Diseño y Realización de una placa de evaluación para...

Universidad de Sevilla Escuela Superior de Ingenieros

Ingeniero de Telecomunicación

Proyecto Fin de Carrera

Diseño y Realización de una placa de evaluación para un circuito

MMIC a 5 GHz

Autor: Kamal MGAHRA ISMAEL Tutor: Luis Javier Reina Tosina

Octubre 2006

Con todo mi cariño a mis padres y

hermanos por su apoyo incondicional

Diseño y Realización de una placa de evaluación para un circuito MMIC a 5 GHz

Índice:

I. Introducción.................................................................................................. 1

1. Objetivos................................................................................................... 3

2. Estructura.................................................................................................. 3

II. Tecnología MMIC y circuito evaluado ........................................................ 5

1. Generalidades sobre la tecnología MMIC................................................ 5

1.1. Definición de la tecnología MMIC................................................... 5

1.2. Breve historia de la tecnología MMIC ............................................. 5

1.3. Ventajas y desventajas de los MMIC ............................................... 6

1.4. Aplicaciones ..................................................................................... 8

1.5. Tecnologías MMIC .......................................................................... 9

2. Introducción al circuito MMIC evaluado ............................................... 10

2.1. El amplificador lineal de potencia .................................................. 11

2.2. El conmutador de antena ................................................................ 12

III. Proceso de diseño de la placa ................................................................. 15

1. El Software de diseño............................................................................. 15

2. Diseño de la placa................................................................................... 15

2.1. El entorno de trabajo ...................................................................... 16

2.2. Componentes de la placa ................................................................ 20

a) El encapsulado del circuito............................................................. 20

b) Conectores ...................................................................................... 23

c) Condensadores................................................................................ 24

2.3. Footprints (Huellas)........................................................................ 26

a) Footprint del encapsulado............................................................... 26

b) Footprints de los conectores ........................................................... 27

c) Layout de los Condensadores ......................................................... 29

2.4. Interconexión entre componentes................................................... 30

a) Via Holes ........................................................................................ 35

3. Diseño obtenido...................................................................................... 36

IV. Fabricación y montaje de la placa .......................................................... 38

Diseño y Realización de una placa de evaluación para un circuito MMIC a 5 GHz

1. Fabricación de la placa ........................................................................... 38

1.1. Exportación de los ficheros ADS ................................................... 39

1.2. El programa CircuitCAM ............................................................... 44

1.3. Control de la fabricación con BoardMaster.................................... 48

1.4. Resultado de la fabricación ............................................................ 52

2. Montaje de la placa................................................................................. 52

V. Resultados................................................................................................... 54

1. Pérdidas debidas a los cables.................................................................. 55

2. Resultados del amplificador ................................................................... 56

2.1. Con el analizador de espectros ....................................................... 56

2.2. Con el analizador de red ................................................................. 59

3. Resultados del conmutador de antena .................................................... 63

3.1. Con el analizador de espectros ....................................................... 63

3.2. Con el analizador de red ................................................................. 65

VI. Conclusiones y líneas futuras de avance ................................................ 69

1. Conclusiones........................................................................................... 69

2. Líneas futuras de avance......................................................................... 70

VII. Resumen ................................................................................................. 71

VIII. Bibliografía............................................................................................. 72

I. Introducción

- 1 -

I. Introducción Últimamente hemos asistido a un espectacular crecimiento del mercado de las

comunicaciones inalámbricas y móviles, las cuales han llegado a introducirse en la

sociedad como algo cotidiano e imprescindible. Por lo cual, la investigación en nuevas

tecnologías continua siendo imparable, haciéndose necesarios equipos cada vez más

compactos, de menor consumo; y teniendo en cuenta la escasez del espectro

radioeléctrico a la que deben hacer frente los futuros sistemas de comunicaciones

móviles, las nuevas tecnologías deben explorar nuevas bandas de frecuencias, y

aprovechar más eficientemente el espectro. Precisamente el uso de las bandas de

microondas y ondas milimétricas para comunicaciones inalámbricas en redes

comerciales públicas es uno de los temas que está siendo especialmente activo como

objeto de investigación en la actualidad, si bien no han sido completamente explotadas

en los sistemas inalámbricos. El aprovechamiento de estas frecuencias añade a la

disponibilidad de espectro radioeléctrico, las ventajas de transmitir potencialmente

señales de banda más ancha, una cobertura suficiente en interiores, y finalmente, una

tecnología que permite la construcción e integración de antenas y componentes con la

consiguiente reducción del tamaño de los sistemas. Como contrapartida, la tecnología

de transmisores y receptores de microondas no está completamente madura y su

perfeccionamiento requiere un considerable esfuerzo en las primeras etapas de su

desarrollo.

En estos momentos la tecnología asociada a la banda de 2.5 GHz está

desarrollada comercialmente debido a la previsible saturación de la banda más baja en

aplicaciones con gran potencial de crecimiento económico como son los sistemas de

comunicaciones personales PCS y las redes de área local inalámbricas WLAN. No es

muy arriesgado pronosticar que habría un desarrollo importante de circuitos, equipos y

sistemas inalámbricos trabajando en la banda de 5 GHz, por lo que se justifica

plenamente un esfuerzo en el diseño tecnológico de estos subsistemas por parte de la

comunidad científica.

I. Introducción

- 2 -

Las ventajas de la banda 5 GHz son fundamentalmente dos, por un lado es en

estos momentos una banda que no ha sido monopolizada comercialmente por los

fabricantes de sistemas inalámbricos, aunque está siendo objeto de mayor interés

científico, y va a permitir desarrollar esquemas que además de ser novedosos, puedan

tener un interés comercial en un futuro próximo. Por otra parte, la posibilidad de

integración en una frecuencia más alta es mayor y se pueden esperar sistemas con

dimensiones más reducidas y por tanto más adecuados para las aplicaciones móviles de

banda ancha.

La ingeniería de microondas/milimétricas tiene que ver con todos aquellos

dispositivos, componentes y sistemas que trabajen en el rango de frecuencias de 300

MHz a 300 GHz. Dentro de la tecnología de semiconductores, que proporciona

dispositivos activos que operan en este rango, se ha desarrollado la tecnología

monolítica de circuitos de microondas MMIC, que por las ventajas que ofrece

constituye un campo activo de investigación y desarrollo. La esencia de un circuito

monolítico integrado es que todos los componentes, tanto pasivos como activos, y sus

interconexiones se fabrican sobre el mismo sustrato de material semiconductor. Estos

circuitos son descendientes directos de los circuitos integrados híbridos Microstrip

HMIC’s en los que los componentes activos y algunos pasivos se montan como

elementos discretos sobre sustratos dieléctricos. Se diseñan para una banda limitada de

frecuencias y señales sinusoidales. En MMIC, el sustrato debe ser activo y capaz de

poder acomodar las líneas de transmisión los componentes pasivos necesarios y

cumplir una serie de requisitos exigibles a un material para que pueda ser usado como

tal, como que tenga un buen comportamiento en RF, que sea fácil de procesar, de

tamaño reducido, de poco peso, bajo coste y posibilidad de implementar los dispositivos

sobre él de una manera adecuada. Los componentes activos se fabrican haciendo uso de

la llamada capa activa, compuesta por materiales semiconductores. Para las conexiones,

líneas Microstrip, y los componentes pasivos es importante que el sustrato forme un

dieléctrico con bajas pérdidas.

Dos de los factores que han contribuido a que la evolución y el desarrollo de esta

tecnología en los últimos años hayan sido bastante considerables son:

I. Introducción

- 3 -

• La mejora de los procesos tecnológicos de fabricación de los circuitos

MMIC, es fundamental para la implantación de la idea de diseño en un

chip.

• El desarrollo de paquetes CAD/CAM (Computer-Aided

Design/Computer Aided Manufacturing), han hecho más asequible su

tarea al diseñador. Es habitual la existencia de entornos de diseño, que

permiten realizar todo tipo de simulaciones así como confeccionar

layouts, usados conjuntamente con librerías actualizadas con los modelos

de dispositivos proporcionados por la foundry con la que se trabaje.

Algunos inconvenientes son los relativos a los riesgos y costes asociados al

diseño, falta de versatilidad y manipulación delicada.

1. Objetivos

A la vista de esta situación, el interés fundamental de este proyecto es el de

realizar una placa de evaluaciones para un circuito fabricado en tecnología MMIC y

trabajando a una frecuencia de 5 GHz, pasando por las etapas de diseño, fabricación,

montaje y concluyendo posteriormente con la realización de las medidas necesarias.

Así pues, los objetivos que se pretendían alcanzar se pueden resumir en: conocer la

importancia de la tecnología MMIC en las comunicaciones inalámbricas, manejar un

software de diseño de circuitos RF, confeccionar layouts, fabricar y montar PCB y

utilizar equipos de alta precisión en microondas.

2. Estructura

La memoria de este proyecto esta dividida en ocho capítulos:

• Introducción: Capítulo de presentación, en el que se han definido los

objetivos y la estructura del presente documento.

• Tecnología MMIC y circuito evaluado: En esta ocasión se presentan

algunas generalidades de la tecnología MMIC, así como las

características del circuito MMIC que se va a evaluar.

