tabla3
Referido a los componentes de microondas híbridos, su fabricación y las aplicaciones en
amplificadores, filtros y osciladores.
1- CIRCUITOS EN PELÍCULA DELGADA
1.1- CIRCUITOS DE MICROONDAS HÍBRIDOS
SUSTRATO. Los circuitos integrados de microondas híbridos HMIC consisten en un patrón de conductores planos sobre
un sustrato dieléctrico. Debe poseer las dos siguientes características: buena conductividad térmica para disipar el calor y
una constante dieléctrica idónea para la velocidad de transmisión. Se utiliza la alúmina (AL2O3) hasta los 10 GHz y el vidrio
de Sílice más allá de dicho límite. En los circuitos no recíprocos, como el circulador o aislador, se utiliza la ferrita o granate.
Algunos sustratos orgánicos como el teflón PTFE (politetrafluorurotileno) son usados en amplificadores.
Sobre el sustrato se colocan capas intermedias aislantes de Nitrato de Tantalio (Ta2N) como material resistivo y capas de
conductores (NiCr-Cu-Au). Los componentes activos se colocan en pastillas sin encapsulado y con solo los conductores de
soporte para reducir el tamaño y los efectos parásitos de los terminales.
La tecnología usada para la producción es la denominada película delgada (Thin Film). Similar a la película gruesa (Thick
Film) usada en baja frecuencia pero el método de producción es distinto. La película gruesa se obtiene por serigrafiado con lo
que se obtienen capas de 12 a 40 μm de espesor. Mientras que en película delgada se utiliza la vaporización con espesores
inferiores a 0,2 μm. El proceso de producción recurre al ciclo de sputtering que deposita sobre un substrato varios estratos de
material resistivo, conductor y aislante en una cámara de crecimiento o mediante el ciclo de plateado selectivo por
fotolitografía de oro.
Imagen1
Fig 01. Diversos usos del circulador y el filtro de cavidad resonante.
En la Fig 03 se muestran distintos componentes pasivos construidos en HMIC. Se pueden obtener resistencias; impedancias
adaptadoras de línea; cargas de 50 ohm con el correspondiente disipador de potencia; separadores de señal con o sin
desfasaje; etc. Una línea resistiva periódica puede actuar como atenuador con derivación (stub) cortocircuitada o abierta de
acuerdo con el diseño.
Un elemento de interés es el atenuador a diodo PIN que se encuentra dentro de los controles de ganancia AGC. En los
diodos PIN la atenuación aumenta con la corriente. La conexión en paralelo (balanceada) minimiza la intermodulación
introducida por la alinealidad del diodo. Para una impedancia de línea de 50 ohm la atenuación varía entre 25 y 44 dB
cuando la resistencia del PIN varía entre 10 y 3 ohm.
1.2- CIRCULADOR DE GRANATE DE FERRITE
Un componente muy interesante realizado en HMIC es el circulador o aislador. Se construye mediante un disco de Ferrite
(compuesto derivado del Fe2O3 o Granate de Ferrite) colocado debajo de las pistas conductoras. En la Fig 01 se muestra la
forma de construcción y el principio de funcionamiento. Se lo utiliza como aislador, sumador y separador de frecuencias.
El circulador se desarrolla sobre un efecto físico propio de los materiales ferromagnéticos. El campo magnético fue
descubierto por H.Oessted-1820 y el ferromagnetismo por Ampere-1920. El fenómeno de resonancia giromagnética permite
que la constante de fase de propagación de la onda difiera en ë/2 entre los 2 sentidos de giro. En otras palabras, la atenuación
de giro de la onda en el sentido del spin de los atenuación es el doble de la atenuación en el sentido opuesto al sentido del
spin.
El spin de los electrones se mantiene alineados mediante un imán permanente colocado debajo del ferrite. Con un diseño
adecuado de las pistas se obtiene que la señal que ingresa por la puerta 1 del circulador se suma en fase sobre la puerta 2 y en
contrafase sobre la puerta 3. Se obtiene en realidad una baja atenuación (0,2 dB) en la puerta 2 y una alta atenuación (25 dB)
en la puerta 3. El primer circulador de película delgada se desarrollo en la Bell Labs-1973 de acuerdo con el principio de
constantes distribuidas de inductancia y capacidad. Los conductores eran de Oro-Paladio-Titanio y los capacitores se hacían
mediante una separación de aire entre dos conductores de película gruesa. El ferrite y el imán completaban el conjunto para
generar un circuito magnético cerrado a través de una carcaza metálica.
