毫米波理论与技术第1章绪论

毫米波理论与技术电子科技大学电子工程学院《毫米波理论与技术》讲义总学时：40学时开课时间：春季主讲教师：徐跃杭Email：yuehangxu@先修课程《导波场论》、《电磁场理论》、《微波技术基础》、《微波网络》、《微波固态电路》课程内容毫米波

传输线、无源元件、有源器件理论；毫米波器件和电路设计技术；毫米波混合/单片集成技术（HIC&MMIC）；

参考书籍

《毫米波理论与技术》阮成礼（主）《毫米波工程基础》薛良金《毫米波集成电路及应用》孙晓玮《PracticalMMICDesign》StephenMash

课程简介Review…通信方式：有线通信——电报（1837Morse）、电话（1876Bell）、光纤（1966，高锟，2009年诺贝尔物理学奖）无线通信——视距

声波电磁波无线通信Review…1864年Maxwell1888年Hertz1896年Marconi移动通信Review…“铺路爪”远程预警雷达系统，有效侦测距离超过3000公里卫星通信应用：移动通信、同步卫星通信、低轨道卫星、互联网…频率：MHz、GHz、THz…Review…无线通信系统射频前端：Review…无线通信系统射频前端：Review…典型应用-RADAR、智能武器Review…Review…Review…课程目录第一章绪论第二章毫米波传输线第三章毫米波固态器件和电路第四章毫米波无源电路第五章毫米波MCM第六章毫米波系统应用第一章绪论1.1毫米波技术发展历程1.2毫米波的大气传播特性1.3毫米波特点及其应用1.4毫米波技术发展趋势1.1毫米波技术发展历程习惯所指毫米波：10～

1mm（30～300GHz）EHF实际应用中也常把毫米波低端降至26GHzIEEE（1976年）毫米波：40～300GHz近毫米波（短毫米波）：100～1000GHz1.1毫米波技术发展历程毫米波在电磁频谱中的位置1.1毫米波技术发展历程毫米波频段代码及对应频率范围雷达频段符号K频段Ka频段W频段18～26.5GHz26.5～40GHz75～110GHz

英国频段符号K频段Q频段O频段V频段18～27GHz27～40GHz40～70GHz50～75GHz

旧美军标符号K频段Q频段

V频段W频段10.9～30GHz36～46GHz46～56GHz56～100GHz新美军标符号K频段L频段M频段N频段O频段20～40GHz48～60GHz60～100GHz100～200GHz200～300GHz1979年（WARC）规定标准符号K频段U频段

E频段

W频段

D频段26.5～40GHz40～60GHz

60～90GHz

75～110GHz

110～170GHz

1.1毫米波技术发展历程毫米波技术发展尼古拉特斯拉（

Nikola

Tesla）发明火花隙振荡器产生MHz频率信号；1988年，赫兹利用火花隙振荡器产生微波；1895年~1924年，Lebedw等利用类似方法可产生3.7THz频率。信号不稳定，非单色信号。1.1毫米波技术发展历程毫米波技术发展1934年，CleetonandWilliams利用磁控管实现了稳定的毫米波信号源，在1936年频率达47GHz；此后，速调管(1937年)、空腔谐振磁控管（1939年）相继被发明；1947~1965年，传统矩形波导外的圆波导、介质传输线等毫米波传输线以及电磁波传播特性得到迅猛发展；1965年~1970年，激光和红外技术得到迅猛发展；1970s，固态器件和薄膜工艺发展极大的促进了固态毫米波器件和电路的发展；1.1毫米波技术发展历程195019601970198019902000远距离微波通信毫米波MMIC毫米波固态器件和电路微波雷达毫米波技术发展推动因素微波频谱资源拥挤；红外和光系统的局限性，以及高精度雷达、精确武器系统发展需求；毫米波集成电路发展20世纪40年代起20世纪60年代起20世纪70年代起20世纪90年代起21世纪1.1毫米波技术发展历程1.1毫米波技术发展历程毫米波电路按集成方式分类毫米波混合集成电路（HMIC:HybridMicrowaveIntegratedCircuits）毫米波单片集成电路（MMIC:MonolithicMicrowaveIntegratedCircuits）毫米波多芯片组件（MCM：Multi-chipModule）在片系统（SOC:SystemonChip）1.1毫米波技术发展历程毫米波混合集成电路定义：把毫米波传输线、封装式晶体管或无封装管芯、有独立功能的半导体芯片、片式或小型分离元件等组合设计成具有完整功能的毫米波集成电路。毫米波混合集成电路:无源电路(无源元件)由毫米波传输线和集中参数元件完成;有源器件通过焊接或金丝键合等工艺与之配合连接而成。1.1毫米波技术发展历程毫米波单片集成电路(MMIC)：把传输线、无源元件、有源半导体器件都制作在同一半导体芯片上，形成完整的电路或系统功能的毫米波集成电路。MMIC衬底材料特点：(1)有较高的电阻率，可以做毫米波传输线；(2)有较高的电子迁移率，可以做毫米波器件；(3)性能稳定。1.1毫米波技术发展历程MMIC的优点：(1)器件工作频率提高，频带加宽，频率高，多倍频程电路容易实现。(2)电路尺寸、重量远比HMIC小得多，可靠性高。(3)制作重复性和一致性好，大批量生产时成本得到降低。MMIC的缺点（与HMIC、电真空器件比）：

