世界军用微米波元部件发展纵览

毫米波是介于微波与光波之
间的电磁波，通常毫米波频段是指30～3000GHz频率范围，相应的波长为1cm～1mm。由于毫米波介于微波与光波之间的过渡频段上，因此它具有微波和光波的特性。毫米波电子系统具有以下特性：

• 小天线孔径具有较高天线增益；

• 高的跟踪精度和制导精度;

• 不易受电子干扰；

• 低角跟踪时，多径效应和地杂波干扰小；

• 多目标鉴别性能好；

• 雷达分辨率高；

• 大气衰减“谐振点”频率可作保密传输等。

由于这些特性，毫米波主要应用在要求结构小、重量轻、分辨率高、作用距离近和具有良好的多卜勒处理特性的场合。与微波系统比，毫米波受恶劣气候条件的限制，但其分辨率高，结构轻小；与红外和可见光比，没有它们那样高的分辨率，但通过烟雾灰尘的传播特性较好。象任何其他工程一样，系统设计要着眼于其优点避其缺点。

目前毫米波在导弹制导、雷达、辐射测量学、遥感、射电天文、地面通信、卫星通信、电子对抗、生物学中都得到了应用，在这些应用中毫米波元部件得到了进一步发展。

在源方面，无论是固态的还是真空管类型的都可获得。

固态雪崩管已进行了广泛的研究，现在可工作在300GHz以上。目前雪崩二极管脉冲工作达到的水平：35GHz输出功率大于15瓦，脉宽100毫微秒；94GHz输出10瓦，脉宽100毫微秒；215GHz输出功率520毫瓦。

在过去几年里固态源最明显的改进是具有更高的功率输出，以及可以在更高的频率上工作。从3～230GHz内，可以使用雪崩振荡器，在40GHz其典型的效率为5%，而在100GHz上则低于1%。单管振荡器连续波输出大约为500mw(40GHz)到10 mw(230GHz)之间，通过合成可达到瓦级(60 GHz），峰值功率可以达到几十瓦。从微波范围到高达100 GHz的频率可以使用耿氏振荡器，虽然其功率比雪崩管低些，但它具有很纯的谱，它作为接收机本振和实验室信号源，得到了广泛的应用。100GHz以上研究工作已转向磷化铟耿氏二极管振荡器。

在中功率应用可以用固态功率合成得到，不过某些场合还是用电子管。

反射速调管是低噪音、高可靠的毫米波源，能够进行机械调谐和电子调谐，常用于频率和相位自动微调系统中。

磁控管最高工作频率可达220GHz，其功率可达1KW(140 GHz)、6KW(95 GHz)、10KW(70 GHz)，125KW(35 GHz)，典型的工作比为0.0002～0.0005，效率为10%。寿命已提高，通常可达100～200小时。

分布作用振荡器(EIO)可用在高达300GHz频率上，其优点是工作频率范围宽(18～270 GHz)，寿命比较长(可达1000小时），输出功率和频率稳定度很高，体积小、重量轻,缺点是调谐范围不如返波管振荡器。目前EIO连续输出功率达1KW～1W(28GHz～300GHz)，脉冲输出功率5KW(35GHz)，1KW(95GHz)和40W(280GHz)。

返波管振荡器(BWOS)现在广泛使用着，这类管子的频率覆盖已从微波频率到毫米波、并扩展到亚毫米波段。在前苏联其BWOS的频率已扩展到1100GHz以上，这些管子功率通常在几十或几百毫瓦，毫米波低端可达数十瓦，并具有调谐范围宽的特殊优点，因此可作为通用信号源。

大功率应用可以使用回旋管。它可在整个毫米波段上工作，可以产生数兆瓦峰值功率或几十到几百千瓦的连续波功率，且具有很好的效率（30%），但回旋管振荡器需要非常高的电压(60～100KV），以及很强的磁场。因而封装及电源是难点，此外回旋管振荡器带宽比较窄，典型带宽为0.1%。

有各种类型的二极管可作为混频管，其中包括超导隧道结，点接触约瑟夫森(Josephson)结，肖特基器件，莫特(Mott)二极管，以及莫特基(Mottg)二极管等。

贝尔研究所研制的砷化镓肖特基势垒二极管零偏压截止频率已达1000GHz量级，用这种二极管构成的混频器在100GHz、175GHz和230GHz时双边带噪声系数分别为3.8、8.1和12.6db。

梁式引线Schottky混频器，其频率可覆盖整个毫米波段和亚毫米波段，在260GHz，噪音温度200ok时，单边变频损耗为6db。

总起来说，毫米波低噪音混频器工作在35GHz，95、140、220 GHz，其双边噪声系数分别优于5、8、9、15db，频率越高噪音系数越大。

随着微波技术的迅速发展，微波半导体器件发展也很快，主要表现在器件工作频率上限不断提高，如器件的最高振荡频率已达455 GHz，器件的噪音系数不断下降。

砷化镓场效应晶体管(GaAs MOSFET)是一种较理想的低噪放大器件，但只有工作在毫米波低频段，目前最高频率可达到40GHz。

HEMT器件是颇有前途的毫米波器件，适于毫米波低端应用。PHEMT除了具有HEMT的优点外，还具有频率更高，噪音系数更小的优点，目前这种器件的性能为f0=60GHz，NF=1.6db，Ga=7db和f0=90GHz，NF=1.4db，Ga＝6.5db。InPHEMT显示了更优越的性能，目前这种器件水平是f0=95GHz，NF=1.3db，Ga=8.2db。fT可达450GHz，充分显示了InPHEMT作为毫米波高端低噪音应用的前景。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。