I. Introducción

- 4 -

• Proceso de diseño de la placa: En este capítulo se detalla el software

utilizado y los pasos seguidos para confeccionar el layout de la placa,

desde la definición de los componentes de la misma, realización de los

footprints correspondientes y las interconexiones.

• Fabricación y montaje de la placa: Capítulo dedicado a explicar por una

parte cómo se fabricó la placa, explicando por ejemplo la interfaz PC

máquina, y por otra parte se explica cómo se realizó el montaje y la

soldadura de los componentes.

• Resultados: En este capítulo se presentan las diferentes medidas

realizadas con la placa de evaluaciones, utilizando diferentes

instrumentos como es el caso del analizador de espectro, analizador de

red, generador de señales y fuente de alimentación.

• Conclusiones y líneas futuras de avance: A la vista de los resultados

obtenidos, se presentan en este capítulo las conclusiones y posibles líneas

futuras de avance.

• Resumen: Un breve resumen del trabajo realizado.

• Bibliografía: Referencias utilizadas para la elaboración de este proyecto.

II. Tecnología MMIC y circuito evaluado

- 5 -

II. Tecnología MMIC y circuito evaluado 1. Generalidades sobre la tecnología MMIC

1.1. Definición de la tecnología MMIC

Un circuito integrado de microondas monolítico es un circuito de microondas en

el que los componentes pasivos, activos y sus interconexiones son fabricados sobre el

mismo sustrato semiconductor. La frecuencia de operación está en el rango de 1 GHz –

100 GHz y se pueden usar un gran número de tecnologías y circuitos.

El término monolítico es necesario para distinguirlos de los circuitos MIC que

son circuitos de microondas híbridos en los que todos los componentes pasivos y

activos son montados como dispositivos discretos en sustratos dieléctricos.

Anteriormente a los circuitos MMIC, los circuitos de microondas se

implementaban mediante circuitos híbridos MIC convencionales, o componentes y

sistemas de guiaondas.

1.2. Breve historia de la tecnología MMIC

La tecnología MMIC comienza con W. Schockley (1952), que propuso el

transistor FET y en 1964 se pudo patentar la tecnología MMIC. El primer MMIC de Si

data de 1965, el primer FET de GaAs data de 1966, el primer HMIC de GaAs data de

1972 y en 1985 se desarrolló la producción industrial de MMIC’s de GaAs. El

desarrollo final de la tecnología estuvo a cargo del departamento de defensa de USA

para la denominada “Star Ward” con un conjunto de 50 empresas. Por lo tanto, el Si, y

más recientemente el GaAs (que ofrece mayores ventajas), son los materiales usados

habitualmente en la fabricación de circuitos monolíticos.


- 6 -

1.3. Ventajas y desventajas de los MMIC

Los MIC’s híbridos HMIC son los más directos competidores de MMIC ya que

aquella es una tecnología consolidada y se mueven muchos intereses entre los que se

dedican a comercializarla y porque para muchas aplicaciones existen circuitos capaces

de proporcionar la funcionalidad requerida sin tener que recurrir a MMIC. La tecnología

híbrida se resiste a dejar de ocupar una plaza relevante en el mercado actual, y por ello

se avanza en la investigación para dar lugar a nuevas generaciones de híbridos con

mejores características. El principal esfuerzo está encaminado a intentar reducir el

tamaño de los circuitos híbridos. No obstante, la potencia de MMIC frente a HMIC se

ve reflejada en algunas ventajas importantes, que justifican la elección de esta

tecnología:

• Elevado grado de automatización en el proceso de producción.

• Gran facilidad de reproducción. Una vez obtenido el circuito prototipo

con un funcionamiento adecuado, podremos obtener a partir de él todos

los circuitos que precisemos, con idénticas características. Si bien es

cierto que pueden producirse variaciones en parámetros como la longitud

de puerta o concentraciones de dopado, éstas son mínimas. En la

tecnología híbrida se han hecho esfuerzos para mejorar esta prestación

pero, por la propia filosofía del diseño, nunca alcanzará las prestaciones

de MMIC.

• Menor tamaño: el circuito que implementa la funcionalidad concreta para

la que se diseña el chip ocupa un área muy pequeña en comparación con

el encapsulado.

• Manejo más fácil: permite la posibilidad de montar módulos

independientes susceptibles de ser unidos posteriormente para formar el

chip definitivo. Incluso se pueden realizar medidas y pruebas

previamente y por separado en cada uno de los módulos.

• Mayor ancho de banda y validez a frecuencias más altas, llegando

incluso al campo de las ondas milimétricas y aplicaciones ópticas. Se han

conseguido resultados buenos en una banda de trabajo bastante ancha

para aplicaciones en el contexto de las radiocomunicaciones, debido en

parte a que los diferentes dispositivos implementados en un chip se


- 7 -

encuentran más cerca unos de otros que si utilizáramos tecnología

híbrida.

• Mayor flexibilidad: es una característica inherente al proceso de diseño y

fabricación. Incluso es posible aprovechar algunas propiedades de los

circuitos híbridos utilizando una interfaz de adaptación entre ambas

tecnologías.

• Mayor fiabilidad.

• Parásitos más bajos y mejor reproducibilidad, ofreciendo un mejor

rendimiento, lo cual es muy importante en altas frecuencias.

• Menor coste potencial en grandes producciones, en las que el precio por

oblea procesada disminuye muy por debajo del coste de procesar una

sola, pudiendo en estos casos ser competitiva la tecnología MMIC frente

a HMIC. Además, no se hacen necesarios elementos adicionales que

encarecen el producto, tal y como ocurre en la mayoría de los casos en

tecnología híbrida.

• Muchas posibilidades que actualmente están disponibles con MMIC de

GaAs habrían sido imposibles de obtener mediante el empleo de

tecnología híbrida. Por ejemplo, se han conseguido FET’s de longitud de

puerta reducida.

Existen también algunas desventajas:

• Mayor coste en producciones pequeñas o en chips que contengan pocos

elementos (el coste de un chip no depende del número de dispositivos

que se hayan implementado en él sino que es directamente proporcional a

su área). En estos casos suele ser más barato montar el circuito a base de

componentes discretos en tecnología híbrida. Además, sólo una pequeña

parte de la superficie del sustrato de GaAs, que es cara y no se debe

desaprovechar, contiene elementos activos.

• Obtener una buena figura de ruido es más difícil de conseguir en MMIC

debido a que las pérdidas en los componentes pasivos y en las

interconexiones son mayores.

• Mayor diafonía.


- 8 -

• Sin posibilidad de ajuste tras la fabricación.

• Rangos de valores limitados para componentes tales como capacidades e

inductores.

• Peores valores en cuanto a la disipación de calor.

1.4. Aplicaciones

La experiencia reciente indica que las ventajas de MMIC han ido poco a poco

superando a las desventajas y se abren mercados en muchas áreas tales como las que

enumeramos a continuación:

• Aplicaciones militares:

o Radares.

o Sistemas de telecomunicación.

o Sistemas de vigilancia y medida.

o Armamento inteligente.

• Aplicaciones civiles en producciones pequeñas y coste alto por unidad:

o Comunicaciones por satélite.

o Comunicaciones por fibra óptica.

o Instrumentación.

o Supercomputadores.

• Aplicaciones civiles en producciones grandes y bajo coste por unidad:

o Difusión de canales de televisión por satélite (DBS).

o Sistema de posicionamiento global (GPS).

o Telefonía móvil.

o Televisión de alta definición (HDTV).

o Radares para automóviles.


- 9 -

1.5. Tecnologías MMIC

Los MMIC usan GaAs por dos razones:

• Tiene mayor velocidad de saturación y más bajo campo de movilidad que

el Silicio, resultando dispositivos más rápidos.

• Puede ser realizado con alta resistividad, haciendo un sustrato adecuado

para los componentes pasivos de microondas

Como resultado de esto, GaAs ha dominado completamente los primeros años

de desarrollo del MMIC y hoy en día la mayor parte de MMIC son realizados con

GaAs.

La competición entre GaAs y Silicio ha llegado a ser más fiera como resultado

del importante desarrollo de la heterounión.

Las diferentes tecnologías usadas para MMIC son:

• MESFET de GaAs

• HEMT de GaAs

• HBT de GaAs

• Bipolar de Silicio

• HBT de Silicio-Germanio

• HEMT de Fosfuro de Indio

• HBT de Fosfuro de Indio

• Diodos Impatt, Gunn y Schottky

El MESFET de GaAs fue el primer transistor de microondas y ha permanecido

en muchos diseños MMICs. Se caracteriza porque es fácilmente fabricado usando una

implantación de iones y se usa en un gran número de aplicaciones debido a que tiene

muy buena figura de ruido y potencia de salida. La mayoría de las foundries de GaAs

ofrecen MESFET con longitud de puerta de 0.5 micras que son útiles para circuitos con

frecuencias de operación de 20 GHz. Las foundries generalmente ofrecen una selección

de diferentes tipos de diseños de propósito general: potencia DC baja, alta potencia de

RF. Usando una implantación selectiva de iones, es posible conseguir distintos tipos

sobre el mismo circuito.


