MICROONDE
MICROONDE
(App. III, II, p. 105; IV, II, p. 474)
I maggiori progressi di questi ultimi anni nel settore delle m. possono essere individuati principalmente nelle seguenti aree: a) realizzazione di nuovi sistemi e impianti, e miglioramento delle prestazioni di quelli già esistenti in vari tipi di applicazioni civili, industriali, scientifiche e mediche; b) sviluppo di nuove tecnologie per la realizzazione di dispositivi, circuiti e subsistemi affidabili, poco ingombranti, di peso e costi contenuti; c) crescita delle frequenze di lavoro fino al campo delle onde millimetriche (30÷300 GHz) e submillimetriche (>300 GHz).
La tecnica delle m., che inizialmente si sviluppò soprattutto in vista delle applicazioni nei sistemi radar di avvistamento, è oggi utilizzata in numerosi altri sistemi e impianti. Si possono citare, per es., i ponti radio, i radioaiuti alla navigazione aerea e navale, i sistemi di telecomunicazione e di teleradiodiffusione via satellite, le utilizzazioni biomediche, sia diagnostiche che terapeutiche. Le tecniche delle m. inoltre si diffondono sempre più nei settori delle telecomunicazioni e dei calcolatori elettronici, laddove sono presenti segnali con variazioni temporali molto rapide (dell'ordine dei picosecondi) o con elevatissima velocità di trasmissione delle informazioni (superiori al gigabit al secondo). In tali applicazioni, i componenti attivi e passivi, le linee di trasmissione dei segnali, i circuiti che realizzano le richieste funzioni logiche e di elaborazione dati vanno studiati, progettati e realizzati esclusivamente attraverso le metodologie delle microonde.
Le tecnologie MIC e MMIC. − I più importanti progressi concernenti lo sviluppo di nuove tecnologie riguardano la produzione di circuiti integrati realizzati con la tecnologia planare a microstriscia e la loro evoluzione da una tecnologia di tipo ibrido MIC (Microwave Integrated Circuits) a una di tipo monolitico MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuits). Accanto a tali dispositivi, sono in fase di sviluppo nuovi dispositivi in cui il controllo delle caratteristiche elettriche risulta di tipo ottico, e altri di tipo quasi-ottico, atti a lavorare nel campo delle onde millimetriche.
L'evoluzione delle frequenze di lavoro dei componenti a semiconduttore verso le frequenze delle m. ha costituito la base dello sviluppo dei MIC. Componenti a semiconduttore quali i diodi Gunn e i diodi IMPATT (IMPact Avalanche Transit Time) sono oggi disponibili per generare o amplificare segnali a microonde. Inoltre, sia i transistori bipolari che quelli a effetto di campo lavorano attualmente nel campo delle m. con apprezzabile amplificazione e guadagno di potenza. La disponibilità di detti componenti, unita all'utilizzo della tecnologia planare a microstriscia, ha enormemente sviluppato la realizzazione dei circuiti integrati di tipo ibrido e la loro applicazione nei più moderni sistemi a microonde. La tecnologia dei circuiti integrati ha ricevuto un notevole impulso anche dall'introduzione di strutture planari realizzate mediante la sovrapposizione di più strati dielettrici di tipo isotropo o anisotropo, sui quali avviene la deposizione, mediante tecniche di fotoincisione, delle diverse superfici metalliche che costituiscono il circuito. Si è così in grado di disporre di ulteriori gradi di libertà nella progettazione di circuiti e dispositivi con caratteristiche elettriche sempre più sofisticate.
Accanto alla consolidata tecnologia MIC, al fine di migliorare le caratteristiche di riproducibilità, ingombro, peso e affidabilità, dagli inizi degli anni Ottanta è andata sempre più diffondendosi la tecnologia MMIC che, utilizzando processi di deposizione e di attacco selettivi, consente la realizzazione di componenti attivi e passivi, circuiti e subsistemi direttamente sul medesimo strato di semiconduttore (fig. 1). La rapida diffusione di tale tecnologia nelle applicazioni a m. si deve: ai contemporanei progressi nella qualità dei substrati di arseniuro di gallio (GaAs) attualmente disponibili; al rapido sviluppo dei dispositivi MESFET (MEtal Semiconductor Field Effect Transistor, a basso rumore fino a 60 GHz e di potenza fino a 30 GHz); alla possibilità di realizzare nell'ambito dello stesso processo tecnologico sia diodi a barriera Schottky che MESFET a singolo e doppio gate; ai progressi ottenuti nello studio di nuove giunzioni che hanno permesso la realizzazione di dispositivi HEMT (High Electron Mobility Transistor) e HBT (High Breakdown Transistor), i quali ultimi, possedendo un'elevata tensione di breakdown, possono amplificare segnali a grande dinamica; e, infine, allo sviluppo delle tecniche analitiche e numeriche necessarie all'analisi e all'ottimizzazione dei circuiti da realizzare. Attualmente sono disponibili sul mercato, a costi contenuti, amplificatori di potenza con livelli di uscita di oltre 20 dBm in grado di amplificare segnali dalla continua a oltre 2 GHz, amplificatori distribuiti con un'elevata larghezza di banda (2-20 GHz), interruttori e sfasatori a tecnologia FET.
