射频(RF)和微波电路发展简史(一)

2019/11/07 11:32
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在过去的三十年中,射频(RF)和微波电路经历了快速发展和增长的时期。直到20世纪60年代早期,大多数射频和微波电路都使用真空管,如“灯塔(lighthouse)”管,速调管,磁控管,后向波振荡器(BWO)和行波管(TWT)。到20世纪60年代中期,所有这一切都开始发生变化,因为即使是更加剧烈的变化也正在以能够在射频和微波频率范围内工作的新型固态设备的形式迅速逼近。这些新技术中的第一种是硅(Si)双极晶体管,其尺寸已经扩展到大约1GHz的频率。这只是一波开发浪潮的开始,在此期间,诸如耿氏二极管,Impatt二极管,PIN二极管和变容二极管等独特的固态器件变得可用。匆忙之中,这些双端固态器件能够将固态电子器件的频率上限从1 GHz提升到10 GHz以上。所有的目光都在注视着谁的努力将提供下一个最高的工作频率,最高的功率输出,最低的噪音和最佳的温度稳定性。随着越南战争的结束,由于联邦研究资金的可用性,这一过程进一步加速。由于许多基本的射频和微波研究都是由联邦政府资助的,因此将重点放在军事应用上。射频和微波技术已成为当时冷战策略中非常重要的因素。

从那时起,射频和微波领域已经发展了四个不同的时期。

射频(RF)和微波电路发展简史(一)
图1

图1、显示了射频和微波电子领域在过去四十年中如何通过四个不同的阶段发展的时间线。

图1提供了这些开发技术随时间推移的方式图。第一个时期,从20世纪60年代中期到20世纪70年代中期,其特点是使用二极管有源器件和波导传输线和谐振器。在此期间的巨大技术推动为军用和商用通信系统中的真空管提供了替代品。可靠性是一个主要的激励因素。真空管系统因在最糟糕的时间内失效而闻名,并且在20世纪60年代普遍认为,即使性能降低,切换到固态也会显着提高系统可靠性[3]。当时的问题变成了什么样的真空管可以被固态器件所取代?由于固态器件不能产生真空管能够达到的RF功率,因此第一个目标是不需要高RF功率水平的应用。这些应用示例包括接收器本地振荡器和低功率发射器。这一时期的大多数混频器已经采用采用点接触二极管或肖特基二极管作为固态设计的有源器件。因此,将固态本地振荡器作为这些混频器的组成部分非常自然,这形成一个几乎完整的固态接收器。通过用Gunn二极管振荡器替换速调管真空管来填补这种需求。接收机系统中固态趋势的例外是低噪声放大器,它一直保持TWT,直到砷化镓(GaAs)金属半导体场效应晶体管(MESFET)变得更加广泛。低功率和中功率发射器演变为固态设计;在这些应用中,Impatt二极管振荡器被用作速调管,TWT和磁控管真空管的替代品。除了可靠性之外,新型固态硬件还为系统设计人员提供了更低功耗(不需要加热器功率的真空管灯丝)和更低工作电压的优势,从而消除了复杂的高压电源。射频/微波工业以固态硬件的优点迅速销售。我们为下一个重要的发展时期做好了准备。

第二个主要时期的特点是GaAs MESFET器件的可用性[4]。随着GaAs MESFET器件的到来,射频/微波电路设计人员终于可以使用三个终端的器件。在此期间引入了微带传输线[5]。微带传输线通常在薄膜陶瓷基板上形成图案。使用光刻技术[4],电路设计人员可以在单个薄膜陶瓷基板上制造整个微带传输线网络,并且使用所谓的混合组装技术,可以通过连接诸如GaAs MESFET和二极管的有源器件来组装电路。使用引线键合技术制作图案化陶瓷基板。随着这些RF /微波薄膜混合电路的发展,该领域发生了革命性的变化。现在可以在单个小机械壳体内构建整个子系统。与使用真空管设备或最近的二极管/波导固态设备的旧技术相比,在尺寸,重量和功耗方面的节省是巨大的。

冷战期间越南战争结束后的军事集结,美国政府提供了大量针对此类工作的研发资金。出于这个原因,新兴的固态射频/微波技术解决的许多应用都是军事性的。实际上,射频/微波技术的发展恰逢美国和苏联的一场重大冷战军备建设。通过使用陶瓷微带电路和GaAs晶体管和二极管实现的紧凑型硬件在新设计的雷达,电子战和导弹系统中得到了应用。这一时期从20世纪70年代中期延伸到20世纪90年代中期。这是一个非常激烈和令人兴奋的二十年设计进步。固态电路领域正在实现跨越式发展。随着GaAs MESFET器件的出现,低噪声和中等功率的TWT最终被固态晶体管放大器取代[7]。这些陶瓷微带混合电路能够进行极宽的带宽操作。这对电子战系统来说是一个很大的进步,它依赖于在很宽的可能输入频率范围内获取随机信号的能力。在这样的系统中不再需要TWT放大器。在许多机载系统中,消除TWT为成本,功率和重量方面的巨大节省创造了机会。所有这些技术进步与其他领域的进步相结合,例如发动机设计,新材料和生命支持系统,使冷战期结束时出现高性能军用飞机成为可能。

