毫米波理論與技術(shù)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院《毫米波理論與技術(shù)》講義總學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)開(kāi)課時(shí)間：春季主講教師：徐躍杭Email：yuehangxu@先修課程《導(dǎo)波場(chǎng)論》、《電磁場(chǎng)理論》、《微波技術(shù)基礎(chǔ)》、《微波網(wǎng)絡(luò)》、《微波固態(tài)電路》課程內(nèi)容毫米波

傳輸線、無(wú)源元件、有源器件理論；毫米波器件和電路設(shè)計(jì)技術(shù)；毫米波混合/單片集成技術(shù)（HIC&MMIC）；

參考書(shū)籍

《毫米波理論與技術(shù)》阮成禮（主）《毫米波工程基礎(chǔ)》薛良金《毫米波集成電路及應(yīng)用》孫曉瑋《PracticalMMICDesign》StephenMash

課程簡(jiǎn)介Review…通信方式：有線通信——電報(bào)（1837Morse）、電話（1876Bell）、光纖（1966，高錕，2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）無(wú)線通信——視距

聲波電磁波無(wú)線通信Review…1864年Maxwell1888年Hertz1896年Marconi移動(dòng)通信Review…“鋪路爪”遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，有效偵測(cè)距離超過(guò)3000公里衛(wèi)星通信應(yīng)用：移動(dòng)通信、同步衛(wèi)星通信、低軌道衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)…頻率：MHz、GHz、THz…Review…無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端：Review…無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端：Review…典型應(yīng)用-RADAR、智能武器Review…Review…Review…課程目錄第一章緒論第二章毫米波傳輸線第三章毫米波固態(tài)器件和電路第四章毫米波無(wú)源電路第五章毫米波MCM第六章毫米波系統(tǒng)應(yīng)用第一章緒論1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程1.2毫米波的大氣傳播特性1.3毫米波特點(diǎn)及其應(yīng)用1.4毫米波技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程習(xí)慣所指毫米波：10～

1mm（30～300GHz）EHF實(shí)際應(yīng)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毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波在電磁頻譜中的位置1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波頻段代碼及對(duì)應(yīng)頻率范圍雷達(dá)頻段符號(hào)K頻段Ka頻段W頻段18～26.5GHz26.5～40GHz75～110GHz

英國(guó)頻段符號(hào)K頻段Q頻段O頻段V頻段18～27GHz27～40GHz40～70GHz50～75GHz

舊美軍標(biāo)符號(hào)K頻段Q頻段

V頻段W頻段10.9～30GHz36～46GHz46～56GHz56～100GHz新美軍標(biāo)符號(hào)K頻段L頻段M頻段N頻段O頻段20～40GHz48～60GHz60～100GHz100～200GHz200～300GHz1979年（WARC）規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)K頻段U頻段

