Tecnologías de circuitos integrados de microondas · Redes de Microondas ... Dispositivos y...
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Tecnologías de circuitos integrados de microondas
Avances Recientes en Física Aplicada a la Ingeniería (07−08)
Gabriel Cano Gómez, 2008Dpto. Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
Avances Recientes en Física …Dpto. Física Aplicada III (US) 2
Tecnologías de circuitos integrados de microondas
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Sumario
1. Aspectos generales
2. Ingeniería de Microondas (Iμo)
3. Tecnologías integradas de microondas (evolución)
4. Física Aplicada a Iμo
Bibliografía y trabajos propuestos
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1. Aspectos GeneralesMicroondas
Señales electromagnéticas variables en el tiempo
Alta frecuencia y pequeña longitud de onda: c=λ fRango de frecuencias: 300 MHz – 300 GHzRango de longitudes de onda: 1 m – 1 mm
Características ventajosas para determinadas aplicaciones tecnológicas
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Propiedades de la banda de microondas Sistemas de gran tamaño E.M.
Antenas de alta gananciaObjetos con gran área efectiva de reflexión (RCS)
Señales de alta directividad, no desviadas por la ionosfera:
Enlaces vía satélite y terrestespunto a punto
Sistemas con gran ancho de banda
Canales de información con alta capacidad
Resonancias moleculares, atómicas y nucleares
+d ,-λ
1 canal TV 100 canales TV
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Sistemas de comunicaciones
Emisiones de televisión (UHF)Comunicaciones a larga distancia
radioenlaces telefonía, datos, tv
Telecomunicación sin cable (1.5 – 94 GHz)
TV vía satélite (DBS)comunicaciones personales (PCCs)redes locales (WLANS)sistemas GPS
Aplicaciones tecnológicasSistemas rádar
Teledetección/localizacióndetección y vigilanciacontrol tráfico aéreo
Navegación automáticavehículos autodirigidossistemas anticolisión
Otras aplicacionesClimatología
radiometría atmosférica
Medicinadiagnóstico y tratamiento
Investigación científicaFísica de partículas,…Radioastronomía
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2. Ingeniería de Microondas (Iμo)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 ondaIntegrados
Emisión/recepción: antenasCaracterística fundamental de sistemas Iμo:
Tamaño físico similar a la longitud de onda (30 cm – 3 mm)Técnicas y métodos propios: Electromagnetismo Aplicado
Extensibles a banda submilimétrica (ultramicroondas)
Ingeniería de
Microondas
Ingeniería de
MicroondasAprox. óptica(Ing. Óptica)
Teoría de Circuitos
(baja frecuencia)
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Circuitos integrados de microondasLíneas de transmisión
Parámetros distribuidos (Δz << λ):
Caracterización de la línea:factores propagación y atenuación
longitud eléctrica: l/λimpedancia característica:
potencia:
Modelado E.M. de discontinuidadesCircuito parámetros concentradosAnálisis electromagnético riguroso
+d ,-λ
Uniones/discontinuidades E.M.
Efectos propagativos (retardados)
vA(t)=V(ω)cos(ωt+ϕ)
vB(t)=V(ω)cos(ωt-βl+ϕ)
factor propagación: β=2π/λ
β.ω[LC]1/2 α.β(R/L+G/C)/2ω
Zc=V(ω)/I(ω).[L/C]1/2
0
1 ( ) ( )T
TP t t dt= ∫ v i
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Circuitos integrados de microondas
Redes de MicroondasSistemas E.M. muy complejos
T. de Circuitos: fuera de rangoT. Líneas Trans.: insuficiente
T. circuitos ondas guiadasCircuito N-puertasCaracterización global de cada dispositivo:
• matrices de impedancia, admitancia, scattering,…
Circuito de microondasCircuitos N-puertas interconectados
Potencia radiadaPérdidas por radiación
condiciona el diseñoblindaje conductor
Acoplo E.M.
Radiación
+d ,-λ
[ ][ ][ ]
( )
( )
( )
Z
Y
S
ω
ω
ω
=
=
= +-
V I
I V
V V
propagación + discont. +
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08Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas
Tecnología Electrónica (l.f.)
Circuitos de pequeño tamaño electromagnético:
Sin retardoElementos localizados
Bloques básicos:Dispositivos estado sólido
diodos, transistores,…Condensadores, inducciones, resistencias“Cableado”
Teoría de CircuitosSimplificación de Teoría E.M.:
Formulación V-ILeyes de Kirchoff
Caracterización de dispositivosTeoría de Sistemas
Tecnologías de MicroondasCircuitos de gran tamaño E.M.:
Efectos propagativosAcoplo E.M. entre líneas
Bloques básicos:Dispositivos estado sólido
diodos Schottky, PIN,…transistor: BJT, FET, HEMT, HBT
Líneas de transmisión Interconexiones entre dispositivos (con retardo)Efectos capacitivos, inductivos,…
Componentes pasivos de microondas:
• divisor de potencia, redes de adaptación, filtro, acoplador, desfasador, circulador,…
Filosofía propia de diseño
+d , << λ+d , -λ
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08Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas
Tecnologías de Microondas
Teoría “Campos de Microondas”
Teoría de Líneas de TransmisiónOndas V-I; flujo de potenciaParámetros de línea de trans.