- 10 -

El HEMT (High Electrón Mobility Transistor) ofrece un considerable

incremento de la transconductancia respecto al MESFET y con longitudes de puerta

menores de 0.1 micra, los circuitos pueden operar sobre los 100 GHz.

Los HEMTs también han sido presentados sobre Fosfuro de Indio, los cuales

tienen una mejor actuación en frecuencia con figuras de ruido menores de 0.8 dB A 60

GHz y 1.2 dB a 94 GHz. Los amplificadores monolíticos operando sobre 100 GHz han

sido presentados usando HEMTs sobre Fosfuro de Indio.

Los transistores bipolares de heterounión sobre GaAs (HBT) tienen algunas

ventajas sobre los HEMTs, porque son de estructura vertical. Un HBT con un ancho de

emisión de varios microns puede ofrecer una buena actuación en microondas. El HBT

tiene intrínsecamente una ganancia alta pero también tiene una capacidad y resistencia

parásitas altas. Estos pueden ofrecer gran densidad de potencia y eficiencia pero sufre

limitaciones técnicas que lo han hecho más adecuado para aplicaciones pulsadas. La alta

resistencia de base del HBT hace que su figura de ruido sea considerablemente más alta

que la de los HEMTs, pero esto está siendo mejorado.

Las tecnologías bipolares de Silicio han avanzado mucho recientemente y estas

tecnologías ofrecen una limitación al dominio del GAaS en el desarrollo del MMICs.

2. Introducción al circuito MMIC evaluado

En la microfotografía de la Figura II.1 se representa el layout del circuito que

queremos evaluar. En el se engloban un conmutador de antena (parte superior de

microfotografía) y un amplificador lineal de potencia a 5.25 GHz (parte inferior de la

microfotografía), con el objeto de aunar en el mismo circuito dos de las principales

etapas de RF que conforman el front-end del transmisor de un sistema de

comunicaciones de cuarta generación, y que el amplificador sirva tanto para transmisión

como para recepción.

El proceso de diseño, simulación y optimización tanto de los esquemáticos como

de los layouts de las diferentes estructuras de los dos circuitos se ha realizado mediante

la herramienta Advanced Design System (ADS) de Agilent Technologies, junto con las

librerías de componentes que proporciona la foundry suministrada por el fabricante

OMMIC.


- 11 -

Este circuito ha sido fabricado por OMMIC. El encapsulado correspondiente

tiene 28 patillas, es de tipo SOIC. La distancia entre patillas es de 1.27 mm, la patilla

número uno se encuentra en un extremo señalada por un punto en el encapsulado y se

continua la numeración en sentido antihorario. Se caracteriza también por el hecho de

que las patillas se sueldan directamente sobre las pistas de la placa.

Figura II.1: Microfotografía del circuito MMIC

2.1. El amplificador lineal de potencia

La necesidad de amplificadores altamente lineales se pone de manifiesto, por

ejemplo, en el caso de modulaciones lineales, en las que la información puede ir

transmitida tanto en amplitud como en la fase de la señal RF. Desde el momento que la

amplitud de dicha señal varía con el tiempo, ésta debe ser preservada con el objeto de


- 12 -

proteger completamente la información contenida en el mensaje original. El interés por

esquemas de modulación lineal ha sido impulsado por la necesidad de utilizar el

espectro de manera más eficiente. El mayor inconveniente que impidió una temprana

adopción de forma generalizada de muchas técnicas de modulación lineal fue el

requerimiento de un amplificador lineal de potencia en el transmisor. Los

amplificadores tradicionales eran ineficientes y no particularmente lineales, sólo

aceptables en ciertos tipos de comunicaciones punto a punto.

Uno de los elementos más críticos dentro de la cadena de transmisión es el

amplificador de potencia. Los amplificadores habituales estaban muy lejos de ser

ideales, resultando niveles de interferencia inaceptables sobre otros usuarios. En efecto,

cualquier amplificador de potencia presenta en mayor o menor grado una cierta

característica no-lineal, que en el caso de amplificar modulaciones de envolvente no

constante se traduce en una expansión del espectro que produce un cierto nivel de

potencia radiada en los canales adyacentes. Por otro lado, la linealidad del amplificador

es tanto mayor cuanto más alejado esté su punto de trabajo del punto de compresión a

1dB, valor que determina el máximo nivel de señal a la salida antes de que los efectos

de la saturación del amplificador sean importantes. Sin embargo, operar con un punto de

trabajo muy alejado del nivel de compresión implica una gran penalización en términos

de eficiencia en potencia del amplificador, que no es admisible en absoluto en equipos

operados con baterías como es el caso del terminal móvil.

El amplificador realizado tiene un elevado grado de linealidad, tal como lo

pueden confirmar los valores obtenidos:

• Punto de intercepto de tercer orden superior a 20 dBm

• Es capaz de dar a su salida una potencia de 16.6 dBm (punto de

compresión a 1dB)

• Ganancia de potencia de 8.5 dB

• Bajo consumo, valores de corriente DC en torno a 58 mA

2.2. El conmutador de antena

Uno de los elementos básicos en todo transceptor de microondas es el

conmutador de antena (Switch), al permitir que se pueda compartir el mismo sistema

radiante en los cabezales de transmisión y recepción, sin que esto se realice en


- 13 -

detrimento del necesario aislamiento entre ambos subsistemas. El diseño de un

conmutador de antena está sujeto a rigurosas especificaciones, entre las que debe

procurarse un buen aislamiento transmisor-receptor, bajas pérdidas de inserción en

ambos trayectos, elevado rango dinámico con capacidad para manejar niveles de

potencia elevados en transmisión con una buena linealidad y alta sensibilidad en

recepción, bajo consumo y alta velocidad de conmutación.

El diseño de conmutadores de antena se ha venido realizando tanto con diodos

PIN como con transistores FET, en una amplia variedad de configuraciones. Entre las

estrategias que se han aplicado al diseño de switches en tecnología MMIC figuran la

utilización de FETs de doble puerta, FETs apilados y multipuerta, para reducir la

tensión AC que aparece entre la puerta y el drenador o fuente, lográndose así que e

switch pueda manejar potencias más altas, la sustitución de líneas de transmisión λ/4

por FETs en serie para aumentar el ancho de banda, el diseño asimétrico del brazo

transmisor y receptor, el empleo de FETx de empobrecimiento para lograr pequeñas

pérdidas de inserción, debido a su baja resistencia serie de conducción, o de FETs con

dos tensiones de pinch-off diferentes.

En la siguiente Figura II.2, se muestra el esquema del conmutador realizado que

incluye elementos de la foundry. Se efectuaron simulaciones utilizando distintas

anchuras de puerta en los transistores. Los mejores resultados se obtuvieron con anchos

de puerta de 8 x 50 µm en los transistores de segundo nivel de los circuitos resonantes, y

de 10 x 50 µm en el resto.


- 14 -

Port

Vc

Port

ANT

Port

RX

Port

TX

RlED2AH

RP2

L=215 um

R=Rg kOhm

cbeinED2

CP6

W=50 um

C=(0.919013/vL1) pFIN

BE

fED2ONl1

FP4

nbd=dedos

wu=ancho um

G

D S

RlED2AH

RP6

L=215 um

R=Rg kOhm

fED2ONl1

FP5

nbd=dedos

wu=ancho um

G

D

S

indED2AH

IP4

L=vLadaptx nH

IN

BE

fED2ONl1

FP3

nbd=dedos

wu=ancho umG

D

S

indED2AH

IP3

L=vL1 nH

IN

BE

fED2ONl1

FP6

nbd=dedos

wu=ancho um

G

D

S

RlED2AH

RP1

L=215 um

R=Rg kOhm

RlED2AH

RP3

L=215 um

R=Rg kOhm

cbeinED2

CP5

W=10 um

C=(0.919013/vL1) pF

INBE

indED2AH

IP2

L=vL1 nH

IN BE indED2AH

IP5

L=vLa nH

IN BE

fED2ONl1

FP2

nbd=dedos

wu=ancho um

G

D S

RlED2AH

RP4

L=215 um

R=Rg kOhm

RlED2AH

RP5

L=215 um

R=Rg kOhm

fED2ONl1

FP1

nbd=dedos

wu=ancho um

G

D S

Figura II.2: Esquema del conmutador realizado

Las simulaciones realizadas con ADS proporcionaron los siguientes resultados a

5.25 GHz.

• Aislamiento de 33.6 dB y 22.6 dB (Tx/Rx)

• Pérdidas por retorno de 33.4 dB y 24.6 dB en (Tx/Rx)

• Pérdidas de inserción de 1.4 dB y 0.9 dB en (Tx/Rx)

• Potencia de salida en el punto de compresión de 1 dB de 28 dBm (modo

transmisión)

• Punto de intercepto de tercer orden a la salida superior a 41 dBm

• Consumo de 0.1mA

III. Proceso de diseño de la placa

- 15 -

III. Proceso de diseño de la placa 1. El Software de diseño

El programa utilizado para el diseño del layout de la placa es el: Advanced

Design System (ADS) desarrollado por Agilent que ofrece una completa gama de

posibilidades en el campo de la simulación y creación de esquemáticos y layouts para el

estudio completo de circuitos MMIC, de principio a fin y de manera integrada en un

único flujo de diseño. ADS permite la inclusión de kits de diseño que recojan las

características particulares de la tecnología propia de cada fabricante de circuitos

integrados.

