Sistemi elettronici a radiofrequenza

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1 Sistemi elettronici a radiofrequenza Tecnologia dei circuiti integrati a radiofrequenza Prof. Stefano Pisa Circuito ibrido o MIC

2 Circuito monolitico (amplificatore a due stadi). um 43. um Linea a microstriscia y w h r t striscia metallica substrato dielettrico piano di massa conduttore x

3 materiale Substrati finitura sup. (m) 4.tan ( GHz) r cond. termica (W/cm / C) Allumina 99.5 % Allumina 96 % Allumina 85 % Zaffiro Vetro 5. Poliolefina.3. Duroid (Roger) Quarzo 3.8. Berillio GaAs (alta-res) Silicio(alta-res) -.9 Aria (secca) -.4 tan = / Modello a linea di trasmissione I(z) Z d z I(z + d z) V(z) Y d z V(z + d z) dz z Z = R + jl Y = G + jc 3

4 Costanti secondarie j Z' Y' R' jl' G' jc' costante di propagazione dz z d V V V z Z z V e z V dz z d I e z z z z z z z V e V e I e I e I Z Z r jz j Z' Y' R' jl' G' jc' I impedenza caratteristica Basse perdite R'G' jc'r' jl'g' L'C' j R' Z G' Z j L'C' Z Z' Y' R' jl' G' jc' Z L' C' 4

5 Equazioni di analisi microstriscia ' ' L C L ' C ' C C ' ' c C C ' ' Z L ' C ' L ' ' C C C ' ' c C ' C ' ε eff ' C C ' w eff r w eff ( r +)/ c eff eff Z c C ' eff Trasformazione conforme w eff parete magnetica ideale eff h parete elettrica ideale Z c w h eff eff w eff h eff h w eff eff 5

6 Formule di Hammerstad Per W/h < eff w eff ln 8h w eq h w.5 h r r h w eq eq w.4 h / eq Per W/h > w eff w eq w eq h ln. 444 h h eff r r h w eq / Larghezza equivalente Per W/h > /() w eq t h w ln t Per W/h < /() w eq t 4w w ln t 6

7 Impedenza caratteristica (t=) 3 Z [ r w/h Getsinger Dispersione r eff fd eff f r h f G f d Z G = Z f Mehran e Kompa w eff f w w w f f eff g f g c w r f w 7

8 Andamento Z freq r = Frequenza (GHz) Modi di ordine superiore y w eff y w eff x x f c TE a) b) c / eff f TE w eff c c / w eff eff 8

9 9 Equazioni di sintesi A) exp( exp(a) 4 h w r r r r..3 Z A ) ln(b B.6.39 ) ln(b h w r r r r Z B Per W/h < Per W/h > Perdite nei conduttori db / m h w 3 h w 3 hz R.38 A eq eq s c db / m h w.444 h w.667 h w h Z R A 6. eq eq eq eff s 5 c db / m.43 4 d r eff eff d Perdite nei dielettrici Per W/h < Per W/h >

10 Massima potenza trasportabile Sebbene le microstrisce siano principalmente applicate in sistemi di bassa potenza, esse sono in grado di trasportare potenze medie fino ad alcuni kilowatt. Il limite superiore alla potenza media è fissato essenzialmente dalla conducibilità termica del substrato che determina quanto rapidamente può essere rimosso il calore generato. La potenza di picco trasportabile è invece limitata dalla rigidità dielettrica il cui valore è di circa 3. 6 V/m per l'aria mentre cresce nei dielettrici (allumina: 4. 8 V/m). Discontinuità in microstriscia Circuiti passivi lineari Strutture uniformi guidanti modello -> linee di trasmissione Strutture non uniformi discontinuità modello -> circuiti a costanti concentrate discontinuità volute e non volute

