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
-
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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
ƒ alta potencia
ƒ bajas pérdidas
ƒ dispositivos complejos
ƒ ancho-banda limitado
ƒ voluminosidad
ƒ 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
ƒ bajas pérdidas
ƒ gran ancho-banda
ƒ calibrado de sist.
ƒ tamaño reducible
ƒ diseño restringido
ƒ 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)
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Tecnologías de circuitos
integrados de microondas
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