世界軍用微米波元部件發(fā)展縱覽

由于這些特性，毫米波主要應(yīng)用在要求結(jié)構(gòu)小、重量輕、分辨率高、作用距離近和具有良好的多卜勒處理特性的場(chǎng)合。與微波系統(tǒng)比，毫米波受惡劣氣候條件的限制，但其分辨率高，結(jié)構(gòu)輕?。慌c紅外和可見光比，沒有它們那樣高的分辨率，但通過煙霧灰塵的傳播特性較好。象任何其他工程一樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要著眼于其優(yōu)點(diǎn)避其缺點(diǎn)。

目前毫米波在導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)、輻射測(cè)量學(xué)、遙感、射電天文、地面通信、衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗、生物學(xué)中都得到了應(yīng)用，在這些應(yīng)用中毫米波元部件得到了進(jìn)一步發(fā)展。

在源方面，無論是固態(tài)的還是真空管類型的都可獲得。

固態(tài)雪崩管已進(jìn)行了廣泛的研究，現(xiàn)在可工作在300GHz以上。目前雪崩二極管脈沖工作達(dá)到的水平：35GHz輸出功率大于15瓦，脈寬100毫微秒；94GHz輸出10瓦，脈寬100毫微秒；215GHz輸出功率520毫瓦。

在過去幾年里固態(tài)源最明顯的改進(jìn)是具有更高的功率輸出，以及可以在更高的頻率上工作。從3～230GHz內(nèi)，可以使用雪崩振蕩器，在40GHz其典型的效率為5%，而在100GHz上則低于1%。單管振蕩器連續(xù)波輸出大約為500mw(40GHz)到10 mw(230GHz)之間，通過合成可達(dá)到瓦級(jí)(60 GHz），峰值功率可以達(dá)到幾十瓦。從微波范圍到高達(dá)100 GHz的頻率可以使用耿氏振蕩器，雖然其功率比雪崩管低些，但它具有很純的譜，它作為接收機(jī)本振和實(shí)驗(yàn)室信號(hào)源，得到了廣泛的應(yīng)用。100GHz以上研究工作已轉(zhuǎn)向磷化銦耿氏二極管振蕩器。

在中功率應(yīng)用可以用固態(tài)功率合成得到，不過某些場(chǎng)合還是用電子管。

反射速調(diào)管是低噪音、高可靠的毫米波源，能夠進(jìn)行機(jī)械調(diào)諧和電子調(diào)諧，常用于頻率和相位自動(dòng)微調(diào)系統(tǒng)中。

磁控管最高工作頻率可達(dá)220GHz，其功率可達(dá)1KW(140 GHz)、6KW(95 GHz)、10KW(70 GHz)，125KW(35 GHz)，典型的工作比為0.0002～0.0005，效率為10%。壽命已提高，通常可達(dá)100～200小時(shí)。

分布作用振蕩器(EIO)可用在高達(dá)300GHz頻率上，其優(yōu)點(diǎn)是工作頻率范圍寬(18～270 GHz)，壽命比較長(zhǎng)(可達(dá)1000小時(shí)），輸出功率和頻率穩(wěn)定度很高，體積小、重量輕,缺點(diǎn)是調(diào)諧范圍不如返波管振蕩器。目前EIO連續(xù)輸出功率達(dá)1KW～1W(28GHz～300GHz)，脈沖輸出功率5KW(35GHz)，1KW(95GHz)和40W(280GHz)。

返波管振蕩器(BWOS)現(xiàn)在廣泛使用著，這類管子的頻率覆蓋已從微波頻率到毫米波、并擴(kuò)展到亞毫米波段。在前蘇聯(lián)其BWOS的頻率已擴(kuò)展到1100GHz以上，這些管子功率通常在幾十或幾百毫瓦，毫米波低端可達(dá)數(shù)十瓦，并具有調(diào)諧范圍寬的特殊優(yōu)點(diǎn)，因此可作為通用信號(hào)源。

大功率應(yīng)用可以使用回旋管。它可在整個(gè)毫米波段上工作，可以產(chǎn)生數(shù)兆瓦峰值功率或幾十到幾百千瓦的連續(xù)波功率，且具有很好的效率（30%），但回旋管振蕩器需要非常高的電壓(60～100KV），以及很強(qiáng)的磁場(chǎng)。因而封裝及電源是難點(diǎn)，此外回旋管振蕩器帶寬比較窄，典型帶寬為0.1%。

