A metodologia utilizada no projeto foi descrita no fluxograma da figura13, onde foi analisado as especificações gerais necessárias para o funcionamento do sistema e simulou-se os subsistemas a nível de blocos numa arquitetura ideal.
Posteriormente projetou-se os subsistemas visando os parâmetros necessários para o funcionamento do mesmo. Com os parâmetros já definidos do sistema geral, cada sub-sistema foi projetado, simulado e otimizado a partir dessa metodologia, fez-se o projeto de uma placa impressa, enviou para fabricação e realizou os testes necessários para a validação.
Utilizou-se o software System Vue para a análise e projeto do sistema receptor a nível de sistema, sendo feito o cálculo do enlace. No softwareADS projetou-se os filtros e transições para o receptor e realizou-se simulações com os parâmetrosS dos componentes comerciais.
Os projetos foram desenvolvidos inicialmente no ambiente ideal de esquemático do ADS e posteriormente simulados e otimizados no ambiente eletromagnético com o método dos momentos (MoM), onde considera acoplamentos e efeitos parasíticos das trilhas.
Os parâmetros das simulações foram de frequência no intervalo de 9,7 GHz à 16,2 GHz, com malha de 120 células por comprimento de onda nas linhas micrófitas, onde o comprimento de onda é em relação a maior frequência e com malha de borda (edge mesh) habilitado.
Os subsistemas foram projetados todos com impedância características de 50 Ohm, para que não seja necessário casamento de impedância entre os componentes comerciais misturador, sintetizador e LNA escolhidos para o projeto.
O substrato escolhido foi o AD250C da Rogers com espessura de 0.508 mm pelo fato da sua tangente de perdas e sua permissividade serem baixas, fazendo com que suas trilhas para determinada impedância sejam maiores, consequentemente menos sensível a fabricação.
Determinou-se a frequência de operação de descida na banda Ku, sendo esta de frequência central de 11,95 GHz com largura de banda de 500 MHz, de acordo com a faixa de operação do satélite Star One C1 (EMBRATEL, 2017). A banda Ku está contida na faixa de frequência SHF, classificada pela ANATEL (2018a).
Revisão Bibliográfica
Levantamento de componentes
comerciais Escolha da arquitetura
do sistema receptor
Cálculo da Potência de recepção
Perdas por
espaço livre Análise dos
principais candidatos Inicio
Simulação Sistêmica System Vue
Atenuação por chuva
EIRP satélite
Escolha dos componentes
comerciais
Projeto dos Filtros ADS
Otimização EM e exportação dos arquivos Projeto com Elementos
distribuídos no ADS
Geração do Layout e simulação EM
Esquemático e Layout
Fabricação Montagem
Testes
Integração com o transmissor e geração dos arquivos gerber
Figura 13 – Fluxograma de projeto.
3.1.1 Calculo da potência de recepção
O comprimento de onda𝜆para a frequência de descida na banda Ku é de 2,5105 cm calculado pela equação 3.1, sendo c a velocidade da luz no vácuo de 3·108m/s e f é a frequência central de operação de 11,95 GHz
𝜆 = 𝑐
𝑓 (3.1)
Calculou-se as perdas de espaço livre para a banda Ku de 205,2 dB nodownlink do sistema a partir da equação 2.3comRigual a 36.382 Km, frequência central de 11,95 GHz e 𝜆 de 2,5105 cm.
As atenuações provenientes dos gases atmosféricos para as frequências de down-link e uplink da banda Ku são desprezíveis, como pode ser observado na figura 14 da recomendação ITU-R.
Figura 14 – Atenuação de gases atmosféricos (Figura adaptada de ITU-R (2016, p. 17)).
A atenuação por chuva para o pior cenário de chuva é de 18,03 dB, levando em consideração em que no período de 1 ano há possibilidade de 0.01% de ocorrer chuvas com taxa máxima de 90 mm/h, de acordo com a recomendação (ITU-R, 2017).
De acordo com Embratel (2017) temos o EIRP típico do satélite Star One C1 de 46 dBW, G/T típico de 1 dB/K e um recuo de saída de 4 dB, todos estes no contorno da região Mercosul, o recuo de saída do HUB da empresa financiadora do projeto é de 5,9 dB. Com isso temos o EIRP do downlink de 40,1 dBW, sendo descontado o recuo de saída do HUB no Eirp típico do satélite.
