毫米波集成電路及其應(yīng)用

前言

　　隨著人們對(duì)電子信息系統(tǒng)的高寬帶、高速率、小型化需求，無(wú)線通信頻譜將擴(kuò)展到毫米波段、亞毫米波段和太赫茲波段，而系統(tǒng)中重要的毫米波集成電路就成了必不可少的核心芯片。日益先進(jìn)的微納電子技術(shù)使集成電路工藝技術(shù)進(jìn)入了納米時(shí)代，對(duì)于毫米波頻段以上的集成電路層出不窮，45nm的硅集成電路工藝，其器件的截止頻率已經(jīng)突破了250GHz；III-V族化合物半導(dǎo)體集成電路，由于其具有高的電子遷移率及50nmInPHEMT的集成電路工藝，器件截止頻率也突破了580GHz。為了滿足高速吉比特、大帶寬的通信系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、汽車防撞系統(tǒng)以及反恐安檢系統(tǒng)的應(yīng)用，毫米波集成電路的需求越來(lái)越大。隨著工藝成本和設(shè)計(jì)、測(cè)試成本的降低，毫米波集成電路及其系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)成為軍民兩用領(lǐng)域不可缺少的先進(jìn)技術(shù)之一?！　”緯?shū)是作者近30年在該領(lǐng)域從事科研和教學(xué)工作的系統(tǒng)總結(jié)，書(shū)中除特殊注明外，均是作者和所指導(dǎo)博士生的研究成果，有部分毫米波集成電路已經(jīng)在系統(tǒng)上得到應(yīng)用；所建立的毫米波集成電路測(cè)試系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)外高校和研究單位提供了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試服務(wù)。為本書(shū)內(nèi)容作出貢獻(xiàn)的有：吳亮博士、楊明輝博士、王偉博士、顧建忠博士、張健博士、侯陽(yáng)博士、王闖博士、聞儒鳴博士、韓克武博士、孫浩博士、崔恒榮博士、崔斌博士、時(shí)翔博士、孫蕓、錢(qián)蓉等。近年來(lái)通過(guò)國(guó)際合作和交流，作者所在團(tuán)隊(duì)在毫米波集成電路設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試等方面有了很大進(jìn)步，并在國(guó)際先進(jìn)的工藝線上進(jìn)行了流片驗(yàn)證；結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)工藝，建立了完全自主的器件、工藝、系統(tǒng)一體化的設(shè)計(jì)方法，鞏固了專業(yè)理論知識(shí)，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后的工作打下了很好的基礎(chǔ)?！　榱俗屪x者更好地掌握毫米波集成電路的基本設(shè)計(jì)方法，書(shū)中的毫米波集成電路基本涵蓋了毫米波信息系統(tǒng)收發(fā)子系統(tǒng)中的核心集成電路芯片，特別地，毫米波矢量調(diào)制器芯片是作者多年來(lái)從微波混合集成電路研究和自適應(yīng)抵消系統(tǒng)的研究中發(fā)展的毫米波自適應(yīng)抵消系統(tǒng)的應(yīng)用成果。書(shū)中給出的典型系統(tǒng)應(yīng)用部分已經(jīng)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化推廣?！　”緯?shū)共11章，內(nèi)容涵蓋當(dāng)前毫米波集成電路的各個(gè)主流研究領(lǐng)域，即從毫米波集成電路材料、工藝、器件到毫米波無(wú)源集成電路與毫米波有源集成電路；從毫米波集成電路原理、設(shè)計(jì)到毫米波集成電路系統(tǒng)應(yīng)用與測(cè)試方法和技術(shù)?！　〉?章首先介紹毫米波技術(shù)的特點(diǎn)與熱點(diǎn)，其次介紹毫米波集成電路分類、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；從6個(gè)不同的角度（材料、工藝、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、單片集成電路、組件及集成封裝技術(shù)）對(duì)當(dāng)前毫米波集成電路進(jìn)行展開(kāi)，最后介紹現(xiàn)代毫米波電子系統(tǒng)（通信、雷達(dá)、成像）?！　〉?章重點(diǎn)介紹當(dāng)前主流的毫米波單片集成電路的材料（GaAs、InP與GaN）、有源元器件工藝與模型（pHEMT）以及無(wú)源元器件工藝與模型（電阻、電容、電感、通孔與傳輸線），為后續(xù)章節(jié)的展開(kāi)做鋪墊?！　〉?～5章主要介紹毫米波單片無(wú)源集成電路的原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及具體設(shè)計(jì)舉例，包括毫米波單片場(chǎng)效應(yīng)管混頻器、毫米波單片矢量調(diào)制器、毫米波單片開(kāi)關(guān)電路?！　