Tecnologías de circuitos integrados de microondas
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Tecnologías de circuitos integrados de microondas Avances Recientes en Física Aplicada a la Ingeniería (06-07) Gabriel Cano Gómez, 2007 Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla 1. Aspectos Generales Microondas Señales electromagnéticas variables en el tiempo Alta frecuencia y pequeña longitud de onda: ¾ ¾ Características ventajosas para determinadas aplicaciones tecnológicas Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G c=λ f Rango de frecuencias: 300 MHz – 300 GHz Rango de longitudes de onda: 1 m – 1 mm Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 2 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Propiedades de la banda de microondas Sistemas de gran tamaño E.M. Señales de alta directividad, no desviadas por la ionosfera: +d ,-λ Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G 1 canal TV 100 canales TV Enlaces vía satélite y terrestes punto a punto Sistemas con gran ancho de banda Canales de información con alta capacidad Resonancias moleculares, atómicas y nucleares Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Antenas de alta ganancia Objetos con gran área efectiva de reflexión (RCS) 3 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Aplicaciones tecnológicas Sistemas Sistemas de comunicaciones y vigilancia 9 control tráfico aéreo Navegación automática 9 vehículos autodirigidos 9 radioenlaces telefonía, 9 sistemas anticolisión datos, tv Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Teledetección/localización 9 detección Emisiones de televisión (UHF) Comunicaciones a larga distancia rádar Telecomunicación sin cable (1.5 – 94 GHz) Otras aplicaciones Climatología 9 radiometría atmosférica 9 TV vía satélite (DBS) 9 comunicaciones Medicina 9 diagnóstico y tratamiento personales (PCCs) 9 redes locales (WLANS) 9 sistemas GPS Investigación científica 9 Física de partículas,… 9 Radioastronomía Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 4 Tecnologías de circuitos integrados de microondas 2. Ingeniería de Microondas (Iμo) Diseño y desarrollo de sistemas que operan con señales E.M. en la banda de frecuencias 1—100 GHz Característica fundamental de sistemas Iμo: Tamaño físico similar a la longitud de onda (30 cm – 3 mm) Técnicas y métodos propios: Electromagnetismo Aplicado Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Generación de señales: osciladores, tubos,… Procesado de señales: circuitos de microondas ¾ de guías de onda ¾ Integrados Emisión/recepción: antenas Extensibles a banda submilimétrica (ultramicroondas) Teoría de Circuitos (baja frecuencia) Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Ingeniería Ingenieríade de Microondas Microondas 5 Aprox. óptica (Ing. Óptica) Tecnologías de circuitos integrados de microondas Circuitos integrados de microondas wEfectos propagativos (retardados) Líneas de transmisión Parámetros distribuidos (Δz << λ): Caracterización de la línea: wvA(t)=V(ω)cos(ωt+ϕ) wvB(t)=V(ω)cos(ωt-βl+ϕ) wfactor propagación: β=2π/λ 9 factores propagación y atenuación β.ω[LC]1/2 α.β(R/L+G/C)/2ω 9 longitud eléctrica: l/λ +d ,-λ Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G 9 impedancia característica: Zc=V(ω)/I(ω).[L/C]1/2 1 T 9 potencia: wUniones/discontinuidades E.M. 6 v (t )i(t )dt ∫ 0 T Modelado E.M. de discontinuidades Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) P= Circuito parámetros concentrados Análisis electromagnético riguroso Tecnologías de circuitos integrados de microondas Circuitos integrados de microondas wRadiación Potencia radiada Pérdidas por radiación 9 condiciona el diseño 9 blindaje conductor +d ,-λ Redes de Microondas Sistemas E.M. muy complejos ¾ T. de Circuitos: fuera de rango ¾ T. Líneas Trans.: insuficiente propagación + discont. +wAcoplo E.M. T. circuitos ondas guiadas 9 Circuito N-puertas Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G 9 Caracterización global de cada dispositivo: • V = [ Z (ω )] I I = [Y (ω ) ] V V = [ S (ω ) ] V - Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) + 7 matrices de impedancia, admitancia, scattering,… Circuito de microondas 9 Circuitos N-puertas interconectados Tecnologías de circuitos