Imagen2
Fig 02. Conversor de radiofrecuencia.
1.3- CONVERSOR DE RADIOFRECUENCIA
El mezclador permite trasladar el espectro desde una frecuencia intermedia IF hacia la radiofrecuencia RF o viceversa. Puede
ser de 2 tipos: multiplicador de frecuencia o conversor (up-converter o down-converter). El multiplicador se basa en un
elemento alineal que distribuye la potencia en distintas armónicas permitiendo filtrar aquella deseada. El conversor en
cambio realiza el producto de la IF y OL para obtener la RF. El conversor más usado es el mezclador de frecuencia imagen
suprimida IRM (Image Rejection Mixer).
En la Fig 02 se muestra el principio de funcionamiento. Se trata de 2 circuitos de producto que trabajan a 90° de fase uno
respecto del otro. De esta forma, a uno de los circuitos ingresan las señales IF y OL mientras que al otro ingresan IF±90° y
OL+90°. La salida corresponde a OL-IF y OL+IF. En términos matemáticos:
IF = cos (ùi.t) y OL = cos (ùo.t)
IF±90° = cos (ùi.t ± 90°) y OL+90° = cos (ùo.t + 90°)
IF.OL = ½ [cos (ùo+ùi).t + cos (ùo-ùi).t]
(IF+90°).(OL+90°) = ½ [-cos (ùo+ùi).t + cos (ùo-ùi).t]
(IF-90°).(OL+90°) = ½ [+cos (ùo+ùi).t - cos (ùo-ùi).t]
(IF.OL) + (IF+90°).(OL+90°) = cos (ùo-ùi).t = OL-IF
(IF.OL) + (IF-90°).(OL+90°) = cos (ùo+ùi).t = OL+IF
En palabras: seleccionando la entrada IF+90° o IF-90° se obtiene solo una de las frecuencias imágenes OL-IF y OL+IF. En la
Fig 03 se muestra un ejemplo de un conversor mediante película delgada. Se trata de un down-converter con las siguientes
elementos:
-Un circulador como aislador de entrada para la RF y el OL,
-Las cargas de 50 ohm para consumir la potencia reflejada,
-Dos etapas de amplificación FET-AsGa para la RF,
-Una etapa de Control Automático de Ganancia con diodos PIN,
-Una etapa de acoplador y separador para monitoreo del OL,
-Los desfasadores y separadores de RF y OL,
-Los diodos para efectuar el producto en el conversor.
Imagen3
Fig 03. Layout de un receptor de microondas.
1.4- DIODOS PARA MICROONDAS
Los componentes usados en RF son FET-AsGa y diodos. Ahora se mencionan los diodos más aplicados, (en el ítem próximo
se hace referencia a los componentes con AsGa):
1- Diodo Schottcky. Es una juntura metal-semiconductor donde el Aluminio se comporta como un semiconductor tipo P.
Tiene mayor velocidad que la juntura convencional y requiere menor tensión de polarización directa. Son usados en
mezcladores y multiplicadores de frecuencia.
2- Diodo Varactor. Es una juntura metal-semiconductor donde la capacidad varía en función de la tensión inversa aplicada.
Se usa como control de sintonía en VCXO y DRO. Como la función de variación no es lineal se lo utiliza en amplificadores
paramétricos de bajo ruido.
3- Diodo PIN. Es una juntura P-Intrínseco-N y se comporta como una resistencia variable en función de la corriente a partir
de una determinada frecuencia. La resistencia es proporcional al tiempo de vida de los portadores y al número de portadores
y la movilidad. Se lo usa en moduladores y atenuadores.
4- Diodo Gunn (J.Gunn-1963). Es una barra de material semiconductor de AsGa dopado tipo N colocado en una cavidad
resonante. El diodo oscila espontáneamente con polarización externa. La característica que relaciona la velocidad de
electrones y el campo eléctrico tiene una inflexión con resistencia negativa (incrementando el campo eléctrico los portadores
disminuyen la velocidad emitiendo potencia en la región de microondas) y por ello se comporta como oscilador.
5- Diodo Impatt (Impact Avalanche Transit Time; DeLoach-1965) Es una juntura P+NN+ donde un campo eléctrico
elevado produce una avalancha que lleva a la saturación de portadores y a la emisión de impulsos de microondas.
Imagen4
Fig 04. Circuito de microondas monolítico MMIC.
