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Tecnología: circuitos integrados de microondas
Tecnología Circuitos Integrados de Microondas desarrollo de los dispositivos de estado sólido y la aparición de sustratos plásticos de bajo costo han determinado la sustitución de la tecnología tradicional de microondas —basada en la guíaonda y los tubos— por el uso de lincas fiabilidad y bajo volumen, peso y coste. En este artículo FÉLIX PÉREZ M ARTINEZ. Profesor Titular de la E.T.S.I. de Telecomunicación de Madrid, ahalia los conceptos básicos, técnicas y lecnologias utilizadas en los circuitos integrados de microondas que serán el denominador común de los futuros equipos trabajando desde UHF hasta 40 GH. Tecnología I.os profanos asocian frecuentemente la circuiteria de microondas con complejas y voluminosas estructuras, más parecidas u vulgares cañerías que a sofisticados productos de la tecnología electrónica. Sin embargo, cl esterotipo de actividad real de los actuales ingenieros de microondas, sometidos al frenético desarrollo del estado sólido y de las modernas técnicas de la microelcctrónica. sicos, técnicas y tecnologías empleadas en los circuitos integrados de microondas que constituyen la base de los actua Con el riesgo implícito en toda generalización, se puede definir un circuito integrado Cl como cualquier combinación de funciones electrónicas cinpaqucinterface sible a >. Si I iones de los circuitos son comparables a las longitudes de onda de las señales tratadas, estaremos ante un circuito integrado de microondas CIM. De hecho, la diferencia básica entre un Cl convencional y los que describiremos aqui, radica precisamente en la necesidad de considerar los tiempos de retardo en la propagación de las señales, cuya consecuencia más lla conexión y una buena parte de los cieñas,... por líneas de transmisión TEtvi o cuasiTÉM. PERSPECTIVA HISTÓRICA Aunque la definición anterior inclui cstructuras coaxiales y en guiaonda. cl concepto de CIM se limita a los circuitos planares. Puede afirmarse, en consecuencia, que los CIM nacen con las prii lin isión c estn a pía n media s depositadas sobre sustratos dieos planos y, frente a ias estructurassimplificación mecánica v reduc momento a finales de los años 30, cua do Wheeler por un lado y Rumscy y J stripline I, cuya resolución electromagnética fue publicada muchos años después —1950— en una memoria interna de Hughes Aircraft. La popular línea microstrip fue propuesta en 1952 por Greig y Engelmann 2. A principios de los 60, los circuitos pía nares todavía eran discutidos desde algunos sectores del mundo industria g Sin 58—BITe dedic Tecnología se trata de una tecnología que está en sus recursos humanos y materiales que permitieron su rápido desarrollo hasta alcanzar la madurez al concluir la década. vos materiales dieléctricos con bajas pérdidas a frecuencias de microondas, apa Duroid y cerámicos como la Alúmina con 99 de pureza. También se perfeccionaron las técnicas para depositar las metalizaciones y entraron en competencia las tecnologías de capa fina Thinfilm y capa gruesa Thickfilm con el triunfo de la primera. Paralelamente, se introducen nuevos dispositivos de estado diodos ÍMPATT. Gunn, PIN, etc. y los transistores bipolares. Un hito importante en este proceso lo constituye el proyecto MERA en el que Tenas lnstrument, financiada por las fuerzas aéreas norteamericanas, construye más de 600 módu mente complejos para demostraron la posibilidad de producir C1M a gran escala. En los años 70 se perfeccionaron los detectores y los mezcladores con la introducción de los diodos de barrera Schottky y se produce la revolución de mpo amplia a de aplicaciói imaginables entonces, al posibilitar las funciones de amplificación, oscilación y mezcla hasta algunas decenas de gigaher7ios GHz con muy bajo nivel de ruido y potencias de salida cada vez más elevadas 3. Estos dispositivos sustituyeron ron las puertas a los circuitos integrados monoliticos de microondas que, en estos momentos, representan el estado del ar nción de sustratos plásticos muy baratos capaces de trabajar hasta 40 GHz. que, unidos a la disminución del precio de los componentes activos, extenderán las aplicaciones de los C1M, hasta ahora reducidas al campo profesional, al sector de lóido