⚡ electrical engineering

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

Este artigo apresenta um chipset de radar multiestático de banda J de 292 GHz fabricado em tecnologia SiGe BiCMOS de 130 nm, apresentando multiplicadores de frequência x16 integrados, um transmissor com EIRP de 41 dBm e um receptor de alto ganho que permite medições de longo alcance de até 150 metros.

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

Publicado 2026-06-19

📖 5 min de leitura🧠 Leitura aprofundada

CC BY 4.0

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

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine que você está tentando ter uma conversa com um amigo através de um corredor muito longo e enevoado. O problema é que a sua voz (o sinal) se perde na névoa (o ar) muito rapidamente, e os ouvidos do seu amigo (o receptor) não são sensíveis o suficiente para ouvir você, a menos que você grite extremamente alto.

Este artigo descreve um novo sistema de "super-ouvido e super-boca" construído em um minúsculo chip de silício que resolve este problema para um tipo específico de luz invisível chamada radar de banda J (que opera em frequências em torno de 292 GHz). Esta tecnologia é usada para coisas como ver através da névoa ou escanear objetos sem tocá-los.

Aqui está como os autores construíram este sistema, explicado de forma simples:

1. A Máquina "Do Sussurro ao Grito" (O Transmissor)

O maior desafio nesta faixa de frequência é que é difícil gerar um sinal forte diretamente. É como tentar gritar uma nota aguda específica que suas cordas vocais não conseguem alcançar naturalmente.

A Solução: Em vez de gritar a nota aguda diretamente, o chip começa com um "zumbido" baixo e fácil de produzir (um sinal de baixa frequência).
O Truque de Mágica: O chip possui uma máquina integrada que atua como uma caixa de câmbio. Ela pega esse zumbido baixo e o multiplica por 16 vezes, 16 vezes, 16 vezes, e assim por diante, até que se torne o grito agudo necessário para o radar.
Limpando o Ruído: Quando você multiplica um som tantas vezes, geralmente cria muito "ruído de lixo" (harmônicos) que soa como estática. Os autores construíram filtros especiais (como um peneira) dentro da máquina para jogar fora o ruído de lixo, mantendo apenas o sinal limpo e puro.
O Amplificador: Uma vez que o sinal está agudo, ele ainda é muito baixo para viajar longe. O chip usa um "combinador de potência" (como quatro pessoas gritando em perfeito uníssono) para tornar o sinal alto o suficiente para viajar uma longa distância.
O Resultado: Eles alcançaram uma "intensidade" (EIRP) de 41 dBm ao usar uma lente especial, o que é significativamente mais alto do que as tentativas anteriores. Sem a lente, ainda é um valor sólido de 8,8 dBm.

2. O "Super-Ouvido" (O Receptor)

Do outro lado do corredor, você precisa de um receptor que consiga ouvir esse eco fraco.

A Configuração: Este chip também possui a mesma máquina de "caixa de câmbio" para criar um sinal de referência.
O Amplificador: Ele utiliza um "Amplificador de Baixo Ruído" (LNA). Pense nisso como um microfone muito sensível que aumenta o volume do eco fraco sem adicionar seu próprio chiado de estática.
A Mistura: Ele compara o eco que ouve com o sinal de referência para descobrir exatamente a que distância o objeto está.
O Resultado: É incrivelmente sensível, capaz de detectar sinais que viajaram longe e perderam a maior parte de sua energia.

3. Os "Óculos de Antena"

Os chips possuem antenas minúsculas integradas neles.

Sem Óculos: Estas antenas são como olhos de ângulo aberto. Elas podem ver tudo em uma área ampla, mas não são muito boas em ver coisas longe.
Com Óculos: Os autores adicionaram uma lente de plástico especial (feita de PTFE) que atua como uma lupa. Ela foca o feixe em um ponto apertado e poderoso, semelhante a um laser. Isso permite que o radar veja objetos muito mais longe.

4. A "Equipe de Duas Pessoas" (Design Multiestático)

Normalmente, os transmissores e receptores de radar são compactados muito próximos uns dos outros. Mas nestas frequências tão altas, o transmissor barulhento pode ensurdecer o receptor sensível.

A Inovação: Este sistema é "multiestático", o que significa que o transmissor e o receptor estão em chips separados que podem ser colocados distantes um do outro.
O Benefício: É como ter a pessoa gritando de um lado da sala e a pessoa ouvindo do outro, o que evita que o grito abafe o sussurro, permitindo que ambos trabalhem em seu potencial máximo.

5. O Teste no Mundo Real

Para provar que funciona, a equipe instalou seus chips em um corredor.

Eles usaram um triângulo metálico móvel (um refletor de canto) como alvo.
Eles detectaram com sucesso este alvo a 150 metros de distância (cerca de 1,5 campos de futebol).
Mesmo que o corredor tivesse portas e paredes que criavam ecos confusos (alvos fantasmas), o sistema foi inteligente o suficiente para distinguir o alvo real do ruído de fundo.

Resumo

Em resumo, os autores construíram um sistema de radar minúsculo e altamente eficiente em um chip de silício. Eles resolveram o problema de gerar sinais de alta frequência usando uma inteligente "cadeia de multiplicadores" (caixa de câmbio), limparam o ruído com filtros e usaram uma configuração "multiestática" para evitar que o transmissor barulhento interferisse no receptor sensível. O resultado é um radar que consegue ver objetos claramente a longas distâncias, mesmo em frequências muito altas, onde isso é geralmente muito difícil.