1.5- CIRCUITOS DE MICROONDAS MONOLÍTICOS
La tecnología HMIC (Hibrid Microwave Integrated Circuit) se denomina de esta manera debido a que los componentes
activos son soldados sobre la placa que contiene solo componentes pasivos. Si en cambio se adopta un substrato
semiconductor los componentes activos pueden integrarse en el mismo substrato y se dispone de los MMIC (Monolíticos
MIC).
La tecnología del Arseniuro de Galio AsGa es la adecuada para este tipo de componente por las siguientes razones:
-La movilidad de cargas del AsGa es 5 veces mayor al Si y logra trabajar a frecuencias mayores con menor campo.
-El Si se puede usar hasta 3 GHz y el AsGa hasta 30 GHz.
-Se obtiene en sustratos de alta resistividad (107 ohm/cm) y permite un elevado aislamiento entre componentes.
-La separación de niveles de conducción es 0,3 eV, (superior al Si) y permite trabajar a una temperatura más alta.
-El consumo de potencia es de 10 a 1000 veces menor.
-Puede aplicarse como elemento discreto (transistor MESFET) en MMIC, o en optoelectrónica para fibras ópticas.
Mientras el AsGa tiene mayor velocidad y frecuencia de trabajo, menor ruido, menor consumo y soporta mayor temperatura;
el Silicio en cambio tiene un costo menor, mayor integración circuital y una tecnología más experimentada.
La tecnología MMIC comienza con W.Schockley-1952 que propuso el transistor FET y en 1964 se pudo patentar la
tecnología MMIC (Texas Inc). El primer MMIC de Si data de 1965; el primer FET de AsGa data de 1966; el primer HMIC
de AsGa de 1972 y en 1985 se desarrolló la producción industrial del MMIC de AsGa. 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.
Varias de ellas desarrollan hoy día circuitos custom MMIC. En la Fig C1-05 se muestra un ejemplo de circuito MMIC de
AsGa (Douville y Stubbs-1988).
Como parte del mismo programa de desarrollo se estudio el semiconductor más interesante para el futuro: el Carbono C, cuya
estructura cristalina es el diamante (B.Manz-1988). El C soporta un voltaje de ruptura 50 veces superior al AsGa; la
conductividad es 4 veces superior al Cu y 20 veces superior al Si; la constante dieléctrica es la mitad que en el AsGa. Los
problemas se relacionan con el crecimiento cristalino.
2- TECNOLOGÍA DE FILTROS Y OSCILADORES
Los osciladores están compuestos por amplificadores realimentados positivamente mediante un lazo donde se encuentra un
filtro pasabandas. En general, las tecnologías de filtros se aplican luego a osciladores. La tecnologías pueden clasificarse en:
-LC Filtros resonantes Inductancia-Capacidad LC, con pocas aplicaciones actualmente.
-IC Filtros digitales mediante IC para banda base digital; por ejemplo los filtros FIR.
-SAW Filtros de Onda Acústica Superficial SAW para aplicaciones en frecuencia intermedia hasta 1 GHz.
-DRO Filtros de cavidad estabilizados mediante dieléctrico para aplicaciones en radiofrecuencia desde 1 GHz.
-YIG Filtros mediante monocristal de YIG para aplicaciones en radioefrecuencia desde 1 GHz.
Los filtros LC resultan ser algo rudimentarios para los sistemas digitales actuales; han sido utilizados para eliminar
distorsiones fuera de banda en Frecuencia Intermedia. En la década de los años `90 este tipo de filtro ha sido totalmente
superado por las otras técnicas. Se trata de circuitos realizados mediante inductancias y capacidades conectadas en serie o
paralelo para lograr filtrados de tipo pasa-banda y elimina-banda. La Fig 05 muestra un ejemplo de un filtro trabajando en
frecuencia intermedia 70 MHz con ancho de banda de ±25 MHz seguido de un separador (splitter) activo.
2-1 FILTROS DIGITALES
El filtro digital se realiza mediante circuitos integrados; el más común es el diseño FIR (Finite Impulse Response). El
esquema eléctrico se muestra en la Fig 05. Se trata de una serie de etapas que contienen celdas de retardo (equivalente a una
fracción del ancho del bit), un coeficiente de producto para cada componente y la sumatoria de los mismos.
Matemáticamente:
Y(z) = Ó X(N) . z-N
Donde, X es la función de entrada y Y la función de salida; z-N es la unidad de retardo del FIR. Seleccionando el retardo y el
coeficiente se puede obtener una sumatoria con la forma de onda deseada. Obsérvese que este circuito es una combinación de
compuertas por lo que el filtro en conjunto es un simple sector de un circuito integrado.
