[科普中国]-单片微波功率放大器

单片微波集成电路，是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波（甚至毫米波）频段的功能电路。

简介单片微波功率放大器（MMIC）
单片微波集成电路，是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波（甚至毫米波）频段的功能电路。

单片微波集成电路包括多种功能电路，如单片微波功率放大器（LNA）、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器（VCO）、移相器、开关、MMIC收发前端，甚至整个发射/接收（T/R）组件（收发系统）。由于MMIC的衬底材料（如GaAs、InP）的电子迁移率较高、带禁宽度宽、工作温度范围大、微波传输性能好，所以MMIC具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。

相关技术微电子技术；微波毫米波技术；半导体单片集成电路技术；电子技术；先进材料技术；制造与加工技术

技术难点1. GaAs、InP大直径单晶和高性能HEMT、PHEMT、InP HEMT中材料制备。

2. 深亚微米精细结构制备

3. CAD和CAT技术

4. 封装技术

国外概况自1974年，美国的Plessey公司用GaAs FET作为有源器件，GaAs半绝缘衬底作为载体，研制成功世界上第一块MMIC放大器以来，在军事应用（包括智能武器、雷达、通信和电子战等方面）的推动下，MMIC的发展十分迅速。80年代，随着分子束外延、金属有机物化学汽相淀积技术（MOCVD）和深亚微米加工技术的发展和进步，MMIC发展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu两公司实验室研制出高电子迁移率晶体管（HEMT），在材料结构上得到了不断的突破和创新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs沟道制成的赝配HEMT（PHEMT），使HEMT向更调频率更低噪声方向发展。继HEMT之后，1984年用GaAlAs/GaAs异质结取代硅双极晶体管中的P-N结，研制成功了频率特性和速度特性更优异的异质结双极晶体管（HBT）和HBT MMIC。由于InP材料具有高饱和电子迁移率、高击穿电场、良好的热导率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更为优越，近年来随着InP单晶的制备取得进展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高。

微波单片集成电路具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等一系列优点，并可缩小的电子设备体积、重量减轻、价格也降低不少，这对军用电子装备和民用电子产品都十分重要。美国、日本、西欧都把MMIC作为国家发展战略的核心，竞相投入大量的人力、物力，展开激烈的竞争。

80年代中期以前的MMIC，频率一般在40GHz以下，器件是采用栅长为0.5mm左右的GaAs 金属半导体场效应晶体管（MESFET）。后来在低噪声MMIC领域的先进水平都被HEMT、PHEMT和近年来飞速发展的InP HEMT所取代，InP基HEMT的最佳性能是fT为340GHz，fmax为600GHz。目前，低噪声MMIC放大器的典型水平为29～34GHz下，2级LNA噪声为1.7dB，增益为17dB；92～96GHz，3级LNA噪声为3.3dB，增益为20dB；153～155GHz，3级低LNA增益为12dB。

美国TRW公司已研制成功MMIC功率放大器芯片，Ka波段输出功率为3.5W，相关功率增益11.5dB，功率附加效率为20%，60GHz的MMIC输出功率为300mW，效率22%，94GHz采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型栅功率二级MMIC，最大输出功率300mW，最高功率附加效率为10.5%。

HP公司研制了6～20GHz单片行波功率放大器，带内最小增益为11dB，带内不平坦度为±0.5dB，20GHz处1dB压缩点输出功率达24dB。Raythem. Samvng及Motorola联合开发的X-Ku波段，MMIC单片输出功率达3.5W，最大功率附加效率为49.5%。

西屋公司研制成功直流-16GHz，6位数字衰减器MMIC，16GHz插损小于5dB。

日本三菱电器公司研制的大功率多栅条AlGaAs/GaAs HBT，在12GHz下功率附加效率为72%；NEC公司开发的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件达到了目前最高输出功率（740mW）和功率附加效率（42%）。

影响微波单片集成电路已成为当前发展各种高科技武器的重要支柱，已广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、通信系统、陆海空基的各种先进的相控阵雷达（特别是机载和星载雷达），在民用商业的移动电话、无线通信、个人卫星通信网、全球定位系统、直播卫星接收和毫米波自动防撞系统等方面已形成正在飞速发展的巨大市场。

美国国防部在1986到1994年实施了发展军事微电子总计划之一的《MIMIC》计划，该计划在美国国防部高级研究计划局（DARDA）的领导下，采用以联邦政府巨额支助的方针，动员全国高校和工业部门各大公司的力量，分工合作，对MMIC领域开展广泛而深入的研究。美联邦政府投入资金共计5.3亿元，加上美工业部门投入，实际已超过10亿美元。在此计划的激励下，MMIC芯片制造和应用技术发展十分迅速。据1994年七月出版的《Aviation Week Space Technology》报导雷声公司和TI公司为美国沙姆导弹实验场研制GBR陆基雷达，该雷达使用25000个T/R组件，每个组件使用9块GaAs MMIC。由于这种相控阵雷达工作在X波段，它比"爱国者"导弹系统使用的C波段雷达有更好的分辨力。美F-15，F-16战斗机都使用MMIC相控阵雷达。每部雷达使用9000个T/R组件，而每个组件使用10块MMIC。F-15，F-16等战斗机还使用宽带、超宽带MMIC组成二维电子战阵列和信道化干扰设备。MMIC还在精确制导等灵巧武器和军事通信得到广泛应用，其优越性在海湾战争中得以体现。

进入90年代，随着冷战的结束，MMIC在民用方面应用发展势头强劲，每年正以15～20%的速度增长，预计现在的电信、电视、广播业到21世纪初将发生划时代的变革，卫星电信、卫星电视、卫星广播、卫星电缆接收网络成为多种传播的主体，预计在2000年前后，MMIC电路将达到数千个品种，批生产形成的军用和民用市场在100亿美元左右。因此MMIC的发展前景极为广阔。

问题及其分类功率放大器和电压（电流）放大器是有区别的，电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行幅度放大，一般输入及输出的电压与电流都比较小，是小信号放大器；它消耗能量少，信号失真小，输出信号的功率小。而功率放大器的主要任务是输出大的信号功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是消耗能量多，信号容易失真的大信号放大器，主要特征是输出信号的功率大。比较功放与其他放大器异同，主要有以下几点：

（1）本质相同。无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。总的来说，最终结果功率都会加强。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，只是强调的输出量不同而已。

（2）任务不同。电压（电流）放大电路在小信号状态下工作，主要用于电压幅度或电流幅度放大，最后在负载上得到不失真的电压信号，输出的功率并不一定很大；功率放大电路主要是使负载得到失真较小的输出功率，在大信号状态下工作。

（3）指标不同。电压放大电路主要指标是电压增益、输入和输出阻抗；功率放大电路主要指标是功率、效率、非线性失真。

（4）研究方法有区别。电压放大电路大信号用图解法、小信号用微变等效电路法；功率放大电路目前只能用图解法。1

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尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学