微波电路的发展现状[微波元器件的发展和现状]
微波元件及其分类
在微波系统中，微波元件(器件)统称为微波元件，可以实现微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波形和极化变换、阻抗变换和调配等功能。简单来说，微波元件就是工作在微波频段的电磁元件。
在低频电子电路中，有很多常用的无源元件，其中电阻、电容、电感和变压器是最常用的。同样，电阻、电容和电感等无源元件也广泛应用于微波电路中。但由于频率的提高，这些常用于低频电路的元件在微波频段已经不能使用了。通过微波技术的研发，如利用分布参数电路，利用传输线的不均匀性，可以实现微波频段的电感和电容。此外，要形成具有一定功能的微波电路，还需要定向耦合器、功分器、阻抗匹配器、微波滤波器、衰减器、终端负载等几十种无源微波元件。是不可或缺的。此外，和低频电子电路一样，微波电子电路也包含各种形式的微波有源器件，如放大器、混频器、微波开关、振荡器等。它们的各种组合可以完成对微波信号的一系列处理。
微波元器件如果按工作原理、材料和工艺分类，可分为微波电真空器件、微波半导体器件、微波集成电路和微波功率模块。微波电真空器件包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等。，利用电子在真空中运动，与外围电路相互作用，产生振荡、放大、混频等各种功能。微波半导体器件，包括微波晶体管和微波二极管，具有体积小、重量轻、功耗低的优点，但在高频大功率下不能完全取代电真空器件。微波集成电路是一种利用半导体工艺由砷化镓或其他半导体芯片制成的功能块，在固态相控阵雷达、电子对抗设备、导弹电子设备、微波通信系统、超高速计算机等方面具有广阔的应用前景。微波功率模块是利用固态功率合成技术将多个固态微波功率器件组合而成的器件，具有效率高、使用方便等优点，对实现雷达、通信、电子对抗等全固态电子设备具有重要意义。
微波半导体器件的发展历程
在实际的微波系统中，微波产生、放大、倍频和变频等关键问题都要用到各种形式的有源元件。微波固态电子学的发展已成为这些有源元件发展的主要推动力。在过去的几十年里，各种形式的微波半导体器件不断涌现，推动了微波技术的发展。
20世纪50年代出现了微波二极管，其工作频率可达100GHz，但工作效率较低。自20世纪60年代以来，硅双极微波晶体管一直是主要的微波半导体器件，它仍然是低端微波半导体功率器件的一种选择。70年代中期，相关研究转移到电子迁移率更高的GaAs MOSFET器件，形成微波单片集成电路的集成进展，同时进入毫米波低端。80年代初，随着分子束外延(MBE)和金属有机化合物气相沉积(MOCVD)等先进技术的发展，人们可以在原子尺度上开发半导体材料。超晶格和异质结已经从理论设想转化为实用的物理结构，新的材料和器件层出不穷，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、晶格HEMT(PHEMT)、异质结双极晶体管(HBT)。自20世纪90年代以来，微波半导体器件呈现出两大趋势。首先，由于技术的发展，硅基集成电路形成了射频互补金属氧化物半导体器件(RF CMOS)和射频MEMS的新研究和应用，如恩智浦半导体发布的BFU725F微波NPN晶体管，即用于分立器件的硅锗碳(SiGeC)技术。具有高开关频率、高增益、超低噪声等多重特性。此外，由于新材料的发展，化合物半导体形成了宽带隙半导体和窄带隙半导体器件。目前，80、90年代开发的微波半导体器件仍是主要发展方向。
不久前，佐治亚理工学院的研究人员利用碳60薄膜通过室温工艺成功制造出高性能场效应晶体管，室温工艺下电子迁移率可达2.7 ~ 5 cm2/v/s(见图1)。相信研究人员在用有机材料制作晶体管的同时，会尝试利用新材料的形成来增加电子迁移率，从而获得更有效的微波半导体器件。
微波集成电路的发展历程
