目前已报道的毫米波集成收发机介绍

基于Ⅲ-Ⅴ技术的毫米波集成收发机
早在 1991 年就演示了一个全功能化的采用GaAs PHEMT 技术(高电子迁移率晶体管)制作的40GHz FM-CW 雷达集成收发机。这个收发机芯片代表着毫米波MMIC 收发机的首次高层次集成，芯片尺寸相当大(4.35mm×7mm)。随后，又报道了工作在35，44，60，77 和94GHz 的用于传感器，智能武器，卫星通信，辐射计和其它应用的GaAs 或InP HEMT 集成收发机。具有比传统赝晶HEMP(mHEMT)性能更好的改性HEMT（pHEMT）同样是很重要的基于III-V 技术的MMIC 器件。还报道了采用mHEMT 制成的60 GHz 发射机和接收机芯片，以及一台77-GHz 收发机的MMIC 芯片。还展示了0.1-μm GaAs mHEMT 技术制成的带有集成天线的220-GHz 单芯片接收机。通过这些工作可以很明显地看出在GaAsHEMT 集成收发机中不断增加复杂的电路功能和紧凑的芯片布局还是有可能的。

为了进一步减小电路面积，人们已经建议使用GaAs 来生成三维（3-D）MMIC。一个典型的例子是在0.15-μmGaAs PHEMT 工艺中所实现的60-GHz 全集成收发机MMIC。图2 示出了这个技术（3-D）的截面图，它是由2.5-μm 厚的聚酰亚胺薄膜，1-μm厚的金属层和2-μm 厚的金属顶层等四层材料所组成的。这个（3-D）互连技术有着若干优点，包括窄的线宽和间距，无源器件的可堆叠性，以及无源器件和基片之间好的隔离度。值得注意的是这个技术与大多数先进的用于VLSI 互连的（CMOS/BiCMOS）硅基工艺的特性相类似，在VLSI 中是将多层介电层和放在体硅衬底之上的金属层相组合的。发射和接收机芯片分别具有1.7×1.7mm2 和2.1×2.4 mm2 这样微小的尺寸，发射机具有10-dBm 的输出功率，和33-dB 的转换增益，对于接收机来说，在57 到60GHz 之间具有6-dB 的躁声系数。遗憾的是，这个技术从未被商业化的GaAs 生产厂家来实施，主要原因是市场需求量有限，因此，只是停留于研究课题本身。

SiGe HBT 毫米波收发机
近来，已经展示了若干基于SiGe HBT 和BiC-MOS 技术基础上的毫米波集成收发机。演示了采用0.13-μm SiGe BiCMOS 技术的基于超外差结构的集成发射机和接收机芯片。接收机芯片和发射机芯片的尺寸分别是3.4×1.7 和4×1.6 mm2。接收机的转换增益为38 到40dB，躁声系数为5 到6.7 dB，而发射机的转换增益为34 到37 dB，饱和输出功率为16 到17dBm。SiGe 技术已被证明可以用在较高频率的应用之中，例如77GHz 或更高频率。人们已经演示了两个用于汽车雷达的77-GHzSiGe 接收机芯片。此外，还推出了分别在80 GHz 和160 GHz 同时发射和接收的双频段毫米波成像收发机。所达到的差分式下变频增益在70 到94GHz 及150 到170GHz 频段上分别为-20.5 dB 和-23.5 dB。

CMOS 毫米波收发机
虽然 SiGe 技术在毫米波应用中显示出很好的射频性能，但CMOS 技术由于具有将基带电路集成进来的潜力，仍然是最吸引人的解决方案。这个事实推动了越来越多的涉及CMOS 射频电路设计的研究。在过去的三年中，人们已经报道了大量的CMOS 毫米波单芯片发射和接收机。已经报道了采用0.13-μm CMOS 技术制作的具有11.8-dB 转换增益和10.4-dB 躁声系数[13]的60-GHz 接收机以及一个具有23.5-dB 转换增益，10.5-dB 躁声系数的差分式接收机。有文献报道了基于90-nm CMOS 技术的具有躁声系数为6.1dB 到6.35dB，以及5.7dB 到8.8dB 的60-GHz 接收机。一个65-nm CMOS 接收机展示出12.5dB的峰值增益，具有21GHz（75 到96GHz）的3dB 带宽。已经展示了世界上首台采用0.13-μm 体效应CMOS 技术制作的60-GHz 的千兆软件收发机。该收发机具有成本低，复杂性低，直流功耗低以及大带宽和结构可重构性的特性。显示出了芯片尺寸为1.65×1.5 mm2 的60-GHz 六端口接收机芯片的方框图和照片。这个接收机成功地演示了在60-GHz 下采用BPSK调制的具有4-Gb/s 数据传输速率所进行的千兆传输。由台湾国立大学所报道的60-GHz CMOS 接收机是我们多年开发研究CMOS IC 的成果（更多信息请见“CMOSIC 的开发”。）。近来，已演示了采用65-nm CMOS 技术所制作的具有在片天线的140- GHz 接收机。

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