〉?～7章主要介紹毫米波單片集成電路的原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及具體設(shè)計(jì)，包括毫米波單片低噪聲放大器、毫米波單片功率放大器?！　〉?～10章主要介紹毫米波集成電路系統(tǒng)應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)、毫米波交通信息采集雷達(dá)系統(tǒng)、毫米波成像系統(tǒng)。　　第11章主要介紹毫米波集成電路在片自動(dòng)測(cè)試技術(shù)。　　作者長(zhǎng)期工作在微波毫米波集成電路及其系統(tǒng)集成領(lǐng)域的科研第一線，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了數(shù)十名博士和碩士研究生。在科研和教學(xué)工作中得到了西安電子科技大學(xué)吳萬(wàn)春教授、梁昌洪教授、王家禮教授、董樹(shù)義教授的指導(dǎo)和幫助；特別是作者的導(dǎo)師：西安交通大學(xué)著名的微電子學(xué)家羅晉生教授、中電55所的林金庭總工、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所夏冠群教授，是他們帶領(lǐng)作者進(jìn)入了微波毫米波集成電路的研究領(lǐng)域。在完成本書(shū)稿的時(shí)候，向給予幫助和支持的各位前輩、教授以及并肩工作的同事、研究生們一并表示衷心的感謝！　　孫曉瑋　　2011年11月

內(nèi)容概要

本書(shū)是毫米波集成電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用領(lǐng)域較全面、系統(tǒng)的學(xué)術(shù)專著。內(nèi)容針對(duì)毫米波集成電路的國(guó)內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，涵蓋了毫米波集成電路的設(shè)計(jì)方法、測(cè)試技術(shù)及先進(jìn)的毫米波集成電路工藝技術(shù)，不但具有一定的理論深度，又不乏技術(shù)的新穎性。書(shū)中基本涵蓋了毫米波信息系統(tǒng)收發(fā)子系統(tǒng)中的核心集成電路芯片，特別地，毫米波矢量調(diào)制器芯片是發(fā)展毫米波自適應(yīng)抵消系統(tǒng)的應(yīng)用成果。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論（1）
1.1 引言（1）
1.2 毫米波頻譜資源的劃分（3）
1.3 毫米波的特點(diǎn)（4）
1.3.1 基本特性（4）
1.3.2 軍事應(yīng)用特性（5）
1.4 毫米波技術(shù)的“熱點(diǎn)”（9）
1.4.1 大氣窗口（9）
1.4.2 非大氣窗口（10）
1.5 毫米波集成電路及其分類（10）
1.5.1 毫米波混合集成電路（10）
1.5.2 毫米波單片集成電路（11）
1.6 毫米波集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)（13）
1.6.1 工作頻率（13）
1.6.2 輸出功率（16）
1.6.3 集成度（17）
1.6.4 工藝與材料（20）
1.6.5 測(cè)試與測(cè)量（22）
1.6.6 EDA軟件（24）
1.6.7 現(xiàn)代電子系統(tǒng)（24）
1.7 毫米波集成電路材料（25）
1.7.1 氮化鎵材料（25）
1.7.2 硅/鍺材料（26）
1.8 毫米波集成電路工藝線（27）
1.9 國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀（28）
1.9.1 晶圓代工服務(wù)市場(chǎng)壟斷突出（29）
1.9.2 成本效益與拓展市場(chǎng)（30）
1.9.3 Fabless日益成為主流（30）
1.10 毫米波集成電路的應(yīng)用（35）
1.10.1 無(wú)線通信領(lǐng)域（35）
1.10.2 毫米波MIMO技術(shù)（36）
1.10.3 成像與探測(cè)領(lǐng)域（39）
第2章 毫米波集成電路工藝技術(shù)（42）
2.1 引言（42）
2.2 毫米波半導(dǎo)體器件簡(jiǎn)介（42）
2.2.1 襯底材料（42）
2.2.2 有源器件種類（43）
2.3 高電子遷移率晶體管（43）
2.3.1 HEMT溝道電子面密度（44）
2.3.2 HEMT電流-電壓特性（45）
2.3.3 HEMT頻率特性（46）
2.3.4 HEMT噪聲特性（48）
2.3.5 HEMT技術(shù)發(fā)展（48）
2.4 無(wú)源器件（50）
2.4.1 電阻（50）
2.4.2 電容（51）
2.4.3 電感（52）
2.4.4 通孔和接地（54）
2.4.5 傳輸線（54）
2.5 毫米波單片集成電路工藝技術(shù)（56）
2.5.1 外延有源層（56）
