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Tecnologías de circuitos integrados de microondas
Avances Recientes en Física Aplicada a la Ingeniería (09−10)
Gabriel Cano Gómez, 2010Dpto. Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
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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
Tipo de ondas electromagnéticasseñales variables en el tiempo; de naturaleza ondulatoria
Alta frecuencia y pequeña longitud de onda: c=λ fRango de frecuencias: 300 MHz – 300 GHz
Rango de longitudes de onda: 1 m – 1 mmCaracterísticas ventajosas para determinadas aplicaciones
tecnológicas
≈3×108m/s
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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 microondas 1Líneas 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 2
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:
o matrices de impedancia, admitancia, scattering,…
Circuito de microondasCircuitos N-puertas interconectados
Potencia radiadaPérdidas por radiación
condiciona el diseñoblindaje conductor
Radiación
+d ,-λ
[ ][ ][ ]
( )
( )
( )
Z
Y
S
ω
ω
ω
=
=
= +-
V I
I V
V V
propagación + discont. + Acoplo E.M.
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Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas 1
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:
o divisor de potencia, redes de adaptación, filtro, acoplador, desfasador, circulador,…
Filosofía propia de diseño
+d , << λ+d , -λ
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Peculiaridades de las Tecnologías de Microondas 2
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 experimentaloSouthworth, Barrow, 1936
Transmisión sin pérdidasDesarrollo del RADAR (1940)
Tecnología “no integrada”Estructuras de guiado:oguías de onda; cable coaxial
Teoría de campos de Microondasligada a avances tecnológicos
alta potencia
bajas pérdidas
dispositivos complejos
ancho-banda limitado
voluminosidad
rigidez; no integrable
bajas pérdidas
gran ancho-banda
calibrado de sist.
tamaño reducible
diseño restringido
no integrable
Tecnología no integrada (los precedentes)
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Tecnología MPCClave tecnológica: Strip-line
línea configuración planaro cable coaxial modificado
Circuitos MPCComponentes de microondas
secciones strip—lineo estructuras no dispersivaso mínimas pérdidas
dispositivos complejoso diseño electromagnético
versatilidad de diseño
Propiedades MPC:miniaturizables; poco pesofácil fabricación; bajo coste
o sustratos PTFE (Teflón)disp. activos no integrados
Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 1Circuitos impresos de microondas (MPC)
tira conductora
planos
conductores
divisor acoplador filtro
Configuraciones strip—line
modo TEM
sustrato dieléctrico
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 2
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) 3
Tecnología HMIC (claves)Dispositivos activos Iμo
reducción tamaño en BJTdesarrollo de FET (AsGa)oalta frecuencia; bajo ruido
Sustratos de alúmina (Al2O3)Electromagnetismo Aplicado
análisis E.M. para CADCircuitos HMIC
Circuito impreso microondassustrato (alúmina, zafiro,…)odifícil post-mecanización
líneas config. planar:otransmisión y adaptaciónocomponentes pasivos
Componentes discretosadjuntos a comp. microondasocondens., inductor, resist…odispositivos estado sólido
Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC)
Sustrato (alúmina)
componentes discretos
circuiteríaimpresa
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 4
PropiedadesAlto grado de miniaturización
sustratos de alta permitividadProducción a gran escala Gran nivel de integración
circuitos simple—función:ooscilador, mezclador,…
módulos multifunción:otransceptor, 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 ) 1
Sistema MMICCircuito de microondas
generación y procesado de señalescomponentes 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. activoso diodos Schottky (1968)o MESFETs (1976)
Desarrollo AsGa (1980-95)prototipos de circuitos (1980-86)sofisticados análisis E.M. (CAD)producción industrial (>1987)
Líneas actualesnuevos dispositivos activoso HEMTs, HBTs; tec. MOS
nuevos 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 ) 2Circuitos 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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Física de materialesInvestigación y desarrollo de materiales
cerámicas y fibras de vidrio semiconductoresferrimagnéticos (ferritas)
dispositivos no recíprocosMetamateriales (LHM)
inversión de propiedades E.M.artificiales; estructura periódica
Nuevos materiales: grafenolámina de átomos de carbono
Tecnologías de materialesoptimización de procesosminiaturización y compactación
nanotecnologíatecnologías multicapas
circuito conmutador con diodo PIN en InGaAs/InP (94GHz)
θi
−θr
ε<0
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Desarrollo de nuevos dispositivos de estado sólido
transistor FET de alta movilidad de electrones (HEMT)transistor bipolar heterounión (HBT)tecnologías MOSTransistor de grafeno
Nuevas combinaciones de semiconductores:
AlGaN/GaNGaInP/GaAsSi—Ge
Operaciones a frecuencias elevadasbanda micrométrica (THz)
nueva generación de osciladores
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 Iμo 1Tareas fundamentales:
Desarrollo técnicas de análisispropósitos de CADoeficiencia computacional
investigación de nuevos dispositivoso líneas de transmisión LH
ondas de retroceso,…oantenas activas integradas (MMIC)oantenas 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 movilidad
ferrita
“guía óptica”(LiNbO3)
capas “finas”
estructura 3Dlínea CPW
discontinuidad
líneas incrustadas
guía—ondaintegrada
“Complejidad electromagnética” de los sistemas (M)MIC
Electromagnetismo aplicado a Iμo 2
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Electromagnetismo aplicado a Iμo 3Procedimiento
Aplicación de la Teoría Electromagnéticamodelos teóricos (simplificados) apropiados:
o Teoría líneas de transmisióno Teoría de circuitos de ondas guiadas
Análisis riguroso:o obtención de soluciones a las ecuaciones de Maxwello múltiples condiciones de contorno
Técnicas matemáticas muy sofisticadascombinaciones de métodos analíticos y numéricos
o Método de momentoso Método de elementos finitos
Experimentación y simulaciónuso de sistemas de medida
o analizador de redo cámara anecoica
software de simulación
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Bibliografía
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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”