Tecnologías de circuitos integrados de microondas · Diseño y desarrollo de sistemas que operan...

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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

Avances Recientes en Física …Dpto. Física Aplicada III (US) 2


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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 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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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

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”

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