毫米波技术及应用概况
毫米波技术及应用概况
随着对电磁波谱的不断探索, 人类对电子学和光学获得了充分的认识, 并且通过对电子学和光学的研究, 研发了各种器件, 形成了两大较为成熟的研究和应用技术. 一是微波毫米波技术, 在雷达、射电天文、通信、成像、导航等领域得到了广泛的应用, 另一个是光学技术, 其应用已渗透到人们日常生活的方方面面. 然而毫米波和光频段之间, 还存在着丰富的未被充分开发的频谱资源, 也就是太赫兹频段. 传统上, 微波频段定义为300 MHz-26.5 GHz, 毫米波频段为26.5-300 GHz, 而太赫兹频段为300-10000 GHz (10 THz). 现在比较流行的一种说法是, 0.3-30 GHz 为微波频段, 30-300 GHz 为毫米波频段, 也有人将0.1-10 THz 称作太赫兹频段.
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
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. 下面将分别进行先容.
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 企业报道了工作于0.85 THz 的InP HEMT放大器， 2013 年美国Teledyne 企业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 企业报道了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撑下, 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 企业研制的速调管(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。
3、毫米波应用
近年来, 毫米波器件性能的不断提高, 成本的不断降低, 有力促进了毫米波在各个领域的应用. 目前基于毫米波频段的应用主要体现在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷达等方面.
3.1 毫米波通信
随着无线通信技术的飞速发展, 6 GHz 以下黄金通信频段的频谱已经非常拥挤, 很难满足未来无线高速通信的需求. 然而, 与此相反的是, 在毫米波频段, 频谱资源丰富但仍然没有得到充分的开发利用.
在移动通信方面，探索了毫米波移动通信系统场景、网络结构及空中接口. 在目前开展的第5 代移动通信(5G) 研究中, 几个毫米波频段已经成为5G 候选频段。毫米波技术将会在5G的发展中起着举足轻重的作用.
在短距高速通信系统中, 60 GHz 频段得到了广泛地研究和应用. 欧洲、美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚以及我国陆续开放了这一频段的免费频谱资源. 60 GHz 频段处于大气衰减峰, 虽然不适合远距通信, 但可用于短距离传输, 且不会对周围造成太多干扰. 近年来, 在60 GHz 频段已发展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近场通讯、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各种系统与标准。
国内东南大学提出了工作在45 GHz 频段的超高速近远程无线传输标准(Q-LINKPAN) ，其短距部分已成为IEEE 802.11aj 国际标准。 45 GHz 频段的大气衰减小于1 dB/km, 因此不仅可以像60 GHz 频段一样实现高速短距传输, 同时也适用于远距传输. 目前实验系统在82 m 的传输距离上已实现2 Gbps 的传输速率, 并研制了相应的支撑Gbps 传输的毫米波芯片。
卫星通信覆盖范围广，是保障偏远地区和海上通信以及应急通信的重要手段，目前其工作频段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段. 随着卫星通信研究的不断深入，已在尝试更高频段. 因为毫米波频段可以提供更宽的带宽, 因而可实现更高的通信速率. 此外, 低功耗、小体积、抗干扰以及较高的空间分辨率都是其值得利用的特点. 目前卫星与地面通信的主要研究方向集中在两个大气衰减较小的窗口，Q 频段和W 频段， 而60 GHz 频段被认为是实现星间通信的重要频段.
此外, 毫米波光载无线通信(RoF) 系统也得到了迅速的发展. 光纤具有成本低、信道带宽大、损耗小、抗干扰能力强等优点, 成为现代通信系统中不可或缺的部分. 正如上文提到的, 毫米波具有传输容量大、体积小等优点, 但也有空间传输损耗大等缺点. 毫米波RoF 系统结合了毫米波和光纤通信的优点, 是实现宽带毫米波通信远距离传输的有效手段. 自从1990 年光载无线通信的概念被提出之后，这个领域目前在毫米波频段成为了研究热点，很多研究小组在不同的毫米波频段进行了研究, 比如60 GHz 、75-110 GHz、120 GHz 、220 GHz、250 GHz 等.
