ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ (RFIC ΚΑΙ MMIC) ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Κεκιβάκης Παναγιώτης Α.Μ: 1562 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. Τσίτσος Στυλιανός 2016

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΙΜΑΤΑ ΤΩΝ MMICs ΣΕ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ MICs Φθηνά σε μεγάλες ποσότητες, ιδιαίτερα οικονομικά για πολύπλοκα κυκλώματα Στα απλά κυκλώματα μπορεί να είναι φθηνότερα, είναι εφικτή η αυτόματη συναρ-μολόγηση Πολύ καλή αναπαραγωγιμότητα. Μικρή αναπαραγωγιμότητα εξαιτίας της τοπο-θέτησης διατάξεων και καλωδίων σύνδεσης Μικρά και ελαφριά Είναι πλέον διαθέσιμα συμπαγή πολυστρω-ματικά υποστρώματα με ενσωματωμένα παθη-τικά στοιχεία Αξιόπιστα Τα υβριδικά συνήθως είναι κολλημένα μεταξύ τους οπότε μειονεκτούν στην αξιοπιστία Λιγότερα παρασιτικά φαινόμενα - μεγαλύτερο εύρος ζώνης και υψηλότερες συχνότητες Τα καλύτερα τρανζίστορ είναι πάντα διαθέσιμα για LNAs και PAs. Ο χώρος είναι πολύ σημαντικός, το κύκλωμα θα πρέπει να είναι όσο μικρότερο γίνεται Το υπόστρωμα είναι φθηνό και αυτό επιτρέπει την άφθονη χρήση των μικροταινιών Πολύ περιορισμένη επιλογή των στοιχείων και διατάξεων Υπάρχει διαθέσιμη τεράστια επιλογή στοιχείων και διατάξεων Μεγάλος χρόνος εκτέλεσης (3 μήνες) Μπορεί να είναι πολύ γρήγορος (1 εβδομάδα), με πολλαπλές πιθανές επαναλήψεις Πολύ ακριβό για να ξεκινήσεις Χρειάζεται πολύ μικρό κεφάλαιο για εξοπλισμό

Εφαρμογές των MMICs. Στρατιωτικές Διαστημικές Πολιτικές Ραντάρ με χρήση συστοιχίας κεραιών   Ηλεκτρονικός πόλεμος Έξυπνα πυρομαχικά Ραντάρ συνθετικού ανοίγματος Αντιπερισπασμοί Παθητική απεικόνιση με χρήση χιλιοστομετρικών κυμάτων Μετρητές ύψους Όργανα μέτρησης Ανίχνευση από απόσταση Τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι Ραδιόμετρα Αστρονομία Κινητά συστήματα χαμηλής τροχιάς Κατευθυνόμενες συστοιχίες κεραιών Δορυφορική Τηλεόραση TVRO Τερματικοί επίγειοι σταθμοί VSAT Κινητά Τηλέφωνα Επικοινωνίες LOS Ασύρματα τοπικά δίκτυα Η/Υ Συστήματα οπτικών ινών Παγκόσμιο σύστημα προσδιορισμού θέσης (GPS) Έξυπνες κάρτες BluetoothΤΜ και άλλα παρόμοια ασύρματα συστήματα Ασύρματος τοπικός βρόχος και LMDS Πρόσβαση σε ίντερνετ υψηλής ταχύτητας Αυτόνομος έλεγχος ταχύτητας Αυτόματα διόδια Αναμεταδότες έρευνας και διάσωσης Σκάνερ ασφαλείας Παρακολούθηση και RFID Ιατρικά συστήματα Η ηλεκτρονικά ελεγχόμενη φάση μιας συστοιχίας κεραιών, είναι πιθανόν η πιο σημαντική εφαρμογή των MMIC σε σύγκριση με τις άλλες εφαρμογές τους. Αυτού του είδους οι κεραίες δεν θα ήταν πρακτικές χρησιμοποιώντας υβριδική τεχνολογία, εξαιτίας του μεγέθους και του όγκου των επί μέρους πομπών και δεκτών.

ΕΜΠΟΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΙ ΟΠΟΙΕΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝ ΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ RFIC ΚΑΙ ΤΩΝ MMIC Στον τομέα των τηλεπικοινωνιών τα MMIC είναι εφαρμόσιμα σε συστήματα οπτικών ινών και σε δορυφορικά, επίγεια και κινητά ραδιο-συστήματα. Οι κινητές επικοινωνίες και τα συστήματα πρόσβασης στο ίντερνετ υψηλών ταχυτήτων χρησιμοποιούν στο έπακρο την τεχνολογία των RFIC και των MMIC. Οι υπολογιστές notebook παρέχουν μία μεγάλη αγορά για τους RFIC/MMIC πομποδέκτες. Ασύρματα δίκτυα εντός κτιρίων προωθούνται όλο και περισσότερο με συχνότητες στα 2.4, 5.2, 17, 18 και 60 GHz. Το σκεπτικό πίσω από αυτή τη νέα εφαρμογή των μικροκυμάτων είναι ότι οι πομπο-δέκτες σήμερα είναι πολύ φθηνότεροι και έτσι ένα ασύρματο σύστημα είναι μία οικονομική εναλλακτική σε σχέση με τη εκτενή δρομολόγηση και τοποθέτηση ομοαξονικών η οπτικών καλωδίων.

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ GaAs ΕΝΑΝΤΙ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΣΤΑ MMIC

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΟΜΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΟΛΛΑΠΛΟΥ ΤΣΙΠ( Multi-Chip Module) Υπάρχουν τρεις κύριες τεχνολογίες MCM: η MCM-D, η οποία χρησιμοποιεί τεχνικές εναπόθεσης λεπτών υμενίων(διαδικασίες ομαλής νηματοποίησης, εναπόθεσης και φωτολιθογραφίας για να κατασκευάσει πολυστρωματικά παθητικά στοιχεία και γραμμές διασύνδεσης με μικρό μέγεθος) η MCM-C, η οποία χρησιμοποιεί τεχνολογία με πολυστρωματικά κεραμικά υποστρώματα τα οποία έχουν υποστεί ψήσιμο MCM-L η οποία χρησιμοποιεί τεχνολογία πλαστικοποίησης

Πλήρης κύκλος σχεδιασμού των MMIC Προκαταρτική σχεδίαση Βιβλιοθήκη μοντέλων & στοιχείων Επεξεργαστής διάταξης Επεξεργαστής σχηματικού Προσομοίωση κυκλώματος Ηλεκτρομαγνητική Προσομοίωση Βελτιστοποίηση Διάταξη Διαμελισμός κυκλώματος Κανόνες σχεδιασμού Έλεγχος κανόνων σχεδιασμού Steps handled by CAD techniques Αρχείο κατασκευής μάσκας κυκλώματος

Η φιλοσοφία στα περισσότερα εμπορικά πακέτα CAD είναι να διαιρεθεί το ολοκληρωμένο περιβάλλον σε μια σειρά προγραμμάτων ή υπο-πακέτα, τα οποία μπορούν να διασυνδέονται Εργαλεία υποστήριξης Παράμετροι ελέγχου Λύτης πεδίου 2.5 D EM Οθόνες αποτελεσμάτων Μηχανές προσομοίωσης Σχηματικός editor Layout editor

Επισκόπηση των μηχανών προσομοίωσης κυκλώματος. Μηχανή προσομοίωσης Πεδίο Διέγερση Μαθηματική επίλυση Εφαρμογές και παραδείγματα DC Συχνότητα Πολλαπλές στάθμες DC volt Μη γραμμικές αλγεβρικές εξισώσεις Καθορισμός στάθμης λειτουργίας, σχεδίαση DC καμπύλων πόλωσης Γραμμική Απλό ημιτονοειδές μικρό σήμα Πολύπλοκες γραμμικές αλγεβρικές εξισώσεις Συμπεριφορά σταθερής κατάστασης μικρού σήματος. Μπορεί να υπολογίσει τις παραμέτρους του δικτύου, MAG, συντελεστές ταυτόχρονης συζυγούς προσαρμογής 2 θυρών, κύκλοι κέρδους, K, κύκλοι ευστάθειας.

Αρμονική ανάλυση Συχνότητα & χρόνος Πολλαπλά ημιτονοειδή μεγάλα σήματα Πολύπλοκες γραμμικές αλγεβρικές εξισώσεις, DFT και μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις Συμπεριφορά σταθερής κατάστασης μεγάλου σήματος σε ενισχυτές ισχύος, μείκτες, ταλαντωτές. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό συνθηκών σταθερής κατάστασης ταλάντωσης, παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης, απώλεια μετατροπής, ισχύος εξόδου. Σειρά Volterra Χρόνος Μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις Ακριβής συμπεριφορά σταθερής κατάστασης μεγάλου σήματος σε ασθενώς μη γραμμικούς ενισχυτές ισχύος, μείκτες ταλαντωτές. Μεταβατική Πολλαπλά αυθαίρετα χρονομεταβλητά σήματα Μεταβατική απόκριση μόνο διακριτών στοιχείων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκτελέσει ελέγχους ευστάθειας σε ενισχυτές, για παρατήρηση συνέπειων της μη-γραμμικής παραμόρφωσης και επιβεβαίωση εκκίνησης ταλαντωτή.