11 Analisi qualitativa. In corrispondenza delle discontinuità si eccitano dei modi di ordine superiore in quanto devono essere soddisfatte delle condizioni al contorno diverse da quelle della struttura guidante. I modi di ordine superiore non si propagano e sono quindi confinati in una regione intorno alla discontinuità Analisi qualitativa 3. Poiché questi modi immagazzinano energia elettrica e magnetica, la loro presenza può essere modellata attraverso una rete reattiva. 4. Se i modi di ordine superiore sono dei TM, l'energia elettrica immagazzinata è maggiore di quella magnetica e quindi il circuito equivalente sarà costituito da una capacità. Se i modi sono dei TE, prevale l'energia magnetica ed il circuito equivalente sarà costituito da un'induttanza TM = K z / j = z / j TE = j / K z = j / z

12 Commenti Per discontinuità con dimensioni longitudinali ridotte il circuito equivalente è in genere costituito da una singola reattanza. Quando le dimensioni longitudinali non sono trascurabili si rende necessaria una rete più complessa (T o ) Quando si lavora con circuiti MMIC, poiché è impossibile effettuare degli aggiustamenti, si rendono necessari modelli accurati delle discontinuità. Per i software di progetto automatico (CAD) sono particolarmente utili espressioni per le reattanze in forma chiusa. Aperto (Open end) (discontinuità non voluta) y T a) T T z Z C Z Z b) l l = Z C c

13 Corto (Short) Ibrido Z L Corto Nei circuiti monolitici, per rendere i corti più riproducibili ed indipendenti dalle dimensioni della linea di accesso si aggiunge una piazzola Progettando opportunamente la piazzola si aggiungono degli effetti capacitivi che possono compensare (risonare) con quelli induttivi dovuti al corto. In questo modo si riescono ad avere dei corti con bassi effetti reattivi ed indipendenti dalla frequenza (almeno in certi range di frequenza) 3

14 Step in W (discontinuità non voluta) T W W a) T T L Z C Z b) Angolo (Bend) T WC w a) b T T w w c T w b b w.8w w Z B C Z b) I C / I C / 4

15 Angolo smussato (Chamferred bend).3.. B/Y I C /h Con % smussamento = 7% si ha B= ed un allungamento del circuito equivalente di.3 volte lo spessore del substrato e risulta W C =.8W. 5 7 b % smussamento w Tecnologia MIC (IBRIDI) Substrati materiali plastici materiali ceramici ) Tecniche di realizzazione dei circuiti materiali plastici processo fotolitografico microforgia materiali ceramici processo fotolitografico film sottile film spesso 5

16 Materiali plastici (laminati) Sono venduti con coperture in rame (cladding) su un lato o su entrambi i lati Tipicamente il rame è depositato per elettrolisi (elettrodeposition: ED) sui due lati. Per applicazioni speciali si utilizzano fogli di rame laminati (Rolled copper) che sono incollati al dielettrico con speciali resine isolanti La copertura viene espressa in once per piede quadrato, (.5 oz =.7 pollici 7 m) I dielettrici sono disponibili in vari spessori da 3 a 5 mil ( mil = 5.4 m) con passi da 5 o mil Rogers RO 43 DUROID 6

17 RO 43 (Rogers) Resina plastica mescolata con ceramica immersa in una struttura di vetro-tessuto Er (costante dielettrica a GHz) = H (spessore del dielettrico ) = 58 m =. = mill T (spessore metallizzazione) = 35 m ( oz su lati) Rho (resistività del rame/oro) =.7 (res_rame=.78 /cm) Tan (tangente di perdita) =.7 Inch =.54 cm Materiali ceramici (substrati) Allumina, zaffiro e quarzo sono normalmente venduti come piccoli fogli con o senza rivestimento metallico (metallizzazione) Gli spessori tipici variano da a 5 mil 7

18 Realizzazione dei circuiti a partire da materiali PLASTICI Vi sono due tecniche principali per la realizzazione dei circuiti a microstriscia a partire da materiali plastici: La tecnica dei circuiti stampati con processo fotografico La tecnica dei circuiti stampati con microforgia Tecnica dei circuiti stampati con processo fotografico (segue) + liquido sviluppatore + cloruro ferrico + solvente 8