3.2 毫米波成像
利用毫米波穿透性、安全性等优点, 毫米波成像可有效地对被检测物体进行成像, 在国家安全、机场安检、大气遥感等方面得到了广泛的研究, 根据成像机理分为被动式成像和主动式成像.毫米波被动式成像是通过探测被测物自身的辐射能量, 并分辨不同物质辐射强度的差异来实现成像. 被动式成像从机理上看是一种安全的成像方式, 不会对环境造成电磁干扰, 但对信号本身的强度以及接收机的灵敏度要求较高。国内外对毫米波被动式成像技术已开展了大量的研究。
毫米波主动式成像主要是通过毫米波源发射一定强度的毫米波信号, 通过接收被测物的反射波，检测被测目标与环境的差异，然后进行反演成像. 主动式成像系统可以对包括塑料等非金属物体进行检测, 其受环境影响较小, 获得的信息量大, 可以有效地进行三维成像. 常用的主动式成像系统主要包括焦平面成像以及合成孔径成像。毫米波成像系统已应用于国内外许多机场的安检. 国内上海微系统所孙晓玮团队研发成功了毫米波成像安检系统, 电子科技大学樊勇团队研制成功了毫米波动态成像系统。
3.3 毫米波雷达
毫米波雷达具有频带宽、波长短、波束窄、体积小、功耗低和穿透性强等特点. 相比于激光红外探测, 其穿透性强的特点可以保证雷达能够工作在雾雨雪以及沙尘环境中，受天气的影响较小。相比于微波波段的雷达，利用毫米波波长短的特点可以有效减小系统体积和重量，并提高分辨率. 这些特点使得毫米波雷达在汽车防撞、直升机避障、云探测、导弹导引等方面具有重要的应用.
微波毫米波汽车防撞雷达主要集中在24 GHz和77 GHz 频段上, 是未来智能驾驶或自动驾驶的核心技术之一. 在直升机毫米波防撞雷达的研究上, 人们特别关注毫米波雷达对电力线等的探测效果。
毫米波在大气遥感方面也有很重要的应用，其中代表性的有毫米波云雷达. 毫米波云雷达主要针对降水云进行探测,，用于探测云内部宏观和微观参数,，反映大气热力及动力过程. 由于毫米波波长短，在云探测中表现出很高的测量精度和分辨率, 具有穿透含水较多的厚云层等优势。南京信息工程大学葛俊祥团队研制了W 波段云雷达, 北京理工大学吕昕团队正在研制94/340 GHz 双频段云雷达.
除了民用, 毫米波雷达在军事方面也有着非常重要的应用, 比如在精确制导武器中, 毫米波雷达导引是一项核心技术, 是全天候实施目标精确打击的一种有效手段。
毫米波领域未来研究方向展望
1、大功率毫米波固态源。针对5G 通信、空天地一体化通信、高分辨率雷达等应用需求, 发展GaAs和GaN 工艺, 提升毫米波固态放大器的输出功率, 探索高效率功率合成原理和实现方法.
2、高功率毫米波电真空器件。毫米波行波管(TWT)、回旋管(Gyrotron)、速调管(Klystron)、返波管(BWO) 等高功率放大器的设计与实现, 重点是提高其可靠性和寿命.
3、 毫米波III/V 族单片集成电路。 研究GaAs、InP 等III/V 族毫米波单片集成电路, 改善输出功率和噪声性能指标, 提高电路集成度, 以满足我国毫米波技术的应用需求.
4、毫米波硅基集成电路.。硅基(如CMOS、SiGe 等) 毫米波集成电路在功率和噪声等性能上比III/V族单片集成电路要差一些, 但高集成度、低成本等特性将使得CMOS 或SiGe 集成电路在未来毫米波应用领域发挥越来越重要的作用. 针对5G 无线通信、阵列成像和汽车防撞雷达等应用, 研究高集成度、多通道毫米波硅基系统芯片的架构和实现方法.
5、毫米波测量仪器研制。目前，我国毫米波测试仪器领域基本上被Keysight 和R&S 等国外企业垄断, 而测试仪表又是发展各种电路与系统的基础。因此, 要加强毫米波测量仪器特别是高端毫米波测量仪器的研究与开发.
6、毫米波应用系统。探索毫米波应用系统的新原理、新架构、新的实现方法, 及其在雷达、制导、通信、成像和汽车自动驾驶等领域的创新应用.
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