2.5 Solução Proposta
2.5.1 Acopladores Híbridos de 90 ◦
Um acoplador híbrido de 90◦, também conhecido como híbrida em quadratura ou somente híbrida, é composto por quatro terminais e por um conjunto de quatro braços que possuem comprimentos elétricos iguais a um quarto do comprimento de onda guiado, como mostrado na Figura 2.20.
Uma vez que existe um bom casamento de impedância em todas as portas, a híbrida irá dividir a potência de entrada (aplicada na porta 1, por exemplo) igualmente entre as portas de saída (neste caso, as portas 2 e 3) e manter uma diferença de fase entre elas igual a 90◦, que corresponde ao comprimente elétrico de λ/4 que é o comprimento do braço entre as portas de saída. Na porta 4, não haverá potência acoplada, sendo assim, chamada de porta isolada.
Figura 2.20: Geometria de um Acoplador Híbrido.
Observando a Figura 2.20, é possível ver que há uma simetria na geometria deste acoplador e, desta maneira, qualquer uma das portas pode ser usada como porta de entrada do sistema. As portas opostas à porta de entrada sempre serão as saídas do dispositivo e a porta remanescente, no mesmo lado da porta de entrada, será a porta isolada. A matriz de espalhamento desse dispositivo reflete essa simetria, ocasionando que cada linha pode ser obtida pela transposição da primeira [9].
Como dito anteriormente, decidiu-se aplicar uma técnica de miniaturização nos acopladores híbridos para garantir os requisitos do projeto. Essa técnica consiste em dobrar os braços verticais das híbridas, como mostra o esquemático da Figura 2.21.
Figura 2.21: Representação esquemática de uma linha de microfita dobrada. Ao se fazer curvas em uma linha de microfita, as suas características de impedância e comprimento elétrico são alteradas. Ou seja, os trechos de linha que formam a curva não terão o mesmo comprimento físico nem a mesma largura que a linha reta, pois suas características elétricas são diferentes daquela. Para que a combinação dos segmentos de linha A, B, C, D e E correspondam à linha de microfita reta é necessário analisar as suas matrizes [ABCD]. A matriz correspondente a uma linha de microfita reta com impedância Z0 e comprimento elétrico θ pode ser escrita como:
[ABCD] = cos θ jZ0sin θ jsin θ Z0 cos θ . (2.35)
Igualando essa matriz à combinação de matrizes [ABCD] dos tocos, tem-se: cos θ jZ0sin θ jsin θ Z0 cos θ = cos θ01 jZ01sin θ01 jsin θ01 Z01 cos θ 01 × 1 0 jB02 1 × cos θS jZSsin θS jsin θS ZS cos θS × 1 0 jB02 1 × cos θ01 jZ01sin θ01 jsin θ01 Z01 cos θ01 , (2.36) onde jB02 = jtan θ02 Z02 . (2.37)
Com essa equação é possível calcular os valores de impedância de cada um dos trechos de linha que formam a curva do braço vertical do acoplador híbrido, pois a impedância e o comprimento elétrico da linha de microfita reta já são conhecidos. Só é possível encontrar a solução da equação (2.36) atribuindo valores para alguns termos da equação, pois existem mais variáveis que equações. Isso não é problema, pois pode-se definir os valores dos comprimentos elétricos e a partir daí calcular as impedâncias. Isso facilita o cálculo e garante que a miniaturização do acoplador híbrido seja grande. Só é necessário tomar alguns cuidados ao se definir os comprimentos elétricos. O primeiro deles, é lembrar que os tocos de linha que estão em paralelo (B e D) não devem ficar muito próximos, ou seja, C deve ter um comprimento considerável para que não haja muito acoplamento entre B e D.
O segundo ponto que deve ser cuidadosamente estudado se refere aos compri- mentos de B e D. Como os dois braços verticais da híbrida serão curvados para dentro do acoplador, é necessário verificar se, ao serem curvados, eles não ficarão muito próximos, causando acoplamento. Se isso acontecer, os comprimentos de B e D devem ser alterados. Como os dois braços verticais da híbrida são eletricamente iguais, as linhas curvas que os representam também serão iguais, facilitando o projeto. Uma vez que esse estudo seja feito corretamente, tomando todas as precauções contra acoplamento, as respostas apresentadas pela híbrida de braços curvos deve corresponder às respostas da híbrida original (com braços retos). Sendo assim, com esse método será possível miniaturizar o amplificador de baixo ruído.
Capítulo 3
Metodologia e Resultados Parciais
Para se obter mais precisão nos resultados que devem ser fornecidos pelo amplificador de baixo ruído projetado neste trabalho, resolveu-se dividir as etapas de projeto em três partes.
A primeira delas é o modelo teórico do dispositivo, que já foi apresentado no Capítulo 2 e que consiste em calcular a resposta que a arquitetura planejada oferece dada a entrada do sistema. Por exemplo, o quanto de ganho que é fornecido pela combinação de transistores escolhida e o quanto de ruído essa mesma combinação introduz.
A segunda etapa do projeto é fazer o modelo circuital deste dispositivo. Utili- zando o software ANSYS Designer é possível simular cada um dos componentes que são utilizados no projeto. Esse software provê um ambiente ideal para desenvolver circuitos integrados de radiofrequência (RFICs), circuito integrados de micro-ondas monolíticos (MMICs) e dispositivos system-on-chip (SoC). A realização desta etapa é bastante impor-
tante, pois nela é possível conhecer a variação na resposta que cada componente insere no sistema, como nível de ruído e ganho. O modelo circuital fornece uma resposta mais precisa que o modelo teórico e não demanda muito tempo de simulação.
