Monografia Winner Final Corre es V2

•

UFT

Ana Clara Rodrigues

12/04/2019

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI – UFSJ
CAMPUS ALTO PARAOPEBA

MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES

Projeto e Desenvolvimento de Antena Multibandas e
Dispositivos Microeletrônicos Integrados de Recepção para
Futura Telefonia 5G

Winner Humberto Vieira Martins

Congonhas, Junho de 2014
Winner Humberto Vieira Martins

Projeto e Desenvolvimento de Antena Multibandas e
Dispositivos Microeletrônicos Integrados de Recepção para
Futura Telefonia 5G

Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Telecomunicações da
Universidade Federal de São João Del-Rei
como parte dos requisitos para a obtenção
do Grau de Engenheiro de
Telecomunicações

Orientador: Prof. Dr.Humberto Xavier de Araújo

Congonhas, Junho de 2014
i

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS .................................................................................................................ii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. iii
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................. v
LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................................................... vi
RESUMO .................................................................................................................................... vii
ABSTRACT ............................................................................................................................... viii
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 1
ANTENA MULTIBANDAS ....................................................................................................... 3
FRONT-END DE RECEPÇÃO MICROELETRÔNICO ..................................................... 13
Amplificador de Baixo Ruído ............................................................................................... 14
Misturador de RF .................................................................................................................. 23
Oscilador Regulado por Tensão ........................................................................................... 30
CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 32
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................... 33
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 34

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado tudo o que eu precisava para
alcançar essa conquista, aos meus pais Walmir e Rosane por terem me proporcionado as
condições ideais e necessárias para que eu pudesse conquistar mais essa vitória em minha
vida, ao meu irmão Wiclef que mesmo estando longe manda positividade e apoia no que
preciso, a todos os familiares que apoiaram essa trajetória, à Tayná pelo apoio e
compreensão nos momentos que difíceis que passei na universidade nesta reta final do
curso, na fase graduação/estágio, agradeço aos professores do CAP que contribuíram para
minha formação, aos orientadores de projetos que participei Paulo Tibúrcio Pereira
(TCIC), Marcelo Martins de Oliveira (IC). Em especial ao Professor Doutor Humberto
Xavier de Araújo (TCC), por ter mostrado um lado muito interessante e legal da
engenharia de telecomunicações e ter mostrado também que não há limites quando se
deseja alcançar algo, agradeço também as amizades que fiz durante o curso e ao pessoal
de Telecom, aos amigos que fiz durante meu estágio na Vallourec & Sumitomo Tubos do
Brasil, em especial, Diego Silva Melo, Luciano Júnior de Souza e Raphael Muniz da
Silva. Enfim, agradeço a todos que contribuíram de alguma forma para que eu pudesse
chegar até aqui.

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Esquema básico de uma antena microfita ......................................................... 6
Figura 2: Resultado da simulação antena com as características citadas acima. .............. 7
Figura 3: Dimensões da antena multibandas .................................................................... 8
Figura 4: Resultados da simulação da antena multibandas ............................................. 10
Figura 5: Diagrama de radiação para 1575 MHz (GPS) ................................................. 11
Figura 6: Diagrama de radiação para 1800 MHz (GSM) ............................................... 11
Figura 7: Diagrama de radiação para 2100 MHz (3G) ................................................... 11
Figura 8: Diagrama de radiação para 2.6 GHz (4G Brasileiro) ...................................... 11
Figura 9: Diagrama de radiação para 2.4 GHz (WLAN) ................................................ 11
Figura 10: Diagrama de radiação para 26 GHz (5G) ...................................................... 11
Figura 11: Diagrama em blocos do sistema de recepção demultiplexado. ..................... 13
Figura 12: Representação de cada bloco do Front-End. ................................................. 14
Figura 13: LNA Cascode. ................................................................................................ 14
Figura 14: Partes do LNA ................................................................................................ 15
Figura 15: Resultados obtidos para o LNA do GPS ........................................................ 19
Figura 16: Resultados obtidos para o LNA do GSM ....................................................... 20
Figura 17: Resultados obtidos para o LNA do 3G .......................................................... 21
Figura 18: Resultados obtidos para o LNA do WLAN de 2.4 GHz ................................. 21
Figura 19: Resultados obtidos para o LNA do 4G Brasileiro .......................................... 22
Figura 20: Célula de Gilbert. .......................................................................................... 24
Figura 21: Resultados obtidos para o mixer do GPS ...................................................... 26
Figura 22: Resultados obtidos para o mixer do GSM ..................................................... 27
Figura 23: Resultados obtidos para o mixer do 3G ......................................................... 27
Figura 24: Resultados obtidos para o mixer da WLAN de 2.4 GHz ................................ 28
iv

Figura 25: Resultados obtidos para o mixer do 4G Brasileiro ........................................ 29
Figura 26: Circuito de um oscilador local ...................................................................... 31

LISTA DE TABELAS

Tabela I – Valores calculados para uma antena retangular típica ..................................... 7
Tabela II – Frequência e funções que a antena deve atender. ........................................... 9
Tabela III – Valores obtidos na simulação do parâmetro S11 e VSWR. .......................... 12
Tabela IV – Valores obtidos na simulação dos diagramas de radiação do plano E. ...... 12
Tabela V – Valoresobtidos na simulação dos diagramas de radiação do plano H. ....... 12
Tabela VI – Parâmetros de fabricação da foundry. ......................................................... 16
Tabela VII – Valores calculados para largura do canal. ................................................. 16
Tabela VIII – Valores das Capacitâncias entre porta e fonte. ........................................ 17
Tabela IX – Valores das transcondutâncias. ................................................................... 17
Tabela X – Valores das correntes de dreno. ................................................................... 18
Tabela XI – Valores das somas dos indutores de porta e fonte. ..................................... 18
Tabela XII – Resultados do LNA. ................................................................................... 22
Tabela XIII – Resultados do Misturador de RF. ............................................................. 29

LISTA DE ABREVIATURAS

3G - Sistemas móveis de terceira geração
4G - Sistemas móveis de quarta geração
5G - Sistemas móveis de quinta geração
ADS - Advanced Design System (Agilent Technologies)
AMS - AustriaMicroSystems
CAD - Computer Aided Design
CST - Computer Simulation Technology
DC - Direct Current
DEMUX - Demultiplexador
DSB - Double Side Band
FCC - Federal Communications Commission
GPS - Global Positioning System
GSM - Global System for Mobile Communication
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
IF - Intermediate Frequency
IIP3 - Input Third-Order Interception Point
MOS - Metal Oxide Semiconductor
OIP3 - Output Third-Order Interception Point
PA - Power Amplifier
RF - Rádio-Frequência
SNR - Signal-to-Noise Ratio
SSB - Single Side Band
TBJ - Transistor Bipolar de Junção
UWB - Ultra-Wide Band
VSWR - Voltage Standing Wave Ratio
WLAN - Wireless Local Area Network
vii

RESUMO

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de uma antena de microfita capaz
de operar na futura geração de telefonia móvel 5G e também dos outros recursos
desejados em um smartphone como: GPS, WLAN’s, 3G, 4G e GSM. Aborda ainda o
projeto do front-end de recepção para a mesma, de forma que o sinal proveniente da
antena será demultiplexado. O front-end é o bloco microeletrônico, normalmente
construído com transistores, indutores e capacitores, responsável pela recepção e
tratamento de um sinal recebido. Em linhas gerais, o front-end é formado, basicamente,
por quatro estágios: o LNA (Low Noise Amplifier – Amplificador de baixo Ruído), que
amplifica o sinal RF vindo da antena inserindo o mínimo de ruído; o Misturador de RF
(Mixer), recebe os sinais vindos do LNA e do oscilador local e faz o translado em
frequência; Oscilador Local, que gera o sinal da portadora que irá fazer o translado no
mixer e PA (Power Amplifier), que é responsável por amplificar sinais em alta frequência,
e irá amplificar o sinal da saída do mixer. O tipo de antena utilizado neste trabalho se trata
de uma antena de microfita, a escolha se deu devido ao fato de, além de ser compacta,
apresentar um baixo custo e bom controle de radiação. É o tipo de antena mais utilizado
em aparelhos móveis na atualidade ainda que tenham surgido na metade da década de
setenta. Antenas deste tipo utilizam os processos de fabricação de circuitos impressos, é
construída em uma placa constituída por três camadas um elemento radiante, substrato e
plano terra. As formas assumidas pelo plano terra e pelo elemento radiante da antena são
responsáveis pelas características de radiação da mesma. As simulações da antena foram
realizadas através do software CST Microwave Studio. Os estágios iniciais do front-end
de recepção, amplificador de baixo ruído e misturador de RF, foram projetados utilizando
a tecnologia de fabricação da foundry AMS e as topologias utilizadas para o LNA foi o
LNA cascode com degeneração indutiva e para o Mixer a célula de Gilbert modificada.
Para cada frequência proposta são mostrados os resultados da antena e dos circuitos
integrados do front-end, de forma a comprovar a viabilidade do estudo em questão.