Imagen5
Fig 05. Filtros mediante técnica digital y LC.
Los filtros pasabajos usados a nivel de banda base digital deben responder a la ley Coseno Realzado y sigue la expresión:
H(f)= ½.[1 + cos ð.(1+{f-fN/fN.ß})/2] donde (1+ß) ≤ f ≤ fN.(1-ß)
El coeficiente ß se denomina Roll-off del filtro o coeficiente de caída. Cuando el Roll-off tiende a cero se aproxima al
filtrado ideal. Con filtros digitales se obtienen valores de Roll-off de 0,3 a 0,4. Los filtros SAW obtienen valores inferiores a
0,2 con un circuito equivalente similar pero con una técnica de producción asociada a la película delgada.
2.2- ESTABILIZADORES DIELÉCTRICOS
Tanto para las aplicaciones de filtros u osciladores a cavidad resonante la tecnología de estabilización mediante dieléctrico ha
tomado una importancia fundamental. El dieléctrico para estabilizar cavidades resonantes se descubrió en 1939 y la
aplicación comercial deriva de 1968. La cerámica investigada en principio fue el TiO2 pero poseía una reducida estabilidad,
cercana a 100 ppm/°C. Hoy día se usan derivados del óxido de Titanio, como los indicados en la Tabla 01.
La estabilidad Äfº/f mejora con el incremento del factor Qo de la cavidad resonante. El sustrato donde se coloca el dieléctrico
puede ser de Al2O3, cuarzo o Duroid. Un resonador dieléctrico dispone de un factor Qo más de 2 veces superior al
resonador de guía-ondas rectangular estándar para filtros de branching.
Tabla 01: Comparación de filtros de RadioFrecuencia.
Imagen5tabla
Imagen6
COMPONENTES: CIRCUITOS HMIC
1506-(8)
En general, se busca que la estabilidad de la cavidad sin dieléctrico y la estabilidad del material dieléctrico tengan signos
opuestos. Por ejemplo, negativo (-0,6 ppm/°C) para la cavidad y positivo (+0,6 ppm/°C) para el dieléctrico. Con valores
cercanos a +1 ±0,5 ppm/°C se logran estabilidades de ±20 ppm entre 0 y 50 °C.
En la Fig 06 se muestra un Oscilador Resonante (Estabilizado mediante)
Dieléctrico (DRO o DSO) tanto en su estructura física como en el
diagrama eléctrico equivalente. Se trata de un amplificador FET-AsGa y
un filtro de cavidad estabilizado por dieléctrico.
Se dispone muchas veces de un control de fase estabilizado desde un
cristal de cuarzo y que actúa sobre la polarización de un diodo varactor.
Este circuito permite una compensación térmica y mejora la estabilidad.
Por ejemplo, la FCC (Federal Communications Commission) de USA
determina una estabilidad para el Oscilador Local de 10 ppm para las
bandas de 4 y 6 GHz. Este valor obliga al uso del circuito de
compensación de temperatura. El ajuste del DRO o de los filtros de
branching se realiza mediante un tornillo que penetra en la cavidad
modificando la frecuencia de resonancia.
Los filtros de branching se construyen con la cavidad revestida de plata mediante un baño galvánico para reducir las
pérdidas. Se suelen realizar varias cavidades en serie que permiten un ancho de banda mayor con un corte del espectro más
abrupto.
2.3- MONOCRISTAL YIG
El filtro construido con un monocrital de granate Itrio y hierro YIG (Yttrium Iron Garnet) se fundamenta en la interacción
entre la resonancia del spin de los electrones y la frecuencia de giro del spin (precesión) de un monocristal de YIG. El YIG se
encuentra inmerso en un campo magnético H generado por una corriente eléctrica I con un campo electromagnético. Como la
frecuencia de giro del spin del electrón es proporcional al campo H y éste lo es a la corriente I, la frecuencia de resonancia
del filtro se controla mediante la corriente de alimentación.
Imagen7
Fig 07.Osciladores y filtros YIG y SAW.
En la Fig 07 se presenta un diagrama reducido con un inductor que genera el campo magnético y el electrón (spin y giro). Se
muestra además el diagrama de un oscilador YIG. El filtro consiste en 2 bucles de acoplamiento dispuestos en un ángulo de 90° que rodean al monocristal de 0,5 mm de diámetro. La onda electromagnética normalmente no pasa de un bucle al otro
con la excepción de aquella que tiene la misma frecuencia que el spin de los electrones. En este caso la onda gira en el espacio y se capta en el bucle de salida.
