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$: Dpto. Física Aplicada III Universidad de · PDF fileDiseño y desarrollo de sistemas que operan con señales E.M. en la banda de frecuencias 1 100 GHz ... antenas fractales (MIC)$
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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


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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 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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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”

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