單片微波功率放大器

單片微波功率放大器（MMIC）

單片微波集成電路，是在半絕緣半導體襯底上用一系列的半導體工藝方法制造出無源和有源元器件，並連接起來構成應用於微波（甚至毫米波）頻段的功能電路。

單片微波集成電路包括多種功能電路，如單片微波功率放大器（LNA）、功率放大器、混頻器、上變頻器、檢波器、調製器、壓控振盪器（VCO）、移相器、開關、MMIC收發前端，甚至整個發射/接收（T/R）組件（收發系統）。由於MMIC的襯底材料（如GaAs、InP）的電子遷移率較高、帶禁寬度寬、工作温度範圍大、微波傳輸性能好，所以MMIC具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態範圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點。

微電子技術；微波毫米波技術；半導體單片集成電路技術；電子技術；先進材料技術；製造與加工技術

1. GaAs、InP大直徑單晶和高性能HEMT、PHEMT、InP HEMT中材料製備。

2. 深亞微米精細結構製備

3. CAD和CAT技術

4. 封裝技術

自1974年，美國的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研製成功世界上第一塊MMIC放大器以來，在軍事應用（包括智能武器、雷達、通信和電子戰等方面）的推動下，MMIC的發展十分迅速。80年代，隨着分子束外延、金屬有機物化學汽相澱積技術（MOCVD）和深亞微米加工技術的發展和進步，MMIC發展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu兩公司實驗室研製出高電子遷移率晶體管（HEMT），在材料結構上得到了不斷的突破和創新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs溝道製成的贗配HEMT（PHEMT），使HEMT向更調頻率更低噪聲方向發展。繼HEMT之後，1984年用GaAlAs/GaAs異質結取代硅雙極晶體管中的P-N結，研製成功了頻率特性和速度特性更優異的異質結雙極晶體管（HBT）和HBT MMIC。由於InP材料具有高飽和電子遷移率、高擊穿電場、良好的熱導率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更為優越，近年來隨着InP單晶的製備取得進展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高。

微波單片集成電路具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態範圍大、功率大、附加效率高等一系列優點，並可縮小的電子設備體積、重量減輕、價格也降低不少，這對軍用電子裝備和民用電子產品都十分重要。美國、日本、西歐都把MMIC作為國家發展戰略的核心，競相投入大量的人力、物力，展開激烈的競爭。

80年代中期以前的MMIC，頻率一般在40GHz以下，器件是採用柵長為0.5mm左右的GaAs 金屬半導體場效應晶體管（MESFET）。後來在低噪聲MMIC領域的先進水平都被HEMT、PHEMT和近年來飛速發展的InP HEMT所取代，InP基HEMT的最佳性能是fT為340GHz，fmax為600GHz。目前，低噪聲MMIC放大器的典型水平為29～34GHz下，2級LNA噪聲為1.7dB，增益為17dB；92～96GHz，3級LNA噪聲為3.3dB，增益為20dB；153～155GHz，3級低LNA增益為12dB。

美國TRW公司已研製成功MMIC功率放大器芯片，Ka波段輸出功率為3.5W，相關功率增益11.5dB，功率附加效率為20%，60GHz的MMIC輸出功率為300mW，效率22%，94GHz採用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型柵功率二級MMIC，最大輸出功率300mW，最高功率附加效率為10.5%。

HP公司研製了6～20GHz單片行波功率放大器，帶內最小增益為11dB，帶內不平坦度為±0.5dB，20GHz處1dB壓縮點輸出功率達24dB。Raythem. Samvng及Motorola聯合開發的X-Ku波段，MMIC單片輸出功率達3.5W，最大功率附加效率為49.5%。

西屋公司研製成功直流-16GHz，6位數字衰減器MMIC，16GHz插損小於5dB。

日本三菱電器公司研製的大功率多柵條AlGaAs/GaAs HBT，在12GHz下功率附加效率為72%；NEC公司開發的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件達到了目前最高輸出功率（740mW）和功率附加效率（42%）。

微波單片集成電路已成為當前發展各種高科技武器的重要支柱，已廣泛用於各種先進的戰術導彈、電子戰、通信系統、陸海空基的各種先進的相控陣雷達（特別是機載和星載雷達），在民用商業的移動電話、無線通信、個人衞星通信網、全球定位系統、直播衞星接收和毫米波自動防撞系統等方面已形成正在飛速發展的巨大市場。

美國國防部在1986到1994年實施了發展軍事微電子總計劃之一的《MIMIC》計劃，該計劃在美國國防部高級研究計劃局（DARDA）的領導下，採用以聯邦政府鉅額支助的方針，動員全國高校和工業部門各大公司的力量，分工合作，對MMIC領域開展廣泛而深入的研究。美聯邦政府投入資金共計5.3億元，加上美工業部門投入，實際已超過10億美元。在此計劃的激勵下，MMIC芯片製造和應用技術發展十分迅速。據1994年七月出版的《Aviation Week Space Technology》報導雷聲公司和TI公司為美國沙姆導彈實驗場研製GBR陸基雷達，該雷達使用25000個T/R組件，每個組件使用9塊GaAs MMIC。由於這種相控陣雷達工作在X波段，它比"愛國者"導彈系統使用的C波段雷達有更好的分辨力。美F-15，F-16戰鬥機都使用MMIC相控陣雷達。每部雷達使用9000個T/R組件，而每個組件使用10塊MMIC。F-15，F-16等戰鬥機還使用寬帶、超寬帶MMIC組成二維電子戰陣列和信道化干擾設備。MMIC還在精確制導等靈巧武器和軍事通信得到廣泛應用，其優越性在海灣戰爭中得以體現。

進入90年代，隨着冷戰的結束，MMIC在民用方面應用發展勢頭強勁，每年正以15～20%的速度增長，預計現在的電信、電視、廣播業到21世紀初將發生劃時代的變革，衞星電信、衞星電視、衞星廣播、衞星電纜接收網絡成為多種傳播的主體，預計在2000年前後，MMIC電路將達到數千個品種，批生產形成的軍用和民用市場在100億美元左右。因此MMIC的發展前景極為廣闊。

功率放大器和電壓（電流）放大器是有區別的，電壓放大器的主要任務是把微弱的信號電壓進行幅度放大，一般輸入及輸出的電壓與電流都比較小，是小信號放大器；它消耗能量少，信號失真小，輸出信號的功率小。而功率放大器的主要任務是輸出大的信號功率，它的輸入、輸出電壓和電流都較大，是消耗能量多，信號容易失真的大信號放大器，主要特徵是輸出信號的功率大。比較功放與其他放大器異同，主要有以下幾點：

（1）本質相同。無論哪種放大電路，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點來看，放大電路實質上都是能量轉換電路。總的來説，最終結果功率都會加強。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質的區別，只是強調的輸出量不同而已。

（2）任務不同。電壓（電流）放大電路在小信號狀態下工作，主要用於電壓幅度或電流幅度放大，最後在負載上得到不失真的電壓信號，輸出的功率並不一定很大；功率放大電路主要是使負載得到失真較小的輸出功率，在大信號狀態下工作。

（3）指標不同。電壓放大電路主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗；功率放大電路主要指標是功率、效率、非線性失真。

（4）研究方法有區別。電壓放大電路大信號用圖解法、小信號用微變等效電路法；功率放大電路目前只能用圖解法。 ^[1]