有各種類型的二極管可作為混頻管，其中包括超導(dǎo)隧道結(jié)，點(diǎn)接觸約瑟夫森(Josephson)結(jié)，肖特基器件，莫特(Mott)二極管，以及莫特基(Mottg)二極管等。

貝爾研究所研制的砷化鎵肖特基勢(shì)壘二極管零偏壓截止頻率已達(dá)1000GHz量級(jí)，用這種二極管構(gòu)成的混頻器在100GHz、175GHz和230GHz時(shí)雙邊帶噪聲系數(shù)分別為3.8、8.1和12.6db。

梁式引線Schottky混頻器，其頻率可覆蓋整個(gè)毫米波段和亞毫米波段，在260GHz，噪音溫度200ok時(shí)，單邊變頻損耗為6db。

總起來說，毫米波低噪音混頻器工作在35GHz，95、140、220 GHz，其雙邊噪聲系數(shù)分別優(yōu)于5、8、9、15db，頻率越高噪音系數(shù)越大。

隨著微波技術(shù)的迅速發(fā)展，微波半導(dǎo)體器件發(fā)展也很快，主要表現(xiàn)在器件工作頻率上限不斷提高，如器件的最高振蕩頻率已達(dá)455 GHz，器件的噪音系數(shù)不斷下降。

砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAs MOSFET)是一種較理想的低噪放大器件，但只有工作在毫米波低頻段，目前最高頻率可達(dá)到40GHz。

HEMT器件是頗有前途的毫米波器件，適于毫米波低端應(yīng)用。PHEMT除了具有HEMT的優(yōu)點(diǎn)外，還具有頻率更高，噪音系數(shù)更小的優(yōu)點(diǎn)，目前這種器件的性能為f0=60GHz，NF=1.6db，Ga=7db和f0=90GHz，NF=1.4db，Ga＝6.5db。InPHEMT顯示了更優(yōu)越的性能，目前這種器件水平是f0=95GHz，NF=1.3db，Ga=8.2db。fT可達(dá)450GHz，充分顯示了InPHEMT作為毫米波高端低噪音應(yīng)用的前景。TRW公司采用GaAs HEMT制成的W波段(75～110GHz)放大器，在91～95 GHz，NF=5.5db。

超導(dǎo)器器件在毫米波范圍內(nèi)有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是在亞毫米波段占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，低溫超導(dǎo)（LTS)器件的實(shí)際工作頻率上限是幾百GHz，而高溫超導(dǎo)(HTS)器件的頻率上限還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)幾千GHz。目前，LTS的參量放大器工作頻率已達(dá)到500GHz，到21世紀(jì)上半葉可能達(dá)到1000GHz以上，同時(shí)性能也將接近量子極限，這對(duì)于射電天文是有用的。

頻率低于18GHz器件以GaAs MOSFET和HBT為主，而高于18GHz的頻率則以PHEMT為主。由于PHEMT具有良好的頻率和功率性能，在毫米波單片電路功放方面，PHEMT MMIC的前景也較好。

目前已生產(chǎn)30～110GHz頻帶內(nèi)作連續(xù)和脈沖應(yīng)用的行波管。行波管具有寬帶、高功率、良好的效率和高的增益。在軟低頻率，螺旋線行波管在頻帶、增益等方面優(yōu)于耦合腔行波管。在30～50GHz內(nèi)可以制造出高功率螺旋管，在60GHz以上通常采用耦合腔管。今后發(fā)展方向，主要是超寬帶，高頻率和大功率。

毫米波磁控管雷達(dá)具有體積小，精度高，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于導(dǎo)彈尋的器等體積要求小的場(chǎng)合，產(chǎn)品已系列化，其最高工作頻率可達(dá)220GHz，典型器件為MG5321，工作在35GHz，峰值輸出功率50KW，平均功率10W;MG5335，工作在95 GHz峰值輸出功率2.5KW。

前向波功放，具有效率高，結(jié)構(gòu)緊湊和頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，由固放、寬帶行放和前向波放大器組成的高功率放大鏈?zhǔn)钱?dāng)前流行的雷達(dá)發(fā)射機(jī)體制，被各國(guó)廣泛采用，典型器件工作在(35～36.5)GHz，脈部功率50KW，增益10db，工作比0.4%。

