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Multistatic J-Band Radar TX/RX Chipset in SiGe BiCMOS with Integrated x16 Frequency Multiplier Chain and High EIRP

Este artículo presenta un chipset de radar multiestático de banda J de 292 GHz fabricado en tecnología SiGe BiCMOS de 130 nm, que cuenta con multiplicadores de frecuencia x16 integrados, un transmisor de 41 dBm de EIRP y un receptor de alta ganancia que permite mediciones de largo alcance de hasta 150 metros.

Autores originales: Stephan Hauptmeier, Kennet Braasch, Till Ziegler-Bellenberg, Diana P. Cortes N., Tobias T. Braun, Michael Höft, Nils Pohl

Publicado 2026-06-19

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CC BY 4.0

Autores originales: Stephan Hauptmeier, Kennet Braasch, Till Ziegler-Bellenberg, Diana P. Cortes N., Tobias T. Braun, Michael Höft, Nils Pohl

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando tener una conversación con un amigo a través de un pasillo muy largo y con niebla. El problema es que tu voz (la señal) se pierde en la niebla (el aire) muy rápidamente, y los oídos de tu amigo (el receptor) no son lo suficientemente sensibles para escucharte a menos que grites extremadamente fuerte.

Este artículo describe un nuevo sistema de "superoído y superobras" construido sobre un diminuto chip de silicio que resuelve este problema para un tipo específico de luz invisible llamada radar de banda J (que opera en frecuencias alrededor de 292 GHz). Esta tecnología se utiliza para cosas como ver a través de la niebla o escanear objetos sin tocarlos.

Aquí explicamos cómo los autores construyeron este sistema, de forma sencilla:

1. La máquina de "Susurro a Grito" (El Transmisor)

El mayor desafío en este rango de frecuencias es que es difícil generar una señal fuerte directamente. Es como intentar gritar una nota aguda específica que tus cuerdas vocales no pueden alcanzar de forma natural.

La Solución: En lugar de gritar la nota aguda directamente, el chip comienza con un "zumbido" bajo y fácil de producir (una señal de baja frecuencia).
El Truco de Magia: El chip tiene una máquina integrada que actúa como una caja de cambios. Toma ese zumbido bajo y lo multiplica 16 veces, 16 veces, 16 veces, y así sucesivamente, hasta que se convierte en el grito agudo necesario para el radar.
Limpieza del Ruido: Cuando multiplicas un sonido tantas veces, normalmente creas mucho "ruido de basura" (armónicos) que suena como estática. Los autores construyeron filtros especiales (como un tamiz) dentro de la máquina para desechar el ruido de la basura, manteniendo solo la señal limpia y pura.
El Amplificador: Una vez que la señal es de tono agudo, todavía es demasiado silenciosa para viajar lejos. El chip utiliza un "combinador de potencia" (como cuatro personas gritando en perfecta armonía) para hacer que la señal sea lo suficientemente fuerte como para viajar una larga distancia.
El Resultado: Lograron una "fuerza de voz" (EIRP) de 41 dBm al usar una lente especial, lo cual es significamente más fuerte que los intentos anteriores. Sin la lente, sigue siendo un sólido 8.8 dBm.

2. El "Superoído" (El Receptor)

Al otro lado del pasillo, necesitas un receptor que pueda escuchar ese eco tenue.

La Configuración: Este chip también tiene la misma máquina de "caja de cambios" para crear una señal de referencia.
El Amplificador: Utiliza un "Amplificador de Bajo Ruido" (LNA). Piensa en esto como un micrófono muy sensible que aumenta el volumen del eco tenue sin añadir su propio siseo de estática.
La Mezcla: Compara el eco que escucha con la señal de referencia para determinar exactamente qué tan lejos está el objeto.
El Resultado: Es increíblemente sensible, capaz de detectar señales que han viajado lejos y han perdido la mayor parte de su energía.