viii

ABSTRACT

This paper shows the development of a microstrip antenna capable of operating in
future generation mobile phone 5G and also other desired resources on a smartphone,
such as GPS, WLAN's, 3G, 4G and GSM. It also shows the design of the receiver front-
end for this antenna. The signal from the antenna will be demultiplexed. The front-end is
the microelectronic block usually built with transistors, inductors and capacitors,
responsible for receiving and processing the received signal. In general, the front-end is
formed basically by four stages: the LNA (Low Noise Amplifier), which amplifies the
RF signal from the antenna inserting minimal noise; the RF mixer that receives the signals
from the LNA and the local oscillator to do the signal transfer; local oscillator that
generates the carrier signal that will do the transfer in the mixer and PA (Power
Amplifier), which is responsible for amplifying signals at high frequency, and will
amplify the signal from the output of the mixer. The type of antenna used in this project
is a microstrip antenna, the choice of this type of antenna is due to the fact that, besides
being compact, it presents a low-cost, good control of radiation and is the type of antenna
used in most mobile devices nowadays. Antennas of this type use printed circuit board
processes of manufacturing and is constructed on a plate consisted of three layers radiant
element, substrate and ground plane, forms assumed by the ground plane and the radiating
element of the antenna are responsible for the radiation characteristics of the same. The
antenna simulations were performed using CST Microwave Studio software. The early
stages of the reception front-end, low noise amplifier and RF mixer, were designed using
the manufacturing technology of foundry AMS. The topologies used for the LNA was the
cascode with inductive degeneration and for Mixer the modified Gilbert Cell. For each
proposed frequency are shown the results of the antenna and the front-end integrated
circuits in order to prove the feasibility of the study.
1

INTRODUÇÃO

No cenário da telefonia móvel atual deseja-se que um smartphone possua vários
recursos móveis da atualidade como wi-fi, internet móvel de alta velocidade (3G e 4G) e GPS,
além de outras facilidades já conhecidas e amplamente utilizadas, como bluetooth, roteamento
de internet móvel e TV digital. É desejado que, hoje, no mundo se alcance velocidades cada
vez maiores para que possam ser realizadas chamadas de vídeo em tempo real com alta
qualidade, assistir vídeos em TV online com alta qualidade, compartilhamento de mídias em
redes sociais e acesso à internet móvel rápida em todos os lugares. Para que isso ocorra, é
necessário que se tenham velocidades de internet fornecidas por empresas de telefonia fixa ou
móvel cada vez maiores, contribuindo mesmo que de forma indireta para uma certa tendência
onde as telas dos aparelhos também aumentem para que possa ser melhor a experiência do
usuário em utilizar os recursos de mídia em seus smartphones com tela de alta resolução [1].
Porém em contrapartida ao aumento da dimensão da tela dos aparelhos há também a diminuição
de sua espessura. Deseja-se que os aparelhos sejam cada vez mais finos, para que a discrição
seja balanceada devido ao tamanho da tela. Sendo assim, para que um smartphone se torne cada
vez mais compacto, torna-se necessária a diminuição dos componentes internos, como a
fabricação de circuitos integrados em escalasnanométricas e também de antenas impressas que
possuem espessura extremamente pequena.
A necessidade de velocidades cada vez maiores de internet móvel devido aos fatores
citados anteriormente e a tendência que a rede de telefonia móvel assume de ficar baseada em
internet faz com que as mesmas estejam em constante desenvolvimento. A tecnologia 4G, que
pode alcançar velocidades previstas de 2 Mbps a 1 Gbps [2], é a geração de telefonia móvel
mais atual e ainda não está completamente implantada no Brasi. Em contrapartida, estudos ao
redor do mundo, já começaram a desenvolver a quinta geração de comunicação móvel (5G), de
forma que tais estudos propõem uma comunicação que pretende alcançar altas taxas (acima de
1 Gbps) e utilizará faixas de frequência do espectro eletromagnético acima dos 25 GHz [2,3].
A quinta geração já teve o início de sua fase experimental com os testes sendo feitos na
Coréia do Sul. Com isso, estima-se que entre 2015 e 2016 haja um padrão definitivo para a
tecnologia, com versões de testes realizados em 2017 e o início de seu uso comercial no fim de
2020. Os investimentos no desenvolvimento desta nova tecnologia apenas na Coréia do Sul são
em torno de US$ 1,5 bilhão. Ainda não há uma padronização de qual frequência será utilizada
2

pela mesma, ao certo a princípio ela está sendo desenvolvida para operar na faixa das ondas
milimétricas, ou seja, uma faixa de frequências entre 3 e 300 GHz. Alguns testes já realizados
na Coréia do Sul mostram a intenção de se utilizar a frequência central de 26 GHz ou 28 GHz
[4]. No Brasil, como pode-se observar no documento “Plano de Atribuição, Destinação e
Distribuição de Faixas de Frequência no Brasil” [5], disponibilizado no site da Agência
Nacional de Telecomunicações (Anatel), que a faixa de frequência entre 25 e 28 GHz é atribuída
à Telefonia Fixa Comutada (STFC) e Comunicação Multimídia (SCM), não tendo nenhuma
aplicação móvel em uso [5]. Por outro lado, tecnologia 5G não está limitada a 28 GHz [6],
segundo engenheiros da Samsung, podendo-se utilizar maiores frequências, uma vez que ainda
não há uma padronização. Vale ressaltar que, para frequências muito altas obtém-se alta
atenuação de percurso, o que, obviamente, irá levar a ter-se um maior número de antenas
distribuídas em uma cidade grande, por exemplo e, consequentemente, diminuição do tamanho
das células.
O presente trabalho propõe na seção “Antena Multibandas” o desenvolvimento de uma
antena de microfita que opere em todas as frequências dos recursos disponíveis em um
smartphone, como, por exemplo, GSM, que tem frequências de operação de
900/1800/1900/2100 MHz, GPS, que tem frequência de uso civil de 1575 MHz, 3G, que tem
frequência semelhante ao do GSM na banda de 2100 MHz, WLAN’s, que utiliza a frequência
central de 2,4 GHz nesta frequência estão englobados os bluetooth e a internet wi-fi, 4G
brasileiro, que trabalha na frequência central de 2,6 GHz e o 5G, que, a princípio, será utilizada
como base a frequência de 26 GHz. Não são levadas em conta as WLAN’s de 5 GHz devido ao
alto custo dos equipamentos que as roteiam, o que a torna por enquanto não muito acessível ao
uso doméstico.
Na seção “Front-End de Recepção Microeletrônico”, devido ao curto espaço de tempo,
é proposto o projeto de apenas dois estágios de um front-end de recepção para cada frequência
da antena (LNA e Mixer), com exceção da frequência do 5G. Por se tratar de uma tecnologia
muito recente e que utiliza frequência muito alta, não foi possível o acesso a suas ferramentas
para simulação. Não foi possível o acesso aos parâmetros de fabricação da foundry que produz
circuitos integrados que trabalham em frequências altas como a do 5G. Este front-end se trata
da outra fase de recepção composta por dispositivos ativos, que consiste em um conjunto de
blocos microeletrônicos. O front-end é composto por quatro blocos básicos que compõem o
estágio de recepção, são eles: o LNA (Low Noise Amplifier), que é responsável por amplificar
o sinal vindo da antena inserindo (ou amplificando) o mínimo de ruído, o Mixer que é
3

responsável por fazer o translado em frequência do sinal vindo do LNA com a frequência do
oscilador local, oscilador local responsável por gerar o sinal da portadora que será utilizado
para transladar a frequência do sinal RF vindo do LNA, e o PA (Power Amplifier) que amplifica
o sinal, mas desta vez sem se preocupar em inserir ruído. É proposta também uma topologia
para o oscilador local controlado por tensão LC CMOS, porém o mesmo não será simulado
devido ao curto espaço de tempo.

