從上世紀80年代初起，美國國防部尖端技術(shù)研究規(guī)劃署(DARPA)、國家航空和宇航局(NASA)一直重點進行毫米波固態(tài)器件和電路的研究，已經(jīng)取得了令人矚目的成果，已應(yīng)用于新型武器裝備上，如下表所示。

毫米波段武器應(yīng)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GaAs-MHEMT。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(shù)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(dǎo)率更高的材料，晶片級石墨烯的出現(xiàn)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(shè)計可有效避免豪格規(guī)則實現(xiàn)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(xiàn)代化建設(shè)，實現(xiàn)靈活移動、快速反應(yīng)、安全隱蔽的軍事、宇航通信，滿足21世紀新的和平事業(yè)和世界局勢發(fā)展需要，研制石墨烯超高頻低噪聲器件顯得異常必要。

軍事用途

未來戰(zhàn)爭環(huán)境下，自動化、電子化、輕型化和信息化將成為軍事發(fā)展的主要趨勢。石墨烯由于其突出的物理和化學性能，將在軍事方面大有作為，主要應(yīng)用在軍事航天、軍事探測、極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

在軍事航天領(lǐng)域，軍事航天技術(shù)是以軍事應(yīng)用為目的、開發(fā)和利用太空的一門綜合性工程技術(shù)。迄今世界各國共發(fā)射了5700多個航天器，其中70%用于軍事目的。太空也已經(jīng)成為未來戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場，為了掌握太空戰(zhàn)場的控制權(quán)，各國都在加緊發(fā)展軍事航天技術(shù)，而微電子技術(shù)則是基礎(chǔ)技術(shù)之一。美國“戰(zhàn)略防御倡議”（即星球大戰(zhàn)計劃）中的空間監(jiān)視系統(tǒng)采用了超高速集成電路和微波毫米波單片集成電路（MMIC）。從表面上看，微電子電路分布在龐大的系統(tǒng)中的各個地方，其實卻起著舉足輕重的作用。

半導(dǎo)體微波毫米波器件的應(yīng)用頻段

和目前的3mm波段的主流產(chǎn)品InP基材料器件和電路比較起來，SiC襯底的高硬度和高熱導(dǎo)率保障了器件的成品率和散熱性。電子在石墨烯中是以隧穿的方式運動，器件的驅(qū)動電壓可以很低。SiC襯底上的石墨烯是一種適合制備W波段或更高頻低噪聲放大器的材料。

第一階段的目標有兩個：①初步確立石墨烯薄膜合成生長工藝，②驗證石墨烯溝道FET制作工藝的可行性；第二階段也有兩個目標：①完善薄膜材料生長工藝，力求生長厚度精確控制在一個原子層，②演示超高速石墨烯FET；最后的第三階段著重材料及器件性能、可生產(chǎn)性及可集成性的后期優(yōu)化工作。最終成果是演示一個W波段（＞90GHz）的低噪聲放大器，噪聲系數(shù)≤1dB。計劃不僅要求電路產(chǎn)出圓片尺寸達到8英寸，并且要求整張圓片的成品率優(yōu)于90%。