19 Tecnica dei circuiti stampati con microforgia Tecnica dei circuiti stampati con microforgia (ISOPRO) 9

20 Tecnica dei circuiti stampati con microforgia (segue) Circuiti ibridi su materiali plastici

21 Realizzazione dei circuiti a partire da materiali CERAMICI Vi sono due tecniche principali per la realizzazione dei circuiti a microstriscia a partire da materiali ceramici: La tecnica del film sottile La tecnica del film spesso NB: si può utilizzare anche la tecnica fotolitografica ma non la microforgia Tecnica del film sottile Inizialmente si deposita sulla superficie del substrato dielettrico, per evaporazione o sputtering, un sottile strato di cromo (spessore 5- nm) che presenta delle buone caratteristiche di stabilità meccanica e di aderenza con il substrato stesso Si deposita un sottile strato di una miscela cromorame o cromo-oro con spessori di 5- nm Infine si realizza per evaporazione o sputtering o con deposizione elettrolitica lo strato conduttore (rame o oro) dello spessore finale desiderato Con un approccio simile possono essere anche depositati materiali resistivi o dielettrici per la realizzazione di resistenze e condensatori Per la definizione del circuito si utilizza il processo fotografico

22 Tecnica del film spesso La tecnica del film spesso è simile a quella della stampa serigrafica. Un sottile strato di fotoresist è disposto sopra un telaio rigido costituito da una maglia di acciaio con una densità variabile da a 5 linee per pollice Si pone la maschera del circuito sopra il telaio e la si espone alla luce ultravioletta. Si rimuove il fotoresist Il telaio è piazzato sopra il substrato e viene spruzzato un inchiostro speciale in pasta contenete oro. La pasta è forzata con un rullo attraverso la maglia in modo che ricopra le zone del circuito da realizzare Il substrato è poi posto in un forno ed il metallo presente nella pasta si salda alla superficie del dielettrico Circuiti ibridi su materiali ceramici

23 Resistenze (SMD) 85 (x.5 mm) 63 (.5x.75 mm) Condensatori ATC A All dimensions in mils reference planes capacitor under test trace (/ oz. Cu) Rogers RO435 softboard 4 3

24 Induttanze SMD o CHIP TRANSISTORS 4

25 Tecniche di saldatura Forno ad infrarossi TWS 8 Transistor nudo 5

26 Wire bond Wire bond 6

27 TRANSISTOR Figure di merito BJT MESFET HBT HEMT Figure di merito P m f T X c E m v P m = massima potenza che può essere erogata dal transistor f T = / = v tm /L = frequenza di taglio del dispositivo = tempo di transito dei portatori attraverso la regione attiva L = lunghezza regione attiva v tm = velocità massima dei portatori E m = massimo campo elettrico applicabile prima del breakdown Xc =/f T C c è la reattanza associata alla giunzione in cui si verifica il breakdown. tm 7

28 Valori tipici v tm =.6x 7 cm/s nel germanio v tm =.x 7 cm/s nel silicio v tm = x 7 cm/s nell'arseniuro di gallio v tm = 5.5x 7 cm/s nel -DEG delle eterogiunzioni Il campo elettrico di breakdown è legato all'ampiezza della banda proibita E G =.66 ev nel germanio E G =. ev nel silicio E G =.43 ev nell'arseniuro di gallio E G =.65 ev nell AlGaAs Tecnologia accanto a queste considerazioni generali vanno tenuti in conto altri aspetti quali la capacità a dissipare potenza dei materiali e lo stato della tecnologia. Con riferimento al primo punto il parametro saliente è la conducibilità termica rispetto alla quale il materiale migliore è il silicio, mentre per quanto riguarda il secondo punto ancor oggi la tecnologia più evoluta è quella del silicio. 8

29 Conclusioni Il transistor bipolare (BJT) è il dispostivo maggiormente utilizzato fino a circa 4 GHz Il MESFET domina tra 4 e GHz Per applicazioni a frequenze superiori si stanno sempre più diffondendo i dispositivi ad eterostruttura (HEMT). Eterogiunzioni Livello del vuoto E C E F q q E C E F Energia E V E V Al x Ga -x As n Ga As 9

