1 引言

上世紀(jì)六十年代，特別是到了七十年代，由于微波半導(dǎo)體電路的飛速發(fā)展，微波在無線電技術(shù)領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。目前，它已廣泛地應(yīng)用于微波中繼通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、電子測(cè)量儀器及各種飛行器的電子設(shè)備中，因此從事無線電和電子技術(shù)的理論和工程技術(shù)人員在科研和生產(chǎn)實(shí)際中，將大量接觸和使用各種微波電子線路。

2 微波電路的產(chǎn)生

一直以來，“微波電路”就是“波導(dǎo)電路”的同義詞，早在上世紀(jì)三十年代初期，人們就認(rèn)識(shí)到對(duì)于微波頻率來說，波導(dǎo)是一種很有用的傳輸結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，這些應(yīng)當(dāng)提及貝爾實(shí)驗(yàn)室的Southworth等人的工作。研究者們很早就發(fā)現(xiàn)經(jīng)過適當(dāng)修改后的一小節(jié)波導(dǎo)，可以作為輻射器或電抗原件來使用。Southworth在一篇早起論文中就曾談到諧振腔和喇叭天線。現(xiàn)代波導(dǎo)電路發(fā)展過程中，一開始就致力于使微波功率能從微波源有效地傳送到波導(dǎo)傳輸線，并能在接收端有效地回收，這就對(duì)相應(yīng)的發(fā)射機(jī)原件和接收機(jī)原件提出了更高的要求。因此，它導(dǎo)致了行波檢測(cè)器、波長計(jì)、終端負(fù)載等元件的出現(xiàn)。然而，當(dāng)年所用的微波技術(shù)水平是很落后的，當(dāng)時(shí)的微波實(shí)驗(yàn)常常利用光學(xué)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，國際無線電工程（IRE）會(huì)刊在其五十周年紀(jì)念專集中發(fā)表了一篇回顧微波技術(shù)發(fā)展歷史的文章，其中就有幾幅當(dāng)年所用設(shè)備的照片。

微波技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，構(gòu)成了微波電路的基礎(chǔ)。從最初發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性的多次反射原理和相應(yīng)的腔體諧振原理，到人們利用這些原理使微波功率源與波導(dǎo)匹配，再到用來使波導(dǎo)與接收機(jī)匹配（如晶體檢波器），并且利用這些器件，使得某一頻率的信號(hào)通過電路。

微波電路的基本特點(diǎn)之一是通過波導(dǎo)內(nèi)部的螺釘、膜片（以致壓縮尺寸）憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)其特性進(jìn)行調(diào)整或調(diào)諧。起初，這僅是一種試湊方法，后來發(fā)展成所謂“波導(dǎo)管工程”。在很長時(shí)間內(nèi)，它也是微波工程的一種最常用方法。

3 微波電路的現(xiàn)狀

微波電路開始于二十世紀(jì)四十年代應(yīng)用的立體微波電路，它是由波導(dǎo)傳輸線、波導(dǎo)元件、諧振腔和微波電子管組成的。到了二十世紀(jì)六十年代，便出現(xiàn)了以半導(dǎo)體器件以及薄膜淀積技術(shù)、光刻技術(shù)見長的新一代微波集成電路。由于具有體積小，重量輕，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使得它在武器、航空航天以及衛(wèi)星等方面得到充分的利用。

第二次世界大戰(zhàn)期間，在微波電路中經(jīng)常采用兩種基本傳輸，即波導(dǎo)和TEM模同軸線。波導(dǎo)的特點(diǎn)是功率高、損耗小。后一特點(diǎn)導(dǎo)致了高Q諧振腔的出現(xiàn)。同軸線則由于不存在色散效應(yīng)，具備固有的寬帶特性。此外，阻抗的概念也能在同軸線中方便的解釋，從而簡化了元件的設(shè)計(jì)過程。這兩種傳輸結(jié)構(gòu)發(fā)展成為重要的微波電路元件，兩者配合使用，可以達(dá)到意想不到的效果。