Una de las cuestiones que se abordo al principio fue la familiarización con el

software. El diseño de circuitos MMIC se facilita en ADS debido a la inclusión de una

gran cantidad de plantillas y ejemplos fácilmente adaptables en cada caso, además de

los completos manuales que acompañan al software y la documentación presente en la

web.

El trabajo con ADS se ha desarrollado en un PC instalado en el departamento de

Teoría de la Señal y Comunicaciones de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla.

Concretamente, se ha trabajado con la versión 2003A.

2. Diseño de la placa

El primer paso consiste en abrir un nuevo proyecto en ADS, los proyectos sirven

para organizar y guardar automáticamente los datos generados cuando se crean, se

simulan y se analizan los diseños y así conseguir los objetivos deseados.

Un proyecto incluye un circuito, un layout, simulación, análisis, e información

de salida para los diseños que se crean permitiendo enlazar con cualquier otro diseño o

proyecto.


- 16 -

Al crear un nuevo proyecto elegimos un nombre y ubicación, y seleccionamos

uno de los Estándares de ADS en la opción Project Technology Files. Una vez creado

se abre una ventana para esquemáticos, la cual permite la creación y simulación de

varios tipos de esquemáticos usando la librería de componentes. El layout puede ser

generado directamente a partir del esquemático, pero para este caso, en el que se trata de

diseñar un layout para una PCB, resulta más fácil cerrar la ventana de esquemáticos y

realizar el diseño directamente abriendo la ventana de layout.

Las reglas de diseño a tener en cuenta se reducen a aquellas que tienen que ver

con la separación entre componentes, anchura y separación de las líneas de transmisión,

otra regla importante es que la distancia mínima entre dos “via-holes” (véase el apartado

III.2.4.a)debe ser al menos 200 µm (centro a centro).

2.1. El entorno de trabajo

La ventana que se muestra en la Figura III.1 representa el entorno de trabajo

para el diseño de layouts, a continuación se explicaran algunos detalles y herramientas

que se utilizaran frecuentemente en este proyecto.

El Grid es una especie de rejilla que se puede representar en el área de trabajo

por puntos o bien líneas con una separación que podemos ajustar según la configuración

que deseamos, esto hace que el diseño sea más fácil y rápido.


- 17 -

Area de trabajo

Barra de Herramientas Menús up-down

Barra de estado

Lista de las paletas de componentes

Componentes de la paleta

Capa actual

Figura III.1: Entorno de trabajo para el diseño de layouts en ADS

En general, los pasos básicos para diseñar un layout son:

• Seleccionar los componentes

• Insertarlos y girarlos si hace falta

• Conectarlos

Para la inserción de los componentes, podemos o bien elegir primero la categoría

de componentes que vamos a utilizar (véase la Figura III.2); luego con un clic en la

paleta asociada seleccionamos el componente deseado, o bien podemos explorar o

buscar en la librería de componentes.


- 18 -

Figura III.2: Lista de categorías de componentes

Una vez situado el elemento en el área de trabajo, se puede definir la orientación

de los componentes de diferentes maneras:

• haciendo clic en el botón “Rotate by incremante” de la barra de

herramientas

• pulsando ctrl+r

• bien con Edit>Rotate

En cada una de estas acciones se incrementa la orientación n grados en el sentido

de las agujas del reloj, donde n es el incremento especificado en

Options>Preferences>Entry/Edit>Rotation Increment, que por defecto son 90

grados.

Utilizando la barra de herramientas (véase Figura III.3) podemos insertar varias

formas geométricas (polígonos, rectángulos, arcos, texto…) que pueden sernos útiles en

el diseño del layout. Seleccionamos primero una forma y luego con la ayuda de las

instrucciones que aparecen en la barra de estado (véase Figura III.1) la insertamos en el

área de trabajo.

Figura III.3: Barra de herramientas


- 19 -

Otras herramientas interesantes son las que se muestran en la Figura III.4, dado

que facilitan enormemente el tener que posicionar el puntero a largo de una línea, en

una esquina o en medio de un fragmento.

Figura III.4: Herramientas para el posicionamiento del puntero

En cuanto a las capas (layers) se pueden configurar y definir utilizando el “Layer

Editor” que se muestra en la Figura III.6. Las siguientes características se pueden ajustar

capa a capa o bien todas a la vez:

• Protección, para que el elemento no pueda ser seleccionado.

• Visibilidad de los componentes en la capa.

• Como son representadas las formas de los elementos.

• Que tipo de líneas son usadas.

La capa por defecto, y la que será utilizada para dibujar un elemento es la que

aparece en “capa actual” (véase Figura III.1), con la correspondiente lista (Figura III.5)

podemos seleccionar otra capa y también nos puede servir para cambiar la capa de un

elemento.

Figura III.5: Lista para seleccionar capas


- 20 -

Figura III.6: Editor de capas

2.2. Componentes de la placa

Uno de los objetivos para la realización del layout es que ocupe la menor área

posible. El primer paso consistió en pensar en la disposición óptima de todos los

componentes para ocupar el menor espacio posible. Esto implica conocer previamente

qué componentes se utilizaran antes de comenzar el diseño, y este es el objetivo de este

apartado, o sea definir los componentes que forman parte de la placa. Una vez hecho

esto, se procedió primero a su diseño y posteriormente a la unión de estos como se

detallará más adelante.

a) El encapsulado del circuito

El circuito MMIC que queremos estudiar viene en un encapsulado tipo SOIC y

tiene 28 patillas, se trata de un circuito integrado de pequeño contorno. También la

terminación de las patillas es en forma de ala de gaviota. Se suelda directamente sobre

las pistas de la placa de circuito impreso, en un área denominada footprint. La distancia

entre patillas es de 1,27mm (0,05"). Otra norma que también cumple se refiere a la


- 21 -

identificación de la numeración de las patillas o pines: la patilla número uno se

encuentra en un extremo señalada por un punto en el encapsulado y se continua la

numeración en sentido antihorario (sentido contrario a las agujas del reloj), mirando al

integrada desde arriba. Por regla general, en todos los encapsulados aparece la

denominación del integrado, así como, los códigos particulares de cada fabricante.

De las 28 patillas, cinco representan las entradas y/o salidas RF tanto del

Amplificador como del Conmutador (Switch), otros cuatro puertos nos sirven como

entradas DC para las polarizaciones, y once irán a tierra mientras que el resto no tienen

ningún uso predefinido. Todo esto se resume en la Tabla III.1.

Para la realización del footprint del encapsulado, se ha tenido en cuenta la hoja

de especificaciones del mismo que se muestra en la Figura III.7. En la Tabla III.1 se

definen las funciones que realiza cada puerto y en la Figura III.8 se representa un

esquema del encapsulado, donde las líneas en rojo se refieren a las líneas RF, las líneas

en verde a las líneas DC y las líneas en negro a las conexiones a tierra.

Figura III.7: Hoja de especificaciones del encapsulado


- 22 -

Nº Nombre Tipo Circuito

2 Vgs2 DC

4 GND

5 In RF

6 GND

7 Vgs1 DC

21 GND

22 Out RF

23 GND

24 GND

25 Vds DC

Amplificador

8 Vc DC

9 GND

10 Rx RF

11 GND

14 GND

15 Ant RF

16 GND

18 GND

19 Tx RF

20 GND

Conmutador

Tabla III.1: Conexionado de las patillas del encapsulado


- 23 -

Figura III.8: Esquema del encapsulado del circuito MMIC

b) Conectores

Los conectores utilizados para las conexiones RF son de tipo SMA, en concreto

se utilizaron conectores tipo SMA End Launch del fabricante JOHNSON, representado

en la Figura III.9 junto a sus especificaciones. Se caracterizan por tener una impedancia

de 50 Ω y un rango de frecuencia de 0-18 GHz, a partir de los datos de la figura

podemos diseñar la huella para los conectores.

Figura III.9: Conector SMA y sus especificaciones

281

In

Vds

Out

Tx

Ant

Rx

Vc

Vgs1

Vgs2


- 24 -

c) Condensadores

En el diseño del layout, se ha de tener en cuenta que no solo se trabaja con señal

de RF, sino también con continua, que forma parte de la alimentación del circuito. Esto

genera problemas, puesto que no interesa que se mezclen.

En primer lugar no podemos dejar que se cuele la señal de continua por el

circuito de RF, ya que podría afectar a los circuitos que estén conectados al nuestro. Y

por otro lado, no podemos dejar que la señal de RF llegue a la parte de continua, ya que

ésta se podría propagar por los cables de alimentación que debido a su longitud

actuarían como antenas y estarían radiando, afectando a cualquier equipo de RF

cercano.

Para evitar estos problemas existen varias soluciones. Hemos de tener en cuenta

que los condensadores a altas frecuencias se comportan como un cortocircuito, dejando

pasar la señal de RF; mientras que a bajas frecuencias actúan como un circuito abierto,

impidiendo el paso a la señal de continua. Por este motivo, se utilizaron condensadores

de choque y desacoplo, cuya función es evitar que la señal de continua se cuele y vaya a

parar a circuitos conectados a éste y dejar vía libre a la señal que interesa, la de RF. Esto

se ha tenido en cuenta en el diseño del circuito MMIC para las líneas RF, y para reforzar

esta situación también se colocaron en el diseño del layout de la placa condensadores

conectados entre las líneas DC y la masa.

