近年來由于微波半導體電路的飛速發(fā)展,微波在無線電技術(shù)領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。目前,它已廣泛地應用于微波中繼通信、衛(wèi)星通信、雷達、制導、電子測量儀器及各種飛行器的電子設備中,因此從事無線電和電子技術(shù)的理論和工程技術(shù)人員在科研和生產(chǎn)實際中,將大量接觸和使用各種微波電子線路。
一直以來,“微波電路”就是“波導電路”的同義詞,早在上世紀三十年代初期,人們就認識到對于微波頻率來說,波導是一種很有用的傳輸結(jié)構(gòu),當然,這些應當提及貝爾實驗室的Southworth等人的工作。研究者們很早就發(fā)現(xiàn)經(jīng)過適當修改后的一小節(jié)波導,可以作為輻射器或電抗原件來使用。Southworth在一篇早起論文中就曾談到諧振腔和喇叭天線?,F(xiàn)代波導電路發(fā)展過程中,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傳輸線,并能在接收端有效地回收,這就對相應的發(fā)射機原件和接收機原件提出了更高的要求。因此,它導致了行波檢測器、波長計、終端負載等元件的出現(xiàn)。然而,當年所用的微波技術(shù)水平是很落后的,當時的微波實驗常常利用光學試驗臺進行,國際無線電工程(IRE)會刊在其五十周年紀念專集中發(fā)表了一篇回顧微波技術(shù)發(fā)展歷史的文章,其中就有幾幅當年所用設備的照片。
微波技術(shù)的發(fā)展應用,構(gòu)成了微波電路的基礎。從最初發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性的多次反射原理和相應的腔體諧振原理,到人們利用這些原理使微波功率源與波導匹配,再到用來使波導與接收機匹配(如晶體檢波器),并且利用這些器件,使得某一頻率的信號通過電路。
微波電路的基本特點之一是通過波導內(nèi)部的螺釘、膜片(以致壓縮尺寸)憑經(jīng)驗對其特性進行調(diào)整或調(diào)諧。起初,這僅是一種試湊方法,后來發(fā)展成所謂“波導管工程”。在很長時間內(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四十年代應用的立體微波電路,它是由波導傳輸線、波導元件、諧振腔和微波電子管組成的。到了二十世紀六十年代,便出現(xiàn)了以半導體器件以及薄膜淀積技術(shù)、光刻技術(shù)見長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,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,即波導和TEM模同軸線。波導的特點是功率高、損耗小。后一特點導致了高Q諧振腔的出現(xiàn)。同軸線則由于不存在色散效應,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,從而簡化了元件的設計過程。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)展成為一項性能可以預先計算的精密工藝。帶狀線傳輸結(jié)構(gòu)最重要的特點,是其特性阻抗受中心條帶導體的寬度控制。帶狀線電路結(jié)構(gòu)的二位特性使得它能實現(xiàn)許多元件的互連而不破壞外導體的屏蔽層,這也給輸入輸出位置帶來很大的靈活性。由于兩根條帶導體緊靠時,存在固有的耦合特性,因此帶狀線在平行線耦合器中應用非常方便。
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,研制成功世界上**塊MMIC放大器以來,在J事應用(包括智能武器、雷達、通信和電子戰(zhàn)等方面)的推動下,MMIC的發(fā)展十分迅速。正是由于GaAs技術(shù)的問世與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、可靠性高、噪聲低、功耗小、工作的極限頻率更高等優(yōu)點,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前端和整個收發(fā)系統(tǒng)。單片微波集成電路在固態(tài)相控陣雷達、電子對抗設備、戰(zhàn)術(shù)導彈、電視衛(wèi)星接收、微波通信和超高速計算機、大容量信息處理方面有廣泛的應用前景。
隨著MMIC技術(shù)的進一步提高和多層集成電路工藝的進步,利用多層基片內(nèi)實現(xiàn)幾乎所有的無源器件和芯片互聯(lián)網(wǎng)絡的三維多層微波結(jié)構(gòu)受到越來越多的重視。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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