1951年，Barrett和Barnes提出的這種結(jié)構(gòu)，即在微波電路中采用帶狀線傳輸結(jié)構(gòu)，形式和今天所用的一樣，由兩片外側(cè)敷有金屬的介質(zhì)板夾一根薄條狀導(dǎo)體組成。其平面圖如圖3-1。早期的帶狀工藝，用的是刮刀和膠水，將薄帶導(dǎo)體切下并粘結(jié)到介質(zhì)板上。隨著敷銅層壓板的出現(xiàn)，帶狀線發(fā)展成為一項(xiàng)性能可以預(yù)先計(jì)算的精密工藝。帶狀線傳輸結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)，是其特性阻抗受中心條帶導(dǎo)體的寬度控制。帶狀線電路結(jié)構(gòu)的二位特性使得它能實(shí)現(xiàn)許多元件的互連而不破壞外導(dǎo)體的屏蔽層，這也給輸入輸出位置帶來很大的靈活性。由于兩根條帶導(dǎo)體緊靠時(shí)，存在固有的耦合特性，因此帶狀線在平行線耦合器中應(yīng)用非常方便 。

自1974年，美國的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研制成功世界上第一塊MMIC放大器以來，在軍事應(yīng)用（包括智能武器、雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等方面）的推動(dòng)下，MMIC的發(fā)展十分迅速。正是由于GaAs技術(shù)的問世與GaAs材料的特性而促成了由微波集成電路向單片微波集成電路（MMIC）的過渡。與第二代的微波混合電路HMIC 相比較，MMIC的體積更小、壽命更長、可靠性高、噪聲低、功耗小、工作的極限頻率更高等優(yōu)點(diǎn)，因此，受到廣泛的重視。

單片微波集成電路的出現(xiàn)，使得各種微波電路的實(shí)現(xiàn)成為可能。因此，各種MMIC器件都的到了空前的發(fā)展，如MMIC功放、低噪聲放大器（LNA）、混頻器、上變頻器、壓控振蕩器（VCO）、濾波器等直至MMIC前端和整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)。單片微波集成電路在固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電視衛(wèi)星接收、微波通信和超高速計(jì)算機(jī)、大容量信息處理方面有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著MMIC技術(shù)的進(jìn)一步提高和多層集成電路工藝的進(jìn)步，利用多層基片內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎所有的無源器件和芯片互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的三維多層微波結(jié)構(gòu)受到越來越多的重視。而且建立在多層互連基片上的MCM（Multi-Chip Module）技術(shù)將使微波毫米波系統(tǒng)的尺寸變得更小 。

4 微波電路的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波電路在很多技術(shù)方面也有了長足的進(jìn)步，微波電路近年來的主要發(fā)展趨勢(shì)是：

4.1 微波電路的互聯(lián)與制造技術(shù)

使用頻率1 GHz 以上的微波技術(shù)與微波電路互聯(lián)與制造技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。在雷達(dá)、導(dǎo)航和通訊設(shè)備等現(xiàn)代信息系統(tǒng)與軍事電子裝備中，微波電路是高速信息的“主動(dòng)脈”。因此，微波電路及其互聯(lián)與制造技術(shù)是信息化系統(tǒng)與軍事電子裝備研制、生產(chǎn)中的一項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)。微波電路互聯(lián)與制造技術(shù)包括：微波電路基板材料與制造技術(shù)、微波電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、微波器件或組件的封裝和組裝技術(shù)、微波組件或系統(tǒng)的互連與調(diào)試技術(shù)等內(nèi)容。它涉及微電子學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、電子機(jī)械工程等諸多學(xué)科；是一項(xiàng)多學(xué)科交叉、綜合性科學(xué)技術(shù)。具有科技含量高，技術(shù)難度大，發(fā)展速度快，在信息系統(tǒng)與軍事電子裝備中應(yīng)用面寬、作用大等特點(diǎn)。