2.5.2 制備歐姆接觸（56）
2.5.3 硼離子注入隔離（56）
2.5.4 制備T型金屬柵接觸（57）
2.5.5 制備歐姆接觸引線孔、金屬薄膜電阻（57）
2.5.6 制備電容的下電極（57）
2.5.7 電容介質(zhì)層生長(zhǎng)（58）
2.5.8 空氣橋（58）
2.5.9 制備第二層厚金屬（58）
2.5.10 制備背面通孔和劃片道（58）
2.6 小結(jié)（59）
參考文獻(xiàn)（59）
第3章 毫米波單片電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器電路（60）
3.1 引言（60）
3.2 電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻原理（61）
3.2.1 電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器原理（61）
3.2.2 電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器特性（62）
3.3 電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器的類型（66）
3.3.1 單端電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（67）
3.3.2 單平衡電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（68）
3.3.3 雙平衡電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（69）
3.4 單平衡電阻型場(chǎng)效應(yīng)管混頻器設(shè)計(jì)（69）
3.4.1 混頻器指標(biāo)和拓?fù)洌?9）
3.4.2 Lange耦合器設(shè)計(jì)（70）
3.4.3 電路性能設(shè)計(jì)（72）
3.5 小結(jié)（75）
參考文獻(xiàn)（75）
第4章 毫米波單片矢量調(diào)制器（77）
4.1 引言（77）
4.2 矢量調(diào)制器原理（78）
4.3 矢量調(diào)制器類型（80）
4.3.1 反射式矢量調(diào)制器（80）
4.3.2 平衡式矢量調(diào)制器（82）
4.4 單片矢量調(diào)制器的設(shè)計(jì)（83）
4.4.1 零偏置HEMT管模型（83）
4.4.2 反射式矢量調(diào)制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)（85）
4.4.3 Ka波段平衡式矢量調(diào)制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)（87）
4.4.4 單片矢量調(diào)制器的低溫漂設(shè)計(jì)（88）
4.5 單片矢量調(diào)制器的測(cè)試（89）
4.5.1 小信號(hào)測(cè)試方案（90）
4.5.2 大信號(hào)測(cè)試方案（90）
4.5.3 測(cè)試結(jié)果（91）
4.6 小結(jié)（93）
參考文獻(xiàn)（94）
第5章 毫米波單片開(kāi)關(guān)電路（97）
5.1 開(kāi)關(guān)基本指標(biāo)（97）
5.2 開(kāi)關(guān)典型分類（99）
5.2.1 CMOS技術(shù)（100）
5.2.2 RF MEMS技術(shù)（101）
5.2.3 PIN二極管技術(shù)（104）
5.2.4 HEMT技術(shù)（106）
5.2.5 混合技術(shù)（107）
5.3 單片開(kāi)關(guān)電路舉例（111）
5.3.1 HEMT開(kāi)關(guān)尺寸選擇（112）
5.3.2 短溝道效應(yīng)（112）
5.3.3 可承受功率能力（113）
5.3.4 超寬帶（114）
5.4 單片開(kāi)關(guān)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)（116）
5.4.1 工藝選擇（117）
5.4.2 電路拓?fù)溥x擇（117）
5.4.3 管芯選擇（118）
5.4.4 設(shè)計(jì)結(jié)果（118）
5.4.5 測(cè)試環(huán)境（119）
5.4.6 測(cè)試結(jié)果（120）
5.5 小結(jié)（122）
參考文獻(xiàn)（122）
第6章 毫米波寬帶單片低噪聲放大器（124）
6.1 引言（124）
6.2 寬帶負(fù)載匹配技術(shù)（124）
6.2.1 有損匹配（127）
6.2.2 反饋式匹配（129）
6.2.3 共柵配置（130）
6.2.4 電抗匹配（132）
6.3 Ka波段寬帶低噪聲放大器（146）
6.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（146）
6.3.2 電路性能設(shè)計(jì)（147）
6.3.3 電路性能測(cè)試（148）