La particularidad del filtro YIG es que puede variarse la frecuencia en una gama muy amplia
de valores manteniendo un factor Q elevado (2000), lo cual permite su aplicación en analizadores de espectro o en osciladores programables. En la Tabla 02, se detallan algunas características de interés de los filtros
mediante resonador de granate YIG.
Imagen7tabla
2.4- FILTROS MECANICOS: SAW y MEMS
SAW (Surface Acoustic Wave). Se fundamenta en el siguiente efecto físico: en la superficie de los sólidos se propagan ondas acústicas de baja velocidad (onda de Rayleigh) y libres de atenuación 1). La onda es excitada mediante una estructura intradigital sobre un sustrato piezoeléctrico. En la Fig 07 se observa la construcción del filtro SAW.
El sustrato es de cuarzo para frecuencias de 70 MHz (frecuencia intermedia típica en radioenlaces); por encima de
dicha frecuencia puede usarse el Niobato de Litio (Li Nb O3). La velocidad de propagación de la onda en la superficie es de 3157 m/s y 3488 m/s, respectivamente. La estructura intradigital se comporta como un filtro digital donde la separación entre "dientes" de cada estructura determina un retardo y la superposición determina un acoplamiento. El circuito equivalente se muestra en la misma Fig 07.
El valor de la frecuencia central Fo del filtro pasabanda está definido por la relación entre la velocidad V de fase de la onda superficial y la separación entre "dientes" d (cercano a 4 μm):
Fo= V/2.d El ancho de banda BW se relaciona con la longitud L de la estructura intradigital; es decir, con el número N total de entradas: BW= V/L = V/2.N.d
Como se observa en la Tabla 03 el rango de aplicación del filtro SAW queda limitado hasta frecuencias de 1 GHz. Pero se pueden obtener filtrados del tipo coseno realzado con factores Roll-off inferiores a 0,2. Se encuentran encapsulados en cajas de algunos centímetros de lado, no requieren ajustes y son de gran estabilidad y reproductividad. MEMS (MicroElectroMechanical System). Este tipo de filtro ha sido desarrollado para trabajar hasta 70 MHz en el presente.
Se utilizan como sensores de aceleración y para el control del flujo de aire. Se fabrican mediante bases de Silicio con
1) La onda acústica de Rayleigh se aplica para la detección de elementos enterrados en investigaciones arqueológicas.
Golpeando el suelo suavemente y en forma repetitiva con una masa de 20 kg se puede analizar hasta 10 m de profundidad. La
velocidad de las ondas se mide con 2 detectores separados por una distancia fija. La onda se propaga más rápido en
materiales duros lográndose un mapa de curvas de nivel de estructuras enterradas.
Imagen8
Características de los filtros SAW.
Imagen8tabla
MEMS (MicroElectroMechanical System). Este tipo de filtro ha sido desarrollado para trabajar hasta 70 MHz en el presente.
Se utilizan como sensores de aceleración y para el control del flujo de aire. Se fabrican mediante bases de Silicio con
1) La onda acústica de Rayleigh se aplica para la detección de elementos enterrados en investigaciones arqueológicas.
Golpeando el suelo suavemente y en forma repetitiva con una masa de 20 kg se puede analizar hasta 10 m de profundidad. La
velocidad de las ondas se mide con 2 detectores separados por una distancia fija. La onda se propaga más rápido en
materiales duros lográndose un mapa de curvas de nivel de estructuras enterradas.
métodos litográficos. Los MEMS pueden obtener valores de Q de 105, como los filtros de cristal pero en un espacio muy
reducido sobre el mismo cristal del IC.
Están constituidos mediante dos barras de silicio paralelas, cada una de las cuales se fija a dos tirantes de silicio en los
extremos. Las barras están libres para vibrar en el medio. Ambas barras se unen entre si mediante una pieza flexible también
de silicio que actúa a la manera de un resorte (de 40 ìm de longitud), transfiriendo el movimiento entre las barras. Los
electrodos de entrada y salida se ubican bajo las barras principales; en la entrada sirve para atraerlas y repelerlas y en la salida
para generar la señal eléctrica. El movimiento de la segunda barra depende de la entrada y de la frecuencia de resonancia del
sistema (el resorte de unión).
Una tensión de polarización de las barras paralelas produce además una variación en la frecuencia de resonancia del sistema
haciendo al filtro programable. Los problemas que ofrecen los MEMS hacia el año 1999 y que limitan la entrada en
funciones es la dependencia con la temperatura por lo que requerirían una estabilización mediante celdas Peltier; además
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