1 引言

上世紀六十年代，特別是到了七十年代，由于微波半導體電路的飛速發(fā)展，微波在無線電技術領域中占有越來越重要的地位。目前，它已廣泛地應用于微波中繼通信、衛(wèi)星通信、雷達、制導、電子測量儀器及各種飛行器的電子設備中，因此從事無線電和電子技術的理論和工程技術人員在科研和生產(chǎn)實際中，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“波導電路”的同義詞，早在上世紀三十年代初期，人們就認識到對于微波頻率來說，波導是一種很有用的傳輸結構，當然，這些應當提及貝爾實驗室的Southworth等人的工作。研究者們很早就發(fā)現(xiàn)經(jīng)過適當修改后的一小節(jié)波導，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?，F(xiàn)代波導電路發(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傳輸線，并能在接收端有效地回收，這就對相應的發(fā)射機原件和接收機原件提出了更高的要求。因此，它導致了行波檢測器、波長計、終端負載等元件的出現(xiàn)。然而，當年所用的微波技術水平是很落后的，當時的微波實驗常常利用光學試驗臺進行，國際無線電工程（IRE）會刊在其五十周年紀念專集中發(fā)表了一篇回顧微波技術發(fā)展歷史的文章，其中就有幾幅當年所用設備的照片。

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

微波電路的基本特點之一是通過波導內部的螺釘、膜片（以致壓縮尺寸）憑經(jīng)驗對其特性進行調整或調諧。起初，這僅是一種試湊方法，后來發(fā)展成所謂“波導管工程”。在很長時間內，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四十年代應用的立體微波電路，它是由波導傳輸線、波導元件、諧振腔和微波電子管組成的。到了二十世紀六十年代，便出現(xiàn)了以半導體器件以及薄膜淀積技術、光刻技術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，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，即波導和TEM模同軸線。波導的特點是功率高、損耗小。后一特點導致了高Q諧振腔的出現(xiàn)。同軸線則由于不存在色散效應，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計過程。這兩種傳輸結構發(fā)展成為重要的微波電路元件，兩者配合使用，可以達到意想不到的效果。

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

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，在軍事應用（包括智能武器、雷達、通信和電子戰(zhàn)等方面）的推動下，MMIC的發(fā)展十分迅速。正是由于GaAs技術的問世與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，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前端和整個收發(fā)系統(tǒng)。單片微波集成電路在固態(tài)相控陣雷達、電子對抗設備、戰(zhàn)術導彈、電視衛(wèi)星接收、微波通信和超高速計算機、大容量信息處理方面有廣泛的應用前景。

隨著MMIC技術的進一步提高和多層集成電路工藝的進步，利用多層基片內實現(xiàn)幾乎所有的無源器件和芯片互聯(lián)網(wǎng)絡的三維多層微波結構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

近年來，隨著微波技術的發(fā)展，微波電路在很多技術方面也有了長足的進步，微波電路近年來的主要發(fā)展趨勢是：

4.1 微波電路的互聯(lián)與制造技術

使用頻率1 GHz 以上的微波技術與微波電路互聯(lián)與制造技術，發(fā)展迅速，應用廣泛。在雷達、導航和通訊設備等現(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“主動脈”。因此，微波電路及其互聯(lián)與制造技術是信息化系統(tǒng)與軍事電子裝備研制、生產(chǎn)中的一項重大關鍵技術。微波電路互聯(lián)與制造技術包括：微波電路基板材料與制造技術、微波電路設計與制造技術、微波器件或組件的封裝和組裝技術、微波組件或系統(tǒng)的互連與調試技術等內容。它涉及微電子學、材料科學、計算機應用技術、電子機械工程等諸多學科；是一項多學科交叉、綜合性科學技術。具有科技含量高，技術難度大，發(fā)展速度快，在信息系統(tǒng)與軍事電子裝備中應用面寬、作用大等特點。

隨著微電子技術、元器件技術、材料科學、計算機輔助設計與制造等科學技術的快速進步，微波電路互聯(lián)與制造新工藝、新技術也在不斷涌現(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、微波電路的微機電系統(tǒng)(MEMS) 的互聯(lián)與制造技術，新型樹脂微波PCB技術、新型微波電路防護涂層技術，以及應用于微波電路設計的三維電路仿真技術、基于智能方法的微波電路CAD與優(yōu)化技術等等 。

4.2 微波電路的光子帶隙結構

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

子晶體就是一種介質在另一種介質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。光子晶體的獨特特性，最初應用于光學領域，后來迅速擴展到其它領域，現(xiàn)在在微波頻段也有研究和應用。目前國內外提出了多種微波光子帶隙結構，最初的微波光子帶隙結構是由三維介質周期排列構成，由于三維結構加工制作及分析都很復雜，微波光子帶隙結構的研究和制作就集中在了平面結構上。平面光子帶隙結構的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的設計方法，為設計高性能、高集成度的電路提供了新的途徑，帶來了微波集成電路設計思想的一次革命。因為一維和二維的平面帶隙結構形式靈活，易于實現(xiàn)且便于集成，因而在微波電路中得到了廣泛的應用，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

根據(jù)MEMS的最新定義，它是將電氣元件和機械元件結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，后者是三維技術。目前廣泛使用的MEMS制作技術有： 體微加工技術、表面微加工技術、鍵合微加工技術和LIGA技術(光刻電鑄成型技術)。

開關是微波信號變換的關鍵元件。和傳統(tǒng)的p2i2n二極管開關及FET開關相比，現(xiàn)在的RFMEMS開關具有優(yōu)越的微波特性和固有的重量輕、尺寸小、低功耗等優(yōu)點。隨著MEMS制作技術和工藝理論的發(fā)展，在克服MEMS開關工作壽命短、開關速率低等缺點后，RFMEMS開關必將在微波系統(tǒng)中取得更大的發(fā)展。目前，RFMEMS開關已經(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 。

4.4 微波電路的集總元件化

微帶電路的另一個趨勢是采用集總元件。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。將介質襯底上的集總元件與芯片形式的半導體器件裝在一起，對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，集總元件的另一個有點是：低頻電路中一些十分有用的技術和最優(yōu)化技術，現(xiàn)在可以直接用于微波領域。

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計提供了一個非常有用的可選方案。

目前，實現(xiàn)二維平面電路主要有三元件結構、開放式結構、腔體結構三個方式。與條狀線電路相比，它具有自由度大、輸入電阻低等優(yōu)點；同波導電路相比，它更加容易分析和設計，借助于高速計算機強大的運算能力，它可以根據(jù)要求對任意形狀的平面電路進行分析，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可能是半導體襯底上的單片微波集成電路，所用的半導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。它的技術難點有兩個，首先是其中用到的各種微波半導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，近年來的趨勢表明，砷化鎵工藝是微波單片集成電路的關鍵所在。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-半導體場效應晶體管（MESFET）會占有支配地位。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。在需要大量標準化元件的場合，最終導致成本下降。像低頻集成電路一樣，MIC在擴充現(xiàn)有市場和開拓許多新用途方面，包括大批民用項目在內，都有很大的潛力。

5 結論

本文重點闡述了微波電路的由來，以及對現(xiàn)狀的總結和前沿技術的介紹。上世紀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)展勢必將會有一個美好的前景。