Tecnologías de circuitos integrados de microondas

Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Avances Recientes en Física
Aplicada a la Ingeniería (1011)
Gabriel Cano Gómez, 2011
Dpto. Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
1
Sumario
1. Aspectos generales
2. Ingeniería de Microondas (Io)
® Gabriel Cano Gómez, 2010
3. Tecnologías integradas de microondas
(evolución)
4. Física Aplicada a Io
Bibliografía y trabajos propuestos
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Dpto. Física Aplicada III (US)
2
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
1. Aspectos Generales
Microondas
Tipo
de ondas electromagnéticas
señales variables en el tiempo; de naturaleza ondulatoria
c=f 3108m/s
Rango de frecuencias: 300 MHz – 300 GHz
Rango de longitudes de onda: 1 m – 1 mm
Alta
frecuencia y pequeña longitud de onda:
Características
® Gabriel Cano Gómez, 2010
tecnológicas
ventajosas para determinadas aplicaciones
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
3
Propiedades de la banda de microondas
 Sistemas
de gran tamaño E.M.
 Antenas
de alta ganancia
 Objetos con gran área efectiva
de reflexión (RCS)
 Señales
de alta directividad, no
desviadas por la ionosfera:
+d ,-
® Gabriel Cano Gómez, 2010
1 canal TV
 Enlaces
vía satélite y terrestes
punto a punto
100 canales
TV
 Sistemas
banda
con gran ancho de
 Canales
de información con
alta capacidad
 Resonancias
moleculares,
atómicas y nucleares
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4
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Aplicaciones tecnológicas
Sistemas
 Sistemas
de
comunicaciones
 Emisiones
 Teledetección/localización
detección y vigilancia
control tráfico aéreo
de televisión

(UHF)
 Comunicaciones a larga
distancia
 radioenlaces telefonía,
datos, tv
 Telecomunicación
sin
cable (1.5 – 94 GHz)
 Navegación
® Gabriel Cano Gómez, 2010
automática
vehículos autodirigidos
sistemas anticolisión

Otras aplicaciones
 Climatología
radiometría atmosférica
 TV vía satélite (DBS)
 comunicaciones
personales (PCCs)
 redes locales (WLANS)
 sistemas GPS
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rádar
 Medicina
diagnóstico y tratamiento
 Investigación
científica
Física de partículas,…
Radioastronomía
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
5
2. Ingeniería de Microondas (Io)

Diseño y desarrollo de sistemas que operan con señales E.M. en
la banda de frecuencias 1100 GHz
Generación de señales: osciladores, tubos,…
 Guiado y procesado de señales: circuitos de microondas
 de guías de onda
 Integrados
 Emisión/recepción: antenas


Característica fundamental de sistemas Io:


(30 cm – 3 mm)
Técnicas y métodos propios: Electromagnetismo Aplicado

® Gabriel Cano Gómez, 2010
Tamaño físico similar a la longitud de onda
Extensibles a banda submilimétrica (ultramicroondas)
Teoría de Circuitos
(baja frecuencia)
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Ingeniería de
Microondas
6
Aprox. óptica
(Ing. Óptica)
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Circuitos integrados de microondas
Efectos propagativos (retardados)

1
Líneas de transmisión

Parámetros distribuidos (z << 

Caracterización de la línea:
vA(t)=V()cos(t+)
vB(t)=V()cos(tl+)
factor propagación: 
factores propagación y atenuación
.LC]1/2
+d ,-
.R/L+G/C)/2
longitud eléctrica: l/
® Gabriel Cano Gómez, 2010
impedancia característica:
potencia:
Uniones/discontinuidades E.M.