ANTENA MULTIBANDAS

Uma antena é definida genericamente como um dispositivo metálico (na forma de uma
haste ou arame) para irradiar ou receber ondas de rádio. O padrão do IEEE para antenas (IEEE
Standard 145-1983) define antena como um meio para irradiar ou receber ondas de rádio, ou
seja, o meio de transição entre o espaço livre e o guia de onda. Uma antena ideal é aquela que
vai irradiar toda a potência entregue a ela nas direções desejadas, alguns parâmetros podem ser
alterados para que se aproxime o máximo possível da antena ideal [7].
Existem diversos tipos de antenas cada qual com sua aplicabilidade. São elas:
 Antena filamentar, que é o tipo de antena mais conhecido, consiste basicamente
em simples fio ligado a uma fonte (dipolo);
 Antenas de abertura, são bastante comuns atualmente, utilizam altas faixas de
frequência para transmissão de dados;
 Antenas de microfita que são antenas constituídas basicamente por três camadas,
uma de metal, uma de substrato e outra de metal;
 Array de antenas, que são utilizados quando as características de radiação
desejadas não são alcançadas utilizando apenas um elemento
 Antenas refletoras, um tipo comum dessa antena é o refletor parabólico e o
podem ter dimensões muito grandes com diâmetros em torno de trezentos metros
e essa dimensão muito grande é responsável por obter ganhos muito elevados.
O tipo de antena escolhido para ser utilizada no smartphone foi um tipo de antena que
apresenta a menor espessura que é a antena de microfita. Primeiramente, este tipo de antena era
utilizado em aplicações espaciais na década de 70 (embora sua ideia tenha surgido na década
de 50) o que as tornou muito popular neste âmbito na época. Nos dias atuais é usado largamente
4

em aplicações comerciais civis, principalmente em dispositivos móveis (celulares e
smartphones, por exemplo). Este tipo de antena é basicamente formado por três camadas:
 Uma metálica que é o elemento radiante da antena;
 Uma camada de substrato;
 Outra camada metálica que é o plano terra.
O elemento radiante e o plano terra da antena podem assumir diversas formas
diferentes, essas formas farão com que a antena tenha comportamentos diferentes para cada
frequência. As formas circulares e retangulares deste tipo de antena são os mais utilizados
devido à sua facilidade de projeto, desenvolvimento e fabricação, também apresenta
características de radiação atraentes e baixa polarização cruzada. Estas antenas são antenas de
baixo perfil (extremamente finas) o que faz com que elas se adaptem bem a superfícies tanto
planas quanto irregulares e as tornem mecanicamente robusta se montadas em superfícies
rígidas [8].
Para a aplicação desejada no projeto deve-se explorar a capacidade das antenas de
microfitas de se comportarem como uma antena multibandas ou UWB (Ultra Wide Band, Banda
Ultra Larga). Antenas multibanda em um sistema de comunicações móveis são definidas como
antenas que operam em várias bandas de frequência distintas. Já a característica de banda ultra
larga é definida pelo nome técnico 802.15.3 da IEEE, consistequalquer tecnologia de rádio sem
fio que utilize uma largura de banda maior que 500 MHz ou largura maior do que 25 por cento
da frequência central, de acordo com a FCC (Federal Communications Commission –
Comissão Federal das Comunicações) dos Estados Unidos [9].
Como já foi dito anteriormente o tipo de antena escolhido foi a antena de microfita, o
formato utilizado é o retangular modificada [10], tal antena é construída com base em uma
antena retangular onde são inseridas, no formato retangular da antena, diversas modificações
de maneira a se alcançar o resultado desejado através de otimizações na simulação feita
utilizando a antena.
A antena de microfita possui diversas vantagens, em contrapartida também apresenta
algumas desvantagens, sendo as principais vantagens citadas a seguir:
 As antenas são leves;
 Possuem um pequeno volume;
 Tem uma espessura muito pequena;
 Podem ser dimensionadas conforme a superfície que as vai receber;
5

 Uma vez que utilizam a técnica de circuito impresso para a sua fabricação isso
a torna barata assim como o seu custo de fabricação em massa;
 Permitem a polarização tanto linear quanto circular;
 Excelente para comunicação móvel, devido aos motivos citados na primeira
vantagem;
 Permitem operações em multibandas.
E as principais desvantagens em relação aos outros tipos de antenas que trabalham na
faixa de micro-ondas são citadas a seguir:
 Largura de banda estreita;
 Baixo ganho;
 Difícil manipulação uma vez montadas.

Para um primeiro contato com este tipo de antena foram utilizadas as equações base da
teoria das antenas de microfita para se projetar uma antena retangular tal como a Figura 1, que
apresentasse ressonância apenas na frequência de operação da futura geração da telefonia
celular (5G) que é de 26 GHz. Utilizada esta antena também para se fazer uma familiarização
e um primeiro contato com o software de simulação (CST Microwave Studio). As dimensões
da antena podem ser obtidas pelas equações que serão mostradas posteriormente.
Existem diversos substratos que podem ser utilizados no projeto de antenas de microfita.
Em geral sua constante dielétrica varia entre 2.2 e 12. A antena projetada utiliza o substrato
RT/duroid 5880 (Rogers 5880) fabricado pela Rogers Corporation. Para o projeto da antena as
características principais que se deve levar em conta sobre o substrato são a permissividade e a
espessura. Tais parâmetros, para o substrato escolhido Rogers 5880, apresentam os valores de
2.2 e 0.508 mm (correspondentes a εr e h da figura 1, respectivamente), respectivamente.

εr

Figura 1: Esquema básico de uma antena microfita.
Para iniciar o projeto da antena devem ser definidos os valores de εr (Permissividade do
substrato), h (espessura do substrato) e fr (frequência de ressonância) que se deseja.
Para um elemento radiante eficiente tem-se um valor prático para W que pode ser
calculado pela seguinte equação [8]:
𝑊 =
𝑣0
2𝑓𝑟
√
2
𝜀𝑟 + 1
(1)

Onde 𝑣0 é a velocidade da luz no espaço livre, 𝑓𝑟 é a frequência de ressonância desejada
e 𝜀𝑟 é a permissividade do substrato utilizado.
Após o cálculo de W pela equação (1), parte-se para a parte de cálculo dos parâmetros
efetivos da antena começando pela permissividade efetiva e depois pela extensão que o
comprimento da antena tem devido a efetividade da permissividade [8].

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 =
𝜀𝑟 + 1
2
+
𝜀𝑟 − 1
2
[1 + 12
ℎ
𝑊
]
−1/2
(2)

∆𝐿
ℎ
= 0.412
(𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 + 0.3)
(𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 − 0.258)
+
(
𝑊
ℎ
+ 0.264)
(
𝑊
ℎ
+ 0.8)

(3)

Após obtidos os valores pelas equações (2) e (3) pode-se calcular o comprimento do
elemento radiante da antena através da equação (4), abaixo [8].
7

𝐿 =
𝐶0
2𝑓𝑟√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓
− 2∆𝐿 (4)

Os resultados obtidos dos cálculos podem ser vistos na tabela I, abaixo:
Tabela I– Valores calculados para uma antena retangular típica
𝑊
4.56 mm
𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓
1.9925
∆𝐿
ℎ

0.514688
∆𝐿
0.2614 mm
𝐿
3.56 mm
Após a simulação da antena no software CST Microwave Studio com as devidas
dimensões calculadas os seguintes resultados foram obtidos e são mostrados na figura 2,
destacados, na figura 2a o resultado do parâmetro S11 obtido para a antena e na figura 2b a taxa
de onda estacionária (VSWR) para a antena na faixa de ressonância (onde S11 é menor que -10
dB), corresponde à área hachurada nos gráficos da Figura 2.

