微波集成電路（簡體書）

本書主要內容包括：傳輸線，不連續性，基本電路單元，無源電路，有源電路，微波混合集成電路，微波單片集成電路和三維立體集成電路（MCM）。為此，本教材圍繞微波集成電路傳輸線結構，基本無源電路單元，有源電路，混合集成電路，單片集成電路和三維立體集成電路，對相應的技術特點，分析方法，實現工藝和相關應用等。

謝小強，男，電子科技大學教授，長期從事微波毫米波集成電路、微波與毫米波電路與系統的教學和科研工作，獲多項省部級科研獎項，教學、科研和寫作經驗豐富。

前 言
集成電路已經在各行各業中發揮著非常重要的作用，可以說電路集成技術是現代信息社會發展的基石。作為集成電路的重要組成部分，始於20世紀50年代的微波集成電路已在航天航空、雷達、導航、制導、通信、測量、氣象探測、工業檢測、智能交通、機場異物檢測等軍事和民用等領域獲得了廣泛的應用。在這些微波無線應用系統中，微波信號通常作為信息和能量的載體，系統中的微波電路部分往往位於系統前端，用於處理這些微波信號。因此，微波電路對微波信號處理的技術水平就成為決定微波無線應用系統性能的關鍵因素。可以說，微波無線系統性能的決定因素在於高性能微波電路設計與實現。因此，隨著微波無線技術在民用領域的廣泛開展，對於相關領域的科學研究者、設計者和工程應用者來說，高性能、高集成度、高可靠性和低成本的微波電路集成技術顯得極其重要。
另外，隨著微波電路集成技術及應用需求的發展，新材料、新工藝和新技術逐步在微波集成電路領域的採用與推廣，微波集成電路在工作頻率、帶寬、信號質量、低噪聲性能、輸出功率能力、功能、功耗、小型化、可靠性和低成本等方面取得了革命性的進步，並促進了微波無線系統在靈敏度、作用半徑/距離、信息容量、反應速度、準確性和精度等系統性能上的顯著提高，拓展了系統功能和應用領域。反過來，系統需求與應用領域的擴展又進一步推動了現代微波電路集成技術在器件、電路、集成方式和集成規模等方面不斷地發展與革新。可以說，現代微波集成技術及其應用發展，彰顯了新一代信息技術正經歷的持續、快速的革命進程。
本書是電子科技大學規劃教材，是作者在微波集成電路科研和教學的基礎上逐年積累編寫而成的。在當前微波集成技術與系統應用背景下，為適應當前高等學校開展的課程體系與教學內容改革，及時反映微波集成電路教學基礎內容與最新研究成果，我們編寫了這本微波集成電路基礎教材。本書以培養基礎理論與基本方法為目標，緊跟現代微波電路集成新技術與新方法，從先進性和實用性出發，基礎教學內容與工程實現和應用並重，較全面地介紹了微波集成電路的概念和設計方法。
本書具有如下特色。
l 根據研究型教學理念，採用研究型學習的方法，即“提出問題―解決問題―歸納分析”的問題驅動方式，突出學生主動探究學習在整個教育教學中的地位和作用。
l 在內容及描述上，我們注重對概念和原理上的理解和描述。首先從集成電路概念出發，從實際工藝和實現方法入手，然後基於一定的工藝技術進行相應的集成電路設計，最後採用實際設計案例，加深對每一個概念的理解。
l 本書的基本思路是分兩步走。首先，以微波集成電路的組成為一條主線，圍繞這條主線介紹微波集成電路基礎知識、基本原理和功能特點，同時拓展知識面，介紹各種部件的原理和相關技術。其次，以材料和工藝技術為另一條主線，介紹混合集成電路、多芯片組件和單片集成電路的基本知識、基本原理和設計技術，並通過實例加深不同材料和工藝下設計方法的區別。上述兩條主線是一個有機的整體，是相輔相成的，其實質是理論知識與實踐應用、傳統集成工藝和新興集成技術完美結合的一條綜合知識中軸線。
l 本書注重將微波集成電路的最新發展適當地引入到教學中來，保持了教學內容的先進性。本書源于微波集成電路的科研和教學實踐，凝聚了工作在第一線的科研教師和任課教師多年的教學經驗與科研成果。
本書語言簡明扼要、通俗易懂，具有很強的專業性、技術性和實用性。通過學習本書，你可以：
l 瞭解微波集成電路的概念和應用背景；
l 掌握微波集成電路設計方法；
l 瞭解當前最先進的微波集成電路技術。
本書共分6章，參考學時為32～64學時。教學中，可根據教學對象和學時等具體情況對書中內容進行刪減和組合，也可以進行適當擴展。
本書可作為高等學校電磁場與微波技術、集成電路、通信、雷達等專業的基礎教材，也可供相關工程技術人員學習和參考。
本書第1章、第2章、4.1節和4.2節由謝小強副教授編寫，第3、6章由徐躍杭教授編寫，4.3～4.5節和第5章由夏雷研究員編寫。全書由謝小強副教授統稿。
本書的編寫參考了大量近年來出版的國內外相關技術資料，以及電子科技大學微波毫米波電路與系統教研室的研究成果，吸取了許多專家和同人的寶貴經驗，在此向他們深表謝意。
在本書的編寫過程中，本教研室趙翔、吳永倫、周睿、毛書漫，劉伶、肖瑋、董月紅等研究生，以及電子工業出版社王羽佳編輯為本書的攥寫和出版做了大量工作，在此一併表示感謝！
由於微波集成電路發展迅速，作者學識有限，書中誤漏之處難免，望廣大讀者批評指正。