速調(diào)管功放具有功率大、增益高、效率高、壽命長(zhǎng)和高可靠等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是帶寬較窄，使用電壓高和結(jié)構(gòu)尺寸大。美國(guó)瓦里安公司研制的Ka波段速調(diào)管峰值功率3.5KW，工作比20%，帶寬340MHz，效率34%。目前速調(diào)管最高頻率可達(dá)260 GHz。

在大功率軍用雷達(dá)領(lǐng)域，由于現(xiàn)代雷達(dá)要求寬的瞬時(shí)帶寬，管子要柵控和雷達(dá)能機(jī)動(dòng)，速調(diào)管已不適用了，轉(zhuǎn)而采用固態(tài)放大、行放或前向波放大鏈體制。速調(diào)管也尋求自身變革，EIA就是一種互作用速調(diào)管放大器、95 GHz的EIA已成功的用于毫米波雷達(dá)。

回旋管頻率覆蓋范圍從厘米波到亞毫米波，輸出功率巨大，在電子干擾和微波武器中應(yīng)用前景好。

典型的例子是34.5GHz時(shí)，連續(xù)波輸出400KW，增益40db，效率40%;140GHz時(shí)輸出1MW，效率40%；328 GHz輸出432KW，效率15%。今后的重點(diǎn)是實(shí)用化，包括提高效率，改進(jìn)調(diào)制度和降低磁場(chǎng)等。

大多數(shù)毫米波元器件的性能隨頻率的增長(zhǎng)而降低。目前國(guó)外已可由市場(chǎng)上買到工作頻率高達(dá)95GHz的各種元件，高于95GHz（140、220GHz)的元件尚處于開發(fā)階段，其結(jié)構(gòu)和性能也尚不完善，不能滿足野外環(huán)境中軍品和民品的使用要求。

毫米波無源元件如環(huán)流器、隔離器、移相器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、雙工器、耦合器和波導(dǎo)等，是制造雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)所不可缺少的。但事實(shí)上在許多情況下，就是這些無源元件限制了雷達(dá)性能。例如，在現(xiàn)有的工藝下很難制造出工作頻率高于95GHz、隔離度大于30db的環(huán)流器，此外環(huán)流器的插入損耗也比較大，這就降低了雷達(dá)的有效輸出功率。

一般說來，標(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)元件，如耦合器、T形分支、調(diào)諧器以及混合環(huán)可以用到220GHz。校準(zhǔn)衰減器，移相器以及波長(zhǎng)計(jì)可以用到110GHz(直讀的)，而帶有的校正曲線的則可以用到220GHz，在更高頻率由于這些元件的插入損耗大，故無法滿足需求。隔離器、開關(guān)、環(huán)流器以及移相器等鐵氧體器件可以用到140GHz，隔離度15db～20 db；更高頻率由于尺寸太小，以及鐵氧體材料中損耗受到非?？量滔拗?。

矩形波導(dǎo)元件性能限制以及制造上的困難，推動(dòng)了其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研制，(例如，介質(zhì)鏡象線、絕緣波導(dǎo)、H波導(dǎo)、鰭線等)以及使用準(zhǔn)光學(xué)元件作衰減器，同向雙工器(diplexer),射束波導(dǎo)，雙工器（duplexer)，極化旋轉(zhuǎn)器等。

頻率進(jìn)一步提高將采用超導(dǎo)無源器件，其高頻損耗比正常金屬小得多。目前已用LTS薄膜制成微帶濾波器，以抽頭延遲線為基礎(chǔ)的各種線性調(diào)頻濾波器，卷積器，相關(guān)器，頻譜分析和匹配濾波器已有報(bào)導(dǎo)。

目前毫米波元部件已成為導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)、電子對(duì)抗和通信的主要因素之一，為此應(yīng)加快毫米波元部件的研制發(fā)展。

國(guó)外35、60、95 GHz所需的各種元器件已進(jìn)入實(shí)用階段。140 GHz、220GHz的毫米波元器件正在開發(fā)，并能提供使用，部分滿足了毫米波系統(tǒng)的需求。

基礎(chǔ)元器件應(yīng)適度超前發(fā)展才能滿足我國(guó)武器裝備發(fā)展的需求。我們應(yīng)制定一個(gè)規(guī)劃，使毫米波元器件在增加元器件品種、提高功率水平、降低噪聲系數(shù)和擴(kuò)展頻率上獲得更快的發(fā)展。■