微波元件及其分類
在微波系統中，微波元件(器件)統稱為微波元件，可以實現微波信號的定向傳輸、衰減、隔離、濾波、相位控制、波形和極化變換、阻抗變換和調配等功能。簡單來說，微波元件就是工作在微波頻段的電磁元件。
在低頻電子電路中，有很多常用的無源元件，其中電阻、電容、電感和變壓器是最常用的。同樣，電阻、電容和電感等無源元件也廣泛應用於微波電路中。但由於頻率的提高，這些常用於低頻電路的元件在微波頻段已經不能使用了。通過微波技術的研發，如利用分布參數電路，利用傳輸線的不均勻性，可以實現微波頻段的電感和電容。此外，要形成具有壹定功能的微波電路，還需要定向耦合器、功分器、阻抗匹配器、微波濾波器、衰減器、終端負載等幾十種無源微波元件。是不可或缺的。此外，和低頻電子電路壹樣，微波電子電路也包含各種形式的微波有源器件，如放大器、混頻器、微波開關、振蕩器等。它們的各種組合可以完成對微波信號的壹系列處理。
微波元器件如果按工作原理、材料和工藝分類，可分為微波電真空器件、微波半導體器件、微波集成電路和微波功率模塊。微波電真空器件包括速調管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虛陰極振蕩器等。，利用電子在真空中運動，與外圍電路相互作用，產生振蕩、放大、混頻等各種功能。微波半導體器件，包括微波晶體管和微波二極管，具有體積小、重量輕、功耗低的優點，但在高頻大功率下不能完全取代電真空器件。微波集成電路是壹種利用半導體工藝由砷化鎵或其他半導體芯片制成的功能塊，在固態相控陣雷達、電子對抗設備、導彈電子設備、微波通信系統、超高速計算機等方面具有廣闊的應用前景。微波功率模塊是利用固態功率合成技術將多個固態微波功率器件組合而成的器件，具有效率高、使用方便等優點，對實現雷達、通信、電子對抗等全固態電子設備具有重要意義。
微波半導體器件的發展歷程
在實際的微波系統中，微波產生、放大、倍頻和變頻等關鍵問題都要用到各種形式的有源元件。微波固態電子學的發展已成為這些有源元件發展的主要推動力。在過去的幾十年裏，各種形式的微波半導體器件不斷湧現，推動了微波技術的發展。
20世紀50年代出現了微波二極管，其工作頻率可達100GHz，但工作效率較低。自20世紀60年代以來，矽雙極微波晶體管壹直是主要的微波半導體器件，它仍然是低端微波半導體功率器件的壹種選擇。70年代中期，相關研究轉移到電子遷移率更高的GaAs MOSFET器件，形成微波單片集成電路的集成進展，同時進入毫米波低端。80年代初，隨著分子束外延(MBE)和金屬有機化合物氣相沈積(MOCVD)等先進技術的發展，人們可以在原子尺度上開發半導體材料。超晶格和異質結已經從理論設想轉化為實用的物理結構，新的材料和器件層出不窮，如高電子遷移率晶體管(HEMT)、晶格HEMT(PHEMT)、異質結雙極晶體管(HBT)。自20世紀90年代以來，微波半導體器件呈現出兩大趨勢。首先，由於技術的發展，矽基集成電路形成了射頻互補金屬氧化物半導體器件(RF CMOS)和射頻MEMS的新研究和應用，如恩智浦半導體發布的BFU725F微波NPN晶體管，即用於分立器件的矽鍺碳(SiGeC)技術。具有高開關頻率、高增益、超低噪聲等多重特性。此外，由於新材料的發展，化合物半導體形成了寬帶隙半導體和窄帶隙半導體器件。目前，80、90年代開發的微波半導體器件仍是主要發展方向。
不久前，佐治亞理工學院的研究人員利用碳60薄膜通過室溫工藝成功制造出高性能場效應晶體管，室溫工藝下電子遷移率可達2.7 ~ 5 cm2/v/s(見圖1)。相信研究人員在用有機材料制作晶體管的同時，會嘗試利用新材料的形成來增加電子遷移率，從而獲得更有效的微波半導體器件。
微波集成電路的發展歷程
