國(guó)創(chuàng)淺談射頻微波電路簡(jiǎn)史

　　近年來(lái)由于微波半導(dǎo)體電路的飛速發(fā)展，微波在無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域中占有越來(lái)越重要的地位。目前，它已廣泛地應(yīng)用于微波中繼通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、電子測(cè)量?jī)x器及各種飛行器的電子設(shè)備中，因此從事無(wú)線電和電子技術(shù)的理論和工程技術(shù)人員在科研和生產(chǎn)實(shí)際中，將大量接觸和使用各種微波電子線路。

　　一直以來(lái)，“微波電路”就是“波導(dǎo)電路”的同義詞，早在上世紀(jì)三十年代初期，人們就認(rèn)識(shí)到對(duì)于微波頻率來(lái)說(shuō)，波導(dǎo)是一種很有用的傳輸結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，這些應(yīng)當(dāng)提及貝爾實(shí)驗(yàn)室的Southworth等人的工作。研究者們很早就發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改后的一小節(jié)波導(dǎo)，可以作為輻射器或電抗原件來(lái)使用。Southworth在一篇早起論文中就曾談到諧振腔和喇叭天線?，F(xiàn)代波導(dǎo)電路發(fā)展過(guò)程中，一開始就致力于使微波功率能從微波源有效地傳送到波導(dǎo)傳輸線，并能在接收端有效地回收，這就對(duì)相應(yīng)的發(fā)射機(jī)原件和接收機(jī)原件提出了更高的要求。因此，它導(dǎo)致了行波檢測(cè)器、波長(zhǎng)計(jì)、終端負(fù)載等元件的出現(xiàn)。然而，當(dāng)年所用的微波技術(shù)水平是很落后的，當(dāng)時(shí)的微波實(shí)驗(yàn)常常利用光學(xué)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，國(guó)際無(wú)線電工程（IRE）會(huì)刊在其五十周年紀(jì)念專集中發(fā)表了一篇回顧微波技術(shù)發(fā)展歷史的文章，其中就有幾幅當(dāng)年所用設(shè)備的照片。

　　微波技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，構(gòu)成了微波電路的基礎(chǔ)。從最初發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性的多次反射原理和相應(yīng)的腔體諧振原理，到人們利用這些原理使微波功率源與波導(dǎo)匹配，再到用來(lái)使波導(dǎo)與接收機(jī)匹配（如晶體檢波器），并且利用這些器件，使得某一頻率的信號(hào)通過(guò)電路。

　　微波電路的基本特點(diǎn)之一是通過(guò)波導(dǎo)內(nèi)部的螺釘、膜片（以致壓縮尺寸）憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)其特性進(jìn)行調(diào)整或調(diào)諧。起初，這僅是一種試湊方法，后來(lái)發(fā)展成所謂“波導(dǎo)管工程”。在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，它也是微波工程的一種最常用方法。

　　微波電路開始于二十世紀(jì)四十年代應(yīng)用的立體微波電路，它是由波導(dǎo)傳輸線、波導(dǎo)元件、諧振腔和微波電子管組成的。到了二十世紀(jì)六十年代，便出現(xiàn)了以半導(dǎo)體器件以及薄膜淀積技術(shù)、光刻技術(shù)見長(zhǎng)的新一代微波集成電路。由于具有體積小，重量輕，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使得它在武器、航空航天以及衛(wèi)星等方面得到充分的利用。

　　第二次世界大戰(zhàn)期間，在微波電路中經(jīng)常采用兩種基本傳輸，即波導(dǎo)和TEM模同軸線。波導(dǎo)的特點(diǎn)是功率高、損耗小。后一特點(diǎn)導(dǎo)致了高Q諧振腔的出現(xiàn)。同軸線則由于不存在色散效應(yīng)，具備固有的寬帶特性。此外，阻抗的概念也能在同軸線中方便的解釋，從而簡(jiǎn)化了元件的設(shè)計(jì)過(guò)程。這兩種傳輸結(jié)構(gòu)發(fā)展成為重要的微波電路元件，兩者配合使用，可以達(dá)到意想不到的效果。

　　1951年，Barrett和Barnes提出的這種結(jié)構(gòu)，即在微波電路中采用帶狀線傳輸結(jié)構(gòu)，形式和今天所用的一樣，由兩片外側(cè)敷有金屬的介質(zhì)板夾一根薄條狀導(dǎo)體組成。其平面圖如圖3-1。早期的帶狀工藝，用的是刮刀和膠水，將薄帶導(dǎo)體切下并粘結(jié)到介質(zhì)板上。隨著敷銅層壓板的出現(xiàn)，帶狀線發(fā)展成為一項(xiàng)性能可以預(yù)先計(jì)算的精密工藝。帶狀線傳輸結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)，是其特性阻抗受中心條帶導(dǎo)體的寬度控制。帶狀線電路結(jié)構(gòu)的二位特性使得它能實(shí)現(xiàn)許多元件的互連而不破壞外導(dǎo)體的屏蔽層，這也給輸入輸出位置帶來(lái)很大的靈活性。由于兩根條帶導(dǎo)體緊靠時(shí)，存在固有的耦合特性，因此帶狀線在平行線耦合器中應(yīng)用非常方便。

　　自1974年，美國(guó)的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研制成功世界上**塊MMIC放大器以來(lái)，在J事應(yīng)用（包括智能武器、雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等方面）的推動(dòng)下，MMIC的發(fā)展十分迅速。正是由于GaAs技術(shù)的問(wèn)世與GaAs材料的特性而促成了由微波集成電路向單片微波集成電路（MMIC）的過(guò)渡。與第二代的微波混合電路HMIC相比較，MMIC的體積更小、壽命更長(zhǎng)、可靠性高、噪聲低、功耗小、工作的極限頻率更高等優(yōu)點(diǎn)，因此，受到廣泛的重視。

　　單片微波集成電路的出現(xiàn)，使得各種微波電路的實(shí)現(xiàn)成為可能。因此，各種MMIC器件都的到了空前的發(fā)展，如MMIC功放、低噪聲放大器（LNA）、混頻器、上變頻器、壓控振蕩器（VCO）、濾波器等直至MMIC前端和整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)。單片微波集成電路在固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電視衛(wèi)星接收、微波通信和超高速計(jì)算機(jī)、大容量信息處理方面有廣泛的應(yīng)用前景。

　　隨著MMIC技術(shù)的進(jìn)一步提高和多層集成電路工藝的進(jìn)步，利用多層基片內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎所有的無(wú)源器件和芯片互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的三維多層微波結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多的重視。而且建立在多層互連基片上的MCM技術(shù)將使微波毫米波系統(tǒng)的尺寸變得更小。

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