射頻（RF）和微波電路發展簡史（一）

在過去的三十年中，射頻（RF）和微波電路經歷了快速發展和增加的時期。直到20世紀60年代早期，大多數射頻和微波電路都使用真空管，如「燈塔（lighthouse）」管，速調管，磁控管，後向波振盪器（BWO）和行波管（TWT）。到20世紀60年代中期，全部這一切都開始發生變化，由於即便是更加重烈的變化也正在以可以在射頻和微波頻率範圍內工做的新型固態設備的形式迅速逼近。這些新技術中的第一種是硅（Si）雙極晶體管，其尺寸已經擴展到大約1GHz的頻率。這只是一波開發浪潮的開始，在此期間，諸如耿氏二極管，Impatt二極管，PIN二極管和變容二極管等獨特的固態器件變得可用。匆忙之中，這些雙端固態器件可以將固態電子器件的頻率上限從1 GHz提高到10 GHz以上。全部的目光都在注視着誰的努力將提供下一個最高的工做頻率，最高的功率輸出，最低的噪音和最佳的溫度穩定性。隨着越南戰爭的結束，因爲聯邦研究資金的可用性，這一過程進一步加速。因爲許多基本的射頻和微波研究都是由聯邦政府資助的，所以將重點放在軍事應用上。射頻和微波技術已成爲當時冷戰策略中很是重要的因素。

從那時起，射頻和微波領域已經發展了四個不一樣的時期。

圖1

圖一、顯示了射頻和微波電子領域在過去四十年中如何經過四個不一樣的階段發展的時間線。

圖1提供了這些開發技術隨時間推移的方式圖。第一個時期，從20世紀60年代中期到20世紀70年代中期，其特色是使用二極管有源器件和波導傳輸線和諧振器。在此期間的巨大技術推進爲軍用和商用通訊系統中的真空管提供了替代品。可靠性是一個主要的激勵因素。真空管系統因在最糟糕的時間內失效而聞名，而且在20世紀60年代廣泛認爲，即便性能下降，切換到固態也會顯着提升系統可靠性[3]。當時的問題變成了什麼樣的真空管能夠被固態器件所取代？因爲固態器件不能產生真空管可以達到的RF功率，所以第一個目標是不須要高RF功率水平的應用。這些應用示例包括接收器本地振盪器和低功率發射器。這一時期的大多數混頻器已經採用採用點接觸二極管或肖特基二極管做爲固態設計的有源器件。所以，將固態本地振盪器做爲這些混頻器的組成部分很是天然，這造成一個幾乎完整的固態接收器。經過用Gunn二極管振盪器替換速調管真空管來填補這種需求。接收機系統中固態趨勢的例外是低噪聲放大器，它一直保持TWT，直到砷化鎵（GaAs）金屬半導體場效應晶體管（MESFET）變得更加普遍。低功率和中功率發射器演變爲固態設計;在這些應用中，Impatt二極管振盪器被用做速調管，TWT和磁控管真空管的替代品。除了可靠性以外，新型固態硬件還爲系統設計人員提供了更低功耗（不須要加熱器功率的真空管燈絲）和更低工做電壓的優點，從而消除了複雜的高壓電源。射頻/微波工業以固態硬件的優勢迅速銷售。咱們爲下一個重要的發展時期作好了準備。

第二個主要時期的特色是GaAs MESFET器件的可用性[4]。隨着GaAs MESFET器件的到來，射頻/微波電路設計人員終於可使用三個終端的器件。在此期間引入了微帶傳輸線[5]。微帶傳輸線一般在薄膜陶瓷基板上造成圖案。使用光刻技術[4]，電路設計人員能夠在單個薄膜陶瓷基板上製造整個微帶傳輸線網絡，而且使用所謂的混合組裝技術，能夠經過鏈接諸如GaAs MESFET和二極管的有源器件來組裝電路。使用引線鍵合技術製做圖案化陶瓷基板。隨着這些RF /微波薄膜混合電路的發展，該領域發生了革命性的變化。如今能夠在單個小機械殼體內構建整個子系統。與使用真空管設備或最近的二極管/波導固態設備的舊技術相比，在尺寸，重量和功耗方面的節省是巨大的。

冷戰期間越南戰爭結束後的軍事集結，美國政府提供了大量針對此類工做的研發資金。出於這個緣由，新興的固態射頻/微波技術解決的許多應用都是軍事性的。實際上，射頻/微波技術的發展恰逢美國和蘇聯的一場重大冷戰軍備建設。經過使用陶瓷微帶電路和GaAs晶體管和二極管實現的緊湊型硬件在新設計的雷達，電子戰和導彈系統中獲得了應用。這一時期從20世紀70年代中期延伸到20世紀90年代中期。這是一個很是激烈和使人興奮的二十年設計進步。固態電路領域正在實現跨越式發展。隨着GaAs MESFET器件的出現，低噪聲和中等功率的TWT最終被固態晶體管放大器取代[7]。這些陶瓷微帶混合電路可以進行極寬的帶寬操做。這對電子戰系統來講是一個很大的進步，它依賴於在很寬的可能輸入頻率範圍內獲取隨機信號的能力。在這樣的系統中再也不須要TWT放大器。在許多機載系統中，消除TWT爲成本，功率和重量方面的巨大節省創造了機會。全部這些技術進步與其餘領域的進步相結合，例如發動機設計，新材料和生命支持系統，使冷戰期結束時出現高性能軍用飛機成爲可能。