integrados de microondas Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas Tecnologías de Microondas Tecnología Electrónica (l.f.) Circuitos de gran tamaño E.M.: +d , - λ +d , << λ Efectos propagativos Acoplo E.M. entre líneas Sin retardo Elementos localizados Bloques básicos: Dispositivos estado sólido 9 diodos Schottky, PIN,… 9 transistor: BJT, FET, HEMT, HBT Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Dispositivos estado sólido 9 diodos, transistores,… Condensadores, inducciones, resistencias “Cableado” 9 Interconexiones entre dispositivos (con retardo) 9 Efectos capacitivos, inductivos,… 9 Componentes pasivos de Teoría de Circuitos microondas: Simplificación de Teoría E.M.: 9 Formulación V-I 9 Leyes de Kirchoff divisor de potencia, redes de adaptación, filtro, acoplador, desfasador, circulador,… 9 Filosofía propia de diseño Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Bloques básicos: Líneas de transmisión • Circuitos de pequeño tamaño electromagnético: 8 Caracterización de dispositivos Teoría de Sistemas Tecnologías de circuitos integrados de microondas Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas Tecnologías de Microondas Análisis E.M. Teoría “Campos de Microondas” T. Líneas Transmisión Teoría de Líneas de Transmisión 9 Ondas V-I; flujo de potencia 9 Parámetros de línea de trans. α+jβ, Z c, P Tec. MIC Teoría de Redes de Microondas 9 Teoría circuitos de ondas guiadas Análisis E.M. riguroso: Modelo discont. 9 Formulación campos E.M. 9 Ec. Maxwell + cond. contorno 9 Técnicas sofisticadas Herramientas Iμo Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G T. Redes Microondas Diseño asistido (CAD) 9 basado en análisis E.M. Analizador de red de microondas 9 experimentación Teoría electromagnética aplicada 9 análisis 9 modelos teóricos 9 exploración de nuevas vías Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 9 Tecnologías de circuitos integrados de microondas 3. Tecnologías integradas de microondas Tecnologías no integradas (1940s) líneas trans. planar Tecnologías MIC MPC integración en semiconductor (1951) Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G dispositivos de estado sólido Nuevas tecnologías nuevos dispositivos Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) HMIC (1955) avances en materiales rango de fruencias 10 Tecnología MMIC (1968) Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología no integrada (los precedentes) Establecimiento Teoría E.M. Predicciones (fines s. XIX): 9 Propagación E.M. (Maxwell) 9 Ondas guiadas (Rayleigh) Verificación experimental: 9 Leyes electrodinámicas (Hertz) 9 Radio-tecnología (Marconi) Comienzos de Iμo Propagación en guías de onda 9 Verificación experimental Southworth, Barrow, 1936 9 Transmisión sin pérdidas Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G • wguías de onda alta potencia bajas pérdidas dispositivos complejos ancho-banda limitado voluminosidad rigidez; no integrable Desarrollo del RADAR (1940) 9 Tecnología “no integrada” 9 Estructuras de guiado Teoría de campos de Microondas ¾ ligada a avances tecnológicos Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) wcable coaxial 11 bajas pérdidas gran ancho-banda calibrado de sist. tamaño reducible diseño restringido no integrable Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) wCircuitos impresos de microondas (MPC) Tecnología MPC Clave tecnológica: Strip-line 9 línea configuración planar • cable coaxial modificado planos wconductores sustrato tira conductora Circuitos MPC Componentes de microondas 9 secciones strip—line estructuras no dispersivas • mínimas pérdidas 9 dispositivos complejos • diseño electromagnético 9 versatilidad de diseño modo TEM Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G • divisor Propiedades MPC: acoplador filtro 9 miniaturizables; poco peso 9 fácil fabricación; bajo coste sustratos PTFE (Teflón) 9 disp. activos no integrados • Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Configuraciones strip—line 12 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) wCircuitos impresos de microondas (MPC) Aplicaciones MPC parches divisor de potencia acoplador Branch-line línea de retardo Filtro low-pass (strip-line) Microstrip (1952-53) Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Antena ranurada (strip-line) Línea de configuración planar Antena impresa (microstrip) tira conductora sustrato plano conductor 9 adaptación de línea “bifilar” Gama de MPCs 9 bloque básico: microstrip 9 pérdidas—radiación modo no-TEM Temas actuales Dispositivos y materiales 9 antena fractal; metamateriales Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 13 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) wCircuitos integrados de microondas híbridos (HMIC) Tecnología HMIC (claves) Sustrato (alúmina) Sustratos de alúmina (Al2O3) Dispositivos activos Iμo 9 reducción tamaño en BJT 9 desarrollo de FET (AsGa) • alta frecuencia; bajo ruido circuitería impresa Electromagnetismo Aplicado 9 análisis E.M. para CAD Circuitos HMIC componentes discretos Circuito impreso microondas 9 sustrato (alúmina, zafiro,…) difícil post-mecanización 9 líneas config. planar: • transmisión y adaptación • componentes pasivos Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G • Componentes discretos 9 adjuntos a comp. microondas • • condens., inductor, resist… dispositivos estado sólido Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 14 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) wCircuitos integrados de microondas híbridos (HMIC) circuitos simple—función Propiedades Alto grado de miniaturización ¾ sustratos de alta permitividad Producción a gran escala Gran nivel de integración 9 circuitos simple—función: oscilador, mezclador,… 9 módulos multifunción: • transceptor, sintetizador,… • Módulo sintetizador 12 GHz Procesos tecnología HMIC Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G filtro Thin—film (fotograbado) 9 repetibilidad, ancho espectro Thick—film (serigrafía) 9 baratos, espectro microondas LTCC (low-temp. cofired ceramic) 9 tecnología multicapa 9 alta integración 9 diseño muy “flexible” Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) DRO 20 GHz (LTCC) 15 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MMIC (Monolithic Microwave IC ) wCircuitos integrados de microondas monolíticos Concepto Amplificador 4 GHz Circuito de microondas 9 combinación de funciones 9 componentes activos y pasivos inductor Integración en semiconductor línea trans. CPW 9 fabricación in situ 9 combinación de técnicas (difusión, evaporación,…) Tecnología MMIC (claves) Tecnología semiconductores Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G 9 comportamiento a hiperfrec. 9 estandarización de procesos transitor MOS Evolución dispositivos activos 9 reducción de tamaño 9 respuesta a hiperfrecuencia Líneas de transmisión 9 tecnología coplanar Análisis E.M. riguroso 9 herramientas CAD 9 desarrollo nuevos dispositivos Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 16 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MMIC (Monolithic Microwave IC ) wCircuitos integrados de microondas monolíticos Hitos MMIC Inicio tecnológico (1964) 1986 1978 Si—BJT (no viable) Introducción del AsGa 9tecnología 9semicondutor/semiaislante 9evolución de disp. activos • • Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G diodos Schottky (1968) MESFETs (1976) Desarrollo AsGa (1980-95) 9prototipos de circuitos 9sofisticados análisis E.M. (CAD) 9producción industrial (>1987) .24 mm2 Mód. transmisor— receptor Amplificador una etapa (banda X) Líneas actuales 9nuevos dispositivos activos HEMTs, HBTs; tec. MOS 9nuevos materiales: InP; Si—Ge 9 “empaquetamiento” multicapa 9 antena activa integrada (AIA) • Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Mezclador 75—111GHz (HEMT de In—AsGa) 17 Tecnologías de circuitos integrados de microondas 4. Física Aplicada a Iμo Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Diversas áreas de la Física tienen relación directa con el desarrollo de la Ingeniería de microondas: Física de materiales Física de Estado Sólido Física Electrónica Electromagnetismo Aplicado … Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 18 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Física de materiales Investigación y desarrollo de materiales cerámicas y fibras de vidrio (sustratos) semiconductores ferrimagnéticos (ferritas) εeq < 0 μ eq < 0 9 dispositivos no recíprocos Metamateriales (LHM) Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G 9 inversión de propiedades E.M. • ley de Snell inversa,… • ondas de retroceso en líneas LH 9 artificiales; estructura periódica Tecnologías de materiales optimización de procesos miniaturización y compactación 9 nanotecnología circuito conmutador con diodo PIN en InGaAs/InP (94GHz) 9 tecnologías multicapas Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 19 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Física de Estado sólido y Física Electrónica Desarrollo de nuevos dispositivos de estado sólido transistor FET de alta movilidad de electrones (HEMT) transistor bipolar heterounión (HBT) tecnologías MOS MMIC con HEMT de AlGaN/GaN Nuevas combinaciones de semiconductores: AlGaN/GaN GaInP/GaAs Si—Ge Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Respuesta a frecuencias elevadas banda micrométrica (THz) frecuencias casi—ópticas Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) MMIC con HBT de GaInP/GaAs 20 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Electromagnetismo aplicado a Iμo Tareas fundamentales: Desarrollo técnicas de análisis 9 propósitos de CAD eficiencia computacional 9 investigación de nuevos dispositivos • líneas de transmisión LH • antenas activas integradas (MMIC) • antenas fractales (MIC) • Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G Modelado de dispositivos 9 basados en un previo análisis electromagnético resonador de orden cero basado en línea de transmisión LH (metamaterial) 900 μm Desarrollo de simuladores electromagnéticos 9 análisis y diseño de sistemas de gran complejidad Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Antena Integrada Activa (AIA) en MMIC 21 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Complejidad E.M. de los sistemas (M)MIC Estructuras de configuración planar multicapas: materiales diversos con amplio rango de espesores metalizaciones: líneas de transmisión y discontinuidades 9 varios niveles; grosor no despreciable Medios materiales cristales, cerámicas, fibras: isótropos (alúmina); anisótropos (PTFE,zafiro,…) semiconductores; medios “girotrópicos” (ferritas y semic. alta movilidad) conductores no ideales guía—onda estructura 3D discontinuidad integrada línea CPW Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G capas “finas” semiconductor alta movilidad ferrita líneas incrustadas “guía óptica” (LiNbO3) Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 22 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Electromagnetismo aplicado a Iμo Procedimiento Aplicación de la Teoría Electromagnética 9 modelos teóricos (simplificados) apropiados 9 Análisis riguroso: resolución de las ecuaciones de Maxwell… • … con multiples condiciones de contorno • Técnicas matemáticas muy sofisticadas 9 combinaciones de métodos analíticos y numéricos Método de momentos • Método de elementos finitos • … Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G • Experimentación y simulación 9 uso de sistemas de medida analizador de red • cámara anecoica • 9 software de simulación Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 23 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Bibliografía 1. R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering. McGraw—Hill, 1992 2. D. M. Pozar, Microwave Enguneering. Addison—Wesley, 1998. 3. A. A. Oliner, “Historical Perspectives on Microwave Field Theory”, IEEE 4. 5. Gó ómez, 2007 ® Gabriel Cano G 6. 7. 8. Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 1984 R. M. Barret, “Microwave Printed Circuits—The Early Years”, IEEE Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 1984 R. M. Barret, “Microwave Integrated Circuits—An Historical Perspective”, IEEE Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 1984 D. N. McQuiddy et al., “Monolithic Microwave Integrated Circuits—An Historical Perspective”, IEEE Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 1984 E. C. Niehenke et al., “Microwave and Millimeter—Wave Integrated Circuits”, IEEE Trans. MTT, vol. 50, n. 3. Sep. 2002 R. S. Pengelly et al., “Monolithic Broadband GaAs FET Amplifiers”, Electronics Letters, vol. 12, May. 1976 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 24 Tecnologías de circuitos integrados de microondas
