Projeto de trans-recetores satélite em tecnologia GaAs MMIC

Abstract

Com a evolução da tecnologia, as comunicações via satélite têm ganho alguma preponderância em comparação com as formas de comunicação tradicionais, como a fibra ótica ou o cobre, em situações de catástrofe, em regiões remotas do planeta, bem como na melhoria da qualidade de serviços globais. Como consequência, nos últimos anos, múltiplas empresas privadas têm reacendido o interesse no desenvolvimento de constelações de satélites de órbita terrestre baixa (LEO). Assim, o facto dos satélites LEO se encontrarem mais próximos da superfície terrestre, em conjunto com a sobrelotação do espectro eletromagnético nas frequências mais baixas e, com o elevado financiamento, ao nível de investigação, em projetos para frequências elevadas, faz com que o interesse em projetar componentes nessas frequências para uso em projetos espaciais esteja a aumentar consideravelmente. Tendo em consideração o referido, a presente dissertação de mestrado tem como objetivo projetar e simular três dispositivos: um Amplificador de Baixo Ruído (LNA), um Amplificador de Potência (PA) e uma Antena F-Invertida Planar (PIFA) com o intuito de serem implementados num único circuito integrado monolítico de micro-ondas (MMIC), para, posteriormente, puderem ser incorporados num sistema de rádio para comunicações via satélite. Estes dispositivos foram implementados com a finalidade de operaram na banda K do espectro eletromagnético, mais concretamente, entre os 19.7 GHz e os 21.2 GHz. Ademais, estes projetos foram simulados com o recurso ao design kit do processo PH25 da UMS, sendo este baseado numa tecnologia em Arsenieto de Gálio. No que concerne aos resultados obtidos, o LNA projetado apresenta um ganho de 10-11.4dB, uma figura de ruído inferior a 1.3dB, e uma área de ocupação de 1.49 mm2. O PA projetado apresenta um ganho de 15.9-18.2dB, uma eficiência da potência adicionada (PAE) de 21.4-23.2%, uma potência de saída de 17.1-17.5dBm e uma área de ocupação de 1.59 mm2. Por fim, a PIFA projetada exibe uma largura de banda de 860 MHz (20.27-21.13 GHz), uma magnitude do coeficiente de reflexão de entrada, à frequência de ressonância (20.68 GHz), de -29.40dB, um rácio de tensão de ondas estacionárias (VSWR), dentro da largura de banda, sempre inferior a 2 e um ganho realizado de 2.44dBi. A título conclusivo, é relevante referir que a área ocupada pelo conjunto LNA/PA/PIFA foi de, aproximadamente, 4 mm2. Todos os projetos e simulações realizados na presente dissertação foram efetuados com o recursos ao software Advanced Design System (ADS) e ao Computer Simulation Technology (CST).

With the evolution of technology, sattelite communications have gained some preponderance compared to traditional forms of communication, such as fiber optics or copper, in catastrophic situations, in remote regions of the planet, as well as in improving the quality of global services. As a result, in recent years, multiple private companies have rekindled interest in the development of low earth orbit (LEO) sattelite constellations. Thus, the fact that LEO sattelites are closer to the Earth’s surface, together with the overcrowding of the electromagnetic spectrum at lower frequencies and, with the high funding, at research level, in projects for high frequencies, makes the interest in designing components at these frequencies for use in space projects increase considerably. Taking this into account, this master’s dissertation aims to design and simulate three devices: a Low Noise Amplifier (LNA), a Power Amplifier (PA) and a Planar Inverted-F Antenna (PIFA) in order to be implemented in a single monolithic microwave integrated circuit (MMIC), so that later they can be incorporated into a radio system for sattelite communications. These devices were implemented with the purpose of operating in the K band of the electromagnetic spectrum, more specifically, between 19.7 GHz and 21.2 GHz. In addition, theses projects were simulated with the use of the UMS PH25 process design kit, which is based on a technology in Gallium Arsenide. Regarding the results obtained, the projected LNA has a gain of 10-11.4dB, a noise figure below 1.3dB, and an occupation area of 1.49 mm2. The projected PA has a gain of 15.9-18-2dB, a Power Added Efficiency (PAE) of 21.4-23.2%, an output power of 17.1-17.5dBm and an occupation area of 1.59 mm2.Finally, the projected PIFA displays a bandwidth of 860 MHz (20.27-21.12 GHZ), a magnitude of the input reflection coefficient, at the resonant frequency (20.68 GHz), of -29.40dB, a Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), within the bandwidth, always less than 2 and a realized gain of 2.44dBi. In conclusion, it is relevant to note that the area occupied by the LNA/PA/PIFA group was, approximately, 4 mm2. All projects and simulations carried out in this dissertation were made using Advanced Design System (ADS) and Computer Simulation Technology (CST) software.