P

T 0
v (t )i(t )dt
Modelado E.M. de discontinuidades


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Zc=V()/I().L/C]1/2
1 T
Circuito parámetros concentrados
Análisis electromagnético riguroso
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integrados de microondas
7
Circuitos integrados de microondas
Radiación
 Potencia

2
radiada
Pérdidas por radiación
 condiciona el diseño
 blindaje conductor
+d ,-
 Redes

de Microondas
Sistemas E.M. muy complejos
 T. de Circuitos: fuera de rango
 T. Líneas Trans.: insuficiente

® Gabriel Cano Gómez, 2010
propagación + discont. +Acoplo E.M.
 Circuito N-puertas
 Caracterización global de
cada dispositivo:
 matrices de impedancia,
admitancia, scattering,…
V   Z ( )  I
I  Y ( )  V

Circuito de microondas
 Circuitos N-puertas
interconectados
V -   S ( )  V +
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T. circuitos ondas guiadas
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas 1
Tecnologías de Microondas

Circuitos de gran tamaño E.M.:
Tecnología Electrónica (l.f.)

+d , - 
Circuitos de pequeño tamaño
electromagnético:
+d , << 
Efectos propagativos
 Acoplo E.M. entre líneas


Bloques básicos:
Dispositivos estado sólido




 diodos Schottky, PIN,…
 transistor: BJT, FET, HEMT, HBT
® Gabriel Cano Gómez, 2010

 Componentes pasivos de
microondas:


Dispositivos estado sólido
 diodos, transistores,…
Condensadores, inducciones,
resistencias
 “Cableado”


Teoría de Circuitos

Simplificación de Teoría E.M.:
 Formulación V-I
 Leyes de Kirchoff
divisor de potencia, redes de
adaptación, filtro, acoplador,
desfasador, circulador,…

Filosofía propia de diseño
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Bloques básicos:

Líneas de transmisión
 Interconexiones entre dispositivos
(con retardo)
 Efectos capacitivos, inductivos,…
Sin retardo
Elementos localizados

Caracterización de dispositivos
Teoría de Sistemas
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
9
Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas 2
Tecnologías de Microondas
Teoría



“Campos de Microondas”
Teoría de Líneas de Transmisión
Ondas V-I; flujo de potencia
Parámetros de línea de trans.
Teoría de Redes de Microondas
Teoría circuitos de ondas guiadas
Análisis E.M. riguroso:
Formulación campos E.M.
Ec. Maxwell + cond. contorno
Técnicas sofisticadas
Herramientas
® Gabriel Cano Gómez, 2010

Análisis
E.M.
+j,
Zc, P
T. Líneas
Transmisión
Tec.
MIC
Modelo
discont.
T. Redes
Microondas
Io
Teoría electromagnética aplicada
análisis
modelos teóricos
exploración de nuevas vías

Diseño asistido (CAD)

Analizador de red de microondas
basado análisis E.M.
experimentación
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10
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)
® Gabriel Cano Gómez, 2010
dispositivos
de estado
sólido
Nuevas
tecnologías
nuevos
dispositivos
HMIC
(1955)
avances en
materiales
rango de
fruencias
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11
Tecnología
MMIC (1968)
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Tecnología no integrada (los precedentes)

Establecimiento Teoría E.M.

Predicciones (fines s. XIX):
Propagación E.M. (Maxwell)
Ondas guiadas (Rayleigh)

Verificación experimental:
Leyes electrodinámicas (Hertz)
Radio-tecnología (Marconi)

Comienzos de Io
® Gabriel Cano Gómez, 2010

Propagación en guías de onda
Verificación experimental
Southworth, Barrow, 1936
Transmisión sin pérdidas

Desarrollo del RADAR (1940)
Tecnología “no integrada”
Estructuras de guiado:
guías de onda; cable coaxial

Teoría de campos de Microondas
ligada a avances tecnológicos
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guías de onda
cable coaxial
 alta potencia
 bajas pérdidas
 dispositivos complejos
 ancho-banda limitado
 voluminosidad
 rigidez; no integrable
12
 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) 1
Circuitos impresos de microondas (MPC)

Tecnología MPC

Clave tecnológica: Strip-line
 línea configuración planar


sustrato
dieléctrico
cable coaxial modificado
tira conductora
Circuitos MPC

Componentes de microondas
 secciones strip—line
 estructuras no dispersivas
 mínimas pérdidas
 dispositivos complejos
 diseño electromagnético
 versatilidad de diseño
® Gabriel Cano Gómez, 2010
planos
conductores