Teoría de Redes de MicroondasTeoría circuitos de ondas guiadas
Análisis E.M. riguroso:Formulación campos E.M.Ec. Maxwell + cond. contornoTécnicas sofisticadas
Herramientas IμoTeoría electromagnética aplicada
análisismodelos teóricosexploración de nuevas vías
Diseño asistido (CAD)basado análisis E.M.
Analizador de red de microondasexperimentación
T. RedesMicroondas
T. LíneasTransmisión
Modelo discont.
α+jβ,Zc, P
Tec.MIC
Análisis E.M.
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HMIC(1955)
avances en materiales
nuevos dispositivos
rango de fruencias
3. Tecnologías integradas de microondas
Tecnologías no integradas
(1940s)
líneas trans. planar Tecnologías
MIC
TecnologíaMMIC (1968)
dispositivos de estado
sólido
integración en semiconductor
Nuevastecnologías
MPC(1951)
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cable coaxialguías de onda
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 IμoPropagación en guías de onda
Verificación experimental•Southworth, Barrow, 1936
Transmisión sin pérdidasDesarrollo del RADAR (1940)
Tecnología “no integrada”Estructuras de guiado:
•guías de onda; cable coaxialTeoría de campos de Microondas
ligada a avances tecnológicos
alta potenciabajas pérdidasdispositivos complejosancho-banda limitadovoluminosidadrigidez; no integrable
bajas pérdidasgran ancho-bandacalibrado de sist. tamaño reduciblediseño restringidono integrable
Tecnología no integrada (los precedentes)
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Tecnología MPCClave tecnológica: Strip-line
línea configuración planar• cable coaxial modificado
Circuitos MPCComponentes de microondas
secciones strip—line• estructuras no dispersivas• mínimas pérdidas
dispositivos complejos• diseño electromagnético
versatilidad de diseño
Propiedades MPC:miniaturizables; poco pesofácil fabricación; bajo coste
• sustratos PTFE (Teflón)disp. activos no integrados
Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits)Circuitos impresos de microondas (MPC)
tira conductorasustrato
planosconductores
divisor acoplador filtro
Configuraciones strip—line
modo TEM
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits)
Microstrip (1952-53)Línea de configuración planar
adaptación de línea “bifilar”Gama de MPCs
bloque básico: microstrippérdidas—radiación
Temas actualesDispositivos y materiales
antena fractal; metamateriales
Circuitos impresos de microondas (MPC)
tira conductorasustrato
plano conductor
modo no-TEM
Aplicaciones MPC
Filtro low-pass (strip-line) Antena ranurada (strip-line)
divisor de potencia
Antena impresa (microstrip)
parches
acoplador Branch-line
línea de retardo
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits)
Tecnología HMIC (claves)Dispositivos activos Iμo
reducción tamaño en BJTdesarrollo de FET (AsGa)
•alta frecuencia; bajo ruidoSustratos de alúmina (Al2O3)Electromagnetismo Aplicado
análisis E.M. para CADCircuitos HMIC
Circuito impreso microondassustrato (alúmina, zafiro,…)
•difícil post-mecanizaciónlíneas config. planar:
•transmisión y adaptación•componentes pasivos
Componentes discretosadjuntos a comp. microondas
•condens., inductor, resist…•dispositivos estado sólido
Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC)Sustrato
(alúmina)
componentes discretos
circuiteríaimpresa
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits)
PropiedadesAlto grado de miniaturización
sustratos de alta permitividadProducción a gran escala Gran nivel de integración
circuitos simple—función:•oscilador, mezclador,…
módulos multifunción:•transceptor, sintetizador,…
Procesos tecnología HMICThin—film (fotograbado)
repetibilidad, ancho espectroThick—film (serigrafía)
baratos, espectro microondasLTCC (low-temp. cofired ceramic)
tecnología multicapaalta integracióndiseño muy “flexible”
Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC)
Módulo sintetizador 12 GHz
filtro
circuitos simple—función
DRO 20 GHz (LTCC)
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Tecnología MMIC (Monolithic Microwave IC )
ConceptoCircuito de microondas
combinación de funcionescomponentes activos y pasivos
Integración en semiconductorfabricación in situcombinación de técnicas (difusión, evaporación,…)
Tecnología MMIC (claves)Tecnologías semiconductores
comportamiento a hiperfrec.estandarización de procesos
Evolución dispositivos activosreducción de tamañorespuesta a hiperfrecuencia
Líneas de transmisióntecnología coplanar
Análisis E.M. rigurosoherramientas CADdesarrollo nuevos dispositivos
Circuitos integrados de microondas monolíticosAmplificador 4 GHz
inductor
transitor MOS
línea trans. CPW
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Hitos en el desarrollo de MMICInicio tecnológico (1964)
