huanchun yen, kai chang報道的報道的w波段脈沖固態(tài)波段脈沖固態(tài)發(fā)射機輸出功率達到了發(fā)射機輸出功率達到了63w，采用三級注入鎖定放大，其，采用三級注入鎖定放大，其中末級是中末級是4個兩管個兩管impatt

17、功率合成器通過功率合成器通過4個混合耦合器個混合耦合器實現(xiàn)實現(xiàn)8管功率合成，工作頻率管功率合成，工作頻率92.6ghz，脈沖寬度為脈沖寬度為100ns，工作比工作比0.5%。相參功率合成技術(shù)實例相參功率合成技術(shù)實例 合成的多個振蕩器輸出信號是頻率相參的合成的多個振蕩器輸出信號是頻率相參的在在93ghz，四個四個impatt二極管合成輸出功率二極管合成輸出功率250mw，效率達效率達804p3p2p1p輸出振蕩器-1h面t型接頭振蕩器-3振蕩器-2振蕩器-4h面t型接頭輸入 脈沖級聯(lián)注鎖功率合成放大技術(shù)脈沖級聯(lián)注鎖功率合成放大技術(shù)超越器件額定振蕩輸出功率的大功率脈沖級聯(lián)注鎖放大技術(shù)超越器件額定振

18、蕩輸出功率的大功率脈沖級聯(lián)注鎖放大技術(shù)在在94.5ghz，五級脈沖五級脈沖impatt二極管級聯(lián)注鎖合成放大二極管級聯(lián)注鎖合成放大輸出功率輸出功率21w調(diào)制器1調(diào)制器2調(diào)制器315mw70mw1.3w8w21w調(diào)制器4調(diào)制器513w毫米波固態(tài)放大器兩端器件兩端器件三端器件三端器件mmic8mm波段：波段：100mw10w(連續(xù)波連續(xù)波) 3mm波段：波段：100mw1w（脈沖）（脈沖）傳輸型放大器（雙極晶體管傳輸型放大器（雙極晶體管或或mesfet、hemt等）等）反射型放大器或負阻型放大器反射型放大器或負阻型放大器（如（如gunn、impatt diodes） 毫米波注入鎖定放大技術(shù)毫米波注

19、入鎖定放大技術(shù) 一種實現(xiàn)毫米波功率提升的實用技術(shù)一種實現(xiàn)毫米波功率提升的實用技術(shù)將一個穩(wěn)定度高的小功率振蕩源（頻率為將一個穩(wěn)定度高的小功率振蕩源（頻率為fi）通過環(huán)形器）通過環(huán)形器向一個功率較大的振蕩器（頻率為向一個功率較大的振蕩器（頻率為fo）注入一定的功率，）注入一定的功率，當(dāng)當(dāng)fi和和fo接近時，可強迫后者工作于接近時，可強迫后者工作于fi，使，使fo具有穩(wěn)定度高具有穩(wěn)定度高的輸出信號頻率的輸出信號頻率 注入信號源注入信號源雪崩振蕩器雪崩振蕩器環(huán)形器環(huán)形器隔離器隔離器輸出輸出12 23fif0fip0pi按傳統(tǒng)方法，一般被注鎖的振蕩器自由工作時，希按傳統(tǒng)方法，一般被注鎖的振蕩器自由工作時

20、，希望它功率最大，頻率在同步帶中心附近。望它功率最大，頻率在同步帶中心附近。注入信號越強，同步帶寬越寬，功率起伏越大注入信號越強，同步帶寬越寬，功率起伏越大 改善毫米波注入鎖定放大輸出功率平坦度措施改善毫米波注入鎖定放大輸出功率平坦度措施讓被注鎖振蕩器不工作在最佳狀態(tài)！方法：在注入鎖定狀態(tài)下調(diào)試振蕩器毫米波兩級注入鎖定放大器實例毫米波兩級注入鎖定放大器實例工作頻率(ghz)93.093.193.293.393.493.5輸入功率(mw)222222輸出功率(mw)145144142140141141輸出功率非常平坦毫米波注入鎖定帶寬展寬技術(shù)毫米波注入鎖定帶寬展寬技術(shù)vco調(diào)諧跟蹤調(diào)諧跟蹤當(dāng)當(dāng)v

