從上世紀(jì)80年代初起，美國(guó)國(guó)防部尖端技術(shù)研究規(guī)劃署(DARPA)、國(guó)家航空和宇航局(NASA)一直重點(diǎn)進(jìn)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(duì)于硅器件，其工作頻率最多達(dá)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(guó)際上最新報(bào)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(shí)InP單晶生長(zhǎng)較難，易碎，且遷移率較難進(jìn)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(jí)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(dá)到毫米波段，利用雙層石墨烯的設(shè)計(jì)可有效避免豪格規(guī)則實(shí)現(xiàn)超低噪聲特性，其意義不言而喻。目前，美國(guó)DARPA計(jì)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(shí)俱進(jìn)，支持未來的國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)、快速反應(yīng)、安全隱蔽的軍事、宇航通信，滿足21世紀(jì)新的和平事業(yè)和世界局勢(shì)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(zhēng)環(huán)境下，自動(dòng)化、電子化、輕型化和信息化將成為軍事發(fā)展的主要趨勢(shì)。石墨烯由于其突出的物理和化學(xué)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(cè)、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(guó)共發(fā)射了5700多個(gè)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(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)，為了掌握太空戰(zhàn)場(chǎng)的控制權(quán)，各國(guó)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(guó)“戰(zhàn)略防御倡議”（即星球大戰(zhàn)計(jì)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(gè)地方，其實(shí)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(yùn)動(dòng)，器件的驅(qū)動(dòng)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(biāo)有兩個(gè)：①初步確立石墨烯薄膜合成生長(zhǎng)工藝，②驗(yàn)證石墨烯溝道FET制作工藝的可行性；第二階段也有兩個(gè)目標(biāo)：①完善薄膜材料生長(zhǎng)工藝，力求生長(zhǎng)厚度精確控制在一個(gè)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(gè)W波段（＞90GHz）的低噪聲放大器，噪聲系數(shù)≤1dB。計(jì)劃不僅要求電路產(chǎn)出圓片尺寸達(dá)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(jí)電路的噪聲，則整個(gè)接收機(jī)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(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)也會(huì)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(gè)接收系統(tǒng)的性能，對(duì)于整個(gè)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(dá)、電子對(duì)抗及遙測(cè)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(cè)、遙控系統(tǒng)。在電子對(duì)抗、雷達(dá)偵察中，由于要接收的信號(hào)的頻率范圍未知，其實(shí)頻率范圍也是要偵察的內(nèi)容之一，所以要求接收系機(jī)的頻率足夠?qū)挘敲捶糯笃鞯念l率也要求足夠?qū)挕６遥走_(dá)偵察接收的是雷達(dá)發(fā)射的折射波，是單程接收；而雷達(dá)接收的是目標(biāo)回波，從而使偵察機(jī)遠(yuǎn)在雷達(dá)作用距離之外就能提早發(fā)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)。靈敏度高的接收機(jī)偵察距離就遠(yuǎn)，如高靈敏度的超外差式接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程偵察，用以監(jiān)視敵遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的發(fā)射，所以，要增高偵察距離，就要提高接收機(jī)靈敏度，就要求高性能的低噪聲放大器。

在國(guó)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(jìn)性能和降低成本。由于國(guó)際通信量年復(fù)一年地迅速增加， 所以必須通過改進(jìn)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(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，衛(wèi)星通信整個(gè)系統(tǒng)的成本必須減少到能與海底電纜系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)。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?yàn)榈孛嬲咎炀€的直徑可以通過改善噪聲溫度性能而減小。

另一方面，在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信應(yīng)用中，重點(diǎn)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?yàn)樵谶@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(chǎng)效應(yīng)晶體管低噪聲放大器。這些低噪聲放大器用在幾個(gè)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(shí)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(jià)比，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位和RFID等市場(chǎng)；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(guó)際上的研究熱點(diǎn)。實(shí)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?cè)O(shè)計(jì)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(guó)際衛(wèi)星通信和國(guó)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(chǎng)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?yàn)橛芯S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(guó)際衛(wèi)星通信地面站中，有時(shí)也用在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信的關(guān)鍵地面站。由于變?nèi)莨艿母倪M(jìn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管低噪聲放大器主要用在國(guó)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(chǎng)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(chǎng)合。

