微波电路的发展现状和前沿技术

1  引言

上世纪六十年代，特别是到了七十年代，由于微波半导体电路的飞速发展，微波在无线电技术领域中占有越来越重要的地位。目前，它已广泛地应用于微波中继通信、卫星通信、雷达、制导、电子测量仪器及各种飞行器的电子设备中，因此从事无线电和电子技术的理论和工程技术人员在科研和生产实际中，将大量接触和使用各种微波电子线路。

2  微波电路的产生

一直以来，“微波电路”就是“波导电路”的同义词，早在上世纪三十年代初期，人们就认识到对于微波频率来说，波导是一种很有用的传输结构，当然，这些应当提及贝尔实验室的Southworth等人的工作。研究者们很早就发现经过适当修改后的一小节波导，可以作为辐射器或电抗原件来使用。Southworth在一篇早起论文中就曾谈到谐振腔和喇叭天线。现代波导电路发展过程中，一开始就致力于使微波功率能从微波源有效地传送到波导传输线，并能在接收端有效地回收，这就对相应的发射机原件和接收机原件提出了更高的要求。因此，它导致了行波检测器、波长计、终端负载等元件的出现。然而，当年所用的微波技术水平是很落后的，当时的微波实验常常利用光学试验台进行，国际无线电工程（IRE）会刊在其五十周年纪念专集中发表了一篇回顾微波技术发展历史的文章，其中就有几幅当年所用设备的照片。

微波技术的发展应用，构成了微波电路的基础。从最初发现的不连续性的多次反射原理和相应的腔体谐振原理，到人们利用这些原理使微波功率源与波导匹配，再到用来使波导与接收机匹配（如晶体检波器），并且利用这些器件，使得某一频率的信号通过电路。

微波电路的基本特点之一是通过波导内部的螺钉、膜片（以致压缩尺寸）凭经验对其特性进行调整或调谐。起初，这仅是一种试凑方法，后来发展成所谓“波导管工程”。在很长时间内，它也是微波工程的一种最常用方法。

3  微波电路的现状

微波电路开始于二十世纪四十年代应用的立体微波电路，它是由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成的。到了二十世纪六十年代，便出现了以半导体器件以及薄膜淀积技术、光刻技术见长的新一代微波集成电路。由于具有体积小，重量轻，使用方便等优点，使得它在武器、航空航天以及卫星等方面得到充分的利用。

第二次世界大战期间，在微波电路中经常采用两种基本传输，即波导和TEM模同轴线。波导的特点是功率高、损耗小。后一特点导致了高Q谐振腔的出现。同轴线则由于不存在色散效应，具备固有的宽带特性。此外，阻抗的概念也能在同轴线中方便的解释，从而简化了元件的设计过程。这两种传输结构发展成为重要的微波电路元件，两者配合使用，可以达到意想不到的效果。

1951年，Barrett和Barnes提出的这种结构，即在微波电路中采用带状线传输结构，形式和今天所用的一样，由两片外侧敷有金属的介质板夹一根薄条状导体组成。其平面图如图3-1。早期的带状工艺，用的是刮刀和胶水，将薄带导体切下并粘结到介质板上。随着敷铜层压板的出现，带状线发展成为一项性能可以预先计算的精密工艺。带状线传输结构最重要的特点，是其特性阻抗受中心条带导体的宽度控制。带状线电路结构的二位特性使得它能实现许多元件的互连而不破坏外导体的屏蔽层，这也给输入输出位置带来很大的灵活性。由于两根条带导体紧靠时，存在固有的耦合特性，因此带状线在平行线耦合器中应用非常方便 。

自1974年，美国的Plessey公司用GaAs FET作为有源器件，GaAs半绝缘衬底作为载体，研制成功世界上第一块MMIC放大器以来，在军事应用（包括智能武器、雷达、通信和电子战等方面）的推动下，MMIC的发展十分迅速。正是由于GaAs技术的问世与GaAs材料的特性而促成了由微波集成电路向单片微波集成电路（MMIC）的过渡。与第二代的微波混合电路HMIC 相比较，MMIC的体积更小、寿命更长、可靠性高、噪声低、功耗小、工作的极限频率更高等优点，因此，受到广泛的重视。

