射频（RF）和微波电路发展简史（一）

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加的时期。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，全部这一切都开始发生变化，由于即便是更加重烈的变化也正在以可以在射频和微波频率范围内工做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，这些双端固态器件可以将固态电子器件的频率上限从1 GHz提高到10 GHz以上。全部的目光都在注视着谁的努力将提供下一个最高的工做频率，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，因为联邦研究资金的可用性，这一过程进一步加速。因为许多基本的射频和微波研究都是由联邦政府资助的，所以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很是重要的因素。

从那时起，射频和微波领域已经发展了四个不一样的时期。

图1

图一、显示了射频和微波电子领域在过去四十年中如何经过四个不一样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，其特色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进为军用和商用通讯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，而且在20世纪60年代广泛认为，即便性能下降，切换到固态也会显着提升系统可靠性[3]。当时的问题变成了什么样的真空管能够被固态器件所取代？因为固态器件不能产生真空管可以达到的RF功率，所以第一个目标是不须要高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做为固态设计的有源器件。所以，将固态本地振荡器做为这些混频器的组成部分很是天然，这造成一个几乎完整的固态接收器。经过用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）变得更加普遍。低功率和中功率发射器演变为固态设计;在这些应用中，Impatt二极管振荡器被用做速调管，TWT和磁控管真空管的替代品。除了可靠性以外，新型固态硬件还为系统设计人员提供了更低功耗（不须要加热器功率的真空管灯丝）和更低工做电压的优点，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势迅速销售。咱们为下一个重要的发展时期作好了准备。

第二个主要时期的特色是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]。微带传输线一般在薄膜陶瓷基板上造成图案。使用光刻技术[4]，电路设计人员能够在单个薄膜陶瓷基板上制造整个微带传输线网络，而且使用所谓的混合组装技术，能够经过链接诸如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做图案化陶瓷基板。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。如今能够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做的研发资金。出于这个缘由，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。经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获得了应用。这一时期从20世纪70年代中期延伸到20世纪90年代中期。这是一个很是激烈和使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可以进行极宽的带宽操做。这对电子战系统来讲是一个很大的进步，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。在这样的系统中再也不须要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。全部这些技术进步与其余领域的进步相结合，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。

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下降RF /微波固态电路的成本，尺寸和重量的愿望。成本和尺寸减少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。因为GaAs MESFET器件很快成为这些频率下最重要的固态有源器件，所以须要一种基于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增加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：它们具备很高的自然电阻。实际上，与未掺杂的硅不一样，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，因为GaAs的介电常数是12.5，因此这种传输线在物理上很短，从而减少了尺寸，重量和总成本。因为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，彻底单片的MMIC集成电路取代当时存在的大部分陶瓷微带混合硬件。

可是因为两个因素，这个承诺只能部分实现：首先，存在调整（tuning）（或调试（tweaking））的问题。混合陶瓷电路老是须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电路的状况下，再也不可能调整电路，由于它是集成电路，而且对于任何手动对准来讲它过小（即便在工艺处理过程当中要保留绝缘钝化层， insulating passivation layer ）而不切合实际。这意味着MMIC能够工做，也能够不工做。然而，它并不那么简单。制造过程当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下降MMIC器件的总产量，而且根据电气规格的难易程度，产量可能会很是低，这每每会抵消使用MMIC方法首要的成本优点。

各类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，能够模拟各类电参数，而不只仅是小信号S参数，这些参数一般用于混合陶瓷电路仿真。为MMIC应用建立的新模型必须可以在很大范围的信号电平上工做，包括直流行为。这些模型，一般称为大信号模型，比它们以前的小信号S参数模型复杂得多。这些大信号模型的开发付出了至关大的努力和费用，但愿若是可以准确，完整地建模新的MMIC电路，它们的产量会增长。因为第二个主要问题：在制造期间晶圆到晶圆的变化，这项努力只取得了部分红功。若是模型参数以不可预测的方式不断变化，那么世界上全部的建模精度都不会提升产量。为了改善这种状况，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很是均匀地撞击晶片的等离子体）。然而，并不是全部蚀刻工艺均可以切换到干蚀刻。特别地，制造MESFET器件的栅极中的栅极凹槽蚀刻步骤不能经过干法蚀刻完成，而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讲，应对这种变化是一个挑战。这种状况从未彻底解决。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，有时甚至是深入的。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，从而能够提升产量。可是，到目前为止尚未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降低，政府资助的研发资金急剧降低。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做的公司和我的带来了暂时的困难。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年代后期开始得到能量。