研发成本昂贵、工艺要求更高、输出功率小。1.1毫米波技术发展历程毫米波芯片设计所采用的工艺主要有：CMOS工艺a)SiCMOS：低功耗和高集成度；b)SiGeHBT：较好的线性度和更高的速度；c)SiGe双极互补金属氧化半导体(BiCMOS)更是结合了CMOS和HBT的优势。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺a)GaAspHEMT/mHEMT及其E/D模工艺；b)InPHEMT及其E/D模工艺。GaN化合物半导体及其E/D模工艺石墨烯工艺1.1毫米波技术发展历程多芯片组件（Mult-chipModule，MCM）：将多个裸芯片安装在同一块多层高密度互联的基板上，并封装在同一外壳内，具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件。MCM是微波毫米波混合集成电路的小型化发展方向之一。单片微波集成电路的小型化发展方向？1.1毫米波技术发展历程毫米波MCM的发展方向：(1)开发具有更加良好电器性能、机械性能、热性能和化学性能的材料；(2)发展高成品率、高可靠性、高可修复性、高组装密度和高散热率的芯片键合技术；(3)发展高可靠性的毫米波MCM用的芯片和元件；(4)微波毫米波MCM的元器件建模、建库，并开发MCM专用CAD软件；(5)完善和发展微波毫米波ＭＣＭ制造技术。1.1毫米波技术发展历程1.2毫米波的大气传播特性与微波频率相比，毫米波频段的电磁能量在大气中传播时与大气中的气体、水和浮悬微粒的相互作用更强，因此衰减更大。主要影响因素构成大气成分的分子吸收（水蒸气、氧气等）水蒸气分子具有电偶极矩氧分子具有磁偶极矩降水（云、雾、雨、雪、雹等）大气悬浮物（尘、烟等）环境（地面、障碍物、植被等）大气衰减特性1.2毫米波的大气传播特性1.2毫米波的大气传播特性晴朗天气水平传播的毫米波的单程衰减在毫米波频段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口”，任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。毫米波的大气窗口和吸收带1.2毫米波的大气传播特性中心频率f(GHz)3594140220波长λ(mm)8.63.22.11.4带宽B(GHz)16232670优点：使雷达可用窄脉冲和宽带调制技术获得目标的细部特性；拓宽现有的通信频谱。中心频率f(GHZ)60120183波长λ(mm)52.51.6（2）大气吸收带优点：军用保密通信和雷达雷达隐蔽工作提供更好的条件（1）大气“窗口”1.3毫米波的特点及其应用与微波相比:波长短在同样的口径天线下，能实现窄波束、低副瓣、高增益，能提供更高的角分辨率和跟踪精度；部件和系统体积小、重量轻。带宽大信息容量大，能大大拓宽通信频谱；容许更多通道工作而不相互干扰；对于雷达便于应用窄脉冲和宽带调频，提高距离分辨率；对于辐射计可提高灵敏度。毫米波优点与红外/可见光相比:特有的大气传输特性穿透性好，受云雾、烟尘影响较小，具有全天候工作能力。吸收峰能用于隐蔽雷达和保密通信角分辨率在一般情况下能获得的角分辨率α就等于天线波束的半功率宽度（或由信号处理获得的等效波束宽度），它与辐射波长λ、天线（或透镜）直径D有如下的关系