Nei circuiti MMIC il miglioramento delle prestazioni elettriche dei circuiti, dovuto essenzialmente all'eliminazione degli effetti parassiti introdotti dall'impiego dei conduttori di collegamento e delle piazzole di saldatura, consente un considerevole allargamento della banda di frequenza di lavoro rispetto ai tradizionali circuiti MIC. Le dimensioni realizzative e i pesi sono in fase di considerevole riduzione; sono però da tenere presenti i possibili effetti nocivi dovuti agli inevitabili accoppiamenti elettromagnetici indesiderati tra i vari componenti integrati sul medesimo substrato e una limitazione del livello di potenza dissipabile. Nell'impostazione monolitica del progetto a m. è inoltre impossibile procedere a operazioni di aggiustamento sperimentale, aggiustamento di grande utilità nella progettazione operativa dei circuiti ibridi. Ciò eleva inevitabilmente il costo definitivo del circuito MMIC o del sistema realizzato rispetto agli analoghi in tecnologia MIC. Per le motivazioni descritte i circuiti monolitici a m. stanno sostituendo i corrispondenti circuiti integrati ibridi in tutte quelle applicazioni nelle quali i problemi di affidabilità, riproducibilità, dimensione e peso sono cruciali per la realizzazione di determinati moduli funzionali. Nella tabella è riportato un quadro riassuntivo di paragone delle caratteristiche principali dei circuiti realizzati con le tecnologie MIC e MMIC.
Sistemi di comunicazione. - Gli sviluppi più recenti nel campo delle onde millimetriche riguardano la realizzazione di sistemi di telecomunicazione e radar che lavorano nelle bande attorno a 30 e a 90 GHz per sfruttare la ridotta attenuazione atmosferica che si verifica a dette frequenze. Per es., sono oggi in funzione radar a frequenze tali che consentono di misurare contemporaneamente la velocità e la distanza degli oggetti intercettati e che, montati su aeromobili, consentono di evitare ostacoli o eventuali collisioni. Sono stati anche realizzati sistemi ricetrasmittenti nella banda dei 60 GHz ove è invece molto elevata l'attenuazione atmosferica a causa dell'assorbimento da parte dell'ossigeno. Ricetrasmittenti in grado di lavorare a 60 GHz adottano antenne a lente dielettrica le cui dimensioni tipiche risultano dell'ordine dei 30 mm. In tal modo si possono stabilire collegamenti radio in visibilità utilizzando un cannocchiale per l'allineamento tra gli apparati comunicanti. Si realizzano così sistemi dotati di alto isolamento elettromagnetico verso l'esterno che consentono una notevole riservatezza nelle comunicazioni.
Interessanti sviluppi nella realizzazione di sistemi e subsistemi atti a lavorare nel campo delle onde millimetriche e submillimetriche sono resi possibili dall'introduzione di tecniche quasi-ottiche. Tali tecniche possono per es. essere vantaggiosamente utilizzate nelle applicazioni relative a sistemi radar e di comunicazione via satellite per realizzare il modulo radio-ricevente, combinando l'antenna con il sistema principale di demodulazione (mixer quasi-ottico). Il principio di funzionamento di un mixer quasi-ottico è mostrato nella fig. 2, in cui si nota che il segnale a radiofrequenza (RF) è ricevuto dall'antenna integrata direttamente nel circuito del mixer. Il segnale dell'Oscillatore Locale (LO) nell'esempio in figura è separato dal precedente anche se ciò non è un requisito fondamentale per il funzionamento del dispositivo. Di tali subsistemi sono stati realizzati prototipi sperimentali a 100 e a 600 GHz, alcuni dei quali montano un'ottica a lente dielettrica atta a focalizzare il campo elettromagnetico nel piano ove risultano posizionati i diodi del convertitore al fine di elevare la sensibilità e la direzionalità del ricevitore.
Dispositivi a controllo optoelettronico. - Un'ulteriore classe di dispositivi oggi in fase di sviluppo, cui si è accennato all'inizio, è quella realizzata con componenti a m. dotati di controllo di tipo ottico. Di particolare interesse sono, per es., gli interruttori e gli attenuatori a controllo optoelettronico in cui le caratteristiche di conducibilità di un semiconduttore vengono regolate dall'intensità di luce di una sorgente laser. La conducibilità della regione illuminata viene alterata dalla generazione ottica di coppie elettrone-lacuna e, in tal modo, è possibile operare un controllo sul segnale a microonde. In fig. 3 sono riprodotti alcuni tipici interruttori a m. a controllo optoelettronico. Nelle figg. 3 I e II, gli interruttori sono realizzati mediante l'inserimento di un gap di volume (fig. 3 I) o di superficie (fig. 3 II) in uno dei conduttori di una linea di trasmissione. La luce di una sorgente laser esterna, alterando la conducibilità della regione a semiconduttore, permette di stabilire il collegamento elettrico desiderato nella linea. Nella fig. 3 III è mostrata una realizzazione per applicazioni ad altissima velocità in cui il fascio luminoso realizza il contatto tra i due conduttori di una linea coplanare.