Propiedades MPC:
modo TEM
divisor
 miniaturizables; poco peso
 fácil fabricación; bajo coste
 sustratos PTFE (Teflón)
 disp. activos no integrados
Avances Recientes en Física …
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filtro
acoplador
Configuraciones strip—line
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 2
Circuitos impresos de microondas (MPC)

Aplicaciones MPC
parches
divisor de potencia
acoplador
Branch-line
línea de
retardo
Filtro low-pass
(strip-line)

Microstrip (1952-53)

® Gabriel Cano Gómez, 2010
Antena ranurada (strip-line)
Línea de configuración planar
Antena impresa (microstrip)
tira conductora
sustrato
plano conductor
 adaptación de línea “bifilar”

Gama de MPCs
 bloque básico: microstrip
 pérdidas—radiación

modo no-TEM
Temas actuales

Dispositivos y materiales
 antena fractal; metamateriales
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 3
Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC)
Tecnología

HMIC (claves)
Dispositivos activos Io
reducción tamaño en BJT
desarrollo de FET (AsGa)
alta
frecuencia; bajo ruido
Sustratos de alúmina (Al2O3)
 Electromagnetismo Aplicado

Sustrato
(alúmina)
circuitería
impresa
análisis E.M. para CAD
Circuitos
® Gabriel Cano Gómez, 2010

HMIC
componentes discretos
Circuito impreso microondas
sustrato (alúmina, zafiro,…)
difícil post-mecanización
líneas config. planar:
transmisión y adaptación
componentes pasivos

Componentes discretos
adjuntos a comp. microondas
condens., inductor, resist…
dispositivos estado sólido
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
15
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 4
Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC)
circuitos simple—función
Propiedades

Alto grado de miniaturización
 sustratos de alta permitividad


Producción a gran escala
Gran nivel de integración
circuitos simple—función:
oscilador, mezclador,…
módulos multifunción:
transceptor, sintetizador,…
Procesos
® Gabriel Cano Gómez, 2010

filtro
Módulo sintetizador 12 GHz
tecnología HMIC
Thin—film (fotograbado)
repetibilidad, ancho espectro

Thick—film (serigrafía)
baratos, espectro microondas

LTCC (low-temp. cofired ceramic)
 tecnología multicapa
 alta integración
 diseño muy “flexible”
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
DRO 20 GHz (LTCC)
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Tecnología MMIC (Monolithic Microwave IC )
1
Circuitos integrados de microondas monolíticos
Sistema
MMIC
Circuito
Amplificador 4 GHz
de microondas
generación y procesado de señales
componentes activos y pasivos
Integración
en semiconductor
Tecnología
MMIC (claves)
inductor
línea trans.
CPW
fabricación in situ
combinación de técnicas (difusión,
evaporación,…)
Tecnologías
semiconductores
® Gabriel Cano Gómez, 2010
comportamiento a hiperfrec.
estandarización de procesos
Evolución
transitor MOS
dispositivos activos
reducción de tamaño
respuesta a hiperfrecuencia
Líneas
de transmisión
tecnología coplanar
Análisis
E.M. riguroso
herramientas CAD
desarrollo nuevos dispositivos
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
17
Tecnología MMIC (Monolithic Microwave IC )
2
Circuitos integrados de microondas monolíticos
 Hitos en el desarrollo de MMIC

1986
1978
Inicio tecnológico (1964)
tecnología Si—BJT (no viable)

Introducción del AsGa
semicondutor/semiaislante
evolución de disp. activos
 diodos Schottky (1968)
 MESFETs (1976)
® Gabriel Cano Gómez, 2010

Desarrollo AsGa (1980-95)
.24 mm2
Mód. transmisor—
receptor
Amplificador una
etapa (8—12 GHz)
prototipos de circuitos (1980-86)
sofisticados análisis E.M. (CAD)
producción industrial (>1987)

