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)

202

0.0

um

1143.0 um

Linea a microstriscia

w

h

striscia

substrato dielettrico

piano di massa conduttore x

y

striscia metallica t

0

r0

3

Substratimateriale finitura sup.

(m)104.tan (10 GHz)

rcond. termica

(W/cm2/°C)

Allumina 99.5 % 2 - 8 1 - 2 10 0.37

Allumina 96 % 20 6 9 0.28

Allumina 85 % 50 15 8 0.20

Zaffiro 1 1 9.4 0.4

Vetro 1 20 5 0.01

Poliolefina 1 1 2.3 0.001

Duroid (Roger) 1 5 - 60 2 -10 0.0026

Quarzo 1 1 3.8 0.01

Berillio 2 - 50 1 6.6 2.5

GaAs (alta-res) 1 6 13 0.3

Silicio(alta-res) 1 10 -100 12 0.9

Aria (secca) - 0 1 0.00024

tan = ’’/ ’

Modello a linea di trasmissione

I(z)

V(z)

Z’ d z I(z + d z)

V(z + d z) Y’ d z

dz z

Z’ = R’ + jL’ Y’ = G’ + jC’

4

Costanti secondarie

zdz

zd 22

2

II

zz eez VVV

zdz

zd 22

2

VV

zzzz

0

eeeeZ

1z

IIVVI

'Cj'G'Lj'R'Y'Zj

'Cj'G

'Lj'R

'Y

'ZjZZZ j0r00

impedenzacaratteristica

costante di propagazione

Basse perdite

'C'LjZ'GZ

'R

2

1j

'C'L'G'Lj'R'Cj'G'R

00

2

'C

'LZ

'Cj'G

'Lj'R

'Y

'ZZ

0

0

5

Equazioni di analisi microstriscia

'0

'

'0

'0''

0''

C

C

cC

CCLCL

''0

'0

'0

'

'0

'

'

0CCc

1

C

C

C

L

C

LZ

'0

'

effC

Cε

effc

eff'0

0Cc

1Z

w eff r

w 0 eff (r +1)/2

eff

02

Trasformazione conforme

effeffeffeff

0

effeff0

0w

h120

w

h

h

wc

1Z

eff h

weff

parete elettrica ideale

parete magnetica ideale

6

Formule di Hammerstad

h

w25.0

w

h8ln

h2w

eq

eq

eff

2eq

2/1

eq

rreff h

w1041.0

w

h121

2

1

2

1

444.1

h

wln667.0393.1

h

whw eqeq

eff

2/1

eq

rreff w

h121

2

1

2

1

Per W/h < 1

Per W/h > 1

Larghezza equivalente

t

h2ln1

tww eq

t

w4ln1

tww eq

Per W/h > 1/(2)

Per W/h < 1/(2)

7

Impedenza caratteristica (t=0)

0

50

100

150

200

250

300

0.1 1 10w/h

r 1

2 3 4 6

16 10

Z0 [

Dispersione

2

d

effrreff

f

fG1

0f

0

0d h2

Zf

G = 0.6 + 0.009 Z0

g

effeff

f

f1

0wwwfw

rg

w2

cf

Getsinger

Mehran e Kompa

f

f w

8

Andamento Z0 – freq.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Frequenza (GHz)

0

20

40

60

80

100

120

r = 10.1

Modi di ordine superiore

x

y

x

y weff

a) b)

weff

eff

eff10c w2

/cTEf

eff

eff20c w

/cTEf

9

Equazioni di sintesi1

)Aexp()Aexp(2

14

h

w

rr

r0r

11.023.0

1

1

120

Z12A

)1B2ln(1B261.0

39.0)1Bln(1

h

w

rr

r

r0

2

Z2

120B

Per W/h < 2

Per W/h > 2

Perdite nei conduttori

m/dB

h

w32

h

w32

Zh

RA38.1

2eq

2eq

0

sc

m/dB

h

w444.1

h

w667.0

h

w

h

ZRA101.6

eq

eq

eqeff0s5c

m/dB1

112043.4 d

r

eff

effd

Perdite nei dielettrici

Per W/h < 1

Per W/h > 1

10

Massima potenza trasportabileSebbene 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 3.106 V/m per l'aria mentre cresce nei dielettrici (allumina: 4.108 V/m).