E頻段

W頻段

D頻段26.5～40GHz40～60GHz

60～90GHz

75～110GHz

110～170GHz

1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波技術(shù)發(fā)展尼古拉特斯拉（

Nikola

Tesla）發(fā)明火花隙振蕩器產(chǎn)生MHz頻率信號(hào)；1988年，赫茲利用火花隙振蕩器產(chǎn)生微波；1895年~1924年，Lebedw等利用類似方法可產(chǎn)生3.7THz頻率。信號(hào)不穩(wěn)定，非單色信號(hào)。1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波技術(shù)發(fā)展1934年，CleetonandWilliams利用磁控管實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的毫米波信號(hào)源，在1936年頻率達(dá)47GHz；此后，速調(diào)管(1937年)、空腔諧振磁控管（1939年）相繼被發(fā)明；1947~1965年，傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)外的圓波導(dǎo)、介質(zhì)傳輸線等毫米波傳輸線以及電磁波傳播特性得到迅猛發(fā)展；1965年~1970年，激光和紅外技術(shù)得到迅猛發(fā)展；1970s，固態(tài)器件和薄膜工藝發(fā)展極大的促進(jìn)了固態(tài)毫米波器件和電路的發(fā)展；1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程195019601970198019902000遠(yuǎn)距離微波通信毫米波MMIC毫米波固態(tài)器件和電路微波雷達(dá)毫米波技術(shù)發(fā)展推動(dòng)因素微波頻譜資源擁擠；紅外和光系統(tǒng)的局限性，以及高精度雷達(dá)、精確武器系統(tǒng)發(fā)展需求；毫米波集成電路發(fā)展20世紀(jì)40年代起20世紀(jì)60年代起20世紀(jì)70年代起20世紀(jì)90年代起21世紀(jì)1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波電路按集成方式分類毫米波混合集成電路（HMIC:HybridMicrowaveIntegratedCircuits）毫米波單片集成電路（MMIC:MonolithicMicrowaveIntegratedCircuits）毫米波多芯片組件（MCM：Multi-chipModule）在片系統(tǒng)（SOC:SystemonChip）1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波混合集成電路定義：把毫米波傳輸線、封裝式晶體管或無(wú)封裝管芯、有獨(dú)立功能的半導(dǎo)體芯片、片式或小型分離元件等組合設(shè)計(jì)成具有完整功能的毫米波集成電路。毫米波混合集成電路:無(wú)源電路(無(wú)源元件)由毫米波傳輸線和集中參數(shù)元件完成;有源器件通過(guò)焊接或金絲鍵合等工藝與之配合連接而成。1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波單片集成電路(MMIC)：把傳輸線、無(wú)源元件、有源半導(dǎo)體器件都制作在同一半導(dǎo)體芯片上，形成完整的電路或系統(tǒng)功能的毫米波集成電路。MMIC襯底材料特點(diǎn)：(1)有較高的電阻率，可以做毫米波傳輸線；(2)有較高的電子遷移率，可以做毫米波器件；(3)性能穩(wěn)定。1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程MMIC的優(yōu)點(diǎn)：(1)器件工作頻率提高，頻帶加寬，頻率高，多倍頻程電路容易實(shí)現(xiàn)。(2)電路尺寸、重量遠(yuǎn)比HMIC小得多，可靠性高。(3)制作重復(fù)性和一致性好，大批量生產(chǎn)時(shí)成本得到降低。MMIC的缺點(diǎn)（與HMIC、電真空器件比）：