(a) (b)
Figura 2: Resultado da simulação antena com as características citadas acima. (a) faixa de
ressonância (parâmetro S11) da antena e (b) taxa de onda estacionária (VSWR).
Dos valores calculados utilizando o modelo de linha de transmissão vê-se que as
dimensões para a antena na menor frequência levariam a uma antena muito grande para que se
possa ser utilizada em um smartphone. Então foram consideradas as dimensões de um
smartphone comercial como exemplo, o Motorola® RazrI, que têm suas dimensões mostradas
8

na figura 3ª. De posse destas dimensões criou-se uma antena que tivesse dimensões que
pudessem ser utilizadas neste smartphone e então obteve-se através de simulação, otimização
via tentativa e erro e testes via software, a antena mostrada na figura 3b e 3c, com as seguintes
dimensões expressas em milímetros.

(a)

(b) (c)
Figura 3: Dimensões da antena multibandas. (a) Modelo de smartphone cujas dimensões
foram utilizadas como base [11]. Modelo CAD obtido em GrabCAD.com; (b) dimensões do
elemento radiante da antena; (c) dimensões do plano terra da antena.

A inserção de corte retangular no plano terra foi proposta e analisada, e conclusões em
alguns estudos mostraram que tais cortes são capazes de diminuir os valores do parâmetro S11
(coeficiente de reflexão), parâmetro este que indica também em quais frequências uma
determinada antena possui ressonância e indica qual sua banda de operação [12,13,14]. O
arredondamento das quinas do elemento radiante da antena foi feito como forma de otimizar,
via tentativa e erro, geometria da antena nas simulações objetivando alcançar ressonância nas
frequências desejadas que são as frequências dos recursos disponíveis de um smartphone (GPS,
GSM, 3G, 4G, WLAN e 5G). Não é desejada uma antena com dimensões muito elevadas, por
isso para o desenvolvimento de uma antena que atendesse a esses recursos foram levadas em
conta dimensões do smartphone mostrado na figura 3a, anteriormente.
O tipo de elemento radiante escolhido para a antena é o retangular modificado, que
proporciona uma simplicidade de confecção. As alterações no formato retangular da antena
combinados com cortes no plano terra torna melhor a seletividade de frequências de operação
9

das antenas de microfita. A mesma deve ter ressonância nas frequências mostradas na tabela II,
a seguir:

Tabela II – Frequência e funções que a antena deve atender.
Função Frequência Central
4G Brasileiro 1 2,6 GHz
3G 2,1 GHz
GSM 900 MHz 1800 MHz 1900 MHz 2100 MHz
GPS 1575 MHz
WLAN 2,4 GHz
5G 26 GHz

O desenvolvimento da antena foi feito de maneira empírica levando em conta as
dimensões de um smartphone comum, o que foi crucial para adaptar as dimensões da antena
(pois a mesma não pode ser tão grande, apesar da tendência do aumento das dimensões dos
smartphones no futuro). O valor ideal das dimensões foi obtido em software através de
inúmeras simulações até que fossem obtidas as frequências de ressonância desejadas. A antena
cujo elemento radiante e plano terra podem ser vistos na figura 3b e 3c, respectivamente, foi
modelada esimulada no software CST Microwave Studio. Da simulação da antena obtiveram-
se os seguintes gráficos, mostrados na figura 4, para as frequências ressonantes, gráfico do
parâmetro S11 da antena.
O VSWR (taxa de onda estacionária) é função do coeficiente de reflexão e é dado por:

𝑉𝑆𝑊𝑅 =
1 + |𝑆11|
1 − |𝑆11|
(5)

O parâmetro S11 é definido como a relação entre a quantidade de sinal RF que incide na
antena e a quantidade deste sinal que foi refletida pela antena, com isso podemos concluir que,
quanto menor o valor de S11 melhor será a antena, pois menos sinal será refletido. O VSWR
indica o quanto de um sinal de RF foi refletido para o transmissor de volta, ocorre em valores
altos caso as impedâncias não estejam muito bem casadas. Os resultados para os parâmetros S11

1 No Brasil também está previsto o uso da faixa de frequência de 700 MHz para a telefonia 4G. No momento não
é utilizada pois se trata da faixa em uso pela TV analógica.
10

e VSWR obtidos na simulação podem ser vistos na figura 4, ambos mostrados nas faixas de
frequência de 0.5 GHz a 3.5 GHz e faixa de 24 GHz a 28.5 GHz.

(a)

(b)

(c)

(d)
Figura 4: Resultados da simulação da antena multibandas. (a) S11 para frequências baixas;
(b) S11 para frequências altas; (c) VSWR frequências baixas e (d) VSWR frequências altas.

Analisando os gráficos pode-se observar que a antena possui uma banda de ressonância
entre 940 MHz e 2,74 GHz, que atende o GSM, GPS, 3G, 4G e WLAN de 2,4 GHz e outra
banda de ressonância entre 24,7 GHz e 27,5 GHz, que atende ao 5G. A banda de ressonância é
correspondente à área hachurada nos gráficos da Figura 4. Pode-se observar ainda que em
grande parte das faixas de frequências desejadas o VSWR apresenta valores menores que 2, o
VSWR igual a 2 significa que S11 é aproximadamente igual a -10 dB. Outros parâmetros
importantes que deve-se observar em uma antena é o seu diagrama de radiação nos planos E e
H, o que nos fornece os ganhos da antena para o campo elétrico e para o campo magnético em
cada frequência desejada. Os mesmos serão mostrados a seguir, nas figuras 5 a 10, a seguir.
11

(a) (b) (a) (b)
Figura 5: Diagrama de radiação para 1575 MHz
(GPS). (a) Plano E e (b) Plano H.
Figura 6: Diagrama de radiação para 1800 MHz
(GSM). (a) Plano E e (b) Plano H.

(a) (b) (a) (b)
Figura 7: Diagrama de radiação para 2100 MHz
(3G). (a) Plano E e (b) Plano H.
Figura 8: Diagrama de radiação para 2.6 GHz (4G
Brasileiro). (a) Plano E e (b) Plano H.

(a) (b) (a) (b)
Figura 9: Diagrama de radiação para 2.4 GHz
(WLAN). (a) Plano E e (b) Plano H.
Figura 10: Diagrama de radiação para 26 GHz (5G).
(a) Plano E e (b) Plano H.

Legenda:
Diagrama de Radiação
Diretividade -3dB em Relação ao Lóbulo Principal
Direção do Lóbulo Principal
Nível dos Lóbulos Laterais ou Traseiros

Os resultados obtidos para cada tecnologia (recurso), observando o gráfico do parâmetro
S11 e do VSWR do smartphone são observados na tabela III, mostrada a seguir:

Tabela III – Valores obtidos na simulação do parâmetro S11 e VSWR.
Tecnologia Frequência (GHz) S11 (dB) VSWR
GPS 1,575 -15 1,48
GSM 1,8 -12,5 1,63
3G 2,1 -14,2 1,49
WLAN 2,4 -18,8 1,26
4G 2,6 -13,3 1,56
5G 26 -16,5 1,37

Os resultados obtidos observando-se os diagramas de radiação do plano E e do plano H
da antena podem ser vistos na tabela IV e tabela V, respectivamente.