Resumo Técnico: Chipset de Radar Multiestático de Banda J TX/RX em SiGe BiCMOS

Definição do Problema
As frequências sub-terahertz (Sub-THz), particularmente a banda J (220–330 GHz), oferecem um potencial significativo para aplicações avançadas de radar, como triagem médica, imagem e testes não destrutivos, devido à sua grande largura de banda disponível e alta resolução de alcance. No entanto, a implementação prática desses sistemas é atualmente dificultada pela alta perda de percurso, potência de transmissão limitada e altos números de ruído no receptor, o que resulta em baixas relações sinal-ruído (SNR). Os demonstradores existentes frequentemente dependem de analisadores de redes vetoriais (VNA) volumosos e caros com extensores de frequência, que são inadequados para aplicações escaláveis e de baixo custo. Além disso, alcançar uma alta Potência Isotrópica Radiada Equivalente (EIRP) e alta sensibilidade do receptor simultaneamente em um fator de forma compacto e integrado continua sendo um desafio, particularmente no gerenciamento de espúrios harmônicos gerados por cadeias de multiplicação de alta frequência.

Metodologia
Este trabalho apresenta o projeto e a medição de um chipset de radar multiestático composto por um Transmissor (TX) e um Receptor (RX) de Circuito Integrado de Micro-ondas Monolítico (MMIC), ambos realizados na tecnologia SiGe BiCMOS de 130 nm da IHP (apresentando HBTs com $f_T$ de 500 GHz e $f_{max}$ de 610 GHz).

Arquitetura: O sistema utiliza uma arquitetura multiestática onde o TX e o RX são espacialmente separados, mas compartilham um sinal de Oscilador Local (LO) de baixa frequência correlacionado. Ambos os MMICs integram uma cadeia de multiplicador de frequência $\times$ 16 no chip, permitindo que o LO seja distribuído abaixo de 21 GHz, minimizando assim as perdas de distribuição e os custos.
Projeto do Transmissor: O MMIC do TX incorpora a cadeia de multiplicador $\times$ 16 seguida por uma cadeia de amplificação de quatro estágios e quatro vias de combinação de potência. A cadeia de multiplicador consiste em um balun ativo, pré-amplificadores e quatro estágios de duplicadores (utilizando topologias de célula Gilbert push-push e bootstrapped) intercalados com filtros passa-faixa para suprimir harmônicos. O estágio final aciona uma antena de patch retangular diferencial integrada no chip.
Projeto do Receptor: O MMIC do RX integra a mesma cadeia de multiplicador $\times$ 16 para gerar o LO para um misturador de down-conversão fundamental. O sinal de RF é capturado por uma antena de patch integrada no chip e amplificado por um LNA de três estágios antes da mistura. O LNA emprega uma rede de casamento de entrada de linha de transmissão em série para otimizar simultaneamente o número de ruído e a perda de retorno de entrada.
Integração do Sistema: Os MMICs são montados em PCBs separadas com lentes de PTFE colimadoras integradas para aumentar o ganho e a diretividade para medições de longo alcance.

Principais Contribuições e Resultados

Transmissor de Alta EIRP: O amplificador de combinação de potência de quatro vias integrado entrega uma potência de saída de 11,2 dBm. Com uma lente de PTFE colimadora, o sistema atinge uma EIRP medida de 41 dBm a 292 GHz. Sem a lente, a EIRP é de 8,8 dBm, proporcionando um amplo campo de visão.
Rejeição de Harmônicos: Apesar do alto fator de multiplicação de 16, o projeto alcança uma supressão harmônica robusta. A rejeição harmônica no chip é superior a 24 dBc, enquanto a rejeição de harmônico radiado atinge aproximadamente 50 dBc através da combinação de múltiplos estágios de filtragem na cadeia do multiplicador e da resposta de filtragem da antena de patch.
Sensibilidade do Receptor: O MMIC do RX alcança um ganho de conversão global de 43,3 dB a 292 GHz. O número de ruído foi medido em aproximadamente 20 dB a 285 GHz (incluindo a antena), o que se alinha ao desempenho de estado da arte.
Largura de Banda: O sistema demonstra uma largura de banda de 3 dB de 31,7 GHz e uma largura de banda de 10 dB de 88 GHz, cobrindo uma parte significativa da banda J.
Demonstração de Longo Alcance: Medições de radar FMCW foram conduzidas em um ambiente de corredor. O sistema detectou com sucesso um refletor de canto móvel a distâncias de até 150 metros, validando a capacidade de longo alcance do chipset, apesar da alta frequência central.

Significância
O artigo afirma que este trabalho avança o estado da arte ao integrar com sucesso um transmissor de alta potência e um receptor sensível em um chipset SiGe BiCMOS multiestático escalável. Ao aproveitar a arquitetção multiestática, o sistema minimiza o acoplamento TX-RX, permitindo o uso de amplificadores de alta potência sem saturação do receptor. A integração da cadeia de multiplicador $\times$ 16 permite a distribuição de LO de baixa frequência, facilitando configurações de radar escaláveis com múltiplos módulos. A EIRP alcançada de 41 dBm excede valores relatados anteriormente para transmissores de radar de banda J (por exemplo, 27 dBm e 31 dBm em trabalhos anteriores), demonstrando que sistemas de radar Sub-THz de alto desempenho podem ser realizados em tecnologias baseadas em silício sem depender de instrumentação externa volumosa. A medição bem-sucedida de alcance de 150 m confirma a viabilidade prática deste chipset para aplicações de radar de longo alcance.