研發(fā)成本昂貴、工藝要求更高、輸出功率小。1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波芯片設(shè)計(jì)所采用的工藝主要有：CMOS工藝a)SiCMOS：低功耗和高集成度；b)SiGeHBT：較好的線性度和更高的速度；c)SiGe雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(BiCMOS)更是結(jié)合了CMOS和HBT的優(yōu)勢(shì)。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體工藝a)GaAspHEMT/mHEMT及其E/D模工藝；b)InPHEMT及其E/D模工藝。GaN化合物半導(dǎo)體及其E/D模工藝石墨烯工藝1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程多芯片組件（Mult-chipModule，MCM）：將多個(gè)裸芯片安裝在同一塊多層高密度互聯(lián)的基板上，并封裝在同一外殼內(nèi)，具有一定部件或系統(tǒng)功能的高密度微電子組件。MCM是微波毫米波混合集成電路的小型化發(fā)展方向之一。單片微波集成電路的小型化發(fā)展方向？1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程毫米波MCM的發(fā)展方向：(1)開(kāi)發(fā)具有更加良好電器性能、機(jī)械性能、熱性能和化學(xué)性能的材料；(2)發(fā)展高成品率、高可靠性、高可修復(fù)性、高組裝密度和高散熱率的芯片鍵合技術(shù)；(3)發(fā)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、建庫(kù)，并開(kāi)發(fā)MCM專用CAD軟件；(5)完善和發(fā)展微波毫米波ＭＣＭ制造技術(shù)。1.1毫米波技術(shù)發(fā)展歷程1.2毫米波的大氣傳播特性與微波頻率相比，毫米波頻段的電磁能量在大氣中傳播時(shí)與大氣中的氣體、水和浮懸微粒的相互作用更強(qiáng)，因此衰減更大。主要影響因素構(gòu)成大氣成分的分子吸收（水蒸氣、氧氣等）水蒸氣分子具有電偶極矩氧分子具有磁偶極矩降水（云、霧、雨、雪、雹等）大氣懸浮物（塵、煙等）環(huán)境（地面、障礙物、植被等）大氣衰減特性1.2毫米波的大氣傳播特性1.2毫米波的大氣傳播特性晴朗天氣水平傳播的毫米波的單程衰減在毫米波頻段有四個(gè)傳播衰減相對(duì)較小的大氣“窗口”，任何一個(gè)毫米波“窗口”的可用帶寬幾乎都可以把包括微波頻段在內(nèi)的所有低頻頻段容納在內(nèi)。毫米波的大氣窗口和吸收帶1.2毫米波的大氣傳播特性中心頻率f(GHz)3594140220波長(zhǎng)λ(mm)8.63.22.11.4帶寬B(GHz)16232670優(yōu)點(diǎn)：使雷達(dá)可用窄脈沖和寬帶調(diào)制技術(shù)獲得目標(biāo)的細(xì)部特性；拓寬現(xiàn)有的通信頻譜。中心頻率f(GHZ)60120183波長(zhǎng)λ(mm)52.51.6（2）大氣吸收帶優(yōu)點(diǎn)：軍用保密通信和雷達(dá)雷達(dá)隱蔽工作提供更好的條件（1）大氣“窗口”1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用與微波相比:波長(zhǎng)短在同樣的口徑天線下，能實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣、高增益，能提供更高的角分辨率和跟蹤精度；部件和系統(tǒng)體積小、重量輕。帶寬大信息容量大，能大大拓寬通信頻譜；容許更多通道工作而不相互干擾；對(duì)于雷達(dá)便于應(yīng)用窄脈沖和寬帶調(diào)頻，提高距離分辨率；對(duì)于輻射計(jì)可提高靈敏度。毫米波優(yōu)點(diǎn)與紅外/可見(jiàn)光相比:特有的大氣傳輸特性穿透性好，受云霧、煙塵影響較小，具有全天候工作能力。吸收峰能用于隱蔽雷達(dá)和保密通信角分辨率在一般情況下能獲得的角分辨率α就等于天線波束的半功率寬度（或由信號(hào)處理獲得的等效波束寬度），它與輻射波長(zhǎng)λ、天線（或透鏡）直徑D有如下的關(guān)系