EmIppolito e Jr(2017) eRoddy(2006) é demonstrado como calcular a potência de recepção do sinal de acordo com a equação 3.2. Com os parâmetros de EIRP do downlink extraídos a partir do satélite Star One C1, as perdas de espaço livre calculadas, o ganho estimado do arranjo de antenas de 27 dB e 3 dB de perda de polarização pelo fato da antena do terminal móvel ser de polarização circular e o satélite de polarização linear, obteve-se então -141,1 dBW de potência na recepção, ou -111,1 dBm de acordo com 3.4.
𝑃𝑟[𝑑𝐵𝑊] =𝐸𝐼𝑅𝑃𝑑+𝐺𝑟−𝐿𝑓 𝑠 (3.2)
𝑃𝑟 =−141,1 [𝑑𝐵𝑊] (3.3)
𝑃[𝑑𝐵𝑚] =𝑃[𝑑𝐵𝑊]+ 30 (3.4)
3.1.2 Arquitetura do receptor
Para atender aos requisitos de recepção em banda Ku, projetou-se um receptor que possa atuar em toda a banda de 11,7 GHz a 12,2 GHz com canais de 36 MHz disponível do transpônder, sendo possível alternar entre os canais em toda a banda de 500 MHz.
Escolheu-se a arquitetura de conversão indireta (conversor heteródino) em dois estágios, realizando a conversão do sinal em RF de 11,95 GHz para o entorno de 3 GHz para o transceptor AD9363 daAnalog Devicefazer a conversão de frequência para a banda base.
LNA Amplificadores
Diplexer
Sintetizador RF Filtro RF
Antena
Mixer Filtro IF
Mixer
Sintetizador IF
Mixer
Defasador -90°
I
Q ADC
ADC
Estágio RF Estágio IF
Lente de Rotman
Figura 15 – Arquitetura do receptor.
A seleção de canais será feita no sintetizador IF com controle destinado a gerar as frequências de oscilação necessárias para transladar o sinal para o canal desejado. O estágio IF será implementado pelo kit de desenvolvimento da Adalm Pluto da Analog
Device, composto pelo transceptor AD9363 e uma FPGA Xilinx Zynq Z-7010 (ANALOG DEVICES,2016).
3.1.3 Análise do Front-End-RF
Foi simulado o circuito do estágio RF recebendo o sinal diretamente do sistema irradiante do projeto. Inseriu-se os parâmetros das simulações dos subsistemas projetados, tais como os filtros RF e IF. Nos componentes ativos utilizou-se os parâmetros dados pelos datasheets dos componentes.
A fonte foi definida como um sinal de banda larga centrado em 11,95 GHz com largura de banda de 500 MHz e potência de -111 dBm. Para o oscilador local RF foi regulado para 8,95 GHz e potência de saída de 8 dBm
Diplexer LNA1 Lna
1 1 bpfout bpfout
Oscilador Oscilador
mixout out
out 2
2
ZO=50 Ω
Saída_para_AdalmPluto
Fhi=3.25 GHz Flo=2.75 GHz
IL=0.5 dB BPF_IF S1=Wide: 11950 MHz
P= -111 dBm BW: 500 MHz
PORT=1 Source {MultiSource}
Fhi=12.2 GHz Flo=11.7 GHz
IL=1.6 dB BPF_RF
Pwr=2 dBm F=8.95 GHz Oscilador
R I
L
LO=2 dBm ConvGain=-8 dB
Mixer_RF Fhi=12.2 GHz
Flo=11.7 GHz N=8 IL=1.6 dB DIPLEXER
NF=1.1 dB10 G=26 dB10
LNA_2 NF=1.1 dB10
G=26 dB10 LNA_1
Figura 16 – Esquemático do Front-End-RF.
Calculou-se o mínimo de sinal detectável pelo transceptor AD9363 com NF de 3 dB especificada pelo seu respectivo datasheet e com 500 MHz de banda de sinal e obteve-se -84dBm. O projeto foi feito para que na entrada do transceptor da Adalm-Pluto tenha uma potência maior do que o MDS exigido pelo transceptor.