21、co頻率在鎖定范圍之外頻率在鎖定范圍之外, ,混頻器充當(dāng)鑒頻作用混頻器充當(dāng)鑒頻作用, ,輸出中頻信輸出中頻信號形成誤差電壓來控制號形成誤差電壓來控制vco的頻率的頻率, ,讓其進入鎖定范圍讓其進入鎖定范圍毫米波混頻器混頻器可分為混頻器可分為：單端混頻器單端混頻器平衡混頻器：平衡混頻器：雙平衡混頻器雙平衡混頻器90度相移型度相移型180度相移型度相移型根據(jù)傳輸線的類型劃分根據(jù)傳輸線的類型劃分波導(dǎo)混頻器波導(dǎo)混頻器微帶混頻器微帶混頻器鰭線混頻器鰭線混頻器。基波混頻器基波混頻器諧波混頻器諧波混頻器根據(jù)信號頻率與本振頻率的關(guān)系根據(jù)信號頻率與本振頻率的關(guān)系毫米波混頻器產(chǎn)品ireland farran公司毫

22、米波混頻器產(chǎn)品電子科技大學(xué)研發(fā)的電子科技大學(xué)研發(fā)的w波段平衡混頻器波段平衡混頻器波導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)波導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)f=9296ghzif=50mhz1.5ghzl=911db微帶電路結(jié)構(gòu)微帶電路結(jié)構(gòu)f=9296ghzif=02ghzl=79db毫米波混頻器產(chǎn)品毫米波混頻器產(chǎn)品ireland farran公司毫米波混頻器產(chǎn)品毫米波混頻器產(chǎn)品美國agilent公司的儀器擴頻測試用的毫米波諧波混頻器已形成kaw波段系列毫米波倍頻器變?nèi)莨埽罕额l效率高，帶寬窄變?nèi)莨埽罕额l效率高，帶寬窄混頻管：寬帶倍頻應(yīng)用混頻管：寬帶倍頻應(yīng)用hemt：(有源倍頻有源倍頻)存在倍頻增益存在倍頻增益gaas gunn諧波提取：諧波提取

23、： (有源倍頻有源倍頻) 帶寬窄，帶寬窄， 存在倍頻增益存在倍頻增益impatt高次倍頻：高次倍頻： (有源倍頻有源倍頻)倍頻效率高，倍頻效率高，帶寬窄帶寬窄毫米波毫米波倍頻器倍頻器 ka波段（波段（26.540ghz）寬帶二次倍頻器寬帶二次倍頻器采用混頻管采用混頻管alpha公司的公司的dmk2784肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管輸出頻率：輸出頻率：26.540ghz輸入頻率：輸入頻率：13.2520ghz u波段四倍頻器實例波段四倍頻器實例采用采用phemt mmic二次倍頻肖特基混頻管二次倍頻二次倍頻肖特基混頻管二次倍頻 (輸入功率輸入功率5dbm）01234567363840424446485052輸出頻率(ghz)輸出頻率(ghz)輸出功率(mw)輸出功率(mw)采用采用agilent公司的公司的hmmc5040！5040還可以一次性實現(xiàn)還可以一次性實現(xiàn)ka波段的三或四倍頻波段的三或四倍頻 基波注鎖諧波提取二次倍頻實例基波注鎖諧波提取二次倍頻實例采用采用gaas gunn雙端口諧波振蕩器實現(xiàn)二次倍頻雙端口諧波振蕩器實現(xiàn)二次倍頻 諧波二次倍頻器諧波二次倍頻器pin=2mwpout(mw)美國美國agilent公司產(chǎn)品公司產(chǎn)品83558a國內(nèi)國內(nèi)41所也所也有相應(yīng)產(chǎn)品有相應(yīng)產(chǎn)品 w波