Tabela IV – Valores obtidos na simulação dos diagramas de radiação do plano E.
Tecnologia
Frequência
(GHz)
Diretividade
Plano E
(dBi)
Direção Lóbulo
Principal (Deg.)
Largura Angular
de 3 dB (Deg.)
GPS 1,575 2,8 168 98,7
GSM 1,8 3,1 165 101,7
3G 2,1 3,6 160 105,8
WLAN 2,4 4,2 23 107,1
4G 2,6 4,7 25 109,1
5G 26 2,4 107 17,5

Tabela V – Valores obtidos na simulação dos diagramas de radiação do plano H.
Tecnologia
Frequência
(GHz)
Lóbulo
Principal (dBi)
Direção Lóbulo
Principal (Deg.)
Largura Angular
de 3 dB (Deg.)
GPS 1,575 1,7 14 81,7
GSM 1,8 1,8 161 77,2
3G 2,1 2,1 156 70,1
WLAN 2,4 2,4 31 63,1
4G 2,6 2,7 146 59,0
5G 26 5,6 160 16,3

Através da análise tanto dos gráficos e diagramas de radiação quanto as tabelas
anteriores, pode-se observar que a antena possui a ressonância (faixa de frequência onde o
parâmetro S11 é menor que -10 dB) nas frequências dos recursos desejados e VSWR menor que
13

2 dois em todas estas frequências. Também apresenta ganhos não muito elevados porém todos
maiores que 1 dBi para todas as frequências.

FRONT-END DE RECEPÇÃO MICROELETRÔNICO

O front-end é o bloco microeletrônico presente após a antena, construído com
transistores, indutores e capacitores, responsável pela recepção e tratamento do sinal recebido.
Em linhas gerais, o front-end é formado por um LNA (Low Noise Amplifier), Mixer, Oscilador
Local e PA (Power Amplifier) [15].
A ideia do projeto é estabelecer um front-end demultiplexado no tempo, de maneira a
utilizar a antena também projetada neste trabalho. Para cada frequência de operação dos blocos
mostrados na Figura 11 será desenvolvido um front-end (bloco de recepção microeletrônico).
O bloco para a telefonia 5G não será desenvolvido devido à ausência dos pacotes de
desenvolvimento, fornecidos pela foundry que fabrica circuitos para frequência alta. Os
diagramas dos blocos e de cada bloco microeletrônico são mostrados nas figuras 11 e 12,
respectivamente. Cada bloco deve ser desenvolvido na forma de circuitos integrados com o
objetivo de se diminuir a dimensão dos circuitos de recepção. O projeto do demux não será
abordado nesta monografia.

Sinal de
Entrada
Antena
DEMUX
Bloco do 5G
Bloco do 4G
Bloco do 3G
Bloco do GSM
Bloco do GPS
Bloco do WLAN

Figura 11: Diagrama em blocos do sistema de recepção.

LNA Misturador
Oscilador
Local
Amplificador
Filtro
Sinal de Saída
para o Demodulador
Sinal em Alta Frequência

Figura 12: Representação de cada bloco do Front-End [16].

Amplificador de Baixo Ruído

O LNA é o primeiro estágio do receptor e é o responsável por amplificar o sinal recebido
pela antena sem adicionar ruído (ou adicionando o mínimo de ruído possível), ou seja,
degradando o mínimo possível a SNR da entrada em relação à observada na saída. A razão entre
a SNR de saída e a SNR de entrada é denominada figura de ruído, valores entre 2 e 3 dB são
aceitáveis [17]. O LNA também é utilizado para casar a impedância da antena com os demais
estágios do front-end de recepção. Para se projetar um LNA primeiramente deve-se escolher a
topologia que será utilizada no caso deste projeto foi utilizada a topologia que utiliza cascode,
fonte degenerada por indutor e um espelho de corrente. Abaixo a Figura 3, mostra como é o
circuito do LNA que utiliza este tipo de topologia.
Vout
Vin
Rref
Vdd
Rbias
Ld
Ls
Lg
CB
CLM2
M1
M3
RS

Figura 13: LNA Cascode.

Foi utilizada uma fonte do transistor M1 degenerada com indutor mostrada na figura
14a. O indutor LS presente nela é utilizado para se casar a parte real da impedância de entrada
do LNA, e também é utilizado para controlar a frequência de ressonância do circuito, uma vez
que a reatância indutiva varia em função do valor do indutor e da frequência. É mais vantajosa
do que se utilizar uma fonte degenerada com resistor, porque o resistor contribui com ruído
térmico no circuito e já uma reatância pura não. O uso de tal tipo de degeneraçãotorna o LNA
inerentemente banda estreita, com isso utiliza-se o cascode, mostrado na figura 14b, que se trata
de um transistor em cascata para que a banda seja aumentada por conta do efeito Miller. O
espelho de corrente mostrado na figura 14c foi utilizado com a finalidade de polarizar o
transistor M1 e M3, o resistor Rbias é escolhido grande o suficiente tal que a sua corrente de ruído
seja suficientemente pequena para ser ignorada. Na entrada do circuito tem-se o capacitor CB
que deve ser utilizada para que não haja problema na polarização porta-fonte do transistor M1.
O valor dessa capacitância é escolhido de maneira a se obter, na frequência de operação do
circuito, uma reatância que seja ignorada [19].
Ls
M1
LG

Ld
M2

Rref
Rbias
M3

(a) (b) (c)
Figura 14: Partes do LNA. (a) Degeneração indutiva; (b) Cascode e (c) Espelho de Corrente.

Também deve ser escolhida a foundry (empresa que fabrica o circuito integrado) e o
tipo de tecnologia fornecida pela mesma no caso deste projeto a foundry escolhida foi a AMS
(austriamicrosystems) e a tecnologia foi a 0,35µm (a tecnologia consiste no comprimento do
canal que a foundry utiliza para fabricar os transistores MOS). Os parâmetros de fabricação
fornecidos pela AMS se encontram na tabela VI, abaixo.

Tabela VI – Parâmetros de fabricação da foundry [18].
Parâmetro Símbolo Unidade Típica
Fator de Ganho Kpn 170 µA/V
2
Tensão de Limiar Vton 0,5 V
Fator de Efeito de Corpo Γn 0,58 V1/2
Mobilidade Efetiva μoN 370 cm2/V.s
Capacitância do óxido Cox 4,54 fF/μm2
Capacitância do óxido (sobreposta) Cgson 0,120 fF/μm

De posse desses parâmetros podem ser calculados alguns parâmetros do circuito como, por
exemplo, a largura do canal do transistor com equação dada por [19, 20]:
𝑊 =
1
3𝜔𝐿𝐶𝑜𝑥𝑅𝑠
(6)

onde L é a tecnologia (comprimento do canal do transistor), Rs é a resistência na entrada do
circuito (50 Ω) e ω é a frequência angular.
De posse dos parâmetros da tabela da foundry, da frequência desejada e do valor do
resistor de entrada podemos calcular o valor de W para cada frequência de operação dos front-
ends, os valores calculados utilizando a equação (6) são mostrados a seguir e serão utilizados
também nos outros estágios do front-end. A técnica de fingers é utilizada para se dividir um
transistor com o valor de W muito grande em vários outros pequenos que serão conectados em
paralelo, com isso se pode também melhorar a área necessária para a integração dos transístores.
O número de fingers é limitado a 20 devido ao processo de fabricação da foundry, e cada finger
tem no máximo 10 µm, com isso o valor máximo de W que se pode obter é de 200 µm. Quanto
menor a frequência maior será o valor de W, por isso em alguns casos são utilizados transistores
em paralelo com o objetivo de se ter um valor de W maior que 200 µm.
Tabela VII – Valores calculados para largura do canal.
Função Frequência Central Largura do Canal
GPS 1575 MHz 423,85 µm
GSM 1,8 GHz 370,96 µm
3G 2,1 GHz 317,97 µm
WLAN 2,4 GHz 278,22 µm
4G Brasileiro 2,6 GHz 256,84 µm

Depois de serem calculados os valores de W e de posse dos dados fornecidos pela foundry
calcula-se também a capacitância entre a porta e a fonte do transistor para cada frequência de
operação durante a saturação, através da equação (7) [19, 20], abaixo:
𝐶𝑔𝑠 =
2
3
𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿 + 𝐶𝑔𝑠𝑜𝑊 (7)

Tabela VIII – Valores das Capacitâncias entre porta e fonte.
Função Frequência Central Capacitância
GPS 1575 MHz 448,99 fF
GSM 1,8 GHz 392,98 fF
3G 2,1 GHz 336,84 fF
WLAN 2,4GHz 294,73 fF
4G Brasileiro 2,6 GHz 272,06 fF

