毫米波技術(shù)應(yīng)用及其進(jìn)展

毫米波技術(shù)應(yīng)用及其進(jìn)展
   [摘要] 介紹了毫米波技術(shù)在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、電子對(duì)抗和激光光譜學(xué)等方面的
應(yīng)用及相應(yīng)的毫米波元件和器件的進(jìn)展。
   關(guān)鍵詞：毫米波  系統(tǒng)  元件  器件
1引言
    毫米波的工作頻率介于微波和光之間，因此兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。它具有以下主要特
點(diǎn)：
    1）極寬的帶寬。通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。
超過(guò)從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四
個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5
倍。這在頻率資源緊張的今天無(wú)疑極具吸引力。
    2）波束窄。在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè)
12cm的天線，在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度，而94GHz時(shí)波速寬度僅1.8度。因此可以分
辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。
    3）與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性。
    4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。
    由于毫米波的這些特點(diǎn)，加上在電子對(duì)抗中擴(kuò)展頻段是取得成功的重要手段。毫
米波技術(shù)和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。
2毫米波技術(shù)的應(yīng)用
    表面上看來(lái)毫米波系統(tǒng)和微波系統(tǒng)的應(yīng)用范圍大致是一樣的。但實(shí)際上兩者的性
能有很大的差異，優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。因此毫米波系統(tǒng)經(jīng)常和微波系統(tǒng)一起組成性能互
補(bǔ)的系統(tǒng)。下面分述各種應(yīng)用的進(jìn)展情況。
2.1毫米波雷達(dá)
    毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是角分辨率高、頻帶寬因而有利于采用脈沖壓縮技術(shù)、多普勒
頗移大和系統(tǒng)的體積小。缺點(diǎn)是由于大氣吸收較大，當(dāng)需要大作用距離時(shí)所需的發(fā)射
功率及天線增益都比微波系統(tǒng)高。下面是一些典型的應(yīng)用實(shí)例。
2.1.1  空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)
    它們的特點(diǎn)是使用大型天線以得到成像所需的角分辨率和足夠高的天線增益，使
用大功率發(fā)射機(jī)以保證作用距離。例如一部工作于35GHz的空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)其天線
直徑達(dá)36m。用行波管提供10kw的發(fā)射功率，可以拍攝遠(yuǎn)在16，000km處的衛(wèi)星的照片。
一部工作于94GHz的空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)的天線直徑為13.5m。當(dāng)用回族管提供20kw的發(fā)
