毫米波技术及芯片详解

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，6 GHz 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： 24.25-27.5 GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-50.2 GHz、50.4-52.6 GHz、66-76 GHz 和81-86 GHz， 其中31.8-33.4 GHz、40.5-42.5 GHz 和47-47.2 GHz 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。

1.1 GaAs 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InP HBT 的截止频率（ft） 均超过500 GHz， 最大振荡频率（fmax） 均超过1THz. 2015 年美国Northrop Grumman 公司报道了工作于0.85 THz 的InP HEMT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0.67 THz 的InP HBT 放大器， 2012 年和2014 年德国弗朗霍夫应用固体物理研究所报道了工作频率超过0.6 THz 的mHEMT 放大器。

1.2 GaN 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0.15 m 栅长的器件， 在30 GHz 功率输出密度达13.7 W/mm. 美国HRL 报道了多款E波段、W 波段与G 波段的GaN 基器件， W 波段功率密度超过2 W/mm， 在180 GHz 上功率密度达到296 mW/mm.国内在微波频段的GaN 功率器件已基本成熟，到W 波段的GaN 功率器件也取得进展。 南京电子器件研究所研制的Ka 波段GaN 功率MMIC 在3436 GHz 频带内脉冲输出功率达到15W， 附加效率30%， 功率增益大于20 dB。

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工艺传统上以数字电路应用为主。 随着深亚微米和纳米工艺的不断发展， 硅基工艺特征尺寸不断减小， 栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足， 从而使得晶体管的截止频率和最大振荡频率不断提高， 这使得硅工艺在毫米波甚至太赫兹频段的应用成为可能。 国际半导体蓝图协会（InternaTIonal Technology Roadmap for Semiconductors） 预测到2030 年CMOS 工艺的特征尺寸将减小到5 nm， 而截止频率ft 将超过700 GHz. 德国IHP 研究所的SiGe 工艺晶体管的截止频率ft 和最大振荡频率fmax都已经分别达到了300 GHz 和500 GHz，相应的硅基工艺电路工作频率可扩展到200 GHz 以上。

由于硅工艺在成本和集成度方面的巨大优势， 硅基毫米波亚毫米波集成电路的研究已成为当前的研究热点之一。 美国佛罗里达大学设计了410 GHz CMOS 振荡器，加拿大多伦多大学研制了基于SiGe HBT 工艺的170 GHz 放大器、160 GHz 混频器和基于CMOS 工艺的140 GHz 变频器，美国加州大学圣芭芭拉分校等基于CMOS 工艺研制了150 GHz 放大器等，美国康奈尔大学基于CMOS 工艺研制了480 GHz 倍频器。 在系统集成方面， 加拿大多伦多大学设计了140 GHz CMOS接收机芯片和165 GHz SiGe 的片上收发系统， 美国加州大学柏克莱分校首次将60 GHz 频段硅基模拟收发电路与数字基带处理电路集成在一块CMOS 芯片上，新加坡微电子研究院也实现了包括在片天线的60 GHz CMOS 收发信机芯片，美国加州大学洛杉矶分校报道了0.54 THz 的频率综合器， 德国乌帕塔尔综合大学研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系统， 加州大学伯克利分校采用SiGe 工艺成功研制了380 GHz 的雷达系统。日本NICT 等基于CMOS 工艺实现了300 GHz的收发芯片并实现了超过10 Gbps 的传输速率， 但由于没有功率放大和低噪声电路， 其传输距离非常短。 通过采用硅基技术， 包含数字电路在内的所有电路均可集成在单一芯片上， 因此有望大幅度降低毫米波通信系统的成本。

在毫米波亚毫米波硅基集成电路方面我国大陆起步稍晚， 但在国家973 计划、863 计划和自然科学基金等的支持下， 已快速开展研究并取得进展。 东南大学毫米波国家重点实验室基于90 nm CMOS 工艺成功设计了Q、V 和W 频段放大器、混频器、VCO 等器件和W 波段接收机、Q波段多通道收发信机等， 以及到200 GHz 的CMOS 倍频器和到520 GHz 的SiGe 振荡器等。

2、毫米波电真空器件

毫米波集成电路具有体积小、成本低等很多优点，但功率受限。 为了获得更高的输出功率， 可以采用电真空器件， 如加拿大CPI 公司研制的速调管（Klystron） 在W 波段上获得了超过2000 W 的脉冲输出功率， 北京真空电子研究所研制的行波管（TWT） 放大器在W 波段的脉冲输出功率超过了100 W，电子科技大学在W 波段上也成功设计了TWT 功率放大器， 中国科学院合肥物质科学研究院研制的迴旋管（Gyrotron） 在140 GHz 上获得了0.9 MW 的脉冲输出功率， 与国外水平相当。