毫米波具有用小口徑天線就可產(chǎn)生方向性強(qiáng)的窄波束和很小的旁瓣的特點(diǎn)，使得截獲和干擾毫米波信號(hào)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(diǎn)，因此成為衛(wèi)星、宇航通信的必需的手段；同時(shí)它又具有波長(zhǎng)短和較強(qiáng)的穿透戰(zhàn)場(chǎng)煙霧、塵埃、雨雪等的能力，可為雷達(dá)、成像、精確制導(dǎo)等提供較高的目標(biāo)分辨率和準(zhǔn)全天候的作戰(zhàn)能力，這些特別的優(yōu)勢(shì)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(duì)抗和情報(bào)偵察等，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中占有越來越重要的地位。為此，從上世紀(jì)80年代初起，美國(guó)國(guó)防部尖端技術(shù)研究規(guī)劃署(DARPA)、國(guó)家航空和宇航局(NASA)一直重點(diǎn)進(jìn)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(shí)還能大大縮小體積，滿足軍方對(duì)小型化的需求。目前，毫米波頻段已在國(guó)外現(xiàn)有裝備中使用，基于毫米波固態(tài)器件的雷達(dá)、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(duì)抗系統(tǒng)開始大量裝備美軍，并且在兩次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中取得了很好的實(shí)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(jìn)極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)(AEHF)。先進(jìn)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(hù)和持久的通信，還具備監(jiān)視別國(guó)衛(wèi)星運(yùn)行的能力。

C4ISR遠(yuǎn)景圖

AEHF衛(wèi)星具有低速率、中速率波形和擴(kuò)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(cè)概率、低截獲概率的特點(diǎn)和先進(jìn)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(dòng)中通，能過提供數(shù)據(jù)、語音、視頻會(huì)議和圖像傳輸業(yè)務(wù)，能為國(guó)家戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)力量在各種級(jí)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(shí)時(shí)地圖、目標(biāo)信息和先進(jìn)的智能監(jiān)視和偵察信息，能極大增強(qiáng)在作戰(zhàn)時(shí)的C4ISR（指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)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(hào)的接收，在情報(bào)收集、電子對(duì)抗、抗干擾等方面具有廣泛的應(yīng)用，具有極高的軍事價(jià)值。

各種星載雷達(dá)、宇航通信裝備的需求大大推動(dòng)了毫米波固態(tài)器件的發(fā)展，它對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展與進(jìn)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(cè)器的登陸設(shè)備也需要毫米波電路進(jìn)行控制和通信。近年來，隨著西方軍事強(qiáng)國(guó)的技術(shù)進(jìn)步，毫米波電路已經(jīng)逐漸成為主流技術(shù)，頻率高達(dá)上百GHz的成品不斷涌現(xiàn)；當(dāng)前，國(guó)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(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)、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(duì)提供保密、抗干擾通信，具有能支持全面戰(zhàn)爭(zhēng)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(diǎn)，一是擴(kuò)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(hào)閃爍和衰落，抗干擾和抗截收能力強(qiáng)。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(jià)高昂，從EHF頻段向更高的頻段拓展需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期。目前，世界上除美軍外，其他國(guó)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(gè)時(shí)期唯一擁有的最先進(jìn)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(duì)美軍的全球戰(zhàn)略發(fā)揮重大作用。

據(jù)美國(guó)《空軍雜志》網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道：美國(guó)諾斯羅普•格魯門公司近日宣布，B-2隱身轟炸機(jī)極高頻（EHF）衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃已經(jīng)開始進(jìn)行試飛。根據(jù)該升級(jí)計(jì)劃，將會(huì)為B-2轟炸機(jī)配備全新的處理硬件和通信裝置，從而增強(qiáng)該機(jī)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?fù)?dān)負(fù)測(cè)試任務(wù)的B-2飛機(jī)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(dòng)器和光纜）進(jìn)行試飛。加裝上述設(shè)備是B-2轟炸機(jī)EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級(jí)計(jì)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(jī)上安裝這些設(shè)備。

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

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