微波电路从20世纪40年代应用的三维微波电路开始。它由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波管组成。随着微波固态器件的发展和分布式传输线的出现，60年代初出现了平面微波电路。它是由微带元件、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件采用扩散、外延、沉积、刻蚀等制造技术制作在半导体衬底上的微波混合集成电路，即HMIC，属于第二代微波电路。与由波导和同轴线组成的第一代微波电路相比，它具有体积小、重量轻、避免复杂的机械加工、易于与波导器件和铁氧体器件连接等优点，可以适应当时迅速发展的小型微波固体器件。由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，被应用于各种微波整机中，对提高军用电子系统的性能和小型化起到了很大的作用。它仍然是一种灵活有效的电路形式。
20世纪70年代，GaAs材料制造技术的成熟对微波半导体技术的发展产生了重大影响。GaAs材料的电子迁移率比Si高7倍，漂移速度比Si高得多。这种高频高速的性能是由其材料特性决定的。由于GaAs材料的半绝缘(其电阻率可达105ω/cm)，平面传输线、所有无源元件和有源元件可集成在同一芯片上，无需特殊的隔离技术，进一步缩小了微波电路的体积。
正是由于GaAs技术的出现和GaAs材料的特性，促进了微波集成电路向单片微波集成电路(MMIC)的过渡。与第二代微波混合电路HMIC相比，MMIC具有体积小、寿命长、可靠性高、噪声低、功耗低、工作极限频率高等优点。因此，MMIC吸引了广泛的关注。然而，司和一直是激烈讨论的话题。两个主要的技术差异是微波晶体管的性能和半导体用作无源元件的半绝缘衬底时的损耗。如前所述，GaAs的电子迁移率和漂移速度远高于Si，这使得GaAs在低功耗无源电路的应用中具有良好的特性，但在热导率方面，Si则远超GaAs。这些因素导致许多公司在过去几年里大量投资GaAs技术作为微波应用。然而，Si仍然是一个强有力的竞争对手。事实上，随着微波无线产品巨大市场的出现，思MMIC的发展已经强劲复苏。si和GaAs之间的竞争前沿是6GHz以下的领域，具有相当大的潜在商业机会。硅基微波集成电路也开始出现在更高频率的应用中，如Ku波段DBS的卫星接收机。硅异质结两级晶体管技术为硅技术在更高频率的应用铺平了道路。
目前，单片微波集成电路已经应用于各种微波系统中。这些微波系统中的MMIC器件包括:MMIC功率放大器、低噪声放大器(LNA)、混频器、上变频器、压控振荡器(VCO)、滤波器等。直到MMIC前端和整个收发器系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。由MMIC器件组成的微波系统已广泛应用于航天电子、雷达、卫星、道路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等尖端技术领域。表1列出了一些主流厂商的最新MMIC产品，供参考。
随着MMIC技术的进一步提高和多层集成电路技术的进步，在多层基片上实现几乎所有无源器件和芯片互连网络的三维多层微波结构越来越受到重视。而且，基于多层互连基板的MCM(多芯片组件)技术将使微波/毫米波系统的尺寸更小。
此外，随着MEMS技术的研究，无线通信设备中的外部分立元件采用MEMS技术可以满足小型化、低功耗和便携的要求。MEMS采用深腐蚀技术实现宏观机械三维结构，使以前的无源器件小型化成为可能，同时大大减小了版图面积，更容易集成。MEMS器件主要使用硅作为加工材料，与传统的MMIC技术制作的器件相比，大大降低了成本。MEMS的这些特点也决定了其不断向小型化、多样化和微电子技术发展。因此，根据微机电系统和MMIC技术的特点，制作结合两种技术优点的器件或电路是一种趋势。
趋势和前景
随着市场需求和科学技术的不断进步，新型微波元器件正朝着小型化、芯片化、高性能、集成化、智能化、环保节能的方向发展。微型化和芯片化技术、无源集成技术、抗电磁干扰技术、低温共烧陶瓷技术和绿色生产技术成为行业技术进步的重点。微电子机械系统(MEMS)和微组装技术的快速发展也将促进微波器件的功能和性能。
为了满足移动通信、无线局域网和微波集成电路发展的需要，相信新的微波元器件会不断出现。随着通信技术的快速发展和市场需求的不断扩大，微波元器件及相关介电材料的市场规模也将大幅上升。虽然微波元器件的发展任重道远，但前景是乐观的。