隨著微電子技術(shù)、元器件技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，微波電路互聯(lián)與制造新工藝、新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。例如多層微波集成電路和三維微波集成電路(3DMMIC)、低損耗傳輸線和屏蔽膜片微帶(SMM)電路、多芯片微波模塊、微波電路的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 的互聯(lián)與制造技術(shù)，新型樹脂微波PCB技術(shù)、新型微波電路防護(hù)涂層技術(shù)，以及應(yīng)用于微波電路設(shè)計(jì)的三維電路仿真技術(shù)、基于智能方法的微波電路CAD與優(yōu)化技術(shù)等等 。

4.2 微波電路的光子帶隙結(jié)構(gòu)

1987年，Yablonovitch提出了子帶隙(PBG)結(jié)構(gòu)，它最初應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域，近幾年被引入微波波段，引起了人們的廣泛關(guān)注。電磁波在具有周期結(jié)構(gòu)的材料中傳播時(shí)，會(huì)受到調(diào)制，產(chǎn)生光子帶隙，當(dāng)電磁波的工作頻率落在帶隙中時(shí)，沒有任何傳輸態(tài)存在。子帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微波波段，能夠使特定頻段內(nèi)的電磁波完全不能在其中傳播，同時(shí)，光子帶隙結(jié)構(gòu)還將改變通帶內(nèi)的傳播常數(shù)，是一種慢波結(jié)構(gòu)。由于光子帶隙結(jié)構(gòu)的以上特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于帶阻、抑制高次諧波、改善效率、增加帶寬、減小尺寸等方面。光子帶隙結(jié)構(gòu)可以采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或鐵電物質(zhì)植入襯底材料,或者直接由各種材料周期性排列而成。國內(nèi)外提出的微波光子帶隙結(jié)構(gòu)多種多樣，目前由三維結(jié)構(gòu)向一維和二維結(jié)構(gòu)發(fā)展，由于易于實(shí)現(xiàn)且便于集成，使光子帶隙結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展到了電子和通信領(lǐng)域。現(xiàn)在光子帶隙結(jié)構(gòu)的單元形狀、周期性條件、各種周期結(jié)構(gòu)變形體的結(jié)合以及材料的開發(fā)都是值得關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

子晶體就是一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中周期排列所形成的人造晶體，光子晶體的基本特是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播的。光子晶體的獨(dú)特特性，最初應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域，后來迅速擴(kuò)展到其它領(lǐng)域，現(xiàn)在在微波頻段也有研究和應(yīng)用。目前國內(nèi)外提出了多種微波光子帶隙結(jié)構(gòu)，最初的微波光子帶隙結(jié)構(gòu)是由三維介質(zhì)周期排列構(gòu)成，由于三維結(jié)構(gòu)加工制作及分析都很復(fù)雜，微波光子帶隙結(jié)構(gòu)的研究和制作就集中在了平面結(jié)構(gòu)上。平面光子帶隙結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)高性能、高集成度的電路提供了新的途徑，帶來了微波集成電路設(shè)計(jì)思想的一次革命。因?yàn)橐痪S和二維的平面帶隙結(jié)構(gòu)形式靈活，易于實(shí)現(xiàn)且便于集成，因而在微波電路中得到了廣泛的應(yīng)用，更帶給微波集成電路更快的發(fā)展 。

4.3 微波電路的MEMS開關(guān)

根據(jù)MEMS的最新定義，它是將電氣元件和機(jī)械元件結(jié)合在一起的微型化器件或器件陣列，并且可用IC工藝批量制作。盡管傳統(tǒng)的IC制作工藝和MEMS制作工藝有很大的相似之處，但前者是平面技術(shù)，后者是三維技術(shù)。目前廣泛使用的MEMS制作技術(shù)有： 體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)、鍵合微加工技術(shù)和LIGA技術(shù)(光刻電鑄成型技術(shù))。