微波電路從20世紀40年代應用的三維微波電路開始。它由波導傳輸線、波導元件、諧振腔和微波管組成。隨著微波固態器件的發展和分布式傳輸線的出現，60年代初出現了平面微波電路。它是由微帶元件、集總元件、微波固態器件等無源微波器件和有源微波元件采用擴散、外延、沈積、刻蝕等制造技術制作在半導體襯底上的微波混合集成電路，即HMIC，屬於第二代微波電路。與由波導和同軸線組成的第壹代微波電路相比，它具有體積小、重量輕、避免復雜的機械加工、易於與波導器件和鐵氧體器件連接等優點，可以適應當時迅速發展的小型微波固體器件。由於其性能好、可靠性強、使用方便等優點，被應用於各種微波整機中，對提高軍用電子系統的性能和小型化起到了很大的作用。它仍然是壹種靈活有效的電路形式。
20世紀70年代，GaAs材料制造技術的成熟對微波半導體技術的發展產生了重大影響。GaAs材料的電子遷移率比Si高7倍，漂移速度比Si高得多。這種高頻高速的性能是由其材料特性決定的。由於GaAs材料的半絕緣(其電阻率可達105ω/cm)，平面傳輸線、所有無源元件和有源元件可集成在同壹芯片上，無需特殊的隔離技術，進壹步縮小了微波電路的體積。
正是由於GaAs技術的出現和GaAs材料的特性，促進了微波集成電路向單片微波集成電路(MMIC)的過渡。與第二代微波混合電路HMIC相比，MMIC具有體積小、壽命長、可靠性高、噪聲低、功耗低、工作極限頻率高等優點。因此，MMIC吸引了廣泛的關註。然而，司和壹直是激烈討論的話題。兩個主要的技術差異是微波晶體管的性能和半導體用作無源元件的半絕緣襯底時的損耗。如前所述，GaAs的電子遷移率和漂移速度遠高於Si，這使得GaAs在低功耗無源電路的應用中具有良好的特性，但在熱導率方面，Si則遠超GaAs。這些因素導致許多公司在過去幾年裏大量投資GaAs技術作為微波應用。然而，Si仍然是壹個強有力的競爭對手。事實上，隨著微波無線產品巨大市場的出現，思MMIC的發展已經強勁復蘇。si和GaAs之間的競爭前沿是6GHz以下的領域，具有相當大的潛在商業機會。矽基微波集成電路也開始出現在更高頻率的應用中，如Ku波段DBS的衛星接收機。矽異質結兩級晶體管技術為矽技術在更高頻率的應用鋪平了道路。
目前，單片微波集成電路已經應用於各種微波系統中。這些微波系統中的MMIC器件包括:MMIC功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、混頻器、上變頻器、壓控振蕩器(VCO)、濾波器等。直到MMIC前端和整個收發器系統。單片電路的發展為微波系統在各個領域的應用提供了廣闊的前景。由MMIC器件組成的微波系統已廣泛應用於航天電子、雷達、衛星、道路交通、民航系統、電子對抗、通信系統等尖端技術領域。表1列出了壹些主流廠商的最新MMIC產品，供參考。
隨著MMIC技術的進壹步提高和多層集成電路技術的進步，在多層基片上實現幾乎所有無源器件和芯片互連網絡的三維多層微波結構越來越受到重視。而且，基於多層互連基板的MCM(多芯片組件)技術將使微波/毫米波系統的尺寸更小。
此外，隨著MEMS技術的研究，無線通信設備中的外部分立元件采用MEMS技術可以滿足小型化、低功耗和便攜的要求。MEMS采用深腐蝕技術實現宏觀機械三維結構，使以前的無源器件小型化成為可能，同時大大減小了版圖面積，更容易集成。MEMS器件主要使用矽作為加工材料，與傳統的MMIC技術制作的器件相比，大大降低了成本。MEMS的這些特點也決定了其不斷向小型化、多樣化和微電子技術發展。因此，根據微機電系統和MMIC技術的特點，制作結合兩種技術優點的器件或電路是壹種趨勢。
趨勢和前景
隨著市場需求和科學技術的不斷進步，新型微波元器件正朝著小型化、芯片化、高性能、集成化、智能化、環保節能的方向發展。微型化和芯片化技術、無源集成技術、抗電磁幹擾技術、低溫陶瓷燒制技術和綠色生產技術成為行業技術進步的重點。微電子機械系統(MEMS)和微組裝技術的快速發展也將促進微波器件的功能和性能。
為了滿足移動通信、無線局域網和微波集成電路發展的需要，相信新的微波元器件會不斷出現。隨著通信技術的快速發展和市場需求的不斷擴大，微波元器件及相關介電材料的市場規模也將大幅上升。雖然微波元器件的發展任重道遠，但前景是樂觀的。