編 者

目 錄

第1章 緒論 1
1.1 集成電路概述 1
1.2 微波頻率簡介 2
1.3 微波集成電路的發展和應用 4
1.3.1 微波集成電路的起源 5
1.3.2 微波混合集成電路 6
1.3.3 微波單片集成電路 7
習題 10
參考文獻 10
第2章 微波集成傳輸線 11
2.1 微波集成傳輸線概述 11
2.2 微波集成傳輸線分析方法 12
2.2.1 概述 12
2.2.2 傳輸線分佈參數元件的定義 14
2.2.3 微波集成傳輸線分佈參數等效
電路 17
2.2.4 微波集成傳輸線材料及特性 20
2.3 微帶線 24
2.3.1 概述 24
2.3.2 微帶線中的主模和高次模 25
2.3.3 微帶線的特性阻抗和相速 28
2.3.4 微帶線的損耗 38
2.3.5 微帶線的品質因數 45
2.3.6 微帶線的色散特性 47
2.4 其他類型的微波集成傳輸線 51
2.4.1 帶狀線 51
2.4.2 懸置微帶和倒置微帶 54
2.4.3 槽線 55
2.4.4 共面波導 56
2.4.5 鰭線 58
2.4.6 介質集成波導 59
習題 61
參考文獻 61
第3章 微波無源集成電路 62
3.1 概述 62
3.2 微帶集成電路中的不連續性 63
3.2.1 概述 63
3.2.2 微帶線的截斷端 64
3.2.3 微帶線的階梯跳變 66
3.2.4 微帶間隙 68
3.2.5 微帶線拐角 69
3.2.6 微帶線T接頭 71
3.2.7 微帶線十字接頭 71
3.2.8 微帶線實現集總元件 72
3.3 耦合微帶線定向耦合器 76
3.3.1 耦合微帶線 76
3.3.2 平行耦合微帶線定向耦合器 80
3.3.3 Lange耦合器 86
3.4 微帶線三端口功分器 86
3.4.1 概述 86
3.4.2 微帶Wilkinson功分器 88
3.5 微帶分支線電橋和微帶環形電橋 90
3.5.1 概述 90
3.5.2 微帶分支線電橋 90
3.5.3 微帶環形橋 92
3.6 微波集成濾波器 94
3.6.1 概述 94
3.6.2 低通原型濾波器及其轉換 95
3.6.3 微波濾波器的實現 106
3.6.4 小型化濾波器設計 114
習題 121
參考文獻 122
第4章 微波固態器件 123
4.1 半導體物理基礎 123
4.1.1 晶體的能帶結構和導電機理 123
4.1.2 半導體電磁場基本方程 126
4.2 微波固態器件基礎 128
4.2.1 微波半導體材料特性 128
4.2.2 PN結 129
4.2.3 金屬-半導體接觸 135
4.3 二極管 137
4.3.1 肖特基二極管 137
4.3.2 變容二極管 139
4.4 雙極晶體管 139
4.4.1 雙極晶體管 139
4.4.2 異質結雙極晶體管（HBT） 148
4.5 場效應晶體管（MESFET、HEMT、
PHEMT） 149
4.5.1 金屬半導體場效應晶體管
（MESFET） 149
4.5.2 異質結場效應晶體管
（HEMT、pHEMT） 155
習題 160
參考文獻 160
第5章 微波混合集成電路 161
5.1 概述 161
5.2 微帶混合集成晶體管放大器 161
5.2.1 微波晶體管放大器理論 162
5.2.2 微波晶體管放大器的設計 171
5.3 微波振盪器 182
5.3.1 微波振盪器基本原理 182
5.3.2 二極管振盪器 183
5.4 微波混頻器 186
5.4.2 單端混頻器 188
5.4.3 平衡混頻器 189
5.5 微波倍頻器 193
5.5.1 微波倍頻原理 193
5.5.2 二極管倍頻器 196
5.5.3 FET倍頻器 199
5.6 微帶混合集成技術 200
5.6.1 屏蔽盒體 200
5.6.2 轉換接頭 203
5.6.3 偏置電路 206
5.6.4 隔直（DC-block） 209
5.6.5 微波電路中固體器件的安裝 211
5.7 微波多芯片組件技術 218
5.7.1 概述 218
5.7.2 低溫共燒陶瓷多層集成電路技術
（LTCC） 219
5.7.3 微波LTCC電路 228
5.7.4 LTCC在微波毫米波系統中
的應用 233
習題 236
參考文獻 237
第6章 微波單片集成電路 239
6.1 概述 239
6.2 元部件技術 241
6.2.1無源元件 242
6.2.2 有源器件 247
6.2.3 MMIC設計流程 257
6.3 MMIC工藝 258
6.3.1 襯底材料生長和晶元生長 259
6.3.2 典型MMIC工藝步驟 262
6.4 MMIC電路設計實例 264
6.4.1 MMIC低噪聲放大器設計 264
6.4.2 四次諧波鏡像抑制混頻器MMIC
設計 278
6.5 版圖 288
6.6 MMIC測試 292
習題 295
參考文獻 295
部分習題參考答案 297