射功率時(shí)，可以對(duì)14400km遠(yuǎn)處的目標(biāo)進(jìn)行高分辨率攝像。
2.1.2汽車防撞雷達(dá)
    因其作用距離不需要很遠(yuǎn)，故發(fā)射機(jī)的輸出功率不需要很高，但要求有很高的距
離分辨率（達(dá)到米級(jí)），同時(shí)要能測(cè)速，且雷達(dá)的體積要盡可能小。所以采用以固態(tài)
振蕩器作為發(fā)射機(jī)的毫米波脈沖多普勒雷達(dá)。采用脈沖壓縮技術(shù)將脈寬壓縮到納秒級(jí)，
大大提高了距離分辨率。利用毫米波多普勒頗移大的特點(diǎn)得到精確的速度值。
2.1.3直升飛機(jī)防控雷達(dá)
    現(xiàn)代直升飛機(jī)的空難事故中，飛機(jī)與高壓架空電纜相撞造成的事故占了相當(dāng)高的
比率。因此直升飛機(jī)防控雷達(dá)必須能發(fā)現(xiàn)線徑較細(xì)的高壓架空電纜，需要采用分辨率
較高的短波長(zhǎng)雷達(dá)，實(shí)際多用3mm雷達(dá)。
2.1.4精密跟蹤雷達(dá)
    實(shí)際的精密跟蹤雷達(dá)多是雙頻系統(tǒng)，即一部雷達(dá)可同時(shí)工作于微波頻段（作用距
離遠(yuǎn)而跟蹤精度較差）和毫米波頻段（跟蹤精度高而作用距離較短），兩者互補(bǔ)取得
較好的效果。例如美國(guó)海軍研制的雙頻精密跟蹤雷達(dá)即有一部9GHz、300kw的發(fā)射機(jī)和
一部35GHz、13kw的發(fā)射機(jī)及相應(yīng)的接收系統(tǒng)，共用2.4m拋物面天線，已成功地跟蹤了
距水面30m高的目標(biāo)，作用距離可達(dá)27km。雙額還帶來(lái)了一個(gè)附加的好處：毫米波頻率
可作為隱蔽頻率使用，提高雷達(dá)的抗干擾能力。
2.1.5炮彈彈道測(cè)量雷達(dá)
    這類雷達(dá)的用途是精確測(cè)定敵方炮彈的軌跡，從而推算出敵方炮兵陣地的位置，
加以摧毀。多用3mm波段的雷達(dá)，發(fā)射機(jī)的平均輸出功率在20W左右。脈沖輸出功率應(yīng)
盡可能高一些，以減輕信號(hào)處理的壓力。
2.2導(dǎo)彈的末制導(dǎo)系統(tǒng)
    由于毫米波制導(dǎo)兼有微波制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于毫米波天線的旁瓣可
以做得很低，敵方難于截獲，增加了集團(tuán)干擾的難度。加之毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)受導(dǎo)彈飛
行中形成的等離子體的影響較小，國(guó)外許多導(dǎo)彈的未制導(dǎo)采用了毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)。例
如美國(guó)的“黃蜂”、“灰背隼”、“STAFF’，英國(guó)的“長(zhǎng)劍”，前蘇聯(lián)的“SA－10”
等導(dǎo)彈都是。毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)最初有兩種工作方式：一是主動(dòng)方式，這種方式作用距
離遠(yuǎn)，但由于角閃爍效應(yīng)及其它一些造成指向擺動(dòng)的因素會(huì)影響制導(dǎo)精度。二是被動(dòng)
方式，這時(shí)沒(méi)有角閃爍效應(yīng)，制導(dǎo)精度很高，但作用距離有限。為此經(jīng)常將兩者結(jié)合
起來(lái)使用。即在距離較遠(yuǎn)處采用主動(dòng)方式，當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)轉(zhuǎn)為被動(dòng)方式。在80年代以
后，又發(fā)展了一種“半主動(dòng)”體制，即在導(dǎo)彈的引導(dǎo)頭中沒(méi)有毫米波發(fā)射機(jī)，只有接
收機(jī)。發(fā)射機(jī)裝在另外的武器平臺(tái)上，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射。引導(dǎo)頭接收從目標(biāo)反射回來(lái)
