【无线射频工艺】-基于石墨烯的微波毫米波器件在国防航空领域的应用

1/1基于石墨烯的微波毫米波器件在国防航空领域的应用从上世纪80年月初起，国防部尖端技术讨论规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)始终重点进行毫米波固态器件和电路的讨论，已经取得了令人瞩目的成果，已应用于新型武器装备上，如下表所示。

毫米波段武器应用举例

型号种类主要用途SEATRACSII毫米波舰载火控雷达Mini-PEV小型无人驾驶飞机雷达Startle坦克火控雷达Wasp空地导弹主动/被动复合制导系统MILSATCOM用卫星星间通讯对于硅器件，其工作频率最多达到GHz范围，而W波段或更高频率的MMIC所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAs-MHEMT。其中国际上最新报道的InPMMIC低噪声放大器在W波段，噪声系数在2-5dB之间。但是，In资源正渐渐削减，同时InP单晶生长较难，易碎，且迁移率较难进一步提高，其器件性能已接近极限水平，人们始终在查找迁移率和热导率更高的材料，晶片级石墨烯的消失有望解决这些难题。利用石墨烯超高速迁移率可以提高器件工作频率达到毫米波段，利用双层石墨烯的设计可有效避开豪格规章实现超低噪声特性，其意义不言而喻。目前，DARPA方案已将石墨烯讨论方向定为毫米波低噪声放大器。

为了与时俱进，支持将来的国防现代化建设，实现敏捷移动、快速反应、平安隐藏的事、宇航通信，满意21世纪新的和平事业和世界局势进展需要，研制石墨烯超高频低噪声器件显得特别必要。

事用途

将来战斗环境下，自动化、电子化、轻型化和信息化将成为事进展的主要趋势。石墨烯由于其突出的物理和化学性能，将在事方面大有作为，主要应用在事航天、事探测、极高频卫星通信系统等。

在事航天领域，事航天技术是以事应用为目的、开发和利用太空的一门综合性工程技术。迄今世界各国共放射了5700多个航天器，其中70%用于事目的。太空也已经成为将来战斗的战场，为了把握太空战场的掌握权，各国都在加紧进展事航天技术，而微电子技术则是基础技术之一。"防备倡议'（即星球方案）中的空间监视系统采纳了超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路（MMIC）。从表面上看，微电子电路分布在浩大的系统中的各个地方，其实却起着举足轻重的作用。

半导体微波毫米波器件的应用频段

和目前的3mm波段的主流产品InP基材料器件和电路比较起来，SiC衬底的高硬度和高热导率保障了器件的成品率和散热性。电子在石墨烯中是以隧穿的方式运动，器件的驱动电压可以很低。SiC衬底上的石墨烯是一种适合制备W波段或更高频低噪声放大器的材料。

国防先期讨论方案局DARPA斥资2200万美元，开展CERA（射频应用的碳电子，CarbonElectronicsforRFApplications）项目，用于讨论石墨烯及基于石墨烯（Graphene）沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管，以满意高端毫米波系统的应用需求。CERA方案始于2023年7月，最终2023年9月，分为三个阶段。如下表所示：

第一阶段的目标有两个：①初步确立石墨烯薄膜合成生长工艺，②验证石墨烯沟道FET制作工艺的可行性；其次阶段也有两个目标：①完善薄膜材料生长工艺，力求生长厚度精确掌握在一个原子层，②演示超高速石墨烯FET；最终的第三阶段着重材料及器件性能、可生产性及可集成性的后期优化工作。最终成果是演示一个W波段（＞90GHz）的低噪声放大器，噪声系数1dB。方案不仅要求电路产出圆片尺寸达到8英寸，并且要求整张圆片的成品率优于90%。

假如在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的状况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数蒋主要取决于放大器的噪声。假如低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了打算性的作用。

低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达放射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发觉雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的放射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机智敏度，就要求高性能的低噪声放大器。

在国际卫星通信应用中，低噪声放大器的主要进展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地快速增加，所以必需通过改进低噪声放大器的性能来满意不断增加的通信要求。因此，要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点动身，卫星通信整个系统的成本必需削减到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法，由于地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。

另一方面，在国内卫星通信应用中，重点放在低噪声放大器的不用修理特性以及低噪声和宽带性能，由于在这些系统中越来越广泛地采纳无人管理的工作方式，特殊在电视接收地面站中更是如此。

卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器。这些低噪声放大器用在几个频段内，包括4GHz，12GHz和毫米波频段。宽带低噪声放大器的实现又有许多种类型。SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采纳SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的讨论热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界始终在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成，所以人们设计出了很多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。

4GHz频段是目前卫星通信最通用的频段，它用于国际卫星通信和国内卫星通信，包括电视接收地面站。在这些领域内，已经研制出了各种各样的低噪声放大器并已得到了应用。低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器依据其冷却系统可以分为三种类型，即深致冷型式，热电致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪声参量放大器在卫星通信的初期得到广泛的使用。而今日，除了一些特别应用以外，这种型式的参放几乎不象以前那样广泛地使用，这是由于有修理困难等几方面的缘由。热电致冷和非致冷低噪声参量放大器主要用在国际卫星通信地面站中，有时也用在国内卫星通信的关键地面站。由于变容管的改进和泵频的提高，这些低噪声放大器几乎具有深致冷参放那样的低噪声温度。场效应晶体管低噪声放大器主要用在国内卫星通信地面站中，特殊是用在电视接收地面站中。在这些场合，几乎普遍采纳热电致冷和非致冷型式。深致冷型式仅仅用在特别的场合。