Podem ser calculadas também as transcondutâncias e as correntes de dreno na saturação,
de posse do valor de W, a transcondutâncias são dadas pela equação (8) [19, 20], abaixo, e os
resultados mostrados após na tabela IX:
𝑔𝑚1 = 𝐾𝑝𝑛
𝑊
𝐿
(𝑉𝑔𝑠 − 𝑉𝑡ℎ) (8)

onde o Vth é a tensão de limiar dada pela foundry e Vgs é igual a 1,5 Volts.
Tabela IX – Valores das transcondutâncias.
Função Frequência Central Transcondutância
GPS 1575 MHz 0,2059 A/V
GSM 1,8 GHz 0,1802 A/V
3G 2,1 GHz 0,1544 A/V
WLAN 2,4 GHz 0,1351 A/V
4G Brasileiro 2,6 GHz 0,1247 A/V

As correntes de dreno são dadas pela equação (9) [19, 20], a seguir, e são mostradas e
uma tabela X, após a equação:
𝐼𝐷 =
𝐾𝑝𝑛
2
𝑊
𝐿
(𝑉𝑔𝑠 − 𝑉𝑡ℎ)
2
(9)

Tabela X – Valores das correntes de dreno.
Função Frequência Central Corrente de dreno
GPS 1575 MHz 102,9 mA
GSM 1,8 GHz 90,1 mA
3G 2,1 GHz 77,2 mA
WLAN 2,4 GHz 67,6 mA
4G Brasileiro 2,6 GHz 62,4 mA

E por último outro parâmetro muito importante que deve ser calculado antes de se partir
para a simulação é a soma dos indutores da degeneração da fonte e o indutor da porta do
transistor, a soma dos indutores é o valor da indutância que fará com que estes entrem em
ressonância com a capacitância da porta e fonte. Essa soma é a dada pela equação (10) [19, 20],
a seguir:
(𝐿𝑔 + 𝐿𝑠) =
1
𝜔02𝐶𝑔𝑠
(10)

Os resultados obtidos podem ser observados na tabela XI, abaixo:
Tabela XI – Valores das somas dos indutores de porta e fonte.
Função Frequência Central Soma dos Indutores
GPS 1575 MHz 22,730 nH
GSM 1,8 GHz 19,894 nH
3G 2,1 GHz 17,052 nH
WLAN 2,4 GHz 14,921 nH
4G Brasileiro 2,6 GHz 13,773 nH

Os indutores Lg e Ls devem ser escolhidos conforme uma tabela fornecida pela foundry
com o valor de seus indutores integrados de maneira que a soma dos dois obedeça a tabela
acima, devemos levar em consideração que Lg (indutor do gate) seja maior que Ls (indutor da
fonte). Os resultados para cada tecnologia serão mostrados a seguir, vale ressaltar que a largura
do canal do transistor M3 tem o valor em torno de 10% da largura dos outros dois transistores.
As setas vermelhas mostradas nos gráficos a seguir são utilizadas para se destacar os valores
das curvas na frequência de escopo.
Para o GPS (1575 MHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 15, com os
valores dos componentes otimizados utilizando o Agilent ADS. Rref = 60 Ω, Ld = 8,11 nH (a 2,4
19

GHz), Rbias = 5k Ω, CB = 6,5 pF, CL = 0,2 pF, Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,32 nH (a 2,0
GHz), as larguras dos canais dos transistores utilizados foram: W1 = 423,85 µm,
W2 = 423,85 µm e W3 = 42,385 µm.

(a)

(b)

(c)

Figura 15: Resultados obtidos para o LNA do GPS. (a) S21; (b) S11 e (c) Figura de Ruído.

Para o GSM (1800 MHz) foram obtidos os seguintes resultados observados na figura
16, com os valores dos componentes otimizados Rref = 60 Ω, Ld = 3,82 nH (a 2,4 GHz),
Rbias = 5k Ω, CB = 4 pF, CL = 1 pF, Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,04 nH (a 2.4 GHz), as
larguras dos canais dos transistores utilizados foram: W1 = 370,96 µm, W2 = 370,96 µm e
W3 = 42,385µm.
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.11.0 2.2
3
4
5
6
7
8
9
2
10
Frequência (GHz)
S
21
(d
B
)
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.11.0 2.2
-27
-22
-17
-12
-7
-32
-2
Frequencia (GHz)
S1
1
(d
B)
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.11.0 2.2
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
1.50
3.00
Frequência (GHz)
Fi
gu
ra
d
e
R
uí
do
20

(a)

(b)

(c)

Figura 16: Resultados obtidos para o LNA do GSM. (a) S21; (b) S11 e (c) Figura de Ruído.

Para o 3G (2100 MHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 17, com os
valores dos componentes otimizados Rref = 60 Ω, Ld= 3,82 nH (a 2.4 GHz), Rbias = 5k Ω,
CB = 1,5 pF, CL = 1 pF, Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,04nH (a 2,4 GHz), as larguras dos
canais dos transistores utilizados foram: W1 = 317,97 µm, W2 = 317,97 µm e W3 = 31,79µm.

(a)

(b)
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.31.2 2.4
6
7
8
9
5
10
Frequência (GHz)
S2
1
(d
B)
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.31.2 2.4
-30
-25
-20
-15
-10
-5
-35
0
Frequência (GHz)
S1
1
(d
B)
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.31.2 2.4
2.0
2.5
3.0
1.5
3.5
Frequência (GHz)
Fi
gu
ra
d
e
R
uí
do
Figura de Ruído
1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.41.7 2.5
1
2
3
4
0
5
Frequencia (GHz)
S2
1
(d
B)
1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.41.7 2.5
-14
-12
-10
-8
-6
-16
-4
Frequência (GHz)
S1
1
(d
B)
21

(c)

Figura 17: Resultados obtidos para o LNA do 3G. (a) S21; (b) S11 e (c) Figura de Ruído.

Para a WLAN (2,4 GHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 18, com os
valores dos componentes otimizados Rref = 90 Ω, Ld = 8,11 nH (a 2,4 GHz), Rbias = 5k Ω,
CB = 1,77 pF, CL = 0,1 pF, Lg = 12,08 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras
dos canais dos transistores utilizados foram: W1 = 278,22 µm, W2 = 278,22 µm e
W3 = 27,82µm.

(a)

(b)

(c)

Figura 18: Resultados obtidos para o LNA do WLAN de 2,4 GHz. (a) S21; (b) S11 e (c)
Figura de Ruído.
1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.41.7 2.5
2.3
2.5
2.7
2.1
2.9
Frequência (GHz)
Fi
gu
ra
d
e
R
uí
do
1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.91.8 3.0
1
2
3
4
5
0
6
Frequência (GHz)
S2
1
(d
B)
1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.91.8 3.0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
-35
0
Frequência (GHz)
S1
1
(d
B)
1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.91.8 3.0
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
2.00
3.50
Frequência (GHz)
Fi
gu
ra
d
e
Ru
íd
o
Figura de Ruído
22

Para o 4G Brasileiro (2,6 GHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 19, com
os valores dos componentes otimizados Rref = 60 Ω, Ld = 2,10 nH (a 2,4 GHz), Rbias = 5k Ω,
CB = 1,52 pF, CL = 2 pF, Lg = 12,08 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras dos
canais dos transistores utilizados foram: W1 = 256 µm, W2 = 256 µm e W3 = 25,6µm.