的信號(hào)進(jìn)行制導(dǎo)。也能既保證作用距離又避免角閃爍效應(yīng)。還因?yàn)榘l(fā)射機(jī)和導(dǎo)彈不在
一起，提高了抗干擾能力。
2.3毫米波電子對(duì)抗
    由于毫米波雷達(dá)和制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展，相應(yīng)的電子對(duì)抗手段也發(fā)展起來(lái)了。據(jù)報(bào)道
美國(guó)的電子對(duì)抗設(shè)備中偵察部分110GHz以下已實(shí)用化，正在向300GHz發(fā)展。干擾部分
40GHz以下已實(shí)用化，正在向110GHz發(fā)展。由于毫米波雷達(dá)和制導(dǎo)系統(tǒng)的波束很窄，
天線的旁瓣可以做得很低，使偵察和有源干擾都比較困難。因此無(wú)源干擾在毫米波段
有較大的發(fā)展。目前最常用的是投放非諧振的毫米波箔片和氣溶膠，對(duì)敵方毫米波雷
達(dá)波束進(jìn)行散射。它可以干擾較寬的頻段而不必事先精確測(cè)定敵方雷達(dá)的頻率。也可
以利用爆炸、熱電離或放射性元素產(chǎn)生等離子體對(duì)毫米波進(jìn)行吸收和散射以干擾敵方
雷達(dá)。在毫米波段也可以利用隱身技術(shù)。對(duì)付有源毫米波雷達(dá)時(shí)，和在微波波段一樣
可以采用減小雷達(dá)截面的外形設(shè)計(jì)，或者在表面涂敷鐵氧體等毫米波吸收材料以減小
反射波的強(qiáng)度。對(duì)于通過(guò)檢測(cè)金屬目標(biāo)的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來(lái)跟蹤
目標(biāo)的無(wú)源雷達(dá)，則要在目標(biāo)表面涂敷毫米波輻射較強(qiáng)的偽裝物，使其輻射和背景輻
射基本相等從而使目標(biāo)融合于背景中。
2.4毫米波通信系統(tǒng)
    毫米波通信系統(tǒng)可以分為地球上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和通過(guò)衛(wèi)星的通信或廣播�，F(xiàn)在地
球上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波通信基本上只用于對(duì)保密要求較高的接力通信中。因?yàn)榈孛嫔系?br />干線通信基本上已實(shí)現(xiàn)了光纜化。而在衛(wèi)星通信中則由于毫米波段頻率資源豐富而得
到了迅速發(fā)展。
    但在星際通信時(shí)則使用了5mm（60GHz）波段，因?yàn)樵诖祟l率處大氣損耗極大，地
面無(wú)法對(duì)星際通信內(nèi)容進(jìn)行偵聽(tīng)。而在星際由于大氣極為稀薄，不會(huì)造成信號(hào)的衰落。
美國(guó)的“戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”就是一個(gè)例子。該系統(tǒng)由五顆衛(wèi)星組成，上行
頻率為44GHz，下行頻率為20GHz，帶寬為2GHz，星際通信頻率為60GHz。
2.5在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用
    為進(jìn)行光譜測(cè)量，在早期的激光光譜儀中常用微波對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制以得到頻率的
連續(xù)變化。但相對(duì)于光的頻率而言，微波調(diào)制所能得到的頻率變化范圍是太窄了。在
毫米波技術(shù)成熟以后，由于用它對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制可以得到寬得多的頻率變化范圍，自
然就取代微波而被用于激光光譜儀中去了。
3毫米波技術(shù)基礎(chǔ)研究的進(jìn)展