A terceira e última etapa do projeto, que demanda mais atenção e tempo, é a simulação do modelo eletromagnético tridimensional do dispositivo. Nela se exige muita atenção, pois é necessário desenhar cada um dos componentes que farão parte do dispositivo com seus aspectos físicos específicos. A falta de atenção nesta fase é muito arriscado, pois o projeto pode ficar com as dimensões incorretas e, consequentemente, não apresentar as respostas corretas. É necessário tempo para realizar esta etapa porque, além de se fazer o modelo tridimensional detalhado, o projetista deve analisar cuidadosamente os resultados obtidos. No modelo tridimensional, os níveis de acoplamento entre vias e de perdas dielétricas, principalmente, devem ser consideradas e isso pode provocar várias mudanças nas respostas do dispositivo. Se alguma das respostas não estiver de acordo com as especificações de projeto ou, até mesmo, com o modelo circuital, será necessário fazer uma inspeção no modelo para saber o que causou essa mudança.
Frequency Structural Simulator), desenvolvido pela ANSYS [25]. Esse software utiliza
tecnologias de computação de alto desempenho e plataformas eletrônicas de alta velocidade para torná-lo uma ferramenta muito útil para engenheiros que precisam desenvolver algum dispositivo em radiofrequência, micro-ondas ou alguma aplicação digital de alta velocidade. Suas soluções são desenvolvidas com base em elementos finitos, equação integral e métodos híbridos assintóticos, que fornecem respostas muito confiáveis.
3.1
Modelo Teórico
O modelo teórico consiste em estudar o funcionamento de cada componente do projeto e qual é a sua função dentro do dispositivo projetado. Como visto no Capítulo 2, a solução proposta para atender todos os requisitos foi a utilização de um amplificador balanceado em série com um amplificador desbalanceado. Essa disposição, teoricamente, fornece um ganho e uma figura de ruído compatíveis com as especificações, como visto a seguir.
Figura 3.1: Modelo teórico do LNA.
O ganho deste amplificador de baixo ruído deve ser equivalente a 25 dB, ou mais, observando o nível do sinal de saída, comparado com a entrada, em toda a banda de operação. Um LNA comum não fornece tanto ganho, mas neste projeto, é comprovado que, com uma combinação específica, isso é possível. O transistor utilizado é o FHX76LP da empresa Eudyna. Observando suas especificações em [15] é possível ver que o ganho fornecido por um único transistor não atende ao requisito. Ao colocar dois transistores em série, é possível obter os 25 dB necessários, já que o ganho total deste sistema será a multiplicação (soma se estiver trabalhando em escala logarítmica) do ganho de cada estágio. Sendo assim, conclui-se que uma disposição com dois transistores em série fornece o ganho desejado para o projeto.
A especificação seguinte está relacionada com a figura de ruído do dispositivo, que deve apresentar um nível por volta de 1 dB em toda a banda de operação. No Capítulo 2, foi mostrado que cada componente pertencente ao sistema acrescenta ruído
ao dispositivo e, observando as especificações do transistor que é utilizado [15], pode-se ver que ele possui uma figura de ruído mínima por volta de 0,3 dB na banda de operação. E já que é necessária a utilização de, pelo menos, dois transistores para obter o ganho requerido, a figura de ruído total equivalente, somente devido aos transistores, é calculada de acordo com a equação (1.1):
Ftransistores = Ft1 +
Ft2 −1
Gt1
= 1, 0715 + 1, 0715 − 125, 1188 = 1, 07434, (3.1)
N Ftransistores= 10 log Ftransistores= 0, 311dB. (3.2)
Esse valor de figura de ruído é equivalente somente aos dois transistores, e através dela é possível ver como o segundo estágio de um sistema pouco influencia a resposta final desse parâmetro. Como já foi dito anteriormente, é necessária a utilização de redes de casamento e de polarização para cada transistor, o que faz com que o nível de ruído aumente, já que cada componente do sistema insere ruído próprio. Por outro lado, a utilização das redes de casamento faz com que o sinal refletido seja menor, que se reflete em um ganho maior. Mas isso não quer dizer que a figura de ruído diminua, pois nem sempre o ponto de operação do transistor que fornece maior ganho, fornece também menor figura de ruído. Manipulando as variáveis existentes nas redes de casamento (como comprimento e espessura de linhas ou valores de indutância e capacitância), é possível melhorar a figura de ruído ou o ganho. Cabe ao projetista buscar um ponto de equilíbrio entre as variáveis que garanta as melhores repostas destes dois parâmetros.
Neste projeto, a solução encontrada para que a manipulação das variáveis seja favorável tanto ao ganho quanto à figura de ruído foi a utilização de um amplificador balanceado no primeiro estágio de amplificação. Como já foi dito, o amplificador balanceado é composto de dois transistores em paralelo interligados por dois acopladores híbridos (um conectado às entradas dos transistores e outro às saídas). Esse tipo de amplificador permite uma autonomia maior das variáveis de ruído e ganho, ou seja, é possível alterar os parâmetros para que se melhore uma das variáveis sem deteriorar a outra.
Há, contudo, um grande problema, neste caso, em se utilizar amplificadores balanceados, pois esse tipo de amplificador faz uso de acopladores híbridos e estes são formados por braços de comprimento igual a um quarto do comprimento de onda guiado. Isso significa que esses acopladores híbridos possuem grandes dimensões para este projeto que visa uma redução significativa em área ocupada. Sendo assim, é necessária a utilização de técnicas de miniaturização para fazer com que o acoplador híbrido possa ser utilizado neste projeto, como já foi discutido no Capítulo 2.