(a)

(b)

(c)

Figura 19: Resultados obtidos para o LNA do 4G Brasileiro. (a) S21; (b) S11 e (c) Figura de
Ruído.
Na tabela XII podem ser vistos os resultados apresentados nos gráficos na forma de
dados numéricos:
Tabela XII – Resultados do LNA.
Função Frequência Central S11 (dB) Ganho (dB) Figura de Ruído (dB)
GPS 1575 MHz -29,4 7,90 2,01
GSM 1,8 GHz -33,2 9,64 2,35
3G 2,1 GHz -15,8 3,75 2,48
WLAN 2,4 GHz -32,1 4,92 2,68
4G Brasileiro 2,6 GHz -19,4 7,10 2,86

2.2 2.4 2.6 2.8 3.02.0 3.2
3
4
5
6
7
2
8
Frequencia (GHz)
S2
1
(d
B)
2.2 2.4 2.6 2.8 3.02.0 3.2
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-20
-4
Frequencia (GHz)
S1
1
(d
B)
2.2 2.4 2.6 2.8 3.02.0 3.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
2.2
3.6
Frequência (GHz)
Fi
gu
ra
d
e
R
uí
do
Figura de Ruído
23

Misturador de RF

Mixer ou Misturador é o segundo estágio do front-end de recepção e realiza o translado
do sinal RF em frequência para uma frequência mais baixa, com isso manipula-se com mais
facilidade o sinal nos demais estágios. Este dispositivo tem três portas. A primeira porta é ligada
ao LNA e receberá o sinal a ser transladado, a segunda porta receberá o sinal vindo do oscilador
local e a terceira porta é a saída do mixer e o sinal da saída corresponde ao sinal RF transladado
em frequência. Lembrando que o mixer é composto por elementos não-lineares. Em linhas
gerais, no front-end, o mixer mistura o sinal do LNA com sinal gerado pelo oscilador local.
Pode-se entender o mixer como um dispositivo que realiza a propriedade trigonométrica
da multiplicação de dois sinais senoidais, essa multiplicação irá gerar duas componentes, uma
soma e uma subtração, mas para o sinal ficar mais selecionável em frequência, a componente
de interesse será sempre a de subtração.
Os elementos não-lineares que formam o mixer, citados anteriormente, são basicamente
constituídos por transistores MOS, eles apresentam uma baixa característica de ruído e fácil
integração do circuito. Pode-se também citar algumas vantagens dos transistores MOS em
relação aos TBJ, motivos também, que os mesmos foram escolhidos:
 Devido a característica quase quadrática de transferência Id x Vgs do transistor MOS, na
região de saturação, essa característica faz com que o MOS apresente menor distorção
harmônica;
 Melhor desempenho com relação ao ruído gerado internamente;
 Devido à alta impedância entre porta e fonte. Os projetos do amplificador de RF e do
Oscilador Local podem ser feitos separadamente.
Com relação à topologia de mixer existem diversas, porém uma boa a ser considerada é
a duplamente balanceada pois apresenta uma grande isolação entre as portas, rejeição do ruído
em modo comum maior linearidade e menor intermodulação. O projeto do mixer envolve o
casamento de impedância das três portas, o que é complicado pelo fato de várias frequências e
suas harmônicas estarem envolvidas, mas harmônicas indesejáveis podem ser dissipadas
através de terminações resistivas ou blocos com terminações reativas [21].
Uma das topologias mais utilizadas para esse caso é a célula de Gilbert e foi escolhida
para se usar no projeto do mixer. A célula de Gilbert possui as seguintes características:
24

 As cargas resistivas aumentam as perdas dos mixers enquanto que os blocos
reativos são bastante sensíveis em termos de frequência;
 Estrutura inerentemente balanceada;
 Dispensa elementos reativos;
 Bom desempenho em relação ao ruído e de ganho de conversão.
A célula de Gilbert possui todas as portas isoladas entre si, entradas balanceadas e é
menos susceptível a ruídos provenientes da fonte de alimentação. Apesar da célula Gilbert
requerer alto nível de sinal de RF vindo do LNA, esta topologia de mixer atenderá ao projeto.
A figura 20 mostra um circuito de uma célula de Gilbert [19, 21], onde os transistores
Mn3, Mn4, Mn5e Mn6 formam o bloco de multiplicação do mixer. A tensão é convertida em
corrente na fonte do transistor Mn1 e Mn2. Onde os valores do W dos transistores Mn1 e Mn2
são iguais ai valor de W dos transistores do LNA, em alguns casos. Na figura 20: V_LO
corresponde a portadora vinda do oscilador local; V_RF corresponde ao sinal vindo do LNA;
Vb_LO e Vb_RF correspondem às tensões de polarização dos ramos onde elas estão aplicadas.
R R
Vbias
Vb_RF
Vb_RF
CS
Vb_LO
Vb_LO
V_IF
V_LO
V_RF
Lg
Ls Ls Rb
Rb
Rb
Rb
Mn7
Mn2Mn1
Mn3 Mn4 Mn5 Mn6
Vdd

Figura 20: Célula de Gilbert.

Deve-se observar quatro características importantes como resposta de um misturador,
são elas: o ganho de conversão, figura de ruído, linearidade e isolação. O ganho de conversão
25

é a relação entre o sinal IF de saída dado o sinal RF na entrada, é importante que o ganho de
conversão seja pelo menos maior ou igual a uma unidade, uma vez que não é a função do
misturador amplificar o sinal e tem-se um estágio posterior responsável por amplificar esse
sinal da saída do misturador.
A figura de ruído é definida como a relação da SNR (Relação Sinal Ruído) na entrada
(onde vai o sinal RF) divididopela da saída (onde sai o sinal IF). Em um mixer tem-se dois
sinais de entrada (Sinal RF e Sinal Imagem) e os mesmos irão gerar uma frequência
intermediária. No caso em que se tem como sinal apenas a frequência do sinal RF tem-se a
figura de ruído SSB (Single Side Band), quando tem-se além do sinal de RF o sinal de imagem
contendo informação útil tem-se uma figura de ruído DSB (Double Side Band), a figura de ruído
SSB é maior em 3 dB, geralmente, que a DSB, pois a SSB tem a potência do ruído concentrada
apenas em uma banda lateral. As figuras de ruído em misturadores são, geralmente, maiores
que nos amplificadores de baixo ruído, para o SSB tem-se em torno de 10 a 15 dB de figura de
ruído.
A compressão é uma medida da linearidade de um dispositivo. À medida que o nível do
sinal de entrada de RF aumenta, a saída IF deve seguir para um dispositivo misturador. No
entanto, quando a saída IF não segue a linearidade da entrada RF e desvia por 1 dB, o que é
referido como o ponto de compressão de 1dB, que em linhas gerais é quando a curva de potência
de entrada versus de saída perde a característica de linearidade devido a própria não-linearidade
do circuito, com isso começa a haver distorções no sinal que irão atrapalhar em sistemas
modulados em fase, pois irá ocorrer um maior número de erros de detecção.
O ponto de interceptação de terceira ordem é o ponto teórico sobre a curva de entrada
de RF vs saída IF, onde o sinal de entrada desejado e produtos de terceira ordem tornam-se
iguais em amplitude a medida que o sinal de RF é aumentado, ou seja, mostra a medida da
interferência causada devido à não-linearidade do circuito que irá gerar harmônicas, essas
harmônicas geram interferência no sinal desejado uma vez que são adjacentes [17].
Para o GPS (1575 MHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 21, com os
valores dos componentes otimizados durante a simulação. Rb = 10k Ω, R = 200 Ω, Cs = 2 pF,
Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 2,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras dos canais dos transístores
utilizados foram: W1 = W2 = 800 µm, W3 = W4 = W5 = W6 = 85 µm, e W7 = 30µm.

(a)
(b)

(c)
Figura 21: Resultados obtidos para o mixer do GPS. (a) S11; (b) ponto de compressão e (c)
interceptação de terceira ordem.

Para o GSM (1800 MHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 22, com os
valores dos componentes otimizados durante a simulação. Rb = 10k Ω, R = 200 Ω, Cs = 2 pF,
Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras dos canais dos transistores
utilizados foram: W1 = W2 = 370.96 µm, W3 = W4 = W5 = W6 = 31.5 µm, e W7 = 30µm.

(a)
(b)
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.91.2 2.0
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequência (GHz)
S1
1
(d
B)
1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.11.4 2.2
-30
-25
-20
-15
-10
-5
-35
0
Frequência (GHz)
S1
1
(d
B)
27

(c)
Figura 22: Resultados obtidos para o mixer do GSM. (a) S11; (b) ponto de compressão e (c)
interceptação de terceira ordem.

