基于石墨烯的微波毫米波器件在国防航空领域的应用

从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，已经取得了令人瞩目的成果，已应用于新型武器装备上，如下表所示。

毫米波段武器应用举例

对于硅器件，其工作频率最多达到GHz范围，而W波段或更高频率的MMIC所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAs-MHEMT。其中国际上最新报道的InP MMIC低噪声放大器在W波段，噪声系数在2-5dB之间。但是，In资源正逐渐减少，同时InP单晶生长较难，易碎，且迁移率较难进一步提高，其器件性能已接近极限水平，人们一直在寻找迁移率和热导率更高的材料，晶片级石墨烯的出现有望解决这些难题。利用石墨烯超高速迁移率可以提高器件工作频率达到毫米波段，利用双层石墨烯的设计可有效避免豪格规则实现超低噪声特性，其意义不言而喻。目前，美国DARPA计划已将石墨烯研究方向定为毫米波低噪声放大器。

为了与时俱进，支持未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应、安全隐蔽的军事、宇航通信，满足21世纪新的和平事业和世界局势发展需要，研制石墨烯超高频低噪声器件显得异常必要。

军事用途

未来战争环境下，自动化、电子化、轻型化和信息化将成为军事发展的主要趋势。石墨烯由于其突出的物理和化学性能，将在军事方面大有作为，主要应用在军事航天、军事探测、极高频卫星通信系统等。

在军事航天领域，军事航天技术是以军事应用为目的、开发和利用太空的一门综合性工程技术。迄今世界各国共发射了5700多个航天器，其中70%用于军事目的。太空也已经成为未来战争的战场，为了掌握太空战场的控制权，各国都在加紧发展军事航天技术，而微电子技术则是基础技术之一。美国“战略防御倡议”（即星球大战计划）中的空间监视系统采用了超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路（MMIC）。从表面上看，微电子电路分布在庞大的系统中的各个地方，其实却起着举足轻重的作用。

半导体微波毫米波器件的应用频段

和目前的3mm波段的主流产品InP基材料器件和电路比较起来，SiC衬底的高硬度和高热导率保障了器件的成品率和散热性。电子在石墨烯中是以隧穿的方式运动，器件的驱动电压可以很低。SiC衬底上的石墨烯是一种适合制备W波段或更高频低噪声放大器的材料。

第一阶段的目标有两个：①初步确立石墨烯薄膜合成生长工艺，②验证石墨烯沟道FET制作工艺的可行性；第二阶段也有两个目标：①完善薄膜材料生长工艺，力求生长厚度精确控制在一个原子层，②演示超高速石墨烯FET；最后的第三阶段着重材料及器件性能、可生产性及可集成性的后期优化工作。最终成果是演示一个W波段（＞90GHz）的低噪声放大器，噪声系数≤1dB。计划不仅要求电路产出圆片尺寸达到8英寸，并且要求整张圆片的成品率优于90%。

如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数蒋主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。

低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。

在国际卫星通信应用中，低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加， 所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。因此，要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点出发，卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法，因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。

另一方面，在国内卫星通信应用中，重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能，因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式， 特别在电视接收地面站中更是如此。

卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器。这些低噪声放大器用在几个频段内， 包括4GHz， 12 GHz和毫米波频段。宽带低噪声放大器的实现又有很多种类型。SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成，所以人们设计出了许多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。

4GHz频段是目前卫星通信最通用的频段，它用于国际卫星通信和国内卫星通信， 包括电视接收地面站。在这些领域内，已经研制出了各种各样的低噪声放大器并已得到了应用。低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器根据其冷却系统可以分为三种类型，即深致冷型式，热电致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪声参量放大器在卫星通信的初期得到广泛的使用。而今天，除了一些特殊应用以外，这种型式的参放几乎不象以前那样广泛地使用，这是因为有维修困难等几方面的原因。热电致冷和非致冷低噪声参量放大器主要用在国际卫星通信地面站中，有时也用在国内卫星通信的关键地面站。由于变容管的改进和泵频的提高，这些低噪声放大器几乎具有深致冷参放那样的低噪声温度。场效应晶体管低噪声放大器主要用在国内卫星通信地面站中，特别是用在电视接收地面站中。在这些场合，几乎普遍采用热电致冷和非致冷型式。深致冷型式仅仅用在特殊的场合。