3. Las "Gafas de Antena"

Los chips tienen antenas diminutas integradas directamente en ellos.

Sin Gafas: Estas antenas son como ojos de gran angular. Pueden ver todo en un área amplia, pero no son muy buenas viendo cosas a lo lejos.
Con Gafas: Los autores añadieron una lente de plástico especial (hecha de PTFE) que actúa como una lupa. Esto enfoca el haz en un punto estrecho y potente, similar a un láser. Esto permite que el radar vea objetos mucho más lejos.

4. El "Equipo de Dos Personas" (Diseño Multiestático)

Normalmente, los transmisores y receptores de radar están empaquetados muy juntos. Pero a estas frecuencias tan altas, el transmisor ruidoso puede ensordecer al receptor sensible.

La Innovación: Este sistema es "multiestático", lo que significa que el transmisor y el receptor están en chips separados que pueden colocarse distanciados entre sí.
El Benefio: Es como si la persona que grita se parara en un lado de la habitación y la persona que escucha se parara en el otro. Esto evita que el grito opaque al susurro, permitiendo que ambos trabajen con su máximo potencial.

5. La Prueba del Mundo Real

Para demostrar que funciona, el equipo instaló sus chips en un pasillo.

Utilizaron un triángulo metálico en movimiento (un reflector de esquina) como objetivo.
Detectaron con éxito este objetivo desde 150 metros de distancia (aproximadamente 1.5 campos de fútbol).
Aunque el pasillo tenía puertas y paredes que creaban ecos confusos (objetivos fantasma), el sistema fue lo suficientemente inteligente como para distinguir el objetivo real del ruido de fondo.

Resumen

En resumen, los autores construyeron un sistema de radar diminuto y altamente eficiente en un chip de silicio. Resolvieron el problema de generar señales de alta frecuencia utilizando una ingeniosa "cadena de multiplicadores" (caja de cambios), limpiaron el ruido con filtros y utilizaron una configuración "multiestática" para evitar que el transmisor ruidoso interfiriera con el sensible receptor. El resultado es un radar que puede ver objetos claramente a largas distancias, incluso a frecuencias muy altas donde esto suele ser muy difícil.

Resumen Técnico: Chipset de Radar Multiestático en Banda J en SiGe BiCMOS

Planteamiento del Problema
Las frecuencias sub-terahertz (Sub-THz), particularmente la banda J (220–330 GHz), ofrecen un potencial significativo para aplicaciones de radar avanzadas como el cribado médico, la imagenología y los ensayos no destructivos debido a su gran ancho de banda disponible y alta resolución de rango. Sin embargo, el despliegue práctico de estos sistemas se ve actualmente obstaculizado por la alta pérdida de trayectoria, la potencia de transmisión limitada y las altas figuras de ruido del receptor, lo que resulta en relaciones señal-ruido (SNR) bajas. Los demostradores existentes suelen depender de analizadores de redes vectoriales (VNA) voluminosos y costosos con extensores de frecuencia, los cuales no son adecuados para aplicaciones escalables y rentables. Además, lograr una alta Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (EIRP) y una alta sensibilidad del receptor simultáneamente en un factor de forma compacto e integrado sigue siendo un desafío, particularmente al gestionar los espurios armónicos generados por las cadenas de multiplicación de alta frecuencia.

Metodología
Este trabajo presenta el diseño y la medición de un chipset de radar multiestático que comprende un transmisor (TX) y un receptor (RX) de Circuito Integrado de Microondas Monolítico (MMIC), ambos realizados en la tecnología SiGe BiCMOS de 130 nm de IHP (que cuenta con HBT con $f_T$ de 500 GHz y $f_{max}$ de 610 GHz).