recepción de TV víatélite. CIRCUITOS NTECKADOS HÍBRIDOS DE MICROONDAS de n difi pueder ¦ ites híbrida y monolítica. Los ciruitos híbridos se obtienen depositando uperficies metálicas con formas precisa >obrc un sustrato aislante en el que si íalm lente trodiu también otros componentes pasivos condensadores, resistencias... no grabados sobre el sustrato que, como los activos, se sitúan en el circuito mediante soldadura, pequeños hilos conectados por termocompresión, pastas conductoras adhesivas u otro procedimiento. Tres métodos de fabricación La fabricac e hac siguiendo utas 4 niendo las superfici tos fotolitográficos pueden integrarse r gráficas para depositar ras y r s que. pos Circuito impreso se pa trato plástico, que el fabric tra metalizado por ambas diante fotograbado y ataqu< obtiene el circuito. Latécnie la empleada por circuitos co Lose iara grandes tiradas, pues las carácter Licas obtenidas son bastante pobres y uso sólo lo justifica el bajo coste por ai tivos de dos ter mínales más utilizados en los C1M son 5El diodo de barrera Schonky, una 0AsGa, con el que se realizan La mavor parte de los mezcladores y detectores hasla frecuencias por encima de 100 GHz. El diodo PIN. que por su propiedad de corriente de polarización, es el dispositivo ideal para construir conmutadores, 1 id ores.{tituladuttn. las.Kl o enel etcelo de su misino nornlirc. tiene la propiedad de presentar una resistencia nega11 al.st li ni u y e te nd ni o como oscilud or de pequeña y media potencia desde la banda X hasta frecuencias superiores a 100 GHz. Los diodos IMPA TT PAT, cuyo fundamento es el fenómeno incha que MESEET{1. El primero Transistor si uiilia hasta frecuencias superiores a 50 GHz. Es un dispositivo que a pesar de su juventud en altas desde hace 10 años, ha revolucionado el dispositivos en numerosas aplicaciones. En el futuro, con el desarrollo de los FET de helerounión y los transistores de base permeable —basados en fenómenos de cientos de GHz. 9. CIRCUITOS MONOLÍTICOS croondas todos los elementos necesarios para conseguir la función electrónica dispositivosactivos, pasivosy líneas de transmisión se lubrican sobre un único bloque de material semiconductor, tal como muestra la foto de la figura 2. En el marco del proyecto MERA, al yó el primer circuito de microondas con esta tecnología un conmutador a diodos PIN. Al principio se utilizó silicio sobre zafiro SOS pero ahora se tiende a fabricarlos en AsGa, material que frente al tes ventajas —El valor elevado de la movilidad y de la velocidad máxima de los electrones disminuye sensiblemente el tiempo —La existencia de AsGa semiais —La constante dieléctrica es adecuada para la realización de líneas mi —Las uniones Schottky estructura metal semiconductor sobre AsGa ticlien corrientes inersas menores v pueden ntea o. Su ínfigur ción es muy simple en una tipo N, depositada por epitaxia o implantante. Además, su ventaja primordial radica en la sencillez de la estructura del terminal de puerta que permite una re n de s is de n a hasta i esultando frecu a 100 GHz. is de En los últimos añ< electrónicas amplificación. El hecho de que se eelebrcí IEEE con tzado ma específico Cii unoliticos de Microondas y Mili demuestra el progreso alca r esta tecnologia 11. Como sus homólogos de baja fi i claras ventajas frente a los híbridt minución de coslos para producción ran escala, simplificación del proce test, reducción drástica del tamañ criiu l escaso porcentaje de obleas valí— hacen que el precio por chíp ni es fácil localizarlos fallos. F pocas aplicaciones e justifiquen produccii límente, hay muy estas bandas quea gran escala. s de primeros problemas ciaji reino y fabricación, por el mo escollosólo s o faltan La gran superficie a aplicacio ilicio y AsGa. BIT—61 Tecnología s fabril ntek y Sie especth A cono plazo, los únicos campos de aplicación que pueden justificar la procluccKín Liiditsiril tJc ciretetos monolit ieos más complejos, son la recepción de televisión víasatélite y los radares militares con exploración electrónica a bordo de barcos, aviones y satélites. Dentro de este último área existen otras aplicaciones más difíciles de identificar donde la reducción de peso y espacio, en algunos prt io por chip misiles Los CIM han un gradual de los sistemas de