Para tal fin, los condensadores comerciales que se utilizaron corresponden a los

del fabricante MURATA, con una capacitancia de 1 nF. A su vez la librería de

componentes de ADS ofrece varios modelos de componentes de diferentes fabricantes,

tal como se puede observar en la Figura III.10 al seleccionar SMT Capacitor de la

librería RF Passive SMT. De entre ellos, los que más se asemejan a los anteriormente,

están los AVX ACCU-P Series 0805 Case.


- 25 -

Figura III.10: Librería de Componentes

Una vez seleccionado el componente en cuestión, aparece la ventana de la

Figura III.11, donde se indican sus parámetros.

Figura III.11: Parámetros del componente seleccionado


- 26 -

2.3. Footprints (Huellas)

Teniendo todas las medidas y especificaciones necesarias de todos los

componentes de la PCB, el siguiente paso consiste en la creación de Footprints

(Huellas), o sea, la creación de formas especificas para cada uno de estos componentes.

Para dejar un margen para el error, los footprints para una PCB, se diseñan para que

sean un poco más grandes que las medidas reales. Unas medidas precisas son muy

importantes para crear un buen layout.

a) Footprint del encapsulado

Con los datos descritos anteriormente en el apartado 2.2.a), se procedió como

sigue:

• Se inserto un rectángulo en la capa “packages” con las dimensiones 7,45

x 17,9 (mm x mm)

• Se añadieron para las patas del chip rectángulos en la capa “leads” con

las siguientes dimensiones 2,275mm de largo y 0,42mm de ancho, y una

separación entre ellos de 1,27mm.

• Las once patas que nos servirán como puertos de entrada/salida y

también como líneas de polarización se les ha superpuesto otra capa en

forma de rectángulo “solder_mask” con dimensión 0,82mm de ancho y

2,3mm de largo.

• Por otra parte como estarán conectados a líneas de transmisión, se les ha

añadido un puerto con un clic en el botón:

El resultado de esta operación es el mostrado en la Figura III.12


- 27 -

Figura III.12: Footprint del encapsulado

b) Footprints de los conectores

Las capas utilizadas para el diseño de un conector son “case_dimensions” para

delimitar los bordes del mismo con dimensión de 9,52mm x 4,75mm , la capa “ports”

para identificar las partes que se unirán a la placa y la capa “solder_mask” que nos

servirá para la soldadura. La parte que se une a las líneas de transmisión se le añade un

puerto como en el caso de las patas del encapsulado. El diseño correspondiente al

conector es el mostrado en la Figura III.13.


- 28 -

Figura III.13: footprint del conector

Una vez diseñado un conector, para el resto de los puertos de la placa, solo se

trata de copiarlo, girarlo y pegarlo en la posición adecuada, el resultado de esta

operación es el que aparece en la Figura III.14.

Figura III.14: footprint de la placa con el resto de conectores


- 29 -

c) Layout de los Condensadores

Aquí se ha recurrido a la librería de componentes como se explico en el párrafo

III.2.2.c), en la Figura III.15 se puede ver el layout correspondiente al caso de AVX

ACCU-P Series 0805 Case.

Figura III.15:Layout del condensador

Dado que estos componentes irán conectados a las líneas de transmisión, se

añadirán después de dibujar las líneas.


- 30 -

2.4. Interconexión entre componentes

Para las interconexiones se utilizaron las líneas de transmisión Microstrip, en la

Figura III.16 se ha representado una línea Microstrip, estas líneas pueden ser generadas

directamente de la paleta de componentes correspondiente a Tlines-Microstrip

especificando algunos parámetros como el ancho de la línea (W), la longitud (L), el

sustrato (Subst) entre otros, como se indica en la ventana de dialogo que se muestra en

la Figura III.17.

Figura III.16: Símbolo y representación de una línea Microstrip

Figura III.17: Parámetros de una línea Microstrip


- 31 -

Hay que tener especial cuidado en las curvas para la líneas RF, la paleta

de componentes dispone de varios tipos, hemos utilizado la MBEND porque

es la que mejor comportamiento ofrece. La ventana de diálogo correspondiente es la que

aparece en la Figura III.18, en la que se puede ver los parámetros que se pueden

cambiar.

Figura III.18: Representación de una MBend y su ventana de diálogo

También hay que tener cuidado a la hora de conectar dos líneas de

diferente grosor, para tal fin se utiliza TAPER, su correspondiente ventana de

diálogo se representa en la Figura III.19, donde se puede ver por ejemplo que la primera

línea tiene anchura W1= 1,55mm y la segunda línea W2= 0,82mm.


- 32 -

Figura III.19: Representación de un MTAPER y su ventana de diálogo

Otra forma para interconectar los componentes, es utilizar trazas (Trace) y

convertirlas posteriormente en líneas de transmisión. Haciendo clic en el botón

Trace de la barra de herramientas aparece la ventana de la Figura III.20, los parámetros

que se especifican son la anchura, la longitud y el tipo de curva.

Para convertir una traza en una línea Microstrip se utiliza la opción

Edit>Path/Trace/Wire>Convert Trace To Path.

Figura III.20: Parámetros de una traza


- 33 -

En esta placa se pueden distinguir dos tipos de líneas utilizadas para el diseño

del layout:

• líneas RF: Se ha procurado que sean, dentro de lo posible lo más cortas y

rectas, tienen una anchura de 1,55mm.

• líneas DC: Tienen una anchura de 0,65mm.

Para conocer la impedancia interna de cada línea, utilizamos la herramienta

LineCalc de ADS que aparece en la siguiente Figura III.21, es una herramienta que

calcula impedancias y dimensiones para diferentes tipos de guias de onda y líneas

Microstrip. Los resultados obtenidos son que la línea RF tiene una impedancia de 50Ω

y la línea DC una impedancia de 82Ω.

Figura III.21: Ventana LineCalc

Después de unir entre si los diferentes componentes, el resultado se puede

observar en la Figura III.22.


- 34 -

Figura III.22: Interconexión entre componentes

Como se comentó en el apartado anterior III.2.3.c), después de diseñar las líneas

de transmisión se añaden los condensadores de choque y desacoplo, como se observa en

la Figura III.23 los condensadores sólo se añadieron entre la líneas DC y tierra, dado

que para la líneas RF se han tenido en cuenta internamente en encapsulado.


- 35 -

Figura III.23: Interconexiones con los condensadores

a) Via Holes

Las vías son taladros metalizados cuya misión es unir pistas situadas en distintas

capas. El método para conectar un componente a tierra depende del tipo de fabricación

de la placa. Si la capa “bottom” la de abajo se usa como plano de masa, que es nuestro

caso, un componente se puede conectar a tierra insertando vías (holes) en el sitio

adecuado. Al crear las conexiones a tierra sólo la capa cond y la capa hole han sido

necesarias. La Figura III.24 representa el símbolo, una ilustración de los parámetros

correspondientes y la ventana de diálogo de una vía.

Los parámetros se ajustaron para que sean:

• D1= 0,8mm

• D2= 0,8mm


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Figura III.24: Símbolo, representación y ventana de dialogo de una via hole

3. Diseño obtenido

Los circuitos impresos se pueden hacer en una o en varias capas. Nuestro

circuito, debido a su tamaño y el número de componentes que lo forman, lo hemos

realizado en una capa: la TOP; y hemos creado por la parte de abajo un plano de masa.

En la siguiente Figura III.25 podemos ver representado el layout final, con las pistas y

huellas de los componentes.


- 37 -

Como se puede observar, se añadieron unas pistas alrededor de las líneas de

transmisión que servirán para aislarlas.

Figura III.25: Layout de la placa

IV. Fabricación y montaje de la placa

- 38 -

IV. Fabricación y montaje de la placa 1. Fabricación de la placa

Una vez realizado el diseño del layout, el siguiente paso sería realizar la placa.

La fabricación de circuitos impresos se realiza, a nivel de prototipos y pequeñas series,

por distintos procedimientos: mediante fotograbado y ataque químico o mediante

microfresado, esta última técnica es la que se empleó en este proyecto, y para tal fin se

utilizo la máquina LPKF que se detallará más adelante, el software que utiliza para la

interfaz entre PC y máquina es el LPKF CircuitCAM & BoardMaster. Así que primero

se exportaron los ficheros de ADS a un estándar que admite CircuitCAM, y

posteriormente con el BoardMaster se controló la máquina. En la siguiente Figura IV.1

se resume el proceso seguido.

Figura IV.1: Diagrama de flujo del proceso de diseño

En los siguientes apartados se explican los pasos más importantes de este

proceso, que son la exportación de los ficheros ADS a Gerber, importación de los

ficheros Gerber a CircuitCAM y el control de la máquina con BoardMaster.

*.lmd

Gerber

ADS Layout

Capa taladros

Capa bottom

Capa top CircuitCAM

BoardMaster


- 39 -

1.1. Exportación de los ficheros ADS

Entre los formatos estándares que admite CircuitCAM esta el Gerber, es el que

hemos utilizado para exportar los ficheros de ADS.