tecnología Si—BJT (no viable)
Introducción del AsGasemicondutor/semiaislanteevolución de disp. activos
• diodos Schottky (1968)• MESFETs (1976)
Desarrollo AsGa (1980-95)prototipos de circuitos (1980-86)sofisticados análisis E.M. (CAD)producción industrial (>1987)
Líneas actualesnuevos dispositivos activos
• HEMTs, HBTs; tec. MOSnuevos materiales: InP; Si—Ge“empaquetamiento” multicapaantena activa integrada (AIA)
.24 mm2
1986
Mód. transmisor—receptor
1978
Amplificador una etapa (8—12 GHz)
Mezclador 75—111GHz
(HEMT de In—AsGa)
Tecnología MMIC (Monolithic Microwave IC )Circuitos integrados de microondas monolíticos
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4. Física Aplicada a Iμo
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
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08Física de materialesInvestigación y desarrollo de materiales
cerámicas y fibras de vidrio (sustratos) semiconductoresferrimagnéticos (ferritas)
dispositivos no recíprocos
Metamateriales (LHM)inversión de propiedades E.M.• ley de Snell inversa,…• ondas de retroceso en líneas LH
artificiales; estructura periódica
Tecnologías de materialesoptimización de procesosminiaturización y compactación
nanotecnologíatecnologías multicapas
0eq
eq
ε < 0μ <
circuito conmutador con diodo PIN en InGaAs/InP (94GHz)
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Desarrollo de nuevos dispositivos de estado sólido
transistor FET de alta movilidad de electrones (HEMT)transistor bipolar heterounión (HBT)tecnologías MOS
Nuevas combinaciones de semiconductores:
AlGaN/GaNGaInP/GaAsSi—Ge
Respuesta a frecuencias elevadasbanda micrométrica (THz)frecuencias casi—ópticas
Física de Estado sólido y Física Electrónica
MMIC con HBT de GaInP/GaAs
MMIC con HEMT de AlGaN/GaN
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Electromagnetismo aplicado a IμoTareas fundamentales:
Desarrollo técnicas de análisispropósitos de CAD• eficiencia computacional
investigación de nuevos dispositivos• líneas de transmisión LH• antenas activas integradas (MMIC)• antenas fractales (MIC)
Modelado de dispositivosbasados en un previo análisis electromagnético
Desarrollo de simuladores electromagnéticos
análisis y diseño de sistemas de gran complejidad
Antena Integrada Activa (AIA) en MMIC
900 μm
resonador de orden cero basado en línea de transmisión LH (metamaterial)
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Estructuras de configuración planarmulticapas: materiales diversos con amplio rango de espesoresmetalizaciones: líneas de transmisión y discontinuidades
varios niveles; grosor no despreciable
Medios materialescristales, cerámicas, fibras: isótropos (alúmina); anisótropos (PTFE,zafiro,…)semiconductores; medios “girotrópicos” (ferritas y semic. alta movilidad)conductores no ideales
semiconductor alta movilidadferrita
“guía óptica”(LiNbO3)
capas “finas”
estructura 3Dlínea CPW
discontinuidad
líneas incrustadas
guía—ondaintegrada
“Complejidad electromagnética” de los sistemas (M)MIC
Electromagnetismo aplicado a Iμo
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08Electromagnetismo aplicado a Iμo
ProcedimientoAplicación 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 sofisticadascombinaciones de métodos analíticos y numéricos
• Método de momentos• Método de elementos finitos
Experimentación y simulaciónuso de sistemas de medida
• analizador de red• cámara anecoica
software de simulación
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Bibliografía
1. R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering. McGraw—Hill, 19922. D. M. Pozar, Microwave Enguneering. Addison—Wesley, 1998.3. A. A. Oliner, “Historical Perspectives on Microwave Field Theory”, IEEE
Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 19844. R. M. Barret, “Microwave Printed Circuits—The Early Years”, IEEE Trans.
MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 19845. R. M. Barret, “Microwave Integrated Circuits—An Historical Perspective”,
IEEE Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 19846. D. N. McQuiddy et al., “Monolithic Microwave Integrated Circuits—An
Historical Perspective”, IEEE Trans. MTT, vol. 32, n. 9. Sep. 19847. E. C. Niehenke et al., “Microwave and Millimeter—Wave Integrated Circuits”,
IEEE Trans. MTT, vol. 50, n. 3. Sep. 20028. R. S. Pengelly et al., “Monolithic Broadband GaAs FET Amplifiers”,
Electronics Letters, vol. 12, May. 1976
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Trabajos propuestos
• “Evolución histórica de las tecnologías de circuitos integrados de microondas”
• “Materiales usados en las tecnologías híbrida y monolítica (MIC y MMIC) de circuitos integrados de microondas”