如果在接收系統(tǒng)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(tǒng)的噪聲系數(shù)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(shù)降低，接收機系統(tǒng)的噪聲系數(shù)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(tǒng)的性能，對于整個接收系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)等的關(guān)鍵部件。L、S波段低噪聲放大器一般用于遙測、遙控系統(tǒng)。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(nèi)容之一，所以要求接收系機的頻率足夠?qū)?，那么放大器的頻率也要求足夠?qū)?。而且，雷達偵察接收的是雷達發(fā)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)超遠程偵察，用以監(jiān)視敵遠程導(dǎo)彈的發(fā)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(wèi)星通信應(yīng)用中，低噪聲放大器的主要發(fā)展要求是改進性能和降低成本。由于國際通信量年復(fù)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(jīng)濟觀點出發(fā)，衛(wèi)星通信整個系統(tǒng)的成本必須減少到能與海底電纜系統(tǒng)相競爭。降低低噪聲放大器的噪聲溫度是降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(nèi)衛(wèi)星通信應(yīng)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(tǒng)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(wèi)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(yīng)晶體管低噪聲放大器。這些低噪聲放大器用在幾個頻段內(nèi)， 包括4GHz， 12 GHz和毫米波頻段。寬帶低噪聲放大器的實現(xiàn)又有很多種類型。SiGe工藝具有優(yōu)異的射頻性能，更由于其較高的性價比，被廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星定位和RFID等市場；SiGe工藝還可以與常規(guī)的數(shù)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(xiàn)前端的低噪聲放大器是最近興起的超寬帶射頻通信系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一。業(yè)界一直在追求完全集成的超寬帶通信系統(tǒng)SOC，與其他工藝相比，CMOS工藝更易于系統(tǒng)集成，所以人們設(shè)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(wèi)星通信最通用的頻段，它用于國際衛(wèi)星通信和國內(nèi)衛(wèi)星通信， 包括電視接收地面站。在這些領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)研制出了各種各樣的低噪聲放大器并已得到了應(yīng)用。低噪聲參量放大器和場效應(yīng)晶體管低噪聲放大器根據(jù)其冷卻系統(tǒng)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(wèi)星通信的初期得到廣泛的使用。而今天，除了一些特殊應(yīng)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(wèi)星通信地面站中，有時也用在國內(nèi)衛(wèi)星通信的關(guān)鍵地面站。由于變?nèi)莨艿母倪M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(yīng)晶體管低噪聲放大器主要用在國內(nèi)衛(wèi)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(chǎn)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(xiàn)出低衰減的特點，因此成為衛(wèi)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(zhàn)場煙霧、塵埃、雨雪等的能力，可為雷達、成像、精確制導(dǎo)等提供較高的目標分辨率和準全天候的作戰(zhàn)能力，這些特別的優(yōu)勢使得采用毫米波技術(shù)的武器裝備，如軍用保密通信、導(dǎo)彈或靈巧炸彈的精確制導(dǎo)以及電子對抗和情報偵察等，在現(xiàn)代戰(zhàn)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(shù)研究規(guī)劃署(DARPA)、國家航空和宇航局(NASA)一直重點進行毫米波固態(tài)器件和電路的研究，目前已經(jīng)取得了令人矚目的成果，大量固態(tài)器件和芯片應(yīng)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(xiàn)有裝備中使用，基于毫米波固態(tài)器件的雷達、精確制導(dǎo)系統(tǒng)、靈巧武器導(dǎo)引頭、軍用保密通信系統(tǒng)以及電子戰(zhàn)對抗系統(tǒng)開始大量裝備美軍，并且在兩次海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中取得了很好的實戰(zhàn)效果。

毫米波頻段低噪聲放大器具有明確的軍事應(yīng)用背景——先進極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)(AEHF)。先進極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)（AEHF）作為新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用于全球范圍的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)指揮與控制通信，它將為所有作戰(zhàn)人員提供全球性、高安全性、受保護和持久的通信，還具備監(jiān)視別國衛(wèi)星運行的能力。

C4ISR遠景圖

AEHF衛(wèi)星具有低速率、中速率波形和擴展速率波形，采用了星上處理技術(shù)、星間鏈路技術(shù)，以及輕型多功能通信天線的組合陣列和寬帶頻率合成技術(shù)等，具備抗干擾、低檢測概率、低截獲概率的特點和先進的加密系統(tǒng)，且能與其他軍用網(wǎng)絡(luò)兼容。AEHF能夠支持動中通，能過提供數(shù)據(jù)、語音、視頻會議和圖像傳輸業(yè)務(wù)，能為國家戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)力量在各種級別的沖突中提供安全、可靠的全球衛(wèi)星通信。它還能為那些需要快速、精確信息的用戶提供實時地圖、目標信息和先進的智能監(jiān)視和偵察信息，能極大增強在作戰(zhàn)時的C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報及監(jiān)視與偵察）能力，其衛(wèi)星位于赤道上空36000千米的軌道上。毫米波頻段低噪聲放大器作為AEHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)的前端器件，主要用于毫米波頻段信號的接收，在情報收集、電子對抗、抗干擾等方面具有廣泛的應(yīng)用，具有極高的軍事價值。