Discontinuità in microstriscia

•Circuiti passivi lineari

•Strutture uniformi – guidanti modello -> linee di trasmissione

•Strutture non uniformi – discontinuitàmodello -> circuiti a costanti concentrate

discontinuità volute e non volute

11

Analisi qualitativa

1. 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

2. I modi di ordine superiore non si propagano e sono quindi confinati in una regione intorno alla discontinuità

Analisi qualitativa3. 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 = Kz / j = z / j TE = j / Kz = 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)

T

a)

b)

T

l

T

y

z

C1 Z0 Z0 Z0

l = Z0C1c

13

Corto (Short)

LZ0

Ibrido

CortoNei 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)

14

Step in W (discontinuità non voluta)

L

a)

b)

T

T T

C

W1 W2

Z1 Z2

Angolo (Bend)

w

w

b

T

T

T T

WC

a)

b)Z0 Z0CB

IC /2 IC /2

w8.12w

b1w22b2w2wc

15

Angolo smussato (Chamferred bend)

0.0

0.1

0.2

0.3

0 50 10072

B/Y0

IC/h

1002w

b1osmussament%

Con % smussamento = 72% si ha B=0 ed unallungamento del circuitoequivalente di 0.3 voltelo spessore delsubstrato e risultaWC=1.8W

Tecnologia MIC (IBRIDI)Substrati

materiali plasticimateriali ceramici

2) Tecniche di realizzazione dei circuitimateriali plastici

processo fotolitograficomicroforgia

materiali ceramiciprocesso fotolitograficofilm sottilefilm spesso

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, (0.5 oz = 0.007 pollici 17 m)

I dielettrici sono disponibili in vari spessori da 3 a 250 mil(1 mil = 25.4 m) con passi da 5 o 10 mil

Rogers

RO 4003 DUROID

17

RO 4003 (Rogers)Resina plastica mescolata con ceramica immersa in una struttura di vetro-tessuto

Er (costante dielettrica a 10 GHz) = 3.38 0.05

H (spessore del dielettrico ) = 508 m = 0.020” = 20 mill

T (spessore metallizzazione) = 35 m (1 oz su 2 lati)

Rho (resistività del rame/oro) = 0.7 (res_rame=1.78 /cm)

Tan (tangente di perdita) = 0.0027

1 Inch = 2.54 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 10 a 50 mil

18

Realizzazione dei circuiti a partire da materiali PLASTICI

Vi sono due tecniche principali per la realizzazionedei circuiti a microstriscia a partire da materialiplastici:

•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

19

Tecnica dei circuiti stampati con microforgia

Tecnica dei circuiti stampati con microforgia (ISOPRO)

20

Tecnica dei circuiti stampati con microforgia (segue)

Circuiti ibridi su materiali plastici

21

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

Realizzazione dei circuiti a partire da materiali CERAMICI

• Inizialmente si deposita sulla superficie delsubstrato dielettrico, per evaporazione o sputtering,un sottile strato di cromo (spessore 5-20 nm) chepresenta delle buone caratteristiche di stabilitàmeccanica e di aderenza con il substrato stesso

• Si deposita un sottile strato di una miscela cromo-rame o cromo-oro con spessori di 5-20 nm

• Infine si realizza per evaporazione o sputtering o condeposizione elettrolitica lo strato conduttore (rame ooro) dello spessore finale desiderato

• Con un approccio simile possono essere anchedepositati materiali resistivi o dielettrici per larealizzazione di resistenze e condensatori

• Per la definizione del circuito si utilizza il processofotografico

Tecnica del film sottile

22

Tecnica del film spesso

• Un sottile strato di fotoresist è disposto sopra un telaio rigido costituito da una maglia di acciaio con una densità variabile da 100 a 500 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

La tecnica del film spesso è simile a quella della stampa serigrafica.

Circuiti ibridi su materiali ceramici

23

Resistenze (SMD)

0805 (2x1.25 mm) 0603 (1.5x0.75 mm)

Condensatori ATC 100 A

22

All dimensions in mils

trace (1/2 oz. Cu)

24

10

Rogers RO4350 softboard

referenceplanes capacitor under test

24

Induttanze SMD o CHIP

TRANSISTORS

25

Tecniche di saldatura

Forno ad infrarossiTWS 800

Transistor nudo

26

Wire bond

Wire bond

27

TRANSISTOR

Figure di merito

BJTMESFETHBTHEMT

Figure di merito2

tmm

c

2Tm 2

vE

X

1fP

Pm = massima potenza che può essere erogata dal transistorfT = 1/2 = vtm/2L = frequenza di taglio del dispositivo = tempo di transito dei portatori attraverso la regione attivaL = lunghezza regione attivavtm = velocità massima dei portatoriEm = massimo campo elettrico applicabile prima del

breakdownXc =1/2fTCc è la reattanza associata alla giunzione in cui

si verifica il breakdown.

