Evolución del downconverter I.Ramos-Perez

Evolución del downconverter
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Evolución del downconverter
I.Ramos-Perez
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Abstract- Este trabajo hace una breve revisión histórica
sobre el downconverter, centrándose en el elemento
fundamental que lo compone el “mixer” o mezclador de
señal [1].
avances tecnológicos de los dispositivos semiconductores y
sus circuitos asociados: filtros etc.
Progresando desde las primeras configuraciones tradicionales
realizadas con guías de onda y coaxiales, pasando por híbridos
de circuitos integrados de microondas (MIC) y progresando
hasta alcanzar la totalidad de los componentes mediante
circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC).
I. INTRODUCCIÓN
Un downconverter es un dispositivo que mezcla dos
señales en frecuencia: la señal de entrada y una señal senoidal
de una determinada frecuencia. El resultado es, al mismo
tiempo, la señal original sumada en frecuencia con la señal
senoidal y la señal original restada en frecuencia con la señal
senoidal. Si despreciamos el resultado sumado en frecuencia y
sólo nos quedamos con la resta, obtenemos la señal original
"bajada" en frecuencia.
II. TECNOLOGÍAS
A- GUÍAS DE ONDA Y COAXIALES
Los mezcladores tradicionales de los años 50 y 60
incorporan elementos resistivos que estaban basados en la
tecnología de los años 40 y 50. Básicamente consistían en un
diodo encapsulado formado por un hilo de tungsteno en
contacto con un trozo de silicio tipo p. La estructura era
esencialmente un metal semiconductor basado en los
mecanismos físicos descritos en teoría de rectificación con
diodo Schottky [2]. Los dispositivos estaban encapsulados en
formatos estándares y montados sobre guías de onda/coaxiales
consiguiendo formar acoplo proporcional por T-mágica, etc. A
finales de los años 60, un original formato de encapsulado
formado por metal-quartz-metal (MQM) introdujo una gran
flexibilidad y un aumento del rango frecuencial.
Esquema básico del downconverter
A pesar de lo que se puede pensar, los mezcladores de hoy
en día están basados en los diseños de principios de los años
70, con mejoras en los procesos tecnológicos y en el nivel de
integración de los circuitos asociados. Principalmente los
adelantos se han debido a la mejora del diodo Schottky barrier.
Los primeros downconverters se realizaron a principio del
1900 para aplicaciones en recepción en radio, pero fue a partir
de la segunda guerra mundial cuando se mostró un cierto
interés especialmente en aplicaciones radar a frecuencia de
microondas. Hoy en día se sigue utilizando para aplicaciones
bélicas pero también para usos civiles.
Estimulado por el progreso, las técnicas del diseño han
venido motivadas por la complejidad tanto por parte militar
como civil. Las áreas de investigación y desarrollo (R&D) del
campo de los mezcladores ha venido acompañadas por los
Downconverter RF: 130 GHz – 170 GHz
Departamento de teoría de la señal, Universidad Politécnica de Cataluña
(UPC) (e-mail: [email protected])
Evolución del downconverter
B- MIC
La producción de mezcladores basados en diodos de
contacto continuó hasta finales de los años 70, posiblemente
hasta los 80, resolviendo las necesidades de la época. Sin
embargo, fue siendo sustituido durante esta época, cuando los
avances en los dispositivos semiconductores complementado
con la tecnología de líneas planares dieron más viabilidad al
sistema formando un híbrido.
Las prestaciones conseguidas en MIC, estimularon los avances
en la tecnología de los diodos Schottky de barrera, tanto de Si
como GaAs (la movilidad del electrón es más alta en el GaAs,
siendo beneficioso para trabajar a altas frecuencias).
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Las tecnologías MIC se desarrollo durante los años 70 y fue
aplicada a producción en los años 80. Actualmente existen
nuevas aplicaciones que se están desarrollando.
Circuito implementado en MMIC
C- MMIC
Esquema e implementación de un diodo Schottky barrier
(GaAs)
A finales de los años 70 se introdujo el diodo “Mottky”,
más comúnmente como Mott [3] , que trabajaba a las
frecuencias en las que estaba limitado el diodo Schottky,
complementándose, cubriendo un mayor rango de frecuencias.
Entre los años 60 y 70 se desarrollo el diodo Schottky en
tecnología planar consiguiendo frecuencias de trabajo cercanas
a los 100 GHz. Estos diodos encapsulados de forma adecuada
eran apropiados para trabajar en diseños de líneas planares de
transmisión: microstrip, stripline, fin-line.