毫米波具有用小口径天线就可产生方向性强的窄波束和很小的旁瓣的特点，使得截获和干扰毫米波信号变得非常困难，因而隐蔽性和反电子侦察能力好，适合在军用保密通信中使用；另外，作为大气窗口频率，它在特殊频率下呈现出低衰减的特点，因此成为卫星、宇航通信的必需的手段；同时它又具有波长短和较强的穿透战场烟雾、尘埃、雨雪等的能力，可为雷达、成像、精确制导等提供较高的目标分辨率和准全天候的作战能力，这些特别的优势使得采用毫米波技术的武器装备，如军用保密通信、导弹或灵巧炸弹的精确制导以及电子对抗和情报侦察等，在现代战争中占有越来越重要的地位。为此，从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，目前已经取得了令人瞩目的成果，大量固态器件和芯片应用于新型武器装备上，在提高装备可靠性的同时还能大大缩小体积，满足军方对小型化的需求。目前，毫米波频段已在国外现有装备中使用，基于毫米波固态器件的雷达、精确制导系统、灵巧武器导引头、军用保密通信系统以及电子战对抗系统开始大量装备美军，并且在两次海湾战争和科索沃战争中取得了很好的实战效果。

毫米波频段低噪声放大器具有明确的军事应用背景——先进极高频卫星通信系统(AEHF)。先进极高频卫星通信系统（AEHF）作为新一代的卫星通信系统，用于全球范围的战略与战术指挥与控制通信，它将为所有作战人员提供全球性、高安全性、受保护和持久的通信，还具备监视别国卫星运行的能力。

C4ISR远景图

AEHF卫星具有低速率、中速率波形和扩展速率波形，采用了星上处理技术、星间链路技术，以及轻型多功能通信天线的组合阵列和宽带频率合成技术等，具备抗干扰、低检测概率、低截获概率的特点和先进的加密系统，且能与其他军用网络兼容。AEHF能够支持动中通，能过提供数据、语音、视频会议和图像传输业务，能为国家战略和战术力量在各种级别的冲突中提供安全、可靠的全球卫星通信。它还能为那些需要快速、精确信息的用户提供实时地图、目标信息和先进的智能监视和侦察信息，能极大增强在作战时的C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察）能力，其卫星位于赤道上空36000千米的轨道上。毫米波频段低噪声放大器作为AEHF卫星通信系统的前端器件，主要用于毫米波频段信号的接收，在情报收集、电子对抗、抗干扰等方面具有广泛的应用，具有极高的军事价值。

各种星载雷达、宇航通信装备的需求大大推动了毫米波固态器件的发展，它对我国航天事业的发展与进步尤起着至关重要的作用。另外，未来的外太空探索研究和各种星球探测器的登陆设备也需要毫米波电路进行控制和通信。近年来，随着西方军事强国的技术进步，毫米波电路已经逐渐成为主流技术，频率高达上百GHz的成品不断涌现；当前，国产自主研发的毫米波电路技术与之比较仍有很大的差距。为了适应未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应，安全隐蔽的军事、宇航通信，研制毫米波单片集成电路便显得异常必要。

极高频卫星通信系统是指星上的主要通信设备上行传输频率为极高频(44GHz)，它比特高频(UHF)、超高频(SHF)频率高，下行传输频率为超高频(20GHz)，是美军军事卫星通信(MILSATCOM)体系结构中最关键的系统。 极高频卫星通信系统又称军事战略战术中继卫星系统(Milstar)，它将为美军的战略指挥控制和战术部队提供保密、抗干扰通信，具有能支持全面战争的能力。未来的军事卫星系统向更高的EHF频段拓展。采用EHF频段有很多现有其它频段无可比拟的优点，一是扩大EHF频段的容量，大大减轻现有频谱拥挤现象；二是EHF的波束窄，可减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落，抗干扰和抗截收能力强。三是EHF 频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。但是，EHF卫星技术复杂，造价高昂，从EHF频段向更高的频段拓展需要一个较长时期。目前，世界上除美军外，其他国家还不具备极高频卫星通信能力。换句话说，极高频卫星通信系统是美军在目前和最近一个时期唯一拥有的最先进的通信系统，是美军指挥控制系统中的“杀手锏”，它所提供的保密和抗干扰的通信能力将对美军的全球战略发挥重大作用。

据美国《空军杂志》网站近日报道：美国诺斯罗普•格鲁门公司近日宣布，B-2隐身轰炸机极高频（EHF）卫星通信系统升级计划已经开始进行试飞。根据该升级计划，将会为B-2轰炸机配备全新的处理硬件和通信装置，从而增强该机的连通性。据诺•格公司透露，自2010年9月1日以来，一架派驻加利福尼亚州爱德华兹空军基地担负测试任务的B-2飞机就一直携带着上述设备（主要包括新型综合处理单元、磁盘驱动器和光缆）进行试飞。加装上述设备是B-2轰炸机EHF卫星通信系统升级计划”增量”1阶段的主要内容，诺•格公司曾于今年三月宣布已经开始在B-2轰炸机上安装这些设备。

整个B-2轰炸机EHF卫星通信系统升级计划包括不同复杂程度的三个阶段（“增量”1～3）。诺•格公司声称，当整个升级计划完成后，B-2轰炸机将能通过卫星传送和接收战场信息，其速度将比目前快100倍以上。

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