Al trasladar ADS a Gerber se crea un fichero por cada capa (layer) usada en el

diseño del layout.

Los pasos seguidos para exportar son:

• En la ventana del layout, seleccionamos File>Export, aparece la ventana

de dialogo que se muestra en la Figura IV.2, seleccionamos el tipo

Gerber y escribimos el nombre del fichero que por defecto corresponde

al del layout. Para definir las opciones de exportación, seleccionamos

More Options (Figura IV.3), en la que se definen entre otros parámetros

las unidades, la escala, las capas (layers).

Figura IV.2: Ventana de dialogo de Exportar


- 40 -

Figura IV.3: Ventana de opciones de Gerber

• Después de definir los ajustes y las opciones adecuadas, aparece una

ventana que muestra el estado, se pueden guardar estas preferencias para

una traslación futura. Al exportar a Gerber el diseño se convierte en un

fichero máscara antes de convertirse en formato Gerber.

En la Figura IV.4 se puede ver la interfaz de traslación a Gerber, en el

que seleccionamos el fichero máscara y el fichero de aperturas.


- 41 -

Figura IV.4: Ventana de Interfaz al trasladar a Gerber

• El fichero máscara creado al principio en la ventana de dialogo de

exportación es el que aparece por defecto, y este fichero es el que al

trasladar a Gerber se convierte en formato Gerber.

• El fichero de aperturas es un fichero de configuración que contiene toda

la información de los parámetros de traslación y las aperturas de Gerber.

Con el botón Gerber File Options se puede modificar este fichero, y tal

como aparece en la Figura IV.5 tenemos acceso a:

o Gerber Unit: las unidades disponibles son INCH y MM.

o Format: el número de enteros antes y después del punto decimal.

o Zero Suppress: se puede elegir entre Leading y None, por defecto

seria Leading que hace que el fichero Gerber sea más pequeño.

o Data Mode: por defecto siempre esta en Absolute.

o Circular: las opciones disponibles son 360 (por defecto) y Off,

afectan a los arcos.


- 42 -

o EOB Character y EOJ String: se dejan por defecto

respectivamente en * y MO2.

o CR/LF: algunos ficheros Gerber incluyen carriage return/line feed

(CR/LF) al final de cada comando. Las opciones disponibles son

Incluye y Suppress, normalmente se suprime, reduciendo así el

tamaño del fichero al 20% y la traslación será más rápida.

Figura IV.5: Opciones del fichero Gerber

• Con los botones correspondientes a Gerber File Options, Translation

Settings, y Edit Apertures (Figura IV.4) especificamos los ajustes

adecuados. Seleccionando View Mask, accedemos al visor de Gerber

para DXF y traslaciones de Gerber y con View Gerber accedemos sólo a

las traslaciones de Gerber.

• La Figura IV.6 muestra los ajustes de traslación (Translation Settings),

aquí se controla como el programa debe convertir los datos de la máscara

en el formato Gerber. Estos ajustes son cruciales para una correcta salida.

A continuación se describen estos ajustes de los parámetros globales:

o Line DCode: las figuras abiertas se convierten en la D-code

(apertura) especificada, d25 en este caso.


- 43 -

o Scale Factor: los datos de salida se escalan según este factor, 1

para este proyecto.

o ArcRes: valor en grados, a partir del cual los arcos se rompen.

o APT Out: de la lista se puede seleccionar la apertura de salida de

un software CAM conocido.

o Outline/Fill: Cada área cerrada será o bien delimitada por una

línea (outlined) ó rellena (filled) dependiendo de la selección. En

Filled se especifican los D-codes (aperturas) usadas para

delimitar las figuras cerradas y rellenas. En Empty se especifican

los D-codes usados para delimitar las figuras cerrada y vacías.

o Offset Output: Las coordinadas de los datos Gerber son

trasladados según los valores definidos en las casillas X y Y.

o Gerber Output Format: Aquí se escogió el estándar RS274D.

Figura IV.6: Ajustes de traslación


- 44 -

• Con el botón Translate seleccionamos las capas (layers) que queremos

incluir en el fichero de traslación como se muestra en la Figura IV.7.

Después de seleccionar las capas, hacemos clic en OK para completar la

traslación.

Figura IV.7: Selección de las capas a trasladar

1.2. El programa CircuitCAM

Este programa permite importar los datos de diseño de cualquier paquete de

diseño CAD conocido, y permite al usuario modificar o cambiar al instante el layout.

En la Figura IV.10 se muestra el entorno de trabajo del programa CircuitCAM,

en el que se pueden destacar las siguientes partes:

• Barra de herramientas estándar de Windows (Figura IV.8), que contiene las

herramientas más utilizadas como guardar, imprimir, abrir…

Figura IV.8: Barra de herramientas estándar


- 45 -

• Herramientas Front to End (Figura IV.9), que son funciones que permiten la

generación de las acciones de fresado, taladrado, aislamiento y exportación

de los ficheros de datos a BoardMaster, programa que se explicará más

adelante.

Figura IV.9: Herramientas Front to End

Figura IV.10: Entorno de trabajo del CircuitCAM

Los pasos seguidos son los siguientes:

Primer paso: A la hora de trasladar de ADS a Gerber se ha creado un

fichero por cada capa utilizada, así que el primer paso consiste en ir importando


- 46 -

todos los ficheros. Entonces haciendo clic en el botón de importar, aparece la

ventana de la Figura IV.11, en la que se debe indicar algunos parámetros como:

o La capa correspondiente a cada fichero, por ejemplo en el caso de la

capa cond que representaba las líneas de transmisión en ADS, se

generó el fichero cond.gbr al trasladar de ADS a Gerber, y al

importarlo se le asignó la capa TopLayer en CircuitCAM.

o Las unidades, para nuestro caso son mm

o Debemos mantener el mismo formato que el definido en las opciones

del fichero Gerber a la hora de trasladar, que son Digits m.n: 3:4.

Figura IV.11: Importación de ficheros en CircuitCAM

Segundo Paso: Contour Routing, sirve para determinar los bordes de la

placa. Los ajustes que se deben indicar tal como aparece en la Figura IV.12,


- 47 -

corresponden a especificar si el recorte es interno o externo, definir la capa

fuente, la capa de destino y las herramientas a utilizar.

Figura IV.12: La función Contour Routing

Tercer paso: Breakout Tabs, aquí se determinan las interrupciones del

Contour Routing para el caso de PCBs pequeñas, lo que nos permitirá un fácil

manejo.

Cuarto paso: Set Rubout Areas, se determinan las áreas de la PCB donde

se quitará por completo el cobre.

Quinto paso: Aislamiento, se fijan las trayectorias a fabricar y se eligen

las herramientas necesarias para el prototipo de PCB.

Último paso: Consiste en exportar los datos a BoardMaster.


- 48 -

1.3. Control de la fabricación con BoardMaster

Como se comentó anteriormente, la técnica que se utilizó es una técnica de

fabricación en seco que consiste en aislar las pistas del resto del cobre circundante

mediante el fresado de su contorno lateral. Este sistema no hace uso de fotolitos ni

ácidos, emplea en su lugar microfresadoras de control numérico y sistemas CADCAM

que procesan la información de los archivos Gerber para el mecanizado automático.

Para la fabricación de la PCB se utilizó la máquina LPKF ProtoMat C20 (Figura

IV.13) cuyo lenguaje máquina es el BoardMaster. Los plotters de circuito impreso

LPKF ProtoMat ofrecen resoluciones de 1 µm, taladros de 0,2 mm, pistas de 0,1 mm de

anchura y separaciones entre pistas de 0,1 mm, con un área de trabajo de 200 mm x 340

mm.

Figura IV.13: Máquina LPKF Protomat C20


- 49 -

El programa que se utiliza como interfaz y sirve para el control de la protomat

es el BoardMaster, su entorno de trabajo se muestra en la siguiente Figura IV.14, la

interfaz es directa y fácil de usar.

Figura IV.14: Entorno de trabajo de BoardMaster

La secuencia de trabajo para una tarjeta de doble cara, como es el caso de este

proyecto, será:

• Importar el fichero .lmd generado por CircuitCAM.

• Fijar el sustrato en la máquina. El sustrato utilizado es de material Teflón

con las siguientes características: εr = 2,17, h=0,5 mm, w50 =1,55.

• Mover el layout si es necesario, con un clic en el botón y arrastrando el

patrón al lugar apropiado en el material.

• Iniciar la fase de Fresado (milling), seleccionándola de la lista entre las

distintas fases como se puede ver en la Figura IV.15, y con el botón

All+ se selecciona todo el patrón para esta fase. Para iniciar el proceso

se utiliza el botón Start/Stop.


- 50 -

• Fase de taladrado (drilling).

• Fase de fresado del contorno (cutting).

Figura IV.15: Pasos del proceso con el BoardMaster

A lo largo del proceso, la Protomat C20 utiliza varias herramientas dependiendo

de la fase y según la función que esta realizando, y dado que no tiene cambio

automático, entonces cuando se debe de cambiar de herramienta, aparece la ventana de

la Figura IV.16 indicando el tipo de herramienta que hay que insertar manualmente en

el cabezal.