microondas. Actualmente, la mayor parte de los equipos se guas estructuras coaxial y en guiaonda han quedado relegadas para aplicaciones muy específicas filtros, etapas de salida con potencias elevadas, sistemas en bandas milimétricas que, con el tiempo, también se irán sustituyendo. Sus áre to, 1s de aplicación son, por t tar. Otras aplicmiuiit, ni ij tuquie utur rrollo, aunque de escasa importancia en di industriales hornos, biológicas tratamiento de plagas, médicas termografia y tratamiento del cáncer y radioastronómicas. En las figuras 3 y 4 se muestran dos aplicaciones clásicas de los CIM una etapa de salida para un radar secundario con 2,5 Kw. de potencia de salida y el receptor de un radioenlace en UHFque incluye el amplificador de entrada, el figurar un lazo PLL. Mención especial merece la recepción de TV víasatélite que, por la gran cantidad de equipos que se fabricarán, tendrá importantes repercusiones en un sector hasta ahora limitado al campo profesional. En La figura 5 se presenta un estación receptora unidad externa desarrollado, conjuntamente, por el Dpto. de Microondas de la UPM y PESA. Entre los dispositivos pasivos condores cerámicos, las resistencias realizadas en capa fina con NiCr o en capa gruesa con pastas de carbón pirolilico y los resonadores dieléctricos. Estos úl 62—BIT bajas pórdid.irnm cilindrica fotografía lcysc ortan como cavidades de alto Q. Su use ermite reducir significativamente los lalaños de osciladores y filtros. En definitiva, la tecnología de lo rcuitos híbridos riodo dete, por el perfeccionamiento de los dispositivos activos. Como lineas prioritarias de 1D en los próximos años pode Desarrollo de las técnicas CA D CAM. El objetivo final es automatizar todo el proceso caracterización de com ponentes, diseño, fabricación y ajuste del Extensión de los CIM a las bandas milimétricas Las aplicaciones militares que tienen estas frecuencias y el potencial mercado de los n predecir el rápido arrollo de lado hasta ahoraDesarrollo y generalización del de supercomponentes.Circuitos in cantidad de funciones con el mayor el de integración posible.el co de loscircuitomonolí Tecnología DISEÑO Y REALIZACIÓN DE UN AMPLIFICADOR DE MICROONDAS La realización de un circuito de inicroondases un proceso relativamente complejo que precisa de una infraestructura material específica {procesos de fabricación, instrumentación, herramientas CADCAM... y de unos conocimientos muy particulares, difícilmente accesibles, en los que la experiencia previa juega un papel fundamental. Escuetamente, las fases que incluye este proceso son. a menos, las siguientes 1. Selección y caracterización de sustratos y dispositivos La sí is de k a la caracterización experimental para asegu Los dispositivos actives y pasivos se caracterizan por diferentes magnitudes como la ma cíalmente con la utilización de paquetes de programas de análisis, síntesis y diseños gráficos que. frecuentemente, son elaborados por los propios disenadores. Por último, una vez introducidas las redes que permiten polarizar los dispositivos activos, se optimiza por ordenador el circuito completo hasta obtener la respuesta deseada. 3 Implementtcíón de las redes en la linea de transmisión elegida. Realización precisa de la máscara a escala I 10 A partir de Los parámetros circuitales de. los diferentes elementos constitutivos de las redes, impedancia característica y longitud eléctrica, se determinan Las dimensiones geométricas, anchura y longitud, de las superficies final se dibujaa escala I10. sobre papel mylar para construir la máscara. comienzos y debe demostrar sus posibilidades en los próximos años. Será necesario mejorar los métodos de caracterización de materiales y dispositivos, así como perfeccionar las técnicas de fabricación para reducir el precio por chip. Muchos laboratorios están trabajando en este sentido y nada indica que no puedan conseguirlo. A medio plazo, cabe esperar la comercialización de versiones monolíticas de algunos circuitos standard —amplificadores y mezcladores de banda ancha para aplicaciones hasta posteriormente, de otros más complejos etapas de entrada de receptores, etapas transmisoras, etc.