毫米波技术及芯片详解

作频率可扩展到200 GHz 以上。

由于硅工艺在成本和集成度方面的巨大优势， 硅基毫米波亚毫米波集成电路的研究已成为当前的研究热点之一。 美国佛罗里达大学设计了410 GHz CMOS 振荡器，加拿大多伦多大学研制了基于SiGe HBT 工艺的170 GHz 放大器、160 GHz 混频器和基于CMOS 工艺的140 GHz 变频器，美国加州大学圣芭芭拉分校等基于CMOS 工艺研制了150 GHz 放大器等，美国康奈尔大学基于CMOS 工艺研制了480 GHz 倍频器。 在系统集成方面， 加拿大多伦多大学设计了140 GHz CMOS接收机芯片和165 GHz SiGe 的片上收发系统， 美国加州大学柏克莱分校首次将60 GHz 频段硅基模拟收发电路与数字基带处理电路集成在一块CMOS 芯片上，新加坡微电子研究院也实现了包括在片天线的60 GHz CMOS 收发信机芯片，美国加州大学洛杉矶分校报道了0.54 THz 的频率综合器， 德国乌帕塔尔综合大学研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系统， 加州大学伯克利分校采用SiGe 工艺成功研制了380 GHz 的雷达系统。日本NICT 等基于CMOS 工艺实现了300 GHz的收发芯片并实现了超过10 Gbps 的传输速率， 但由于没有功率放大和低噪声电路， 其传输距离非常短。 通过采用硅基技术， 包含数字电路在内的所有电路均可集成在单一芯片上， 因此有望大幅度降低毫米波通信系统的成本。

在毫米波亚毫米波硅基集成电路方面我国大陆起步稍晚， 但在国家973 计划、863 计划和自然科学基金等的支持下， 已快速开展研究并取得进展。 东南大学毫米波国家重点实验室基于90 nm CMOS 工艺成功设计了Q、V 和W 频段放大器、混频器、VCO 等器件和W 波段接收机、Q波段多通道收发信机等， 以及到200 GHz 的CMOS 倍频器和到520 GHz 的SiGe 振荡器等。

2、毫米波电真空器件

毫米波集成电路具有体积小、成本低等很多优点，但功率受限。 为了获得更高的输出功率， 可以采用电真空器件， 如加拿大CPI 公司研制的速调管（Klystron） 在W 波段上获得了超过2000 W 的脉冲输出功率， 北京真空电子研究所研制的行波管（TWT） 放大器在W 波段的脉冲输出功率超过了100 W，电子科技大学在W 波段上也成功设计了TWT 功率放大器， 中国科学院合肥物质科学研究院研制的迴旋管（Gyrotron） 在140 GHz 上获得了0.9 MW 的脉冲输出功率， 与国外水平相当。

3、毫米波应用

近年来， 毫米波器件性能的不断提高， 成本的不断降低， 有力促进了毫米波在各个领域的应用。 目前基于毫米波频段的应用主要体现在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷达等方面。

3.1 毫米波通信

随着无线通信技术的飞速发展， 6 GHz 以下黄金通信频段的频谱已经非常拥挤， 很难满足未来无线高速通信的需求。 然而， 与此相反的是， 在毫米波频段， 频谱资源丰富但仍然没有得到充分的开发利用。

在移动通信方面，探索了毫米波移动通信系统场景、网络结构及空中接口。 在目前开展的第5 代移动通信（5G） 研究中， 几个毫米波频段已经成为5G 候选频段。毫米波技术将会在5G的发展中起着举足轻重的作用。

在短距高速通信系统中， 60 GHz 频段得到了广泛地研究和应用。 欧洲、美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚以及我国陆续开放了这一频段的免费频谱资源。 60 GHz 频段处于大气衰减峰， 虽然不适合远距通信， 但可用于短距离传输， 且不会对周围造成太多干扰。 近年来， 在60 GHz 频段已发展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近场通讯、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各种系统与标准。

国内东南大学提出了工作在45 GHz 频段的超高速近远程无线传输标准（Q-LINKPAN） ，其短距部分已成为IEEE 802.11aj 国际标准。 45 GHz 频段的大气衰减小于1 dB/km， 因此不仅可以像60 GHz 频段一样实现高速短距传输， 同时也适用于远距传输。 目前实验系统在82 m 的传输距离上已实现2 Gbps 的传输速率， 并研制了相应的支持Gbps 传输的毫米波芯片。

卫星通信覆盖范围广，是保障偏远地区和海上通信以及应急通信的重要手段，目前其工作频段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段。 随着卫星通信研究的不断深入，已在尝试更高频段。 因为毫米波频段可以提供更宽的带宽， 因而可实现更高的通信速率。 此外， 低功耗、小体积、抗干扰以及较高的空间分辨率都是其值得利用的特点。 目前卫星与地面通信的主要研究方向集中在两个大气衰减较小的窗口，Q 频段和W 频段， 而60 GHz 频段被认为是实现星间通信的重要频段。

此外， 毫米波光载无线通信（RoF） 系统也得到了迅速的发展。 光