Dispositivi non reciproci, quali giratori e isolatori, basati su un analogo principio di funzionamento, possono essere realizzati se la regione a semiconduttore è interessata da un campo magnetico statico. Il problema in questo tipo di componenti consiste nella scarsa capacità di controllo optoelettronico esercitato da un unico diodo laser che può dare luogo a irradiazioni dell'ordine di 100 mW/cm2 in luogo delle irradiazioni anche 1000 volte superiori necessarie per controlli con alto rendimento. Si ricorre allora a tecniche di fotoeccitazione periodica distribuita lungo una linea di trasmissione (fig. 4). Isolatori optoelettronici a m. possono infine anche essere ottenuti mediante l'integrazione di un diodo laser ad alta velocità con un fotodiodo, come mostrato nello schema di fig. 5, in cui il segnale a m. in ingresso modula l'intensità della luce del laser variando corrispondentemente il segnale in uscita dal fotodiodo. Recentemente è stato realizzato con tale tecnica un optoisolatore a 3 GHz con un isolamento a RF superiore agli 80 dB.
Applicazioni mediche. - Accanto alle applicazioni nei settori dell'elettronica e delle telecomunicazioni si vanno anche diffondendo le applicazioni biomediche diagnostiche e terapeutiche delle microonde. Tra le prime si possono citare le tecniche basate sulla misura delle caratteristiche di propagazione o di riflessione dei segnali a m. nei tessuti biologici. Tali tecniche, di tipo non invasivo, permettono di estrarre le caratteristiche dei parametri biologici mediante l'informazione da essi trasferita sul segnale a microonde. Un'applicazione particolarmente interessante consiste nel rilevare le caratteristiche di riflessione delle m. da parte di tessuti od organi in movimento (tecnica indicata come Doppler a m.). Questa tecnica, che consente la valutazione dell'attività respiratoria, polmonare e cardiovascolare con sensori non a contatto con il paziente, risulta particolarmente utile nel caso di esami su pazienti vittime di ustioni provocate da bruciature, da agenti chimici o nucleari. Come esempio dei risultati ottenibili, nella fig. 6 è mostrata la risposta di un esame condotto con la tecnica Doppler a m. (2,5 GHz) sulla parete della carotide, confrontata con quella ottenuta da una sonda intra-aortica. Tra le indagini diagnostiche a m. si possono anche includere le cosiddette tecniche d'indagine passiva, che rilevano i segnali prodotti dall'emissione termica spontanea dei tessuti biologici. Stanno così diffondendosi la termografia e la radiometria a m. che possono consentire la diagnosi di tumori sottocutanei e profondi.
Per quanto riguarda le applicazioni terapeutiche, in questi ultimi anni vi è stato un crescente utilizzo dell'ipertermia a m. nella terapia dei tumori. L'ipertermia è una tecnica terapeutica in cui la temperatura dei tessuti trattati viene elevata fino a 42÷44°C per mezzo della dissipazione in loco di energia a microonde. La terapia è basata sulla capacità del calore di distruggere, in modo selettivo, le cellule tumorali situate in un ''ambiente'' con ridottissimo o del tutto nullo scambio di calore dovuto al flusso sanguigno rispetto alle cellule sane in cui gli effetti di detto scambio sono assai sensibili. Le possibilità di successo terapeutico dell'ipertermia a m. sono essenzialmente legate alla disponibilità di riscaldatori molto perfezionati, capaci di focalizzare l'energia da dissipare e quindi fornire calore in volumi prestabiliti senza scaldare eccessivamente i tessuti circostanti, con possibilità di un accurato controllo e monitoraggio della temperatura, specialmente nel caso dei tumori più profondi. A tal fine si stanno sperimentando speciali applicatori costituiti da cortine di antenne a microstriscia, opportunamente alimentate in ampiezza e fase, che consentono di focalizzare e regolare con cura la distribuzione della potenza dissipata nei tessuti durante il trattamento. Per valutare appieno l'effettivo valore terapeutico dell'ipertermia a m. sarà necessario attendere i risultati di una più matura esperienza clinica. Vedi tav. f.t.
Bibl.: F. Giannini, Circuiti integrati a microonde, in Alta Frequenza, 57 (1988), pp. 225-31; J. B. Horton, Selected technology summaries for microwave theory and techniques, in IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers] Transactions on Microwave Theory and Techniques, 37 (1989), pp. 1040-53; Electromagnetic interaction with biological systems, a cura di J. C. Lin, New York 1989; pubblicazione speciale su Focus on millimeter waves, in Alta Frequenza, 58 (1989); D. B. Hull, Optoelectronic isolator for microwave applications, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 38 (1990), pp. 571-75; pubblicazione speciale su Applications of lightwave technology to microwave devices, circuits, and systems, ibid., 38 (1990); T. C. Edwards, Foundations for microstrip circuit design, Chichester 19922.