Συνελικτική Συχνότητα & χρόνος Πολλαπλά αυθαίρετα χρονομεταβλητά σήματα Μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις Μεταβατική απόκριση κυκλωμάτων με διακριτά και κατανεμημένα στοιχεία. Θορύβου Συχνότητα Απλό ημιτονοειδές μικρό/μεγάλο σήμα Αλληλουχία πινάκων συσχέτισης θορύβου Απόδοση θορύβου των γραμμικών ή μη γραμμικών δικτύων. Μπορεί να εκτιμήσει τον δείκτη θορύβου 2-θυρων δικτύων και τον θόρυβο φάσης του ταλαντωτή. Περιβάλλουσα Πολλαπλά αυθαίρετα διαμορφωμένα ημιτονοειδή μεγάλα σήματα Αρμονική ανάλυση που επαναλαμβάνεται σε χρονικά διαστήματα Απόκριση των μη γραμμικών δικτύων σε διαμορφωμένα σήματα εισόδου. Ιδιαίτερα χρήσιμη για την προσομοίωση μη γραμμικών επιδράσεων της παραμόρφωσης.

Μεικτή λειτουργεία Χρόνος Πολλαπλά ημιτονοειδή μεγάλα σήματα ή/και ψηφιακά σήματα Προσομοίωση ψηφιακής λογικής και μεταβατικής, συνέλιξης ή περιβάλλουσας Απόδοση υποσυστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των αναλογικών και ψηφιακών στοιχείων. Απόδοση παραγωγής Δεν υφίσταται ή συχνότητα Απλό ημιτονοειδής μικρό σήμα ή πολλαπλά μεγάλα σήματα DC, γραμμική ή αρμονική ανάλυση Στατιστική εκτίμηση της απόδοσης παραγωγής του κυκλώματος, από τις ανοχές των εξαρτημάτων του κυκλώματος.

ΚΥΡΙΑΡΧΕΣ ΕΤΑΙΡΙΕΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ CAD Ansoft Corporation, Agilent EEsof EDA Applied Wave Research Inc. Άλλες μικρότερες εταιρίες εταιρείες που μπορεί να ενδιαφέρουν τον σχεδιαστή MMIC η Cadence προσφέρει το περιβάλλον σχεδιασμού Analog Artist H Optotek Ltd προσφέρει ένα πακέτο που ονομάζεται MMICAD

Σύνοψη των εμπορικών πακέτων CAD.   Agilent EEsof EDA Series IV 6.0 Agilent EEsof EDA ADS 1.3 Ansoft Corp. Serenade 8.5 AWR MW office 2000 3.20 Cadence Analog Artist Optotek MMICAD suite 2.0 Eagleware Genesys 7.0 Πλατφόρμα Unix/PC PC Unix DC Ναι Γραμμικός Αρμονική ανάλυση Σειρά Volterra Συνέλιξη Θόρυβος Περιβάλουσα Μεικτή λειτουργία Αποδοτικό-τητα Layout Προσομοίωση EM

MMIC μοντελοποίηση και τεχνικές σχεδιασμού   Κόστος Χρόνος Ακρίβεια Περιορισμοί Χαρακτηρισμός συσκευής Υψηλό Μεγάλος Υψηλή Εκτεταμένοι Αναλυτική / εμπειρική μοντελοποίηση Χαμηλό Σύντομος Χαμηλή Προσομοίωση κυκλώματος Μέσο Ανάλυση EM πλήρους κύματος Λίγοι

Σύγκριση προσομοιωτών κυκλώματος και προσομοιωτών EM.   Προσομοιωτές κυκλώματος EM προσομοιωτές Φάσμα παραμέτρων μοντέλου Περιορισμένο Χωρίς περιορισμούς Γεωμετρία μοντέλου Περιορίζεται στα ενσωματωμένα μοντέλα Αυθαίρετη Σύζευξη μεταξύ στοιχείων Πολύ περιορισμένη Καθορίζεται αυτόματα Μοντελοποίηση επιπτώσεων συσκευασίας Επιδράσεις ακτινοβολίας Ρυθμοί διάδοσης Καθόλου Πλήρης καθορισμός Απεικόνιση κατανομής ρεύματος και απεικόνιση πεδίου Καμία Γραφικό περιβάλλον

