Principalele rezultate obtinute in 2015
1. Introducere
În etapa curenta este raportată integrarea de sistem a senzorului de imagistică în domeniul undelor milimetrice. Este utilizată integrarea hibridă a diferitelor blocuri componente investigate în etapele anterioare. Sunt investigate tehnologii de integrare bazate pe epoxy conductiv şi pe conectarea cu fire lipite prin termocompresie. Întregul front-end este plasat pe un cablaj imprimat (PCB – printed circuit board) şi conectat la conectoare coaxiale care asigură interfaţa cu restul sistemului de măsură.
2. Proiectarea sistemului
Schema bloc a senzorului de imagistică este prezentată în Fig.1. Ea conţine antena, amplificatorul de zgomot redus (LNA), circuitul de detecţie şi filtrul trece-jos (LPF). Antena recepţionează semnalul care se propagă în spaţiul liber, acţionând ca interfaţă între acesta şi propagarea ghidată pe liniile de transmisiune. În schema din Fig. 1, semnalul este amplificat de LNA, putând însă fi integrate şi configuraţii de senzori de imagistica fără LNA. Urmează detecţia semnalului de unde milimetrice, rezultând o tensiune de curent continuu proporţională cu puterea semnalului detectat. Filtrul trece jos selectează componenta de curent continuu si componentele spectrale de frecvenţă joasă, reflectând semnalul de unde milimetrice înapoi spre dioda detectoare. Semnalul de la ieşire Vout urmează a fi preluat şi prelucrat de sistemul extern de procesare de semnal.
Fig.1 Schema bloc a senzorului de imagistică în domeniul undelor milimetrice
3. Fabricare şi integrare hibridă a blocurilor componente
În această etapă au fost utilizate pentru integrare hibrida structurile de antene raportate în etapele precedente (matrici de antene cu slot foldat, antene în tehnologia de ghid de undă integrat în substrat
– SIW – cu frecvenţele de funcţionare de 35 GHz şi 94 GHz).
Matricea de antene slot foldat 3x1 a fost integrată cu un detector cu o diodă detectoare. Detectorul mai conţine o reţea de adaptare linie-stub-linie şi un filtru trece jos. Stubul liniei de adaptare este simetric şi este terminat în scurtcircuit pentru a asigura o cale de curent continuu spre planul de masă pentru diodă. Filtrul este realizat prin cascadarea a patru tronsoane de impedanţă mare şi patru tronsoane de impedanţă mică, toate în tehnica CPW. Ieşirea filtrului este conectată la un pad care permite conectarea lui la un conector coaxial de tip SMA.
A fost proiectat un detector cu diodă detectoare integrată hibrid pentru antena LTCC alimentată prin SIW pentru frecvenţa de funcţionare de 35 GHz. Lungimea liniei CPW care conectează detectorul cu tranziţia spre linia SIW care alimentează antena reprezintă un parametru important în optimizare. Detectorul include un filtru trece jos realizat prin cascadarea a patru tronsoane de impedanţă mare şi patru tronsoane de impedanţă mică, toate în tehnica CPW. Layoutul detectorului este prezentat în Fig.2 (a). Un detaliu al diodei detectoare integrate hibrid este prezentat în Fig.2 (b). Dioda a fost conectată utilizând pastă de argint epoxy.
(a) (b)
Fig. 2. (a) Layoutul general al circuitului de detecţie; (b) detaliu al diodei detectoare integrate hibrid
Pentru creşterea senzitivităţii senzorului, între antenă şi detector a fost integrat hibrid un amplificator de zgomot redus (LNA). Amplificatorul este realizat în tehnologie microstrip şi este plasat pe substratul de siliciu într-o zonă metalizată. El este lipit în această zonă cu pastă de argint epoxy, asigurând un bun contact cu planul de masă al liniilor CPW de la intrare şi de la ieşire. Plasarea capacitoarelor cip de decuplare pentru toate padurile de alimentare este importantă pentru a asigura funcţionarea stabilă a LNA-ului. Aceste capacitoare au o valoare de 100 pF, au o armătură conectată la planul de masă şi sunt conectate cu fire de aur. Tot cu fire de aur sunt conectate intrarea LNA-ului la linia CPW de alimentare a antenei şi ieşirea LNA-ului la portul CPW de intrare în detector. Senzorul astfel integrat este plasat pe un cablaj imprimat care asigură atât alimentarea în DC cât şi preluarea semnalului de ieşire de un cablu coaxial pentru a fi prelucrat ulterior.