Un avance importante fue la incorporación del amplificador
de bajo ruido (LNA) a frecuencias de RF, introduciendo
mejoras globales en la figura de ruido del receptor.
Estudios realizados durante los años 70 sobre mezcladores
de GaAs MESFET (Metal-semiconductor FET), determinaron
su viabilidad sobre la ganancia de conversión, por el
contrario, ofrecían una figura de ruido media. En un principio
parecía ofrecer un amplio abanico de posibilidades, pero
debido a su bajo figura de ruido, limitando las aplicaciones,
fue rechazado no siendo competitivo con en diodo Schottky
barrier.
Los avances
tecnológicos de los años 80 fueron
aprovechados por la tecnología MMIC con el objetivo de
minuta rizar los dispositivos con la intención de obtener bajo
coste y un gran volumen de producción.
Los mezcladores monolíticos de GaAs fueron desarrollados
durante los años 70 [4] pero no fue hasta los años 80 en la que
los avances tecnológicos permitieran competir con MIC. La
utilización de GaAs en la tecnología permitió integrar en el
mismo receptor mezcladores y amplificadores incluso los LNA
necesarios en la etapa de entrada.
Un avance significativo en el progreso de los mezcladores
MMIC fue la implementación del balun en el mismo
monolítico [5] [6], minimizando las posibles pérdidas de las
líneas de transmisión y consiguiendo integrar totalmente el
mezclador en el mismo chip. Las ventajas ofrecidas por la
tecnología MMIC fueron explotadas sobre todo por los
downconverters implementado en el mismo chip los
mezcladores de r.f, f.i, l.o, amplificadores, filtros, etc.
Tanto los mezcladores de Si como GaAs ofrecen un figura de
ruido similares a frecuencia de 12 GHz, pero los realizados
con Si necesitan menor Plo y minimizan el ruido a baja
frecuencia 1/f (100 KHz de frecuencia de corte comparada con
500 KHz correspondientes al GaAs). Estos últimos son ideales
para aplicaciones de frecuencia de onda milimétrica, pero
debido a la alta movilidad de los electrones que ofrece el
GaAs, se consiguen mejores prestaciones a altas frecuencias,
eligiendo este material para trabajar por encima de los 40
GHz. Sin embargo, con la intención de minimizar coste, área y
reproducir circuitos integrados, se ha mostrado un progresivo
interés por el Si quitando interés al GaAs para aplicaciones de
circuitos monolíticos.
Evolución del downconverter
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III. CONCLUSIONES
La evolución de los mezcladores ha venido determinada
por los avances tecnológicos y por necesidades comerciales.
Actualmente conviven las tecnologías de MIC y MMIC
dependiendo de la frecuencia de trabajo, utilizando MIC
(GaAs) para altas frecuencias y MMIC (Si) para bajas
frecuencias. Se ha observado una disminución exponencial
tanto del tamaño como del coste y un aumento de las
prestaciones a lo largo del tiempo, abriendo nuevos mercados
en el ámbito militar y civil.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Esquema e implementación de un downconverter (MMIC) [7]
Actualmente existes downconvertes que son capaces de
integrar todos los dispositivos necesarios ocupando un área de
pocos milímetros. Se puede referenciar el modelo NM1100 de
la casa Nemerix.
Frontend de a L1 de GPS (7 mm x 7 mm)
Ferry H. Oxley, “50 Years Development of de Microwave Mixer for
Heterodyne Reception”
H. C. Torrey and C. A. Whitmer, Crystal Rectifiers. New York: McGraw-Hill, 1948.
N. J. Keen, “The Mottky diode: A new element for low noise mixers at
millimeterwavelengths,” in Proc. Advisory Group Aerosp. Res Develop.
Conf., vol. 245, Sept. 1978.
G. R. Antell, “Monolithic mixers for mm-wavelengths,” presented at the
European Microwave Conf., Stockholm, Sweden, 1971, Paper C2/3.
J. Schellenberg and H. Do-ky, “Low-loss, planar monolithic baluns for
K/Ka-band applications,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.,
1999, pp. 1733–1736.
M. Shimozawa et al., “A parallel connected Marchand balun spiral
shaped equal length coupled lines,” in IEEE MTT-S Int. Microwave
Symp. Dig., 1999, pp. 1737–1740.
J. Putnam and R. Puente, “A monolithic image-rejection mixer on GaAs
using lumped elements,” Microwave J., pp. 107–116, Nov. 1987.