半導體器件的示意圖

RF /微波技術發展的第三個重要時期源於下降RF /微波固態電路的成本，尺寸和重量的願望。成本和尺寸減少的路徑遵循與數字和低頻模擬電路相同的路線：集成電路（IC）技術的實現。因爲GaAs MESFET器件很快成爲這些頻率下最重要的固態有源器件，所以須要一種基於GaAs MESFET的集成電路技術。 GaAs集成電路的製造技術於20世紀80年代中期開始出現[8]。

起初，這些所謂的微波單片集成電路（MMIC）可能僅限於兩個晶體管和一些匹配元件，但隨着時間的推移，MMIC增加到包括足以組成整個放大器甚至簡單子系統的組件。 MMIC利用了未摻雜GaAs襯底的特殊性質：它們具備很高的自然電阻。實際上，與未摻雜的硅不一樣，未摻雜的GaAs是一種優良的絕緣體。這意味着MMIC電路中使用的未摻雜GaAs襯底是微帶線的優良介質。此外，因爲GaAs的介電常數是12.5，因此這種傳輸線在物理上很短，從而減少了尺寸，重量和總成本。因爲成本在很大程度上取決於總的芯片面積，這種獨特的新型MMIC技術有望用低成本，徹底單片的MMIC集成電路取代當時存在的大部分陶瓷微帶混合硬件。

可是因爲兩個因素，這個承諾只能部分實現：首先，存在調整（tuning）（或調試（tweaking））的問題。混合陶瓷電路老是須要適量的昂貴的手工對準。這種對齊在業內被稱爲「調整（tweaking）」，佔硬件成本的大部分。然而，在MMIC電路的狀況下，再也不可能調整電路，由於它是集成電路，而且對於任何手動對準來講它過小（即便在工藝處理過程當中要保留絕緣鈍化層， insulating passivation layer ）而不切合實際。這意味着MMIC能夠工做，也能夠不工做。然而，它並不那麼簡單。製造過程當中的變化發生在晶圓與晶圓之間，這會顯着影響MMIC電路的性能。晶圓到晶圓的變化會下降MMIC器件的總產量，而且根據電氣規格的難易程度，產量可能會很是低，這每每會抵消使用MMIC方法首要的成本優點。

各類半導體器件的性能對比

業界嘗試了兩種可能的解決方案。第一個是更精確的建模，第二個是改進的工藝均勻性。第一種解決方案利用模型，能夠模擬各類電參數，而不只僅是小信號S參數，這些參數一般用於混合陶瓷電路仿真。爲MMIC應用建立的新模型必須可以在很大範圍的信號電平上工做，包括直流行爲。這些模型，一般稱爲大信號模型，比它們以前的小信號S參數模型複雜得多。這些大信號模型的開發付出了至關大的努力和費用，但願若是可以準確，完整地建模新的MMIC電路，它們的產量會增長。因爲第二個主要問題：在製造期間晶圓到晶圓的變化，這項努力只取得了部分紅功。若是模型參數以不可預測的方式不斷變化，那麼世界上全部的建模精度都不會提升產量。爲了改善這種狀況，鑄造廠（製造廠）試圖使用更多可重複的工藝。最重要的變化是從溼蝕刻處理（包括將晶圓放入化學浴槽）轉變爲幹蝕刻工藝（利用在特殊設計的真空室中很是均勻地撞擊晶片的等離子體）。然而，並不是全部蝕刻工藝均可以切換到幹蝕刻。特別地，製造MESFET器件的柵極中的柵極凹槽蝕刻步驟不能經過幹法蝕刻完成，而且必須保持溼法蝕刻工藝步驟。在這一步中經歷了許多器件變化，對於模型開發人員和電路設計人員來講，應對這種變化是一個挑戰。這種狀況從未徹底解決。今天的MESFET電路仍然會經歷顯着的工藝變化，這些變化會影響良率，有時甚至是深入的。必要時，設計人員已經開發出優化其電路以實現工藝變化的方法，從而能夠提升產量。可是，到目前爲止尚未找到解決這個問題的通用解決辦法。

歷史在此時進行了干預，以強調和應用的轉變。 1991年，蘇聯不復存在，冷戰結束。結果，對改進的軍事硬件的需求急劇降低，政府資助的研發資金急劇降低。這種全球性的政治變革給整個20世紀90年代從事射頻和微波工做的公司和我的帶來了暫時的困難。然而，隨着冷戰結束後射頻/微波電子領域逐漸衰落，隨着無線革命的到來，這項技術很快恢復了生機，無線革命在20世紀90年代後期開始得到能量。