Modelarea electromagnetica si proiectarea unei antene de 77 GHz in tehnologia LTCC.
Fig.1. Sectiune intr-o structura in tehnologie LTCC avand un inel de izolare LTCC (strat14), metalizari (in galben) pe strat 6 si o cavitate mica pe strat 3. Cavitatea poate fi utilizata sub cipurile flip/chip MEMS/MMIC sau ca o cavitate pentru contacte.
Fig 2. Schema structura LTCC – sectiune
Antena microstrip patch (MPA)
Fig.3. Sectiune intr-o structura de antena in tehnologie LTCC
Fig. 4. Layout optimizat pentru antena de 77 GHz
Fig.5. Rezultatul simularilor pentru castigul antenei de 77GHz
Fig. 6. Lay - out pentru modul retea de 2x2 antene
Fig. 7. Pierderile de reflexive rezultate din simulari pentru reteaua 2x2antene
Fig. 8. Castigul pentru configuratia de antene 2x2 rezultat din simulari
Fig.9 Imagine 3D a celor doua treceri verticale conectate prin SL-stripline
Fig.10 Parametrii S pentru doua tranzitii verticale conectate prin stripline- rezultatele simularilor
Fig.11 Imagine 3D a doua tranzitii CPW-SIW conectate printr-un segment SIW
Fig.12 Simularile pentru parametrii S in cazul a doua tranzitii CPW-SIW
Fig.13 Distributia de camp electric (simulata) pentru cele doua tranzitii CPW-SIW conectate printr-un segment SIW
Fig. 14. Masuratori si simulari parametrii S pentru CPW_SL_CPW
Proiectarea si optimizarea unui receptor pentru 77 GHz in tehnologie LTCC
Modulul de receptie este bazat pe o dioda Schottky flip cip pe GaAs DMK 2790, de la Skyworks Solutions Inc., avand urmatoarele specificatii electrice:
rezistenta serie RS = 4 W,
capacitatea totala CT=0.05 pF(capacitance Cp = 0.02 pF),
factorul de idealitate n = 1.05,
Fig. 15. Imagine 3D a structurii receptorului (zona antennei)
Fig. 16. Imagine 3D a structurii receptorului (zona diodei Schottky)
Fig. 17. Distributia de radiatie in 3D simulata pentru structura de antenna la 77 GHz
Fig 18. Structura de receptor in tehnologie LTCC (zona contactelor antenei) – imagine foto
Fig.19. Masuratorile tensiunii detectate intre terminalele diodei functie de frecventa (curentul DC este 45 μA)
Fig.20. Rezultatul simularilor pentru tensiunea detectata intre terminalele diodei functie de frecventa (curentul DC este 45 μA)
Fig 18. Structura de receptor in tehnologie LTCC (zona contactelor antenei) – imagine foto
Fig.21. Distributia de radiatie in 2D masurata la 77 GHz (patrate -planul E; triunghiuri-planul H)
Fig.22. Element de antena optimizat pentru frecventa de 77 GHz
Fig.23. Pierderile prin reflexie (parametrul S11) pentru elementul de antena optimizat
Fig.24. Caracteristica de radiatie pentru elementul de antena optimizat
Fig.25. Matrice de antene 2x1 la 77 GHz
Fig.26. Pierderile de reflexie pentru matricea de antene 2x1
Fig.27. Caracteristica de radiatie pentru matricea de antene 2x1 la 77 GHzfoto
Fig.28. Directivitatea de banda larga pentru matricea de antene 2x1 pentru directia principala de radiatie
Fig.29. Cip cu structure fabricate in tehnologia LTCC
Fig.30. Set-up experimental pentru masurarea “on wafer” a structurilor de antene la 77 GHz
Matrice de antene 2x1optimizate la 77 GHz – rezultate experimentale
Fig.31. Rezultatele experimentale comparate cu cele simulate
Fig.32. Masuratori de transmisie in cazul matricii de antene 2x1 si in cazul elementului de antenna