超导器器件在毫米波范围内有相当大的优势，特别是在亚毫米波段占绝对优势。据报导，低温超导（LTS)器件的实际工作频率上限是几百GHz，而高温超导(HTS)器件的频率上限还要高一个数量级，可达几千GHz。目前，LTS的参量放大器工作频率已达到500GHz，到21世纪上半叶可能达到1000GHz以上，同时性能也将接近量子极限，这对于射电天文是有用的。

频率低于18GHz器件以GaAs MOSFET和HBT为主，而高于18GHz的频率则以PHEMT为主。由于PHEMT具有良好的频率和功率性能，在毫米波单片电路功放方面，PHEMT MMIC的前景也较好。

目前已生产30～110GHz频带内作连续和脉冲应用的行波管。行波管具有宽带、高功率、良好的效率和高的增益。在软低频率，螺旋线行波管在频带、增益等方面优于耦合腔行波管。在30～50GHz内可以制造出高功率螺旋管，在60GHz以上通常采用耦合腔管。今后发展方向，主要是超宽带，高频率和大功率。

毫米波磁控管雷达具有体积小，精度高，价格低的优点，广泛用于导弹寻的器等体积要求小的场合，产品已系列化，其最高工作频率可达220GHz，典型器件为MG5321，工作在35GHz，峰值输出功率50KW，平均功率10W;MG5335，工作在95 GHz峰值输出功率2.5KW。

前向波功放，具有效率高，结构紧凑和频带宽的优点，由固放、宽带行放和前向波放大器组成的高功率放大链是当前流行的雷达发射机体制，被各国广泛采用，典型器件工作在(35～36.5)GHz，脉部功率50KW，增益10db，工作比0.4%。

速调管功放具有功率大、增益高、效率高、寿命长和高可靠等优点，不足之处是带宽较窄，使用电压高和结构尺寸大。美国瓦里安公司研制的Ka波段速调管峰值功率3.5KW，工作比20%，带宽340MHz，效率34%。目前速调管最高频率可达260 GHz。

在大功率军用雷达领域，由于现代雷达要求宽的瞬时带宽，管子要栅控和雷达能机动，速调管已不适用了，转而采用固态放大、行放或前向波放大链体制。速调管也寻求自身变革，EIA就是一种互作用速调管放大器、95 GHz的EIA已成功的用于毫米波雷达。

回旋管频率覆盖范围从厘米波到亚毫米波，输出功率巨大，在电子干扰和微波武器中应用前景好。

典型的例子是34.5GHz时，连续波输出400KW，增益40db，效率40%;140GHz时输出1MW，效率40%；328 GHz输出432KW，效率15%。今后的重点是实用化，包括提高效率，改进调制度和降低磁场等。

大多数毫米波元器件的性能随频率的增长而降低。目前国外已可由市场上买到工作频率高达95GHz的各种元件，高于95GHz（140、220GHz)的元件尚处于开发阶段，其结构和性能也尚不完善，不能满足野外环境中军品和民品的使用要求。

毫米波无源元件如环流器、隔离器、移相器、转换开关、双工器、耦合器和波导等，是制造雷达、通信、电子战所不可缺少的。但事实上在许多情况下，就是这些无源元件限制了雷达性能。例如，在现有的工艺下很难制造出工作频率高于95GHz、隔离度大于30db的环流器，此外环流器的插入损耗也比较大，这就降低了雷达的有效输出功率。

一般说来，标准的矩形波导元件，如耦合器、T形分支、调谐器以及混合环可以用到220GHz。校准衰减器，移相器以及波长计可以用到110GHz(直读的)，而带有的校正曲线的则可以用到220GHz，在更高频率由于这些元件的插入损耗大，故无法满足需求。隔离器、开关、环流器以及移相器等铁氧体器件可以用到140GHz，隔离度15db～20 db；更高频率由于尺寸太小，以及铁氧体材料中损耗受到非常苛刻限制。

矩形波导元件性能限制以及制造上的困难，推动了其他波导结构的研制，(例如，介质镜象线、绝缘波导、H波导、鳍线等)以及使用准光学元件作衰减器，同向双工器(diplexer),射束波导，双工器（duplexer)，极化旋转器等。

频率进一步提高将采用超导无源器件，其高频损耗比正常金属小得多。目前已用LTS薄膜制成微带滤波器，以抽头延迟线为基础的各种线性调频滤波器，卷积器，相关器，频谱分析和匹配滤波器已有报导。

目前毫米波元部件已成为导弹制导、雷达、电子对抗和通信的主要因素之一，为此应加快毫米波元部件的研制发展。

国外35、60、95 GHz所需的各种元器件已进入实用阶段。140 GHz、220GHz的毫米波元器件正在开发，并能提供使用，部分满足了毫米波系统的需求。

基础元器件应适度超前发展才能满足我国武器装备发展的需求。我们应制定一个规划，使毫米波元器件在增加元器件品种、提高功率水平、降低噪声系数和扩展频率上获得更快的发展。■