    毫米波技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展是建立在毫米波元器件發(fā)展的基礎(chǔ)上的。應(yīng)用的需要又反
過(guò)來(lái)推動(dòng)了元器件的發(fā)展。同時(shí)材料、工藝和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展也為元器件的發(fā)
展創(chuàng)造了條件。這里介紹部分元器件的發(fā)展情況。
3.1半導(dǎo)體器件
    在毫米波系統(tǒng)中應(yīng)用的半導(dǎo)體器件有混頻器、低噪聲放大器、倍頻器、功率放大
器及振蕩器等。在40GHz（有些器件可達(dá)60GHz）以下，這些器件已有批量生產(chǎn)的商品
可供選用。
3.1.1混頻器
  現(xiàn)在混頻器已可工作到1000GHz。例如日本報(bào)道了一種工作于200GHz的SIS混頻器，
在4K的工作溫度下在204GHz處噪聲溫度為150K。而荷蘭則報(bào)道了能工作在1000GHz的
SIS混頻器，它在4K的工作溫度下，在950～1050GHz范圍內(nèi)，噪聲溫度在1000～2000K
之間。
3.1.2 低噪聲放大器
    在實(shí)驗(yàn)室里可做出性能更好的放大器。例如在60GHz頻段可做到增益大于9dB、噪
聲系數(shù)小于O.8dB；而在95GHZ頻段可做到增益大于8.2dB、噪聲系數(shù)小于1.3dB。
3.1.3集成接收前端
    集成接收前端是將低噪聲放大器、混頻器和本振（有的還包括前置中放）做在一
塊集成電路上。8mm波段已有商品。例如有一種產(chǎn)品可工作在26～40GHz，中頻輸出為
2～16GHz，噪聲系數(shù)3.5dB，增益高達(dá)42dB，射頻一本振隔離可達(dá)45dB。另外還有報(bào)
道可工作到100GHz的接收前端，中頻輸出頻率在L波段。當(dāng)工作在4K的條件下時(shí)，在
95GHz處噪聲溫度為20K。在邊頻（80和120GHz）處噪聲溫度為80K。
3.1.4功率放大器
    半導(dǎo)體功率放大器現(xiàn)在的水平大致為在40GHz以下時(shí)輸出的平均功率為500mw（脈
沖功率可達(dá)1W），增益20dB；在60GHz時(shí)輸出功率約500mw，增益降至14dB；在94GHz
時(shí)輸出功率為60mW增益約4dB。在目前情況下若不采用功率合成技術(shù)，毫米波半導(dǎo)體
功率放大器的輸出功率只能在瓦級(jí)。但這并不妨礙它得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樵S多用
量很大的應(yīng)用例如汽車防撞雷達(dá)、本振和儀器等有瓦級(jí)的功率已經(jīng)足夠了。
3.2真空器件
    真空器件在需要高頻大功率的場(chǎng)合可發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。真空器件可以分為傳統(tǒng)器件和
相對(duì)論器件兩大類。
3.2.1互傳統(tǒng)器件
    返波管是最早用來(lái)產(chǎn)生毫米波振蕩的器件。目前多用在500GHz以下產(chǎn)生5～50mw
的輸出功率。但也有輸出更大功率的，例如法國(guó)的TH4237就可在75～110GHz范圍里
產(chǎn)生11W的輸出功率。返波管還是目前工作頻率最高的器件，美國(guó)猶他州大學(xué)研制了
一個(gè)工作在600～1800GHz頻段可輸出1mW功率的近波管。實(shí)際已工作在亞毫米波段的
高端了（從O.5mm到0.17mm）。
    磁控管是大功率振蕩器，早期的毫米波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)基本上都是用磁控管制成
的，即使現(xiàn)在磁控管還是廣泛應(yīng)用在要求不太高的雷達(dá)中。普通脈沖磁控管的峰值
輸出功率在35GHz可達(dá)125kw，在70GHz時(shí)約10kw，95GHz時(shí)約8kw。但占空比較小，