28

Valori tipicivtm = 0.6x107 cm/s nel germaniovtm = 1.0x107 cm/s nel siliciovtm = 2x107 cm/s nell'arseniuro di gallio vtm = 5.5x107 cm/s nel 2-DEG delle eterogiunzioni

Il campo elettrico di breakdown è legato all'ampiezza della banda proibitaEG = 0.66 eV nel germanio EG = 1.12 eV nel silicioEG = 1.43 eV nell'arseniuro di gallio EG = 1.65 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 ilmateriale migliore è il silicio, mentre per quanto riguarda il secondo punto ancor oggi la tecnologia più evoluta è quella del silicio.

29

Conclusioni

Il transistor bipolare (BJT) è il dispostivo maggiormente utilizzato fino a circa 4 GHz

Il MESFET domina tra 4 e 20 GHz

Per applicazioni a frequenze superiori si stanno sempre più diffondendo i dispositivi ad eterostruttura (HEMT).

Eterogiunzioni

Ene

rgia

Livello del vuoto

EV

Ga As

q 1q 2

AlxGa1-xAs n

EV

EC

EC EF

EF

30

2-DEG

Ene

rgia

Livello del vuoto 2-DEG

EF EF

EC EC

EV

EV

HEMT

gate drain

GaAs n+ GaAs n+

substrato semiisolante

GaAs intrinseco

2-DEG

AlGaAs intrinseco

AlGaAs n+

source

31

TRASFORMATORI

E

MIXERS

TRASFORMATORI HF

DIFFERISCONO DA QUELLI A 50 Hz perché:

•Si usa la ferrite come materiale magnetico

•La lunghezza dei fili deve essere una piccola frazione della lunghezza d’onda (< 10 %)

•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.

32

TRASFORMATORI HFBifilar windings

TRASFORMATORI HFBifilar windings

2LOAD

1

1IN2

1LOAD2LOAD21

2LOAD2

2

1OUTIN

2

1

2

1

2211

n

R

I

VZ

n

IR

n

IR

n

VV

IRV

nI

IPP

n

1

N

N

V

Vdt

dNV

dt

dNV

33

TRASFORMATORI HF

V1 V2

TRASFORMATORI HF

4

R

I

VZ

4

IR

2

IR

2

VV

IRV

2I

IPPda

2

1

V

Vdt

dN2V

dt

dNV

LOAD

1

1IN

1LOAD2LOAD21

2LOAD2

2

1OUTIN

2

1

1211

Trasformatore 1:4 (balun) da antenna (300Ω) a cavo coassiale (75 Ω)

34

TRASFORMATORI VHF-UHF

TRASFORMATORI VHF-UHF

35

Mixer con Diplexer(DC-15 MHz)

(DC-15 MHz)(105 MHz - project frequency)

Diplexer per mixer

36

37

38

39

SISTEMI ELETTRONICI A RFHF VHF-UHF MICROONDE

OSCILLATORI COLPITTSQUARZO

COLPITTSCRO

CRODRO

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 SchottkyDiplexer

TRANSISTORS

Diodi SchottkyDiplexer

TRANSISTORS

DIODO SCHOTTKYIBRIDO A 180°

TRANSISTORS

FILTRI LUMPED LUMPED (SMD) MICROSTRISCIA

MODULATORI, DEMODULATORIESERCITAZIONI 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

40

Radar UWB

41

Uni-Rome UWB: Realizationbalanced battery

power supply

repetition frequency and delay generator

monocyclegenerator

Tx antennaRx antenna

(balanced system)

«strobe»generator

«range gating»receiver

filtering and amplification of the output signal

42

Uni-Rome UWB RADAR: breathingdata

Breath activity of a subject placed 25 cm far from the RADAR antennas

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100

Uni-Rome UWB RadarPiezoelectric Belt

Time (s)

RADAR CW con banda laterale doppia

43

CW radar - Realizzazione

Sistema idraulico –simulatore di carotide

ACCA = Arduino Controlled Common Artery model

44

Misure

Radar FMCW

45

FMCW radar - Realizzazione

46

Misure

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10

TheoryMeasurement

RM

EA

S (

m)

REQ

(m)

Laboratorio M&CMicroonde e Compatibilità EM

47

STRUMENTAZIONE E TECNICHE PER LA DIAGNOSTICA

RMN ECOGRAFIA

EIT

MONITOR

RADAR