30 -DEG Livello del vuoto -DEG E C E F E C E F Energia E V E V HEMT source gate drain GaAs n + GaAs n + AlGaAs n + AlGaAs intrinseco -DEG GaAs intrinseco substrato semiisolante 3

31 TRASFORMATORI E MIXERS TRASFORMATORI HF DIFFERISCONO DA QUELLI A 5 Hz perché: Si usa la ferrite come materiale magnetico La lunghezza dei fili deve essere una piccola frazione della lunghezza d onda (< %) Operano in banda HF su diverse decadi Si usano come ADATTATORI DI IMPEDENZA e come BALUN (da bilanciato a sbilanciato tra antenna e cavo TV da sbilanciato a bilanciato all ingresso dei diodi di un mixer. 3

32 3 TRASFORMATORI HF Bifilar windings TRASFORMATORI HF Bifilar windings LOAD IN LOAD LOAD LOAD OUT IN n R I V Z n I R n I R n V V I R V n I I P P n N N V V dt d N V dt d N V

33 TRASFORMATORI HF V V TRASFORMATORI HF d V N dt V V da P V IN N P OUT d dt I I V R LOAD I V V R LOAD I R LOAD 4 I Z IN V I R LOAD 4 Trasformatore :4 (balun) da antenna (3Ω) a cavo coassiale (75 Ω) 33

34 TRASFORMATORI VHF-UHF TRASFORMATORI VHF-UHF 34

35 (5 MHz - project frequency) Mixer con Diplexer (DC-5 MHz) (DC-5 MHz) Diplexer per mixer 35

36 36

37 37

38 38

39 SISTEMI ELETTRONICI A RF HF VHF-UHF MICROONDE OSCILLATORI COLPITTS QUARZO COLPITTS CRO CRO DRO AMPLIFICATORI Alto Guadagno Elettronica II Elettronica II ADATTAMENTO REATTIVO Basso Rumore Elettronica II Elettronica II ADATTAMENTO REATTIVO Alta Potenza TRASFORMATORE HF TRASFORMATORE VHF UHF ADATTAMENTO REATTIVO MIXER Diodi Schottky Diplexer Diodi Schottky Diplexer DIODO SCHOTTKY IBRIDO A 8 TRANSISTORS TRANSISTORS TRANSISTORS FILTRI LUMPED LUMPED (SMD) MICROSTRISCIA MODULATORI, DEMODULATORI ESERCITAZIONI CAD (MICROWAVE OFFICE) SU TUTTI I CIRCUITI Radar in medicina Monitoraggio continuativo e remoto di parametri vitali attività cardio respiratoria (ospedali o a casa) attività cardio respiratoria (persone sotto macerie) Diagnostica medica Lesioni tumorali Presenza di liquidi nei tessuti biologici 39

40 Radar UWB 4

41 balanced battery power supply Uni-Rome UWB: Realization «strobe» generator «range gating» receiver repetition frequency and delay generator filtering and amplification of the output signal monocycle generator Tx antenna Rx antenna (balanced system) 4

42 Uni-Rome UWB RADAR: breathing data 4 3 Uni-Rome UWB Radar Piezoelectric Belt - - Breath activity of a subject placed 5 cm far from the RADAR antennas Time (s) RADAR CW con banda laterale doppia 4

43 CW radar - Realizzazione Sistema idraulico simulatore di carotide ACCA = Arduino Controlled Common Artery model 43

44 Misure Radar FMCW 44

45 FMCW radar - Realizzazione 45

46 Misure 8 Theory Measurement R MEAS (m) R EQ (m) Laboratorio M&C Microonde e Compatibilità EM 46

47 STRUMENTAZIONE E TECNICHE PER LA DIAGNOSTICA RMN ECOGRAFIA MONITOR EIT RADAR 47