在千分之一左右。同軸磁控管的脈沖輸出功率與普通脈沖磁控管差不多，但占空比
可達(dá)到10％以上，因此平均功率較普通磁控管高近百倍，大大提高了雷達(dá)的作用距
離。為了提高雷達(dá)的抗干擾能力，和在微波波段一樣制成了電調(diào)諧的捷變頻磁控管。
但由于磁控管的頻率穩(wěn)定度較低，無(wú)法做成相參雷達(dá)。在毫米波行波管發(fā)展起來(lái)以
后，許多要求高的雷達(dá)紛紛采用性能更好的行波管放大鏈做雷達(dá)發(fā)射機(jī)了。
    行波管不僅用于雷達(dá)中，還大量用于電子對(duì)抗和激光光譜儀中。在微波波段中
普遍使用的螺旋線行波管由于工作電壓的限制，只能做到8mm波段。目前已知功率最
大的是湯姆遜公司的27.5～30GHz輸出200W的行波管，增益為55dB。工作在高頻端的
代表是休斯公司的工作在41～45GHz輸出功率為80W的行波管。倍頻程大功率管的代
表則是諾斯洛普公司的20～40GHz輸出功率為100W的行波管，其增益為40dB。雷聲公
司研制了工作于42GHz輸出功率為160W的行波管，是已知的在8mm波段高頻端連續(xù)波
輸出功率最大的行波管，但增益只有24dB。此外休斯公司還研制了一批脈沖工作的
螺旋線行波管，但脈沖輸出功率也只在100～200W之間。在毫米波段沒(méi)有輸出功率
從幾十毫瓦到見(jiàn)瓦的寬帶螺旋線行波管，這是因?yàn)樵诤撩撞ǘ�，這類行波管的效率
太低，而工作電壓又太高的緣故。
    耦合腔行波管（包括其變形梯形線行波管）則工作頻率和輸出功率都可以高得
多。8mm波段大功率的代表是VTAS700，工作在34.5～35.5GHz時(shí)脈沖輸出功率可達(dá)
30kW。大平均功率的代表則是YH1048，在28～30GHz范圍內(nèi)可輸出1kw的平均功率。
VTW5795則是3mm波段大脈沖功率行波管的典型，它能在95～96GHz范圍輸出8kw的脈
沖功率。而985H則可在84～86GHz的頻帶里輸出200W的平均功率，增益可達(dá)47dB。
    分布互作用放大器和振蕩器（EIA和EIO）。EIA是一種大功率的毫米波放大器，
其中有一種工作頻率在高達(dá)220GHz時(shí)仍可有60W的峰值功率輸出（平均功率0.5W）；
另一種則在95GHz處有2.8kw的峰值功率輸出（平均功率100W），增益38dB，但帶
寬只有400MHz。EIO則是一種大功率振蕩器。瓦里安公司研制了一系列的EIO，從
30GHz直到300GHz，機(jī)械調(diào)諧帶寬為2％～4％。在30～40GHz時(shí)輸出功率可達(dá)1kw。
頻率升高時(shí)輸出功率將下降。
    近年繼微波功率模塊之后又研制成了毫米波功率模塊（MMPM），即將小型化
行波管、前置固態(tài)放大器、增益均衡器、調(diào)制器和高壓電源都集成在一起。它的
體積很小，可以滿足相控陣系統(tǒng)的需要。使用也很方便，只要接上電源，送人毫
米波信號(hào)，模塊就可以工作了。例如諾斯洛普公司研制的一種MMPM工作在18～40
GHz頻段、輸出功率100W、飽和增益50dB、小信號(hào)增益56dB長(zhǎng)200mm、寬90mm、厚
20mm、重0.6kg。
3.2.2相對(duì)論器件
    相對(duì)論器件是回族管、虛陰極振蕩器、契倫可夫發(fā)生器等的總稱。本文只討
論現(xiàn)在用得較多的回旋管。由于它是快波器件，不受傳統(tǒng)微波器件中電子與波互
作用空間的線尺寸和頻率成反比規(guī)律的限制，在毫米波段其尺寸比傳統(tǒng)器件大得
多，輸出功率也大得多，且與頻率的關(guān)系較小。例如瓦里安公司研制了一套毫米
波回旋管，覆蓋了28～70GHz各頻段，輸出功率均在200kW左右，注電壓均為80kV，
注電流均為8A。這些管子都可以工作在連續(xù)波狀態(tài)，如果只工作在脈沖狀態(tài)輸出
功率還可以大得多。例如用在極軌雷達(dá)發(fā)射機(jī)中的35GHz脈沖回旋行波管輸出功
率400kW、增益50dB、效率35％。相對(duì)論器件的缺點(diǎn)是工作電壓高（至少40kV），
