Evolución del downconverter 1 Evolución del downconverter I.Ramos-Perez 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: isaacramos@tsc.upc.edu) 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). 2 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 3 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.