開關(guān)是微波信號(hào)變換的關(guān)鍵元件。和傳統(tǒng)的p2i2n二極管開關(guān)及FET開關(guān)相比，現(xiàn)在的RFMEMS開關(guān)具有優(yōu)越的微波特性和固有的重量輕、尺寸小、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。隨著MEMS制作技術(shù)和工藝?yán)碚摰陌l(fā)展，在克服MEMS開關(guān)工作壽命短、開關(guān)速率低等缺點(diǎn)后，RFMEMS開關(guān)必將在微波系統(tǒng)中取得更大的發(fā)展。目前，RFMEMS開關(guān)已經(jīng)用于部分微波系統(tǒng)的前端電路、數(shù)字電容器組和移相網(wǎng)絡(luò) 。

4.4 微波電路的集總元件化

微帶電路的另一個(gè)趨勢(shì)是采用集總元件。過去，由于集總元件尺寸可與微波波長相比擬，所以不能用于微波頻率。隨著光刻和薄膜技術(shù)的發(fā)展，集總元件（電容器、電感器等）的尺寸大大減小，從而一直可以用到J波段。將介質(zhì)襯底上的集總元件與芯片形式的半導(dǎo)體器件裝在一起，對(duì)于微波集成電路來說，是一種全新的方法。除了減小尺寸以外，集總元件的另一個(gè)有點(diǎn)是：低頻電路中一些十分有用的技術(shù)和最優(yōu)化技術(shù)，現(xiàn)在可以直接用于微波領(lǐng)域。

4.5 微波電路的二維平面化

除了集總元件和一維傳輸線元件外，還有人提出了用于微波電路的二維平面元件。這類元件可與帶狀線、微帶線兼容，這就為微波電路的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常有用的可選方案。

目前，實(shí)現(xiàn)二維平面電路主要有三元件結(jié)構(gòu)、開放式結(jié)構(gòu)、腔體結(jié)構(gòu)三個(gè)方式。與條狀線電路相比，它具有自由度大、輸入電阻低等優(yōu)點(diǎn)；同波導(dǎo)電路相比，它更加容易分析和設(shè)計(jì)，借助于高速計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，它可以根據(jù)要求對(duì)任意形狀的平面電路進(jìn)行分析，從而大大提高了工作效率。相信，在不久的將來，它的應(yīng)用必將越來越廣泛。

4.6 新一代的MIC

新一代的MIC可能是半導(dǎo)體襯底上的單片微波集成電路，所用的半導(dǎo)體襯底有高電阻率硅、高電阻率砷化鎵以及帶有二氧化硅層的低電阻率硅。它的技術(shù)難點(diǎn)有兩個(gè)，首先是其中用到的各種微波半導(dǎo)體器件還沒有通用的制造方法，其次是無源分布元件（傳輸線段）需要大面積的襯底。然而，近年來的趨勢(shì)表明，砷化鎵工藝是微波單片集成電路的關(guān)鍵所在。在千兆赫帶寬的模擬放大器和千兆位速率的數(shù)字集成電路中，砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）會(huì)占有支配地位。無論是混合的還是單片的微波集成電路，其優(yōu)點(diǎn)與低頻集成電路基本相同，即系統(tǒng)可靠性能高、體積和重量減小。在需要大量標(biāo)準(zhǔn)化元件的場(chǎng)合，最終導(dǎo)致成本下降。像低頻集成電路一樣，MIC在擴(kuò)充現(xiàn)有市場(chǎng)和開拓許多新用途方面，包括大批民用項(xiàng)目在內(nèi)，都有很大的潛力。

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)闡述了微波電路的由來，以及對(duì)現(xiàn)狀的總結(jié)和前沿技術(shù)的介紹。上世紀(jì)四十年代微波電路的興起，到六十年代微帶電路的出現(xiàn)，微波電路以一種前所未有的速度向前發(fā)展，隨著各種集成電路的流行，微波電路的發(fā)展勢(shì)必將會(huì)有一個(gè)美好的前景。