還要很強(qiáng)的磁場(chǎng)且對(duì)磁場(chǎng)的分布有很嚴(yán)格的要求。目前還只能用電磁鐵來(lái)提供所
需的磁場(chǎng)。這給使用帶來(lái)了很大的困難�，F(xiàn)在許多國(guó)家都在研制包裝式回旋管
（即用永磁體提供磁場(chǎng)的回旋管），但還未見(jiàn)試驗(yàn)成功的報(bào)告。
3.3毫米波元件
    雖然許多微波元件經(jīng)過(guò)縮小尺寸以后可以工作在毫米波段，實(shí)際上在毫米波
段也確實(shí)用了不少這類元件。但在實(shí)際工作中隨著頻率上升，波導(dǎo)的尺寸越縮越
小，功率容量大大下降。8mm波段的波導(dǎo)還能傳輸50kw的功率，到3mm波段就只能
傳送不到20kw的功率了。遠(yuǎn)小于回族管200kw的輸出功率。同時(shí)損耗也隨頻率很
上升，在8mm波段約為0.6dB／m，3mm波段就上升到了4dB／m，到1mm波段達(dá)到了
14dB／m。因此人們一直在尋找適合毫米波使用的新型元件�，F(xiàn)在比較成熟的有
槽波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)兩種。前者體積較大，適合于3mm波段和更高頻率使用。在俄
羅斯已有成套的槽波導(dǎo)元件和槽波導(dǎo)可供選用。后者則有多種形式。目前用得最
多的是鏡像介質(zhì)波導(dǎo)和絕緣鏡像介質(zhì)波導(dǎo)�，F(xiàn)在已可利用介質(zhì)波導(dǎo)制成定向耦合
器、諧振器、濾波器、移相器、混頻器和振蕩器等元件。可以把它們集成在一起
做成毫米波接收前端、表面波天線和表面波天線陣等毫米波集成電路。目前這些
集成電路已可工作到3mm波段，并在向更高的波段發(fā)展。
    在毫米波中為了解決用常規(guī)波導(dǎo)制成的諧振腔的Q值低的問(wèn)題，發(fā)展了一種
由兩個(gè)反射面（往往一個(gè)為拋物面，一個(gè)為平面。也可以兩個(gè)都是拋物面）所構(gòu)
成的準(zhǔn)光腔。其Q值可做到幾千甚至超過(guò)一萬(wàn)。但在8mm波段時(shí)體積稍大了一些。
4結(jié)束語(yǔ)
    毫米波技術(shù)是一門正在發(fā)展中的學(xué)科。發(fā)展毫米波技術(shù)對(duì)鞏固國(guó)防和發(fā)展國(guó)
民經(jīng)濟(jì)都有重大意義。眾所周知，要在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中立于不敗之地，取得制電磁權(quán)
是極其重要的。而具有毫米波對(duì)抗能力則是取得制電磁極的一個(gè)重要方面。從發(fā)
展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的角度看，現(xiàn)在已進(jìn)入信息社會(huì)時(shí)代，僅從毫米波的大信息容量這
一點(diǎn)就可見(jiàn)其重要性，更何況毫米波技術(shù)在汽車和直升飛機(jī)的自動(dòng)駕駛、遙感技
術(shù)、激光光譜技術(shù)和射電天文學(xué)等領(lǐng)域都是不可或缺的。因此我們必需抓緊發(fā)展
毫米波技術(shù)。
    毫米波技術(shù)的發(fā)展需要兩個(gè)基礎(chǔ)。一是理論的發(fā)展，在毫米波段無(wú)論是系統(tǒng)
的構(gòu)成還是元器件的設(shè)計(jì)制造都出現(xiàn)了許多新概念和新思想，需要進(jìn)行理論研究，
給出新的設(shè)計(jì)方法。二是材料科學(xué)的發(fā)展，毫米波元器件的發(fā)展需要更好的材料
的支持。例如半導(dǎo)體器件需要更好的MBE材料，旋磁器件需要在毫米波段損耗小
的旋磁材料，真空器件需要磁能積更高的磁性材料等。限于篇幅，本文對(duì)這兩項(xiàng)
均未能進(jìn)行討論，同時(shí)毫米波技術(shù)是一門涉及面很廣，發(fā)展很快的學(xué)科。而作者
知識(shí)面有限，本文僅能介紹其中一些方面的進(jìn)展情況，起拋磚引玉之作用。