α=kλ/D系数k决定于天线孔径上的电流分布，典型值为1～1.3。上式表明，波长越短，天线直径越大，波束宽度越窄，角分辨率就越高。例：一个12cm孔径的天线在94GHz给出1.8°的波束宽度，同样孔径尺寸的天线在10GHz的波束宽度为18°。1.3毫米波的特点及其应用被动毫米波图像与红外、可见光图像的对比1.3毫米波的特点及其应用1.3毫米波的特点及其应用毫米波的缺点波长短元件尺寸小，要求加工精度高；趋肤效应明显、损耗大、元器件寄生参数影响大；窄波束宽度，不利于对目标大范围搜索和捕获；天线口径小导致截获能量较小，灵敏度降低；Doppler频移大，要求接收系统带宽增大。特有的大气传输特性大气衰减导致作用距离小；恶劣天气（雨、雪等）下作用距离下降明显；穿透植被树叶的能力较差，尤其是绿色叶丛。元部件成本仍较高雷达系统比较雷达特性微波毫米波光学跟踪精度差中好分类与识别差中好隐蔽性差中好空间搜索好中差恶劣气象条件下的性能好中差在烟雾、尘埃中的性能好好中1.3毫米波的特点及其应用1.3毫米波的特点及其应用自动寻的和寻弹制导雷达天线口径小，为了获得窄波束而使用毫米波；毫米波特别适合用在末制导（34GHz/94GHz）；如“地域火”II型导弹。火控跟踪雷达要求高的角跟踪和距离跟踪精度，使用毫米波天线形成窄波束，毫米波的大带宽可以实现高的距离分辨率；如“阿帕奇”武装直升机上的“长弓”火控雷达；（1）导弹制导警戒与目标拦截雷达需求全天候连续提供战场信息区域搜索和目标探测自动跟踪目标目标分类与识别毫米波警戒与目标拦截雷达可用于探测低空飞机搜索海面潜望镜探测和跟踪坦克1.3毫米波的特点及其应用（1）雷达与制导系统1.3毫米波的特点及其应用“海尔法”(Hellfire，又称“地狱火”)反坦克导弹（1）雷达与制导系统“硫磺石”(Brimstone)反坦克导弹在利比亚战场1.3毫米波的特点及其应用（1）雷达与制导系统1.3毫米波的特点及其应用（2）毫米波电子对抗关键技术宽带特性高灵敏度接收机大功率干扰机1.3毫米波的特点及其应用（3）毫米波通信带宽大，所以容量大波束窄，定向性好保密和抗干扰能力强体积小、重量轻目前主要受成本较高的限制（4）毫米波遥感1.3毫米波的特点及其应用地球环境遥感（气象学、大气科学）探测大气中的水蒸气含量探测大气温度结构（云层和降雨）探测台风风暴中心监测大气污染1.3毫米波的特点及其应用水文学、海洋学探测江河湖海的水表温度探测地下水源洪水预报（对比原有的水陆边界）冰雪探测探测海面温度和盐度探测海面风速探测海洋潮汐、地震、海啸海面油膜和环境监测（5）毫米波遥感1.3毫米波的特点及其应用地质学识别地貌探测地质结构探测岩石类型探测地热资源探测地下水源探测石油、矿藏（5）毫米波遥感（5）毫米波遥感农业和林业探测农作物和植被分类、生长状况探测土壤湿度渔业探测鱼群1.3毫米波的特点及其应用（6）毫米波辐射计热辐射物体中的带电粒子运动发生碰撞，引起带电粒子运动状态的变化，使物体辐射出电磁波，这就是热辐射现象。辐射电磁波是随机的非相干波，且具有很宽的频谱和不同的极化方向，因而这种辐射也称为噪声辐射。与可见光和红外一样，毫米波也是辐射波谱中的一段。1.3毫米波的特点及其应用（6）毫米波辐射计射电天文观测地球环境遥感气象学、大气科学、水文学、海洋学、地质学、农业、林业、渔业交通低能见度气象条件时搜索船只、显示机场跑道、引导飞机着陆、车船防撞侦察、预警和制导无损安全检查医学检查1.3毫米波的特点及