Figura IV.16: Cambio de herramienta

Cuando finaliza una fase, aparece un mensaje indicando el final y la duración de

la misma (Figura IV.17).


- 51 -

Figura IV.17:Finalización de fase

Las herramientas utilizadas y anteriormente mencionadas se muestran en la

Figura IV.18, y siguiendo el orden de izquierda a derecha, corresponden a fresa

universal, micro fresa, fresa RF, fresa de doble hoja, broca espiral, fresa de corte de

contorno y fresa de doble hoja para corte de aluminio.

Figura IV.18: Tipo de herramientas


- 52 -

1.4. Resultado de la fabricación

En la Figura IV.19, se observa la placa diseñada y fabricada cuyo tamaño final

es de 63mm x 50mm.

Figura IV.19: La placa fabricada

2. Montaje de la placa

Después de obtener la PCB, el siguiente paso seria el montaje del resto de

componentes empezando por la metalización de los taladros (vías holes), entre las

diferentes técnicas existentes como el electroquímico, usar una pasta conductora, hemos

utilizado la manual.

Posteriormente a la metalización se ha procedido a la inserción y soldadura de

los componentes, empezando por los conectores RF y soldando directamente unos

cables para las conexiones DC, luego se han soldado los condensadores y finalmente el

encapsulado.

El resultado final de este montaje se representa en la Figura IV.20.


- 53 -

Figura IV.20: La placa de evaluación

V. Resultados

- 54 -

V. Resultados Para la evaluación del circuito MMIC utilizando la placa fabricada, se realizaron

diferentes medidas tanto para el amplificador como para el conmutador. Estas medidas

consisten en calcular la ganancia y respuesta en frecuencia del amplificador, así como el

cálculo de las pérdidas de inserción, pérdidas por retorno y aislamiento entre los

diferentes puertos del conmutador de antena.

Para tal fin se utilizaron los siguientes equipos disponibles en el laboratorio del

departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones:

Analizador de espectros E4407B de Agilent (Figura V.1)

Figura V.1: Analizador de espectros

Analizador vectorial de red N5230A de Agilent Technologies (Figura V.2)

Figura V.2: Analizador vectorial de redes

V. Resultados

- 55 -

Generador de señal SMR 20 de ROHDE&SCHWARZ (Figura V.3)

Figura V.3: Generador de Señal

Fuente de alimentación 6622A de Agilent (Figura V.4)

Figura V.4: Fuente de alimentación

En principio se quiso utilizar una plataforma creada en Matlab que permite el

control de todos los equipos mencionados excepto el generador de señal, en su lugar la

plataforma controlaba otro generador: el SMIQ 02B de ROHDE&SCHWARZ, el

inconveniente que tenia es que la frecuencia máxima que podía alcanzar es de 2,2 GHz,

con lo cual tuvimos que realizar las medidas manualmente a excepción de la fuente de

alimentación que estaba controlada por la plataforma, con la posibilidad de generar dos

fuentes a la vez, una positiva y otra negativa, indicando el consumo de corriente DC

respectivamente de cada una.

En cuanto al analizador de red, es un dispositivo altamente preciso, cuyos cables

de medida y las transiciones que se usan, se pueden considerar ideales por las muy bajas

perdidas que presentan. Este instrumento necesita ser calibrado antes de su uso.

1. Pérdidas debidas a los cables

El interés de añadir este apartado es para indicar que a la hora de medir con el

analizador de espectros, los cables utilizados no eran ideales y presentaban unas

pérdidas que hay que tener en cuenta en los resultados obtenidos.

V. Resultados

- 56 -

La siguiente Figura V.5, muestra la respuesta en frecuencia en el rango de 2

GHz hasta 8 GHz conectando directamente el cable entre el generador de señal y el

analizador de espectros.

2 3 4 5 6 7 8-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

Per

dida

s de

bida

s al

cab

le (d

B)

Frecuencia (GHz)

Figura V.5: Pérdidas debidas al cable utilizado para las medidas con el analizador de espectros

2. Resultados del amplificador

2.1. Con el analizador de espectros

Con el analizador de espectros se realizaron dos medidas: barrido de potencia: o

sea potencia de salida frente a la potencia de entrada y barrido en frecuencia.

La primera medida consistió en un barrido de potencia entre -30 dBm y 20 dBm,

para ello se ajustaron los siguientes parámetros:

• La frecuencia a 5.25 GHz en el generador de señal.

• La fuente de alimentación negativa a -2V y conectada a Vgs1 y Vgs2.

• La fuente positiva a 5V y conectada a Vds.

El resultado de esta medida se representa en la Figura V.6, donde se pone de

manifiesto la linealidad del amplificador.

V. Resultados

- 57 -

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Pot

enci

a de

sal

ida

(dB

m)

Potencia de entrada (dBm)

Figura V.6: Potencia de salida frente a potencia de entrada

A partir de los datos obtenidos se han deducido los siguientes resultados:

• Bajo consumo: el valor de corriente de DC era de 51,2 mA, este valor se

lee directamente desde la interfaz de la plataforma mencionada

anteriormente.

• Ganancia de potencia de 1.8 dB (véase Figura V.7).

• Potencia a la salida 13 dBm (punto de compresión de 1 dB)

V. Resultados

- 58 -

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10


Gan

anci

a de

l am

plifi

cado

r (dB

)

Figura V.7: Ganancia del amplificador

Por otra parte se realizo una medida para ver el comportamiento del

amplificador en frecuencia con los siguientes parámetros:

• Potencia de entrada a -20 dBm

• Barrido en frecuencia entre 2 GHz y 8 GHz

En la Figura V.8 se muestra el resultado de esta medida, en el que podemos

deducir que a medida que aumentamos la frecuencia, la potencia de salida será menor.

V. Resultados

- 59 -

2 3 4 5 6 7 8-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Pot

enci

a de

sal

ida

(dB

m)

Frecuencia (GHz)

Figura V.8: Barrido en frecuencia

2.2. Con el analizador de red

Utilizando el analizador de red, se realizó el barrido de potencia y se calcularon

los parámetros S para comprobar su comportamiento en frecuencia.

Igual que en el caso del analizador de espectros, los parámetros ajustados son:

• La frecuencia a 5.25 GHz en el generador de señal.

• La fuente de alimentación negativa a -2V y conectada a Vgs1 y Vgs2.

• La fuente positiva a 5V y conectada a Vds.

V. Resultados

- 60 -

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20


Pot

enci

a de

sal

ida

(dB

m)

Figura V.9: Potencia de salida frente a potencia de entrada

A partir de estos datos se han deducido los siguientes datos:

• Bajo consumo: el valor de corriente de DC es de 51,2 mA

• Ganancia de potencia de 7.25 dB (véase Figura V.10).

• Potencia a la salida de 15 dBm (punto de compresión de 1 dB)

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 105

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10


Gan

anci

a de

l am

plifi

cado

r (dB

)

Figura V.10: Ganancia del amplificador

V. Resultados

- 61 -

Se realizo otra medida que corresponde al cálculo de los parámetros S, en las

siguientes figuras se representan respectivamente: S11 (Figura V.11), S21 (Figura

V.12), S12 (Figura V.13) y S22 (Figura V.14).

2 3 4 5 6 7 8-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10R

epre

sent

acio

n de

S11

(dB

)

Frecuencia (GHz)

Figura V.11: Representación del parámetro S11

2 3 4 5 6 7 8-40

-30

-20

-10

0

10

20

Rep

rese

ntac

ion

de S

21 (d

B)

Frecuencia (GHz)


V. Resultados

- 62 -

2 3 4 5 6 7 8-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0R

epre

sent

acio

n de

S12

(dB

)

Frecuencia (GHz)


2 3 4 5 6 7 8-20

-15

-10

-5

0

5

Rep

rese

ntac

ion

de S

22 (d

B)

Frecuencia (GHz)


V. Resultados

- 63 -

3. Resultados del conmutador de antena

Las diferentes medidas que se han realizado para este circuito corresponden al

calculo de las pérdidas por retorno en los puertos de transmisión y antena, las pérdidas

de inserción transmisor-antena y antena-receptor, y el aislamiento transmisor-receptor.

3.1. Con el analizador de espectros

En modo transmisión (Vc = 0V) se midieron las pérdidas de inserción

transmisor-antena (véase Figura V.15) y el aislamiento transmisor-receptor (véase

Figura V.16).

De los resultados, se puede deducir que el aislamiento entre transmisor y

receptor se atenúa entorno a la frecuencia 5 GHz.

2 3 4 5 6 7 8-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Frecuencia (GHz)

Per

dida

s In

serc

ion

Tx-A

nt c

on V

c=0V

(dB

m)

Figura V.15: Pérdidas de inserción Tx-Ant con Vc=0V

V. Resultados

- 64 -

2 3 4 5 6 7 8-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frecuencia (GHz)

Ais

lam

ient

o Tx

-Rx

con

Vc=

0V (d

Bm

)

Figura V.16: Aislamiento Tx-Rx con Vc = 0V

En modo recepción (Vc = -1.9V) se midieron las pérdidas de inserción antena-

receptor (véase Figura V.17) y el aislamiento receptor-transmisor (véase Figura V.18).