Líneas actuales
nuevos dispositivos activos
 HEMTs, HBTs; tec. MOS
nuevos materiales: InP; Si—Ge
 “empaquetamiento” multicapa
 antena activa integrada (AIA)
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
Mezclador 75—111GHz
(HEMT de In—AsGa)
18
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
4. Física Aplicada a Io
® Gabriel Cano Gómez, 2010

Áreas de la Física directamente relacionadas 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)
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
19
Física de materiales
Investigación
y desarrollo de
materiales
 cerámicas y fibras de vidrio
 semiconductores
 ferrimagnéticos (ferritas)
dispositivos no recíprocos
 Metamateriales
i

r
(LHM)
inversión de propiedades E.M.
artificiales; estructura periódica
 Nuevos
materiales: grafeno
® Gabriel Cano Gómez, 2010
lámina de átomos de carbono
Tecnologías
de materiales
 optimización de procesos
 miniaturización y compactación
nanotecnología
tecnologías multicapas
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
20
circuito conmutador con diodo PIN en
InGaAs/InP (94GHz)
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
 Transistor de grafeno


MMIC con HEMT de
AlGaN/GaN
Nuevas combinaciones de
semiconductores:
AlGaN/GaN
 GaInP/GaAs
 Si—Ge
® Gabriel Cano Gómez, 2010


Operaciones a frecuencias elevadas

banda micrométrica (THz)
 nueva generación de osciladores

frecuencias casi—ópticas
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
MMIC con HBT de GaInP/GaAs
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Electromagnetismo aplicado a Io
1
 Tareas
fundamentales:
 Desarrollo técnicas de análisis
propósitos de CAD
 eficiencia computacional
investigación de nuevos dispositivos
 líneas de transmisión LH
 ondas de retroceso,…
 antenas activas integradas (MMIC)
 antenas fractales (MIC)
® Gabriel Cano Gómez, 2010
 Modelado
resonador de orden cero basado en línea
de transmisión LH (metamaterial)
de dispositivos
basados en un previo análisis
electromagnético
900 m
 Desarrollo
de simuladores
electromagnéticos
análisis y diseño de sistemas de
gran complejidad
Avances Recientes en Física …
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Antena Integrada Activa (AIA) en MMIC
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Electromagnetismo aplicado a Io
2
“Complejidad electromagnética” de los sistemas (M)MIC

Estructuras de configuración planar
multicapas: materiales diversos con amplio rango de espesores
 metalizaciones: líneas de transmisión y discontinuidades

 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
® Gabriel Cano Gómez, 2010

capas “finas”
semiconductor alta movilidad
ferrita
líneas incrustadas
“guía óptica”
(LiNbO3)
Avances Recientes en Física …
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Electromagnetismo aplicado a Io
3
 Procedimiento
 Aplicación
de la Teoría Electromagnética
modelos teóricos (simplificados) apropiados:
 Teoría líneas de transmisión
 Teoría de circuitos de ondas guiadas
Análisis riguroso:
 obtención de soluciones a las ecuaciones de Maxwell
 múltiples condiciones de contorno
 Técnicas
matemáticas muy sofisticadas
combinaciones de métodos analíticos y numéricos
® Gabriel Cano Gómez, 2010
 Método de momentos
 Método de elementos finitos
 Experimentación
y simulación
uso de sistemas de medida
 analizador de red
 cámara anecoica
software de simulación
Avances Recientes en Física …
Dpto. Física Aplicada III (US)
24
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.
® Gabriel Cano Gómez, 2010
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)
25
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
Trabajos propuestos
 “Evolución histórica de las tecnologías de
circuitos integrados de microondas”
 “Materiales usados en las tecnologías híbrida y
® Gabriel Cano Gómez, 2010
monolítica (MIC y MMIC) de circuitos integrados
de microondas”
Avances Recientes en Física …
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26
Tecnologías de circuitos
integrados de microondas