Para o 3G (2100 MHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 23, com os
valores dos componentes otimizados durante a simulação. Rb = 10k Ω, R = 200 Ω, Cs = 2 pF,
Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 1,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras dos canais dos transistores
utilizados foram: W1 = W2 = 317 µm, W3 = W4 = W5 = W6 = 100 µm, e W7 = 30µm.

(a) (b)

(c)
Figura 23: Resultados obtidos para o mixer do 3G. (a) S11; (b) ponto de compressão e (c)
interceptação de terceira ordem.

1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.41.7 2.5
-25
-20
-15
-10
-30
-5
Frequencia (GHz)
S1
1
(d
B)
28

Para o WLAN (2.4 GHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 24, com os
valores dos componentes otimizados durante a simulação. Rb = 10k Ω, R = 150Ω, Cs = 2 pF,
Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 2,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras dos canais dos transistores
utilizados foram: W1 = W2 = 278.22 µm, W3 = W4 = W5 = W6 = 200 µm, e W7 = 30µm.

(a) (b)

(c)
Figura 24: Resultados obtidos para o mixer da WLAN de 2.4 GHz. (a) S11; (b) ponto de
compressão e (c) interceptação de terceira ordem.

Para o 4G Brasileiro (2.6 GHz) foram obtidos os seguintes resultados da figura 25, com
os valores dos componentes otimizados durante a simulação. Rb = 10k Ω, R = 200Ω, Cs = 2 pF,
Lg = 19,06 nH (a 2,4 GHz), Ls = 2,04 nH (a 2,4 GHz), as larguras dos canais dos transistores
utilizados foram: W1 = W2 = 200 µm, W3 = W4 = W5 = W6 = 150 µm, e W7 = 30µm.
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-20
-15
-10
-25
-5
Frequência (GHz)
S 1
1
(d
B )
29

(a) (b)

(c)
Figura 25: Resultados obtidos para o mixer do 4G Brasileiro. (a) S11; (b) ponto de
compressão e (c) interceptação de terceira ordem.

Na tabela XIII podem ser vistos os resultados apresentados nos gráficos:
Tabela XIII – Resultados do Misturador de RF.
Função
Frequência
Central
S11
(dB)
Ponto de
Compressão
-1 dB (dBm)
Interseção de
Terceira
Ordem (dBm)
Ganho de
Conversão
Figura de
Ruído (dB)
OIP3 IIP3 SSB DSB
GPS 1575MHz -44,0 -12,5 0 -2 6,51 9,79 6,77
GSM 1,8 GHz -31,6 -13,5 0 -5 1,81 10,56 7,54
3G 2,1 GHz -25,2 -13,5 0 -5 9,11 8,26 5,25
WLAN 2,4 GHz -22,8 -10,0 -2 0 8,32 10,26 7,24
4G Brasileiro 2,6 GHz -21,6 -9,0 1 -2 8,13 9,55 6,53

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.92.2 3.0
-20
-15
-10
-25
-5
Frequência (GHz)
S1
1
(d
B )
30

Oscilador Regulado por Tensão

O oscilador local é um dispositivo que converte potência DC em potência de RF, possui
excelente estabilidade de frequência e o circuito é formado por dispositivos ativos em conjunto
com dispositivos passivos. A função do oscilador local no front-end de recepção é gerar um
sinal, a uma certa frequência, que será utilizado para transladar o sinal da saída do LNA, através
do mixer. Esse translado em frequência correspondente à diferença entre o sinal do LNA e o
gerado pelo oscilador. O projeto do oscilador local deve levar em consideração a minimização
do ruído e o baixo custo. O oscilador sintonizável é o mais adequado para aplicações de RF.
O oscilador sintonizável faz parte do grupo de osciladores controlados por tensão (onde
a frequência de oscilação pode ser alterada dentro de uma determinada faixa pré-estabelecida
em projeto), possui frequência de oscilação estável, pureza espectral e baixa dissipação de
potência. Seu circuito ressonante é formato por um circuito tanque LC ou um cristal. Devido a
suas vantagens citadas anteriormente, o circuito oscilador utilizado no front-end é o LC
regulado por tensão, mesmo reconhecendo que há uma baixa qualidade de integração e uma
grande área necessária para a integração dos indutores. A figura 26 mostra um exemplo do
circuito do oscilador local controlado por tensão de resistência negativa, essa resistência
negativa é responsável por compensar as resistências parasitas do circuito tanque.
O modelo de oscilador proposto consiste em um tanque LC que é composto pelos
indutores e pelos varactores mostrados na figura 26. A partir de uma certa tensão de controle
(Vct) os varactores terão sua capacitância variada e, consequentemente, controlam a frequência
de ressonância. [21]
31

Mn2b Mn2b
Mn Mn
Mn1bMn1b C Cjvar jvar
Vb_B1
VddVdd
Vbias
Vdd
Vct
L LVb_RF
Vb_RF
I
II
III
IV
I
II
III
IV
Fonte de Corrente
Buffer
Varactores
Par de Transistores

Figura 26: Circuito de um oscilador local.

Na figura 26 um exemplo de oscilador local está dividido em 4 blocos. O bloco (I)
corresponde à fonte de correnteque será responsável por polarizar o oscilador, o bloco (II)
corresponde ao buffer que tem o intuito de garantir uma baixa impedância de saída, o bloco (III)
corresponde aos varactores que controlam a frequência de ressonância através da tensão
aplicada, uma vez que variam a capacitância com a tensão aplicada e o bloco (IV) que é o par
de transistores que serão responsáveis por gerar a resistência negativa. Na figura 26 temos Vdd
que é a tensão de alimentação do circuito (3,3 V); Vct que é a tensão de controle; Vb_B2 tensão
de polarização dos transistores Mn1b e corresponde à Vb_RF; Vb_B1 tensão de polarização dos
transistores Mn2b.

CONCLUSÕES

Neste trabalho foram mostrados o projeto e resultados de uma antena que atende ao
mesmo tempo a futura geração de telefonia móvel (5G), assim como os demais recursos
desejados em um smartphone como GSM, GPS, 3G, 4G Brasileiro e WLANs. Pela simulação
feita utilizando o Software CST Microwave Studio pode-se observar que a antena opera nas
faixas de frequências utilizadas pelos recursos citados acima e apresentam bons ganhos para
cada frequência de operação. Foi mostrado também o projeto, desde os cálculos manuais até a
simulação computacional, de dois estágios do front-end de recepção para todos os recursos
acima citados, com exceção do 5G e WLAN de 5 GHz, com relação ao 5G não foi possível
obter os pacotes necessários junto à foundry que tem a tecnologia necessária utilizada na
fabricação circuitos integrados que trabalham nas frequências altas como a do 5G e o WLAN
de 5 GHz não é levado em conta devido ao alto custo dos equipamentos que as roteiam, o que
a torna por enquanto não muito acessível ao uso doméstico. Os estágios do front-end projetados
são o Amplificador de Baixo Ruído e Misturador de RF através dos resultados obtidos pelas
simulações podemos ver que eles apresentam resultados satisfatórios, apresentando figura de
ruído dentro da faixa considerada aceitável para cada estágio e também apresentam um bom
ganho e, o principal, trabalham nas frequências desejadas.

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

 Fabricar a antena e realizar as medições da mesma (em andamento);
 Simulações do oscilador local e do power amplifier;
 Simulação de todos os estágios juntos;
 Confecção dos Layouts dos circuitos aqui montados (LNA e Mixer);
 Obtenção do design kits específicos para trabalhar com a frequência do 5G, podendo
simular os esquemáticos e confeccionar os layouts;
 E futuramente fabricação dos circuitos integrados juntamente às foundrys e medição dos
circuitos fabricados.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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futuro”. Rio de Janeiro, 2005.
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Vision 2020”. International Journal of Computer Applications 54(17):6-10, September 2012.
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Janeiro de 2014. <http://www.extremetech.com/computing/175206-south-korea-to-spend-1-5-
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35

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Multiplexação Espacial de Antenas em Tempo Real, Tese de doutorado em Engenharia Elétrica
pela Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas, Brasil, 2008.