Βασικοί τύποι προσομοιωτών ΕΜ Τύπος EM προσομοιωτή Σχόλια Προσομοιωτές 3-D αυθαίρετων δομών Υπολογίζει τα 3-D πεδία και ρεύματα σε αυθαίρετα 3-D αντικείμενα. 3-D επίπεδοι προσομοιωτές Υπολογίζει 3-D πεδία, αλλά επιτρέπει μόνο 2-D ρεύματα σε επίπεδα στρώματα και επίπεδα ρεύματα μεταξύ των στρωμάτων. 2.9-D επίπεδοι προσομοιωτές Επιτρέπει μη ομοιόμορφα ρεύματα (όχι απαραίτητα ορθογώνια σε διεπαφές) μεταξύ στρωμάτων σε οπές (vias) και επιφάνειες. 2.8-D επίπεδοι προσομοιωτές Επιτρέπει μη ομοιόμορφα κάθετα ρεύματα (ορθογώνια σε διεπαφές) μεταξύ στρωμάτων σε μικρής διαμέτρου οπές (vias) και επιφάνειες. 2.7-D επίπεδοι προσομοιωτές Επιτρέπει μη ομοιόμορφα κάθετα ρεύματα (ορθογώνια σε διεπαφές) μεταξύ στρωμάτων σε μικρής διαμέτρου οπές (vias). 2.6-D επίπεδοι προσομοιωτές Επιτρέπει περιορισμένα ομοιόμορφα κάθετα ρεύματα (ορθογώνια σε διεπαφές) μεταξύ στρωμάτων σε μικρής διαμέτρου οπές (vias). 2.5-D επίπεδοι προσομοιωτές Υπολογίζει τα 3-D πεδία αλλά επιτρέπει μόνο 2-D αγωγούς και ρεύματα σε επίπεδα στρώματα.

Σύγκριση των ΕΜ μεθόδων προσομοίωσης. Μέθοδος Απαίτηση μνήμης Κατανάλωση χρόνου CPU Ευελιξία Πεπερασμένων διαφορών Μεγάλη Πολύ καλή Πεπερασμένων στοιχείων Πολύ μεγάλη Μέτρια προς μεγάλη Μέθοδος των ροπών Μεσαία προς μεγάλη Πίνκας γραμμής μεταφοράς Οριακά στοιχεία Μεσαία Προσαρμογή ρυθμών Μικρή προς μεσαία Καλή Μέθοδος των γραμμών Μικρή Ολοκληρωτική εξίσωση Εγκάρσιος συντονισμός Μικρή προς μέση Περιορισμένη Φασματικό πεδίο Μέτρια Η µέθοδος των πεπερασµένων διαφορών (FDM), είναι μια απλή αριθμητική τεχνική που χρησιμοποιείται για την επίλυση μερικών διαφορικών εξισώσεων η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την επίλυση διαφορικών εξισώσεων Όπως και η FDM, η μέθοδος των ροπών (ΜΟΜ), έχει το πλεονέκτημα της εννοιολογικής απλότητας. χρησιμοποιείται για να λύσει εξισώσεις ολοκληρώματος Η μέθοδος των γραμμών, είναι ένας ημι-αναλυτικός τρόπος για την επίλυση της εξίσωσης Helmholtz, όπου η διακριτοποίηση πραγματοποιείται σε εγκάρσια διατομή (x, y), ενώ η άλλη διάσταση (z) αντιμετωπίζεται αναλυτικά η μέθοδος πίνακα γραμμής μεταφοράς (TLM), έχει εξελιχθεί σε ένα ισχυρό και ευέλικτο προσομοιωτή μικροκυμάτων και χιλιοστομετρικών κυμάτων Η τεχνική ανάλυσης φασματικού πεδίου, χρησιμοποιεί την συνάρτηση του Green, για τον προσδιορισμό των κατανομών των διαμήκων και εγκάρσιων ρευμάτων

Διαδικασία EM προσομοίωσης Δημιουργία εργασίας και αποθήκευση σε φάκελο Στησιμο εργασίας Σχεδιασμός δομής Καθορισμός υλικών Στησιμο προσομοίωσης Καθορισμός θυρών & ορίων Ορισμός εύρους συχνοτήτων & στόχου σφάλματος Λύση προβλήματος Εποπτεία υπολογισμένων δεδομένων Γράφημα παραμέτρων S- Μετα-επεξεργασία Απεικόνιση πεδίων και πυκνότητας ρευμάτων