单片微波集成电路的出现，使得各种微波电路的实现成为可能。因此，各种MMIC器件都的到了空前的发展，如MMIC功放、低噪声放大器（LNA）、混频器、上变频器、压控振荡器（VCO）、滤波器等直至MMIC前端和整个收发系统。单片微波集成电路在固态相控阵雷达、电子对抗设备、战术导弹、电视卫星接收、微波通信和超高速计算机、大容量信息处理方面有广泛的应用前景。

随着MMIC技术的进一步提高和多层集成电路工艺的进步，利用多层基片内实现几乎所有的无源器件和芯片互联网络的三维多层微波结构受到越来越多的重视。而且建立在多层互连基片上的MCM（Multi-Chip Module）技术将使微波毫米波系统的尺寸变得更小 。

4  微波电路的发展趋势

近年来，随着微波技术的发展，微波电路在很多技术方面也有了长足的进步，微波电路近年来的主要发展趋势是：

4.1  微波电路的互联与制造技术

使用频率1 GHz 以上的微波技术与微波电路互联与制造技术，发展迅速，应用广泛。在雷达、导航和通讯设备等现代信息系统与军事电子装备中，微波电路是高速信息的“主动脉”。因此，微波电路及其互联与制造技术是信息化系统与军事电子装备研制、生产中的一项重大关键技术。微波电路互联与制造技术包括：微波电路基板材料与制造技术、微波电路设计与制造技术、微波器件或组件的封装和组装技术、微波组件或系统的互连与调试技术等内容。它涉及微电子学、材料科学、计算机应用技术、电子机械工程等诸多学科；是一项多学科交叉、综合性科学技术。具有科技含量高，技术难度大，发展速度快，在信息系统与军事电子装备中应用面宽、作用大等特点。

随着微电子技术、元器件技术、材料科学、计算机辅助设计与制造等科学技术的快速进步，微波电路互联与制造新工艺、新技术也在不断涌现。例如多层微波集成电路和三维微波集成电路(3DMMIC)、低损耗传输线和屏蔽膜片微带(SMM)电路、多芯片微波模块、微波电路的微机电系统(MEMS) 的互联与制造技术，新型树脂微波PCB技术、新型微波电路防护涂层技术，以及应用于微波电路设计的三维电路仿真技术、基于智能方法的微波电路CAD与优化技术等等 。

4.2  微波电路的光子带隙结构

1987年，Yablonovitch提出了子带隙(PBG)结构，它最初应用于光学领域，近几年被引入微波波段，引起了人们的广泛关注。电磁波在具有周期结构的材料中传播时，会受到调制，产生光子带隙，当电磁波的工作频率落在带隙中时，没有任何传输态存在。子带隙结构应用于微波波段，能够使特定频段内的电磁波完全不能在其中传播，同时，光子带隙结构还将改变通带内的传播常数，是一种慢波结构。由于光子带隙结构的以上特点，其广泛应用于带阻、抑制高次谐波、改善效率、增加带宽、减小尺寸等方面。光子带隙结构可以采用金属、介质、铁磁或铁电物质植入衬底材料,或者直接由各种材料周期性排列而成。国内外提出的微波光子带隙结构多种多样，目前由三维结构向一维和二维结构发展，由于易于实现且便于集成，使光子带隙结构的研究发展到了电子和通信领域。现在光子带隙结构的单元形状、周期性条件、各种周期结构变形体的结合以及材料的开发都是值得关注的研究热点。