Aquí también se puede decir que el aislamiento es bueno entorno a la frecuencia

5 GHz.

2 3 4 5 6 7 8-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Frecuencia (GHz)

Per

dida

s In

serc

ion

Ant

-Rx

con

Vc=

-1.9

V (d

Bm

)

Figura V.17: Pérdidas de inserción Ant-Rx con Vc = -1.9V

V. Resultados

- 65 -

2 3 4 5 6 7 8-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Ais

lam

ient

o R

x-Tx

con

Vc=

-1.9

V (d

Bm

)

Frecuencia (GHz)

Figura V.18: Aislamiento Rx-Tx con Vc = -1.9V

3.2. Con el analizador de red

Con el analizador de red se hicieron las mismas medidas que las realizadas con

el analizador de espectros, además se calcularon las pérdidas por retorno.

Así que en modo transmisión (Vc = 0V) se midieron las pérdidas por retorno en

el puerto transmisor (véase Figura V.19) y en la antena (véase Figura V.20), y también

las pérdidas de inserción transmisor-antena (véase Figura V.21) y el aislamiento

transmisor-receptor (véase Figura V.22).

Se observa pues que las pérdidas por retorno en el puerto trasmisor son bajas

entre 4 GHz y 5 GHz, y en el caso de la antena se pueden considerar que son bajas entre

3.5 GHz y 5 GHz. Por otra parte hay un buen aislamiento entorno a la frecuencia 5 GHz

entre transmisor y receptor.

V. Resultados

- 66 -

2 3 4 5 6 7 8-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

Per

dida

s po

r ret

orno

en

el p

uerto

Tx

(dB

m)

Frecuencia (GHz)

Figura V.19: Pérdidas por retorno en el puerto Tx

2 3 4 5 6 7 8-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Per

dida

s po

r ret

orno

en

la a

nten

a (d

Bm

)

Frecuencia (GHz)

Figura V.20: Pérdidas por retorno en la antena

V. Resultados

- 67 -

2 3 4 5 6 7 8-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Per

dida

s de

inse

rcio

n Tx

-Ant

(dB

m)

Frecuencia (GHz)

Figura V.21: Pérdidas de inserción Tx-Ant

2 3 4 5 6 7 8-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Ais

lam

ient

o Tx

-Rx

(dB

m)

Frecuencia (GHz)

Figura V.22: Aislamiento Tx-Rx

En modo recepción (Vc = -1.9V) se midieron las pérdidas de inserción antena-

receptor (véase Figura V.23) y el aislamiento receptor-transmisor (véase Figura V.24).

Se observa que el aislamiento entre receptor y transmisor se atenúa 4 GHz y 5.5

GHz.

V. Resultados

- 68 -

2 3 4 5 6 7 8-20

-15

-10

-5

0

5

Per

dida

s de

inse

rcio

n A

nt-R

x (d

Bm

)

Frecuencia (GHz)

Figura V.23: Pérdidas de inserción Ant-Rx

2 3 4 5 6 7 8-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Ais

lam

ient

o R

x-Tx

(dB

m)

Frecuencia (GHz)

Figura V.24: Aislamiento Rx-Tx

VI. Conclusiones y líneas futuras de avance

- 69 -

VI. Conclusiones y líneas futuras de avance 1. Conclusiones

Del trabajo que se ha realizado en este proyecto, se puede decir que se ha

logrado el objetivo principal que es la realización de una placa de evaluación, también

se pueden destacar las siguientes conclusiones:

• Se ha aprendido a utilizar y manipular una herramienta informática muy

potente para confeccionar el layout de la placa, que es el software ADS,

especifico para el diseño y análisis de sistemas de alta frecuencia.

• Después de diseñar el layout, se tuvo que exportar los datos generados a

otros programas, en concreto a CircuitCAM y BoardMaster, que sirven

como interfaz entre PC y la máquina Protomat utilizada para la

fabricación de la placa. Esto se puede evitar instalando el software

adecuado (del que no se disponía en ese momento) para que ADS sea

compatible con la máquina Protomat.

• Las buenas características de la placa fabricada mediante la técnica de

microfresado, son fruto de las precisas herramientas y prestaciones que

ofrece la máquina utilizada para tal fin.

• El montaje de los componentes sobre la placa, se ha realizado

manualmente con la ayuda de un soldador. La dificultad o inconveniente

que se presentaba, es que se manipulaban unos componentes de un

tamaño muy reducido y la precisión requerida es de unos milímetros. Se

puede evitar este inconveniente con la ayuda de máquinas que facilitan el

posicionamiento y soldadura de estos componentes.

• La familiarización con el uso de instrumentos de medida para frecuencias

de microondas, que ofrecen unas características bastante buenas y

precisas, como es el caso del analizador de red, el analizador de espectros

y el generador de señales.

VI. Conclusiones y líneas futuras de avance

- 70 -

• Respecto a los resultados obtenidos, se ha logrado comprobar el bajo

consumo del circuito, y también se ha podido caracterizarlo mediante las

distintas medidas realizadas, como por ejemplo hemos comprobado el

grado de linealidad del amplificador, el aislamiento entre el transmisor y

el receptor. Algunos resultados no han sido totalmente satisfactorios, las

posibles causas son: en primer lugar el circuito evaluado sólo es un

prototipo y éstas son las primeras medidas que se han realizado sobre el

mismo, por otra parte como se esta trabajando en frecuencias de

microondas, cualquier imperfección en la soldadura puede afectar

negativamente en los resultados, y también hay que tener en cuenta que

tanto los cables utilizados, en el caso del analizador de espectros y el

generador de señal, como la carga no son ideales.

2. Líneas futuras de avance

A continuación se exponen algunos comentarios acerca de las líneas futuras de

avance:

• Se podría instalar el paquete software necesario para hacer que el

programa ADS sea compatible con la máquina de fabricación, esto

evitaría el tener que exportar a otros programas, convirtiendo el proceso

de diseño en un proceso más simple y directo.

• El tipo de encapsulado del circuito evaluado fabricado por OMMIC, es

de los que se sueldan directamente sobre las pistas de la placa, esto puede

dañar el funcionamiento del circuito. Entonces, utilizando otro tipo de

encapsulado que encaje en un sócalo, se soldaría sólo el sócalo, y el

integrado no se vera afectado por la soldadura.

• Para el montaje de los distintos componentes de reducido tamaño, sería

aconsejable utilizar una máquina que ayude a posicionarlos (por ejemplo

la ProtoPlace de LPKF), también se podría utilizar una pasta conductora

que sustituye a la soldadura.

VII.Resumen

- 71 -

VII. Resumen Se puede decir que este proyecto esta dividido en tres fases:

• Diseño: El objetivo de esta fase era confeccionar un layout para la placa

de evaluación, así que primero nos hemos familiarizado con el software

de diseño, para ello fueron de utilidad los ejemplos incluidos en el

programa y los manuales y la información contenida en la página web de

Agilent. Para tal fin, se obtuvo la información necesaria de todos los

componentes que forman la placa. Por otra parte en esta fase se

estudiaron los fundamentos de la tecnología MMIC, y en concreto el

funcionamiento del circuito que queremos evaluar.

• Fabricación: El propósito de esta fase era el de realizar físicamente la

placa. Para ello se exportaron los ficheros generados con ADS al

programa CircuitCAM en formato Gerber, y después al programa

BoardMaster que nos ha permitido controlar la máquina Protomat C20

utilizada para la fabricación de la placa. Después se procedió al montaje

del resto de componentes sobre la placa.

• Evaluaciones: Esta última fase se dedicó a la realización de diversas

medidas con la placa fabricada. Se utilizaron diferentes dispositivos,

como el analizador de espectros, el generador de señal, el analizador de

red y la fuente de alimentación. Entre las pruebas realizadas para

caracterizar al circuito están: el calculo de la potencia de salida frente a la

potencia de entrada, el calculo de las pérdidas de inserción, de las

pérdidas por retorno y el calculo del aislamiento.

VIII. Bibliografía

- 72 -

VIII. Bibliografía • Advanced Design System 2003A Documentation, Agilent Technologies.

http://eesof.tm.agilent.com/docs/adsdoc2003A/manuals.htm

• “Diseño de un amplificador lineal de potencia en tecnología MMIC a 5.25

GHz”, Luis Javier Bretón Fernández, Proyecto fin de carrera, Escuela Superior

de Ingenieros de Sevilla, febrero 2004.

• “Diseño de un conmutador de antena a 5 GHz con HEMT en tecnología

MMIC”, Juan María Rodríguez Sánchez, Proyecto fin de carrera, Escuela

Superior de Ingenieros de Sevilla, enero 2004.

• Capacitors, MURATA. http://www.murata.com/cap/index.html

• SMR 20 de ROHDE&SCHWARZ. http://www.rohde-schwarz.com

• E4407B de Agilent. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5968-3278E.pdf

• N5230A de Agilent. http://na.tm.agilent.com/pna/help/index.html

• CAD/CAM for printed circuit board manufacturing

• http://www.lpkf.com/products/rapid-pcb-prototyping/software/index.htm

Nota: Septiembre del 2006 es la última fecha de acceso a las páginas web

mencionadas en la bibliografía.

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