毫米波具有用小口径天线就可产生方向性强的窄波束和很小的旁瓣的特点，使得截获和干扰毫米波信号变得特别困难，因而隐藏性和反电子侦察力量好，适合在用保密通信中使用；另外，作为大气窗口频率，它在特别频率下呈现出低衰减的特点，因此成为卫星、宇航通信的必需的手段；同时它又具有波长短和较强的穿透战场烟雾、尘埃、雨雪等的力量，可为雷达、成像、精确制导等供应较高的目标辨别率和准全天候的作战力量，这些特殊的优势使得采纳毫米波技术的武器装备，如用保密通信、导弹或灵活炸弹的精确制导以及电子对抗和情报侦察等，在现代战斗中占有越来越重要的地位。为此，从上世纪80年月初起，国防部尖端技术讨论规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)始终重点进行毫米波固态器件和电路的讨论，目前已经取得了令人瞩目的成果，大量固态器件和芯片应用于新型武器装备上，在提高装备牢靠性的同时还能大大缩小体积，满意方对小型化的需求。目前，毫米波频段已在国外现有装备中使用，基于毫米波固态器件的雷达、精确制导系统、灵活武器导引头、用保密通信系统以及电子战对抗系统开头大量装备美，并且在两次海湾战斗和科索沃战斗中取得了很好的实战效果。

毫米波频段低噪声放大器具有明确的事应用背景先进极高频卫星通信系统(AEHF)。先进极高频卫星通信系统（AEHF）作为新一代的卫星通信系统，用于全球范围的与战术指挥与掌握通信，它将为全部作战人员供应全球性、高平安性、受爱护和长久的通信，还具备监视别国卫星运行的力量。

C4ISR远景图

AEHF卫星具有低速率、中速率波形和扩展速率波形，采纳了星上处理技术、星间链路技术，以及轻型多功能通信天线的组合阵列和宽带频率合成技术等，具备抗干扰、低检测概率、低截获概率的特点和先进的加密系统，且能与其他用网络兼容。AEHF能够支持动中通，能过供应数据、语音、视频会议和图像传输业务，能为国家和战术力气在各种级别的冲突中供应平安、牢靠的全球卫星通信。它还能为那些需要快速、精确信息的用户供应实时地图、目标信息和先进的智能监视和侦察信息，能极大增加在作战时的C4ISR（指挥、掌握、通信、计算机、情报及监视与侦察）力量，其卫星位于赤道上空36000千米的轨道上。毫米波频段低噪声放大器作为AEHF卫星通信系统的前端器件，主要用于毫米波频段信号的接收，在情报收集、电子对抗、抗干扰等方面具有广泛的应用，具有极高的事价值。

各种星载雷达、宇航通信装备的需求大大推动了毫米波固态器件的进展，它对我国航天事业的进展与进步尤起着至关重要的作用。另外，将来的外太空探究讨论和各种星球探测器的登陆设备也需要毫米波电路进行掌握和通信。近年来，随着西方事强国的技术进步，毫米波电路已经渐渐成为主流技术，频率高达上百GHz的成品不断涌现；当前，国产自主研发的毫米波电路技术与之比较仍有很大的差距。为了适应将来的国防现代化建设，实现敏捷移动、快速反应，平安隐藏的事、宇航通信，研制毫米波单片集成电路便显得特别必要。

极高频卫星通信系统是指星上的主要通信设备上行传输频率为极高频(44GHz)，它比特高频(UHF)、超高频(SHF)频率高，下行传输频率为超高频(20GHz)，是美事卫星通信(MILSATCOM)体系结构中最关键的系统。极高频卫星通信系统又称事战术中继卫星系统(Milstar)，它将为美的指挥掌握和战术供应保密、抗干扰通信，具有能支持全面战斗的力量。将来的事卫星系统向更高的EHF频段拓展。采纳EHF频段有许多现有其它频段无可比拟的优点，一是扩大EHF频段的容量，大大减轻现有频谱拥挤现象；二是EHF的波束窄，可削减受核爆炸影响消失的信号闪耀和衰落，抗干扰和抗截收力量强。三是EHF频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。但是，EHF卫星技术简单，造价昂扬，从EHF频段向更高的频段拓展需要一个较长时期。目前，世界上除美外，其他国家还不具备极高频卫星通信力量。换句话说，极高频卫星通信系统是美在目前和最近一个时期唯一拥有的最先进的通信系统，是美指挥掌握系统中的"锏'，它所供应的保密和抗干扰的通信力量将对美的全球发挥重大作用。

据《空杂志》网站近日报道：诺斯罗普格鲁门公司近日宣布，B-2隐身轰炸机极高频（EHF）卫星通信系统升级方案已经开头进行试飞。依据该升级方案，将会为B-2轰炸机配备全新的处理硬件和通信装置，从而增加该机的连通性。据诺格公司透露，自