各種星載雷達、宇航通信裝備的需求大大推動了毫米波固態(tài)器件的發(fā)展，它對我國航天事業(yè)的發(fā)展與進步尤起著至關(guān)重要的作用。另外，未來的外太空探索研究和各種星球探測器的登陸設(shè)備也需要毫米波電路進行控制和通信。近年來，隨著西方軍事強國的技術(shù)進步，毫米波電路已經(jīng)逐漸成為主流技術(shù)，頻率高達上百GHz的成品不斷涌現(xiàn)；當前，國產(chǎn)自主研發(fā)的毫米波電路技術(shù)與之比較仍有很大的差距。為了適應(yīng)未來的國防現(xiàn)代化建設(shè)，實現(xiàn)靈活移動、快速反應(yīng)，安全隱蔽的軍事、宇航通信，研制毫米波單片集成電路便顯得異常必要。

極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指星上的主要通信設(shè)備上行傳輸頻率為極高頻(44GHz)，它比特高頻(UHF)、超高頻(SHF)頻率高，下行傳輸頻率為超高頻(20GHz)，是美軍軍事衛(wèi)星通信(MILSATCOM)體系結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的系統(tǒng)。 極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)又稱軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Milstar)，它將為美軍的戰(zhàn)略指揮控制和戰(zhàn)術(shù)部隊提供保密、抗干擾通信，具有能支持全面戰(zhàn)爭的能力。未來的軍事衛(wèi)星系統(tǒng)向更高的EHF頻段拓展。采用EHF頻段有很多現(xiàn)有其它頻段無可比擬的優(yōu)點，一是擴大EHF頻段的容量，大大減輕現(xiàn)有頻譜擁擠現(xiàn)象；二是EHF的波束窄，可減少受核爆炸影響出現(xiàn)的信號閃爍和衰落，抗干擾和抗截收能力強。三是EHF 頻段系統(tǒng)使用的部件尺寸和重量都可大大縮小和減輕。但是，EHF衛(wèi)星技術(shù)復(fù)雜，造價高昂，從EHF頻段向更高的頻段拓展需要一個較長時期。目前，世界上除美軍外，其他國家還不具備極高頻衛(wèi)星通信能力。換句話說，極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是美軍在目前和最近一個時期唯一擁有的最先進的通信系統(tǒng)，是美軍指揮控制系統(tǒng)中的“殺手锏”，它所提供的保密和抗干擾的通信能力將對美軍的全球戰(zhàn)略發(fā)揮重大作用。

據(jù)美國《空軍雜志》網(wǎng)站近日報道：美國諾斯羅普•格魯門公司近日宣布，B-2隱身轟炸機極高頻（EHF）衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級計劃已經(jīng)開始進行試飛。根據(jù)該升級計劃，將會為B-2轟炸機配備全新的處理硬件和通信裝置，從而增強該機的連通性。據(jù)諾•格公司透露，自2010年9月1日以來，一架派駐加利福尼亞州愛德華茲空軍基地擔負測試任務(wù)的B-2飛機就一直攜帶著上述設(shè)備（主要包括新型綜合處理單元、磁盤驅(qū)動器和光纜）進行試飛。加裝上述設(shè)備是B-2轟炸機EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級計劃”增量”1階段的主要內(nèi)容，諾•格公司曾于今年三月宣布已經(jīng)開始在B-2轟炸機上安裝這些設(shè)備。

整個B-2轟炸機EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級計劃包括不同復(fù)雜程度的三個階段（“增量”1～3）。諾•格公司聲稱，當整個升級計劃完成后，B-2轟炸機將能通過衛(wèi)星傳送和接收戰(zhàn)場信息，其速度將比目前快100倍以上。

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