— para sistemas de banda ancha. En e campo de la recepción de TV víasatélite, japoneses y franceses han dedicado importantes esfuerzos del receptor, pero su viabilidad industrial es discutible. Lo que parece claro es que el AsGa será el sustrato utilizado y el transistor MESFET el componente básico de los próximos circuitos monolíticos. Por otra parte, los circuitos lógicos de alta velociad están recorriendo un camino similar y, en cierta forma, confluyente. Desde que Liechti y Van Tuy introdujeron la lógica BFL Buffered FET Logic 12, son varias las familias lógicas construidas con transistores MESFETde AsGa que trabajan a velocidades superiores al Gigabitseg. En la medida en que las velocidades se incrementen, aparecerán un conjunto de problemas típicos en las técnicas de microondas y no será extraño que, muy pronto, expertos en campos tan diversos trabajen en equipo. CONCLUSIÓN UNA TECNOLOGÍA AL ALCANCE DE NUESTRA INDUSTRIA Para finalizar estas páginas me gustaría lanzar un mensaje optimista a las industrias del sector. Hasta hace poco tiempo, en nuestro país había un número relativamente importante de empresas, con experiencia en circuitería de alta frecuencia VHF y UHF, que eran conscientes de la existencia de un área importante de actividad a frecuencias más altas. Sin embargo, contemplaban con equivalentes, impedancias de carga óptima, etc. que muchas veces no suministra el fabricante y deben medirse. 2 Diseño de las redes dé adaptación y polarización de la respuesta por ordenador Mediante técnicas analíticas yo gráficas Caria a Smith se diseñan las redes de entrada y sal del que maximizan. en la banda de1 trabajo, la potencia transmitida en las puertas del transistor. El proceso se simplifica sustan la manual o automática mediante un plotti nt rolad o por un micro ordenador al que ministran las coordenadas de las diversi El circuito completo se sitúa sobre metálica cerrada, que se comunica ci terior mediante conecto res coaxiales fisticada y cara, y desconfiaban de unas técnicas que, por su especificidad, sus ingenieros no dominaban. Afortunadamente,la situación ha cambiado y las fotografías que ilustran ción. Varias empresas fabrican ya circui rar que otras lo hagan próximamente. La aparición de sustratos plásticos, con la simplificación en la fabricación que BIT—63 Tecnología LINEAS DE TRANSMISIÓN PLANARES En tecnología planar. las lineas de transmisión más utilizadas son las representadas en la figura línea triplaca siripline. linea microtira microstrip. línea coplanar coplanarstiip. linea de ranura slotline. linea microlira suspendida suspended microstrip y linea finline. Admitiendo la propagación de un modoTEM. desde el punto de vista circuital cada línea queda definida por sus parámetros secunda — Impedancia característica Zo. — Constantes de atenuación tteíta.. ue se obtienen a partir de las propiedades físicas del sustrato constante dieléctrica, espesor, tángeme de pérdidas y del tipo de metalización resistividad, así como de la geometría de la línea anchura y longitud. Para ello puede emplearse un conjunto de expresiones simples y compactas o programas de ordenador que resuelvan la estructura electromagnética mediante métodos numéricos muy complejos. Las primeras suelen ser aproximaciones de resultados suministrados por los programas y permiten una rápida caracterización de las 13 12 16 50 implica, ha sido un elemento fundamental. Creo que es justo destacar también el importante papel que los Departamentos de Microondas de las Universidades Politécnicas de Madrid y Barcelona han desempeñado 13. Confiemos en seguir avanzando por este camino para 13ID en la Universidad. Electrónica MicrowaveCircuits. Artech House Inc. 1981. Nacido en 1954, es Doctor Ingeniero de Telecomunicación por la Univ. Politécnica de Madrid 1982 y Profesor Titular del Dpto. de Radiódeterminaeion de la E.T.S.I. de Telecomunicación de Madrid. Desde 1978forma parte del grupo de ID en tecnología de circuilos híbridos e integrados de microondas. Actualmente trabaja en circuitos planares de milimétricas, receptores TVvía satélite, sistemas de radar secundario y transmisores pulsados de estado sólido. Ha publicado varios artículos en congresos y revistas internacionales especializadas como IEEE Transactions on MTT. Electronics Lettersy MicrowaveRF. Asimismo es coautor del libro Applications of GaAs MESFETS editado por Artech House Inc.
30 oct 2015