射频(RF)和微波电路发展简史(一)
半导体器件的示意图

RF /微波技术发展的第三个重要时期源于降低RF /微波固态电路的成本,尺寸和重量的愿望。成本和尺寸减小的路径遵循与数字和低频模拟电路相同的路线:集成电路(IC)技术的实现。由于GaAs MESFET器件很快成为这些频率下最重要的固态有源器件,因此需要一种基于GaAs MESFET的集成电路技术。 GaAs集成电路的制造技术于20世纪80年代中期开始出现[8]。

起初,这些所谓的微波单片集成电路(MMIC)可能仅限于两个晶体管和一些匹配元件,但随着时间的推移,MMIC增长到包括足以组成整个放大器甚至简单子系统的组件。 MMIC利用了未掺杂GaAs衬底的特殊性质:它们具有很高的天然电阻。实际上,与未掺杂的硅不同,未掺杂的GaAs是一种优良的绝缘体。这意味着MMIC电路中使用的未掺杂GaAs衬底是微带线的优良介质。此外,由于GaAs的介电常数是12.5,所以这种传输线在物理上很短,从而减小了尺寸,重量和总成本。由于成本在很大程度上取决于总的芯片面积,这种独特的新型MMIC技术有望用低成本,完全单片的MMIC集成电路取代当时存在的大部分陶瓷微带混合硬件。

但是由于两个因素,这个承诺只能部分实现:首先,存在调整(tuning)(或调试(tweaking))的问题。混合陶瓷电路总是需要适量的昂贵的手工对准。这种对齐在业内被称为“调整(tweaking)”,占硬件成本的大部分。然而,在MMIC电路的情况下,不再可能调整电路,因为它是集成电路,并且对于任何手动对准来说它太小(即使在工艺处理过程中要保留绝缘钝化层, insulating passivation layer )而不切合实际。这意味着MMIC可以工作,也可以不工作。然而,它并不那么简单。制造过程中的变化发生在晶圆与晶圆之间,这会显着影响MMIC电路的性能。晶圆到晶圆的变化会降低MMIC器件的总产量,并且根据电气规格的难易程度,产量可能会非常低,这往往会抵消使用MMIC方法首要的成本优势。

射频(RF)和微波电路发展简史(一)
各种半导体器件的性能对比

业界尝试了两种可能的解决方案。第一个是更精确的建模,第二个是改进的工艺均匀性。第一种解决方案利用模型,可以模拟各种电参数,而不仅仅是小信号S参数,这些参数通常用于混合陶瓷电路仿真。为MMIC应用创建的新模型必须能够在很大范围的信号电平上工作,包括直流行为。这些模型,通常称为大信号模型,比它们之前的小信号S参数模型复杂得多。这些大信号模型的开发付出了相当大的努力和费用,希望如果能够准确,完整地建模新的MMIC电路,它们的产量会增加。由于第二个主要问题:在制造期间晶圆到晶圆的变化,这项努力只取得了部分成功。如果模型参数以不可预测的方式不断变化,那么世界上所有的建模精度都不会提高产量。为了改善这种情况,铸造厂(制造厂)试图使用更多可重复的工艺。最重要的变化是从湿蚀刻处理(包括将晶圆放入化学浴槽)转变为干蚀刻工艺(利用在特殊设计的真空室中非常均匀地撞击晶片的等离子体)。然而,并非所有蚀刻工艺都可以切换到干蚀刻。特别地,制造MESFET器件的栅极中的栅极凹槽蚀刻步骤不能通过干法蚀刻完成,并且必须保持湿法蚀刻工艺步骤。在这一步中经历了许多器件变化,对于模型开发人员和电路设计人员来说,应对这种变化是一个挑战。这种情况从未完全解决。今天的MESFET电路仍然会经历显着的工艺变化,这些变化会影响良率,有时甚至是深刻的。必要时,设计人员已经开发出优化其电路以实现工艺变化的方法,从而可以提高产量。但是,到目前为止还没有找到解决这个问题的通用解决办法。

历史在此时进行了干预,以强调和应用的转变。 1991年,苏联不复存在,冷战结束。结果,对改进的军事硬件的需求急剧下降,政府资助的研发资金急剧下降。这种全球性的政治变革给整个20世纪90年代从事射频和微波工作的公司和个人带来了暂时的困难。然而,随着冷战结束后射频/微波电子领域逐渐衰落,随着无线革命的到来,这项技术很快恢复了生机,无线革命在20世纪90年代后期开始获得能量。

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