石墨烯微波毫米波器件在國防航空領域有什么樣的應用

　　從上世紀80年代初起，美國國防部尖端技術研究規劃署（DARPA）、國家航空和宇航局（NASA）一直重點進行毫米波固態器件和電路的研究，已經取得了令人矚目的成果，已應用于新型武器裝備上，如下表所示。毫米波段武器應用舉例對于硅器件，其工作頻率最多達到GHz范圍，而W波段或更高頻率的MMIC所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAsMHEMT。其中國際上最新報道的InP MMIC低噪聲放大器在W波段，噪聲系數在2-5dB之間。但是，In資源正逐漸減少，同時 InP單晶生長較難，易碎，且遷移率較難進一步提高，其器件性能已接近極限水平，人們一直在尋找遷移率和熱導率更高的材料，晶片級石墨烯的出現有望解決這些難題。利用石墨烯超高速遷移率可以提高器件工作頻率達到毫米波段，利用雙層石墨烯的設計可有效避免豪格規則實現超低噪聲特性，其意義不言而喻。目前，美國DARPA計劃已將石墨烯研究方向定為毫米波低噪聲放大器。為了與時俱進，支持未來的國防現代化建設，實現靈活移動、快速反應、安全隱蔽的軍事、宇航通信，滿足21世紀新的和平事業和世界局勢發展需要，研制石墨烯超高頻低噪聲器件顯得異常必要。

　　如果在接收系統的前端連接高性能的低噪聲放大器，在低噪聲放大器增益足夠大的情況下，就能抑制后級電路的噪聲，則整個接收機系統的噪聲系數蔣主要取決于放大器的噪聲。如果低噪聲放大器的噪聲系數降低，接收機系統的噪聲系數也會變小，信噪比得到改善，靈敏度大大提高。由此可見低噪聲放大器的性能制約了整個接收系統的性能，對于整個接收系統技術水平的提高，也起了決定性的作用。低噪聲放大器是雷達、電子對抗及遙測遙控接受系統等的關鍵部件。L、S波段低噪聲放大器一般用于遙測、遙控系統。在電子對抗、雷達偵察中，由于要接收的信號的頻率范圍未知，其實頻率范圍也是要偵察的內容之一，所以要求接收系機的頻率足夠寬，那么放大器的頻率也要求足夠寬。而且，雷達偵察接收的是雷達發射的折射波，是單程接收；而雷達接收的是目標回波，從而使偵察機遠在雷達作用距離之外就能提早發現雷達目標。靈敏度高的接收機偵察距離就遠，如高靈敏度的超外差式接收機可以實現超遠程偵察，用以監視敵遠程導彈的發射，所以，要增高偵察距離，就要提高接收機靈敏度，就要求高性能的低噪聲放大器。在國際衛星通信應用中，低噪聲放大器的主要發展要求是改進性能和降低成本。由于國際通信量年復一年地迅速增加， 所以必須通過改進低噪聲放大器的性能來滿足不斷增加的通信要求。因此，要不懈地不斷努力去展寬帶低噪聲放大器的帶寬和降低其噪聲溫度。從經濟觀點出發，衛星通信整個系統的成本必須減少到能與海底電纜系統相競爭。降低低噪聲放大器的噪聲溫度是降低衛星通信系統成本的一種最有效的方法，因為地面站天線的直徑可以通過改善噪聲溫度性能而減小。另一方面，在國內衛星通信應用中，重點放在低噪聲放大器的不用維修特性以及低噪聲和寬帶性能，因為在這些系統中越來越廣泛地采用無人管理的工作方式， 特別在電視接收地面站中更是如此。衛星通信用的低噪聲放大器可以分為兩種類型——低噪聲參量放大器和場效應晶體管低噪聲放大器。這些低噪聲放大器用在幾個頻段內， 包括4GHz， 12 GHz和毫米波頻段。寬帶低噪聲放大器的實現又有很多種類型。SiGe工藝具有優異的射頻性能，更由于其較高的性價比，被廣泛應用于移動通信、衛星定位和RFID等市場；SiGe工藝還可以與常規的數字模擬電路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射頻集成電路已成為國際上的研究熱點。實現前端的低噪聲放大器是最近興起的超寬帶射頻通信系統中的挑戰之一。業界一直在追求完全集成的超寬帶通信系統SOC，與其他工藝相比，CMOS工藝更易于系統集成，所以人們設計出了許多的CMOS工藝的超寬帶低噪聲放大器。 4GHz頻段是目前衛星通信最通用的頻段，它用于國際衛星通信和國內衛星通信， 包括電視接收地面站。在這些領域內，已經研制出了各種各樣的低噪聲放大器并已得到了應用。低噪聲參量放大器和場效應晶體管低噪聲放大器根據其冷卻系統可以分為三種類型，即深致冷型式，熱電致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪聲參量放大器在衛星通信的初期得到廣泛的使用。而今天，除了一些特殊應用以外，這種型式的參放幾乎不象以前那樣廣泛地使用，這是因為有維修困難等幾方面的原因。熱電致冷和非致冷低噪聲參量放大器主要用在國際衛星通信地面站中，有時也用在國內衛星通信的關鍵地面站。由于變容管的改進和泵頻的提高，這些低噪聲放大器幾乎具有深致冷參放那樣的低噪聲溫度。場效應晶體管低噪聲放大器主要用在國內衛星通信地面站中，特別是用在電視接收地面站中。在這些場合，幾乎普遍采用熱電致冷和非致冷型式。深致冷型式僅僅用在特殊的場合。毫米波具有用小口徑天線就可產生方向性強的窄波束和很小的旁瓣的特點，使得截獲和干擾毫米波信號變得非常困難，因而隱蔽性和反電子偵察能力好，適合在軍用保密通信中使用；另外，作為大氣窗口頻率，它在特殊頻率下呈現出低衰減的特點，因此成為衛星、宇航通信的必需的手段；同時它又具有波長短和較強的穿透戰場煙霧、塵埃、雨雪等的能力，可為雷達、成像、精確制導等提供較高的目標分辨率和準全天候的作戰能力，這些特別的優勢使得采用毫米波技術的武器裝備，如軍用保密通信、導彈或靈巧炸彈的精確制導以及電子對抗和情報偵察等，在現代戰爭中占有越來越重要的地位。為此，從上世紀80年代初起，美國國防部尖端技術研究規劃署（DARPA）、國家航空和宇航局（NASA）一直重點進行毫米波固態器件和電路的研究，目前已經取得了令人矚目的成果，大量固態器件和芯片應用于新型武器裝備上，在提高裝備可靠性的同時還能大大縮小體積，滿足軍方對小型化的需求。目前，毫米波頻段已在國外現有裝備中使用，基于毫米波固態器件的雷達、精確制導系統、靈巧武器導引頭、軍用保密通信系統以及電子戰對抗系統開始大量裝備美軍，并且在兩次海灣戰爭和科索沃戰爭中取得了很好的實戰效果。