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Tecnologías de circuitos integrados de microondas
Avances Recientes en Física Aplicada a la Ingeniería (1011)
Gabriel Cano Gómez, 2011Dpto. Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
Tecnologías de circuitos integrados de microondas
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Avances Recientes en Física …Dpto. Física Aplicada III (US) 2
Sumario
1. Aspectos generales
2. Ingeniería de Microondas (Io)
3. Tecnologías integradas de microondas (evolución)
4. Física Aplicada a Io
Bibliografía y trabajos propuestos
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1. Aspectos GeneralesMicroondasTipo de ondas electromagnéticasseñales variables en el tiempo; de naturaleza ondulatoria
Alta frecuencia y pequeña longitud de onda: c=fRango de frecuencias: 300 MHz – 300 GHz
Rango de longitudes de onda: 1 m – 1 mmCaracterísticas ventajosas para determinadas aplicaciones tecnológicas
3108m/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 terrestes
punto a punto
Sistemas con gran ancho de bandaCanales de información con
alta capacidad
Resonancias moleculares, atómicas y nucleares
+d ,-
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 rádarTeledetección/localización
detección y vigilanciacontrol tráfico aéreo
Navegación automáticavehículos autodirigidossistemas anticolisión
Otras aplicacionesClimatologíaradiometría atmosférica
Medicinadiagnóstico y tratamiento
Investigación científicaFísica de partículas,… Radioastronomía
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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:
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 1 Líneas de transmisión
Parámetros distribuidos (z <<
Caracterización de la línea:factores propagación y atenuación
longitud eléctrica: l/impedancia característica:
potencia:
Modelado E.M. de discontinuidades Circuito parámetros concentrados Análisis electromagnético riguroso
+d ,-
Uniones/discontinuidades E.M.
Efectos propagativos (retardados)
vA(t)=V()cos(t+)
vB(t)=V()cos(tl+)
factor propagación:
.LC]1/2 .R/L+G/C)/2
Zc=V()/I().L/C]1/2
0
1( ) ( )
T
TP t t dt v i
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Circuitos integrados de microondas 2
Redes de Microondas Sistemas E.M. muy complejosT. 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 radiada Pérdidas por radiación
condiciona el diseñoblindaje conductor
Radiación
+d ,-
( )
( )
( )
Z
Y
S
+-
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 retardo Elementos localizados
Bloques básicos: Dispositivos estado sólido diodos, transistores,…
Condensadores, inducciones, resistencias
“Cableado”
Teoría de Circuitos Simplificación de Teoría E.M.: Formulación V-ILeyes de Kirchoff
Caracterización de dispositivos Teoría de Sistemas
Tecnologías de Microondas Circuitos de gran tamaño E.M.:
Efectos propagativos Acoplo 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 , << +d , -
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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 Io Teoría electromagnética aplicadaanálisismodelos teóricosexploración de nuevas vías
Diseño asistido (CAD)basado análisis E.M.
Analizador de red de microondasexperimentación
T. RedesMicroondas
T. LíneasTransmisión
Modelo discont.
+j,
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 Io Propagación en guías de ondaVerificación experimental
Southworth, Barrow, 1936Transmisión sin pérdidas
Desarrollo del RADAR (1940)Tecnología “no integrada” Estructuras de guiado:
guías 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 MPC Clave tecnológica: Strip-linelínea configuración planar
cable coaxial modificado
Circuitos MPC Componentes de microondas
secciones strip—line estructuras no dispersivas mínimas pérdidas
dispositivos complejos diseño electromagnético
versatilidad de diseño
Propiedades MPC:miniaturizables; poco peso fácil fabricación; bajo coste
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 planaradaptación de línea “bifilar”
Gama de MPCsbloque básico: microstrip pérdidas—radiación
Temas actuales Dispositivos y materialesantena 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 Ioreducción tamaño en BJTdesarrollo de FET (AsGa)
alta frecuencia; bajo ruido Sustratos de alúmina (Al2O3) Electromagnetismo Aplicadoanálisis E.M. para CAD
Circuitos HMIC Circuito impreso microondassustrato (alúmina, zafiro,…)
difícil post-mecanizaciónlíneas config. planar:
transmisión y adaptacióncomponentes pasivos
Componentes discretosadjuntos a comp. microondas
condens., inductor, resist…dispositivos estado sólido
Circuitos integrados de microondas híbridos (HMIC)
Sustrato (alúmina)
componentes discretos
circuitería impresa
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Tecnología MIC (Microwave Integrated Circuits) 4
Propiedades Alto grado de miniaturización sustratos de alta permitividad
Producción a gran escala Gran nivel de integracióncircuitos simple—función:
oscilador, mezclador,…módulos multifunción:
transceptor, sintetizador,…
Procesos 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”
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 microondasgeneración y procesado de señalescomponentes activos y pasivos
Integración en semiconductorfabricación in situcombinación de técnicas (difusión, evaporación,…)
Tecnología MMIC (claves)Tecnologías semiconductorescomportamiento 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 MMIC Inicio 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” multicapa antena 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 Io
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 semiconductores ferrimagnéticos (ferritas)dispositivos no recíprocos
Metamateriales (LHM)inversión de propiedades E.M.artificiales; estructura periódica
Nuevos materiales: grafenolámina de átomos de carbono
Tecnologías de materialesoptimización de procesosminiaturización y compactaciónnanotecnologíatecnologías multicapas
circuito conmutador con diodo PIN en InGaAs/InP (94GHz)
i
r
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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 Transistor de grafeno
Nuevas combinaciones de semiconductores: AlGaN/GaN GaInP/GaAs Si—Ge
Operaciones a frecuencias elevadas banda 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 Io 1Tareas fundamentales:
Desarrollo técnicas de análisispropósitos de CADeficiencia computacional
investigación de nuevos dispositivos líneas de transmisión LH ondas de retroceso,…
antenas activas integradas (MMIC)antenas fractales (MIC)
Modelado de dispositivosbasados en un previo análisis electromagnético
Desarrollo de simuladores electromagnéticosanálisis y diseño de sistemas de gran complejidad Antena Integrada Activa (AIA) en MMIC
900 m
resonador de orden cero basado en línea de transmisión LH (metamaterial)
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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
semiconductor alta movilidad
ferrita
“guía óptica” (LiNbO3)
capas “finas”
estructura 3Dlínea CPW
discontinuidad
líneas incrustadas
guía—onda integrada
“Complejidad electromagnética” de los sistemas (M)MIC
Electromagnetismo aplicado a Io 2
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Electromagnetismo aplicado a Io 3Procedimiento
Aplicación de la Teoría Electromagnéticamodelos 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”