Arquitectura: El sistema utiliza una arquitectura multiestática donde el TX y el RX están separados espacialmente pero comparten una señal de Oscilador Local (LO) de baja frecuencia correlacionada. Ambos MMIC integran una cadena de multiplicador de $\times$ 16 en el chip, lo que permite que el LO se distribuya por debajo de los 21 GHz, minimizando así las pérdidas de distribución y los costos.
Diseño del Transmisor: El MMIC del TX incorpora la cadena de multiplicador de $\times$ 16 seguida de una cadena de amplificación de cuatro etapas y combinación de potencia de cuatro vías. La cadena de multiplicación consiste en un balun activo, preamplificadores y cuatro etapas de duplicación (utilizando topologías de celda de Gilbert de push-push y con bootstrapping) intercaladas con filtros de paso de banda para suprimir armónicos. La etapa final excita una antena de parche diferencial rectangular integrada en el chip.
Diseño del Receptor: El MMIC del RX integra la misma cadena de multiplicador de $\times$ 16 para generar el LO para un mezclador de conversión descendente fundamental. La señal de RF es capturada por una antena de parche integrada en el chip y amplificada por un Amplificador de Bajo Ruido (LNA) de tres etapas antes de la mezcla. El LNA emplea una red de adaptación de entrada de línea de transmisión en serie para optimizar simultáneamente la figura de ruido y la pérdida de retorno de entrada.
Integración del Sistema: Los MMIC están montados en PCBs separadas con lentes de PTFE de colimación integradas para mejorar la ganancia y la directividad para mediciones de largo alcance.

Contribuciones Clave y Resultados

Transmisor de Alta EIRP: El amplificador de combinación de potencia de cuatro vías integrado entrega una potencia de salida de 11.2 dBm. Con una lente de colimación de PTFE, el sistema logra una EIRP medida de 41 dBm a 292 GHz. Sin la lente, la EIRP es de 8.8 dBm, proporcionando un campo de visión amplio.
Rechazo de Armónicos: A pesar del alto factor de multiplicación de 16, el diseño logra una robusta supresión de armónicos. El rechazo de armónicos en el chip es mejor que 24 dBc, mientras que el rechazo de armónicos radiados en banda alcanza aproximadamente los 50 dBc mediante la combinación de múltiples etapas de filtrado en la cadena de multiplicación y la respuesta de filtrado de la antena de parche.
Sensibilidad del Receptor: El MMIC del RX logra una ganancia de conversión total de 43.3 dB a 292 GHz. La figura de ruido medida fue de aproximadamente 20 dB a 285 GHz (incluyendo la antena), lo cual se alinea con el rendimiento de vanguardia.
Ancho de Banda: El sistema demuestra un ancho de banda de 3 dB de 31.7 GHz y un ancho de banda de 10 dB de 88 GHz, cubriendo una parte significativa de la banda J.
Demostración de Largo Alcance: Se realizaron mediciones de radar FMCW en un entorno de pasillo. El sistema detectó con éxito un reflector de esquina en movimiento a distancias de hasta 150 metros, validando la capacidad de largo alcance del chipset a pesar de la alta frecuencia central.

Significancia
El artículo afirma que este trabajo hace avanzar el estado del arte al integrar con éxito un transmisor de alta potencia y un receptor sensible en un chipset SiGe BiCMOS multiestático y escalable. Al aprovechar la arquitectura multiestática, el sistema minimiza el acoplamiento TX-RX, permitiendo el uso de amplificadores de alta potencia sin la saturación del receptor. La integración de la cadena de multiplicador de $\times$ 16 permite la distribución de un LO de baja frecuencia, facilitando configuraciones de radar escalables con múltiples módulos. La EIRP alcanzada de 41 dBm supera los valores reportados previamente para transmisores de radar en banda J (por ejemplo, 27 dBm y 31 dBm en trabajos previos), demostrando que se pueden realizar sistemas de radar Sub-THz de alto rendimiento utilizando tecnologías basadas en silicio sin depender de instrumentación externa voluminosa. La medición exitosa del rango de 150 m confirma la viabilidad práctica de este chipset para aplicaciones de radar de largo alcance.