Tecnologías de circuitos integrados de microondas Avances Recientes en Física Aplicada a la Ingeniería (1011) Gabriel Cano Gómez, 2011 Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla 1 Sumario 1. Aspectos generales 2. Ingeniería de Microondas (Io) ® Gabriel Cano Gómez, 2010 3. Tecnologías integradas de microondas (evolución) 4. Física Aplicada a Io Bibliografía y trabajos propuestos Avances Recientes en Física … 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 3108m/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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) rádar Medicina diagnóstico y tratamiento Investigación científica Física de partículas,… Radioastronomía Tecnologías de circuitos integrados de microondas 5 2. Ingeniería de Microondas (Io) Diseño y desarrollo de sistemas que operan con señales E.M. en la banda de frecuencias 1100 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 Io: (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) Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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(tl+) 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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) Zc=V()/I().L/C]1/2 1 T Circuito parámetros concentrados Análisis electromagnético riguroso Tecnologías de circuitos 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 + Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) T. circuitos ondas guiadas 8 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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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 Io Teoría electromagnética aplicada análisis modelos teóricos exploración de nuevas vías Diseño asistido (CAD) Analizador de red de microondas basado análisis E.M. experimentación Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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 Io ® 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 Avances Recientes en Física … Dpto. Física Aplicada III (US) 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 … Dpto. Física Aplicada III (US) filtro acoplador Configuraciones strip—line Tecnologías de circuitos integrados de microondas 13 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) 14 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 3 Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC) Tecnología HMIC (claves) Dispositivos activos Io 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) 16 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 Io ® 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 21 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Electromagnetismo aplicado a Io 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 … Dpto. Física Aplicada III (US) 22 Antena Integrada Activa (AIA) en MMIC Tecnologías de circuitos integrados de microondas Electromagnetismo aplicado a Io 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 … Dpto. Física Aplicada III (US) 23 Tecnologías de circuitos integrados de microondas Electromagnetismo aplicado a Io 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 … Dpto. Física Aplicada III (US) 26 Tecnologías de circuitos integrados de microondas