α=kλ/D系數(shù)k決定于天線孔徑上的電流分布，典型值為1～1.3。上式表明，波長(zhǎng)越短，天線直徑越大，波束寬度越窄，角分辨率就越高。例：一個(gè)12cm孔徑的天線在94GHz給出1.8°的波束寬度，同樣孔徑尺寸的天線在10GHz的波束寬度為18°。1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用被動(dòng)毫米波圖像與紅外、可見(jiàn)光圖像的對(duì)比1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用毫米波的缺點(diǎn)波長(zhǎng)短元件尺寸小，要求加工精度高；趨膚效應(yīng)明顯、損耗大、元器件寄生參數(shù)影響大；窄波束寬度，不利于對(duì)目標(biāo)大范圍搜索和捕獲；天線口徑小導(dǎo)致截獲能量較小，靈敏度降低；Doppler頻移大，要求接收系統(tǒng)帶寬增大。特有的大氣傳輸特性大氣衰減導(dǎo)致作用距離??；惡劣天氣（雨、雪等）下作用距離下降明顯；穿透植被樹(shù)葉的能力較差，尤其是綠色葉叢。元部件成本仍較高雷達(dá)系統(tǒng)比較雷達(dá)特性微波毫米波光學(xué)跟蹤精度差中好分類與識(shí)別差中好隱蔽性差中好空間搜索好中差惡劣氣象條件下的性能好中差在煙霧、塵埃中的性能好好中1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用自動(dòng)尋的和尋彈制導(dǎo)雷達(dá)天線口徑小，為了獲得窄波束而使用毫米波；毫米波特別適合用在末制導(dǎo)（34GHz/94GHz）；如“地域火”II型導(dǎo)彈?；鹂馗櫪走_(dá)要求高的角跟蹤和距離跟蹤精度，使用毫米波天線形成窄波束，毫米波的大帶寬可以實(shí)現(xiàn)高的距離分辨率；如“阿帕奇”武裝直升機(jī)上的“長(zhǎng)弓”火控雷達(dá)；（1）導(dǎo)彈制導(dǎo)警戒與目標(biāo)攔截雷達(dá)需求全天候連續(xù)提供戰(zhàn)場(chǎng)信息區(qū)域搜索和目標(biāo)探測(cè)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)目標(biāo)分類與識(shí)別毫米波警戒與目標(biāo)攔截雷達(dá)可用于探測(cè)低空飛機(jī)搜索海面潛望鏡探測(cè)和跟蹤坦克1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用（1）雷達(dá)與制導(dǎo)系統(tǒng)1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用“海爾法”(Hellfire，又稱“地獄火”)反坦克導(dǎo)彈（1）雷達(dá)與制導(dǎo)系統(tǒng)“硫磺石”(Brimstone)反坦克導(dǎo)彈在利比亞戰(zhàn)場(chǎng)1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用（1）雷達(dá)與制導(dǎo)系統(tǒng)1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用（2）毫米波電子對(duì)抗關(guān)鍵技術(shù)寬帶特性高靈敏度接收機(jī)大功率干擾機(jī)1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用（3）毫米波通信帶寬大，所以容量大波束窄，定向性好保密和抗干擾能力強(qiáng)體積小、重量輕目前主要受成本較高的限制（4）毫米波遙感1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用地球環(huán)境遙感（氣象學(xué)、大氣科學(xué)）探測(cè)大氣中的水蒸氣含量探測(cè)大氣溫度結(jié)構(gòu)（云層和降雨）探測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴中心監(jiān)測(cè)大氣污染1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用水文學(xué)、海洋學(xué)探測(cè)江河湖海的水表溫度探測(cè)地下水源洪水預(yù)報(bào)（對(duì)比原有的水陸邊界）冰雪探測(cè)探測(cè)海面溫度和鹽度探測(cè)海面風(fēng)速探測(cè)海洋潮汐、地震、海嘯海面油膜和環(huán)境監(jiān)測(cè)（5）毫米波遙感1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用地質(zhì)學(xué)識(shí)別地貌探測(cè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)巖石類型探測(cè)地?zé)豳Y源探測(cè)地下水源探測(cè)石油、礦藏（5）毫米波遙感（5）毫米波遙感農(nóng)業(yè)和林業(yè)探測(cè)農(nóng)作物和植被分類、生長(zhǎng)狀況探測(cè)土壤濕度漁業(yè)探測(cè)魚(yú)群1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用（6）毫米波輻射計(jì)熱輻射物體中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞，引起帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，使物體輻射出電磁波，這就是熱輻射現(xiàn)象。輻射電磁波是隨機(jī)的非相干波，且具有很寬的頻譜和不同的極化方向，因而這種輻射也稱為噪聲輻射。與可見(jiàn)光和紅外一樣，毫米波也是輻射波譜中的一段。1.3毫米波的特點(diǎn)及其應(yīng)用（6）毫米波輻射計(jì)射電天文觀測(cè)地球環(huán)境遙感氣象學(xué)、大氣科學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)、地質(zhì)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)交通低能見(jiàn)度氣象條件時(shí)搜索船只、顯示機(jī)場(chǎng)跑道、引導(dǎo)飛機(jī)著陸、車船防撞偵察、預(yù)警和制導(dǎo)無(wú)損安全檢查醫(yī)學(xué)檢查1.3毫米波的特點(diǎn)及