6.4 60 GHz寬帶低噪聲放大器（149）
6.4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（149）
6.4.2 電路性能設(shè)計(jì)（150）
6.4.3 電路性能測(cè)試（151）
6.5 小結(jié)（152）
參考文獻(xiàn)（152）
第7章 毫米波單片功率放大器（155）
7.1 引言（155）
7.1.1 功率放大器主要特性（155）
7.1.2 功率放大器增益和穩(wěn)定性（158）
7.2 功率晶體管（160）
7.3 線性功率放大器（162）
7.4 高功率放大器（164）
7.5 功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)例（165）
7.5.1 Ka波段高功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（165）
7.5.2 末級(jí)放大器設(shè)計(jì)（166）
7.5.3 電路性能設(shè)計(jì)（168）
7.5.4 電路性能測(cè)試（170）
7.6 小結(jié)（172）
參考文獻(xiàn)（173）
第8章 毫米波短距離通信收發(fā)組件（174）
8.1 引言（174）
8.2 60 GHz技術(shù)（176）
8.2.1 免許可證頻段（176）
8.2.2 安全性高（177）
8.2.3 低階調(diào)制體制（177）
8.3 60 GHz技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（178）
8.3.1 IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)（179）
8.3.2 IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)（179）
8.3.3 ECMA-387標(biāo)準(zhǔn)（179）
8.3.4 WiGig聯(lián)盟（180）
8.3.5 WirelessHD聯(lián)盟（181）
8.4 60 GHz技術(shù)挑戰(zhàn)（183）
8.4.1 視距傳輸（183）
8.4.2 成本效益（183）
8.5 60 GHz系統(tǒng)SoC解決方案（190）
8.5.1 Agilent解決方案（190）
8.5.2 UMS解決方案（191）
8.5.3 Hittite解決方案（191）
8.5.4 Gotmic解決方案（192）
8.5.5 TNO解決方案（193）
8.6 60 GHz技術(shù)微系統(tǒng)前端解決方案（194）
8.6.1 SiversIMA解決方案（194）
8.6.2 Endwave解決方案（196）
8.6.3 Rohde ＆ Schwarz解決方案（196）
8.6.4 HXI解決方案（197）
8.6.5 IMEC解決方案（198）
8.7 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀（200）
參考文獻(xiàn)（202）
第9章 毫米波成像系統(tǒng)（204）
9.1 引言（204）
9.2 物體的毫米波輻射原理（204）
9.2.1 黑體輻射（205）
9.2.2 利用輻射計(jì)檢測(cè)物體的原理（206）
9.3 全功率直接檢波交流輻射計(jì)設(shè)計(jì)（207）
9.3.1 毫米波輻射計(jì)分類（207）
9.3.2 全功率型直接檢波交流輻射計(jì)及其溫度靈敏度分析（208）
9.3.3 寬帶低噪聲高增益毫米波模塊設(shè)計(jì)（210）
9.3.4 寬帶檢波電路設(shè)計(jì)（215）
9.3.5 視頻放大器設(shè)計(jì)（217）
9.4 被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)（218）
9.4.1 焦平面天線技術(shù)（218）
9.4.2 被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)集成（219）
9.4.3 被動(dòng)毫米波成像實(shí)驗(yàn)（219）
9.5 輔助源照射下的毫米波成像技術(shù)（220）
9.5.1 主動(dòng)毫米波成像的斑點(diǎn)噪聲和閃爍效應(yīng)形成機(jī)理（221）
9.5.2 主動(dòng)毫米波成像的有源照射解決方案（222）
9.5.3 室內(nèi)主動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)集成（226）
9.5.4 室內(nèi)主動(dòng)毫米波成像實(shí)驗(yàn)（227）
9.6 小結(jié)（229）
參考文獻(xiàn)（229）
第10章 毫米波FMCW小型雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用（230）
10.1 引言（230）
10.2 基于FMC

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