子晶体就是一种介质在另一种介质中周期排列所形成的人造晶体，光子晶体的基本特是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。光子晶体的独特特性，最初应用于光学领域，后来迅速扩展到其它领域，现在在微波频段也有研究和应用。目前国内外提出了多种微波光子带隙结构，最初的微波光子带隙结构是由三维介质周期排列构成，由于三维结构加工制作及分析都很复杂，微波光子带隙结构的研究和制作就集中在了平面结构上。平面光子带隙结构的出现改变了传统的设计方法，为设计高性能、高集成度的电路提供了新的途径，带来了微波集成电路设计思想的一次革命。因为一维和二维的平面带隙结构形式灵活，易于实现且便于集成，因而在微波电路中得到了广泛的应用，更带给微波集成电路更快的发展 。

4.3  微波电路的MEMS开关

根据MEMS的最新定义，它是将电气元件和机械元件结合在一起的微型化器件或器件阵列，并且可用IC工艺批量制作。尽管传统的IC制作工艺和MEMS制作工艺有很大的相似之处，但前者是平面技术，后者是三维技术。目前广泛使用的MEMS制作技术有： 体微加工技术、表面微加工技术、键合微加工技术和LIGA技术(光刻电铸成型技术)。

开关是微波信号变换的关键元件。和传统的p2i2n二极管开关及FET开关相比，现在的RFMEMS开关具有优越的微波特性和固有的重量轻、尺寸小、低功耗等优点。随着MEMS制作技术和工艺理论的发展，在克服MEMS开关工作寿命短、开关速率低等缺点后，RFMEMS开关必将在微波系统中取得更大的发展。目前，RFMEMS开关已经用于部分微波系统的前端电路、数字电容器组和移相网络 。

4.4  微波电路的集总元件化

微带电路的另一个趋势是采用集总元件。过去，由于集总元件尺寸可与微波波长相比拟，所以不能用于微波频率。随着光刻和薄膜技术的发展，集总元件（电容器、电感器等）的尺寸大大减小，从而一直可以用到J波段。将介质衬底上的集总元件与芯片形式的半导体器件装在一起，对于微波集成电路来说，是一种全新的方法。除了减小尺寸以外，集总元件的另一个有点是：低频电路中一些十分有用的技术和最优化技术，现在可以直接用于微波领域。

4.5  微波电路的二维平面化

除了集总元件和一维传输线元件外，还有人提出了用于微波电路的二维平面元件。这类元件可与带状线、微带线兼容，这就为微波电路的设计提供了一个非常有用的可选方案。

目前，实现二维平面电路主要有三元件结构、开放式结构、腔体结构三个方式。与条状线电路相比，它具有自由度大、输入电阻低等优点；同波导电路相比，它更加容易分析和设计，借助于高速计算机强大的运算能力，它可以根据要求对任意形状的平面电路进行分析，从而大大提高了工作效率。相信，在不久的将来，它的应用必将越来越广泛。

4.6  新一代的MIC

新一代的MIC可能是半导体衬底上的单片微波集成电路，所用的半导体衬底有高电阻率硅、高电阻率砷化镓以及带有二氧化硅层的低电阻率硅。它的技术难点有两个，首先是其中用到的各种微波半导体器件还没有通用的制造方法，其次是无源分布元件（传输线段）需要大面积的衬底。然而，近年来的趋势表明，砷化镓工艺是微波单片集成电路的关键所在。在千兆赫带宽的模拟放大器和千兆位速率的数字集成电路中，砷化镓金属-半导体场效应晶体管（MESFET）会占有支配地位。无论是混合的还是单片的微波集成电路，其优点与低频集成电路基本相同，即系统可靠性能高、体积和重量减小。在需要大量标准化元件的场合，最终导致成本下降。像低频集成电路一样，MIC在扩充现有市场和开拓许多新用途方面，包括大批民用项目在内，都有很大的潜力。

5  结论

本文重点阐述了微波电路的由来，以及对现状的总结和前沿技术的介绍。上世纪四十年代微波电路的兴起，到六十年代微带电路的出现，微波电路以一种前所未有的速度向前发展，随着各种集成电路的流行，微波电路的发展势必将会有一个美好的前景。