Configuraciones para radiómetro de potencia total en banda W

Different topologies of total power radiometer in W band are presented and compared in terms of effective bandwidth and sensitivity. Both, commercially available and own designed MMICS are considered. A simulation procedure is proposed to emulate in harmonic balance the application of wide bandwidth noise. Technological issues of the implementation are addressed. I. INTRODUCCION La informacion obtenida por sensores electromagneticos, tanto activos como pasivos, en las bandas milimetricas, submilimetricas y de terahercios, puede proporcionar parametros de monitorizacion tanto a gran como media escala, incluso en ambitos locales y corporales para diferentes escenarios, por lo que la espectroscopia a frecuencias sub-milimetricas y terahercios puede conseguir muy alta resolucion y por lo tanto, imagenes muy nitidas y datos muy fiables, siendo ademas una energia no ionizante. Esto ha hecho que este tipo de tecnologia, aun no madura, haya suscitado un gran interes a nivel cientifico e industrial [1], en aplicaciones tales como sistemas anticolision (vehiculos comerciales, UAVs, etc), control de calidad en procesos industriales, el estudio de la atmosfera terrestre (destruccion de la capa de ozono, calentamiento, etc), radioastronomia o en el campo de la medicina (deteccion precoz en Oncologia, Dermatologia, Odontologia, etc). Mencion aparte merece, por la gran actualidad y tratamiento en los medios de comunicacion, su aplicacion en seguridad como puede ser la deteccion remota de armas, explosivos, personas, contrabando y drogas, etc. Existen dos tipos de conceptos para desarrollar este tipo de sistemas que podriamos denominar pasivos y activos. Los sistemas pasivos se basan en recibir la radiacion emitida por los cuerpos objeto de estudio (radiacion de cuerpo negro) ademas de medir tambien la radiacion reflejada procedente de otras fuentes, a este tipo pertenece el radiometro tipo Dicke que intenta reducir, por conmutacion, el efecto de la fluctuacion 1/f de la cadena de ganancia, o el de potencia total que no requiere conmutacion (reduccion de figura de ruido) y cuya implementacion es mas simple. Los sistemas activos iluminan el objeto para analizar la senal reflejada procedente del mismo [2]. El objetivo de este trabajo es comprobar en la practica la viabilidad del concepto de radiometro de potencia total [3] en la banda W. Para ello se estan poniendo en marcha dos implementaciones alternativas: una empleando circuitos MMIC comerciales de HRL [4-5] y otra empleando disenos propios, tanto en MMIC como hibridos. En cuanto a la primera, se dispone de un LNA de 5 etapas (LNA5) con una ganancia nominal de 29 dB y figura de ruido de 3 dB entre 70 GHz y 100 GHz, y de un detector con una sensibilidad de 15.000 mV/mW a 95 GHz (V1A). Con respecto a la segunda alternativa, se dispone de un diseno de LNA pendiente de fabricar [6], que en una sola etapa cascodo proporciona 12 dB de ganancia y 2.5 dB de ruido a 97 GHz, con un ancho de banda entre 94 y 100 GHz. En este caso, se podrian emplear 3 MMIC en cascada para tener un nivel suficiente a la entrada del detector, dependiendo del balance de potencia. Para la realizacion del detector en hibrido, se dispone de dos tipos de diodos de Virginia Diodes [7], uno denominado “zero bias” y otro “single anode” en cuyo modelado se esta trabajando [8]. En cuanto al ancho de banda, se ha tomado como referencia el valor propuesto en [2] de 4 GHz, centrados a 94 GHz para un radiometro de tipo Dicke, operando en potencia total, incrementandolo en nuestro caso a 6 GHz para cubrir de 94 GHz a 100 GHz, centrados en 97 GHz. En cualquiera de las configuraciones, el ancho de banda se podria conformar con un filtro para el que se barajan varias posibilidades. La primera, empleando una estructura de lineas acopladas sobre un substrato en microstrip, con el minimo espesor posible para evitar modos de substrato. Cabe, por otro lado, la posibilidad de no incorporar el filtro y dejar la selectividad en frecuencia al perfil de los amplificadores para tener un mayor ancho de banda y menos tiempo de medida. El ensamblaje del conjunto requerira el mecanizado de un canal que garantice una frecuencia de corte de los modos guiados por encima de la banda de frecuencias de trabajo. Tambien seran precisas transiciones de guia de onda WR10 a microstrip. Se presentaran detalles del desarrollo de ambas implementaciones y los resultados previstos mediante simulacion. II. MMICS EN BANDA W Son muy escasas las tecnologias MMICs que pueden operar en banda W accesibles comercialmente, tanto a nivel de disenador, como de producto terminado. En el primer caso, se han hecho dos disenos propios con la Fundicion OMMIC, uno de un LNA [6] y otro de un amplificador de media potencia [9], de los que aun no se dispone por la demora en el acuerdo con la Fundicion. Se trata de tecnologias basada en AsGa, la primera con transistores metamorficos con un alto contenido de In, denominada D007IH y mas adecuada para bajo ruido, y la segunda con menor contenido de In, capaz de manejar potencia mayores, denominada D01MH. Con respecto a la compra de MMICs comerciales en esta banda, se han adquirido varias unidades de amplificadores de bajo ruido y detectores de HRL, que aparece como el proveedor mas accesible. Para emplear el LNA de diseno propio, dado que se habia disenado una etapa sencilla cascodo, se estima que como minimo se requeririan tres etapas en cascada para excitar el detector. En la figura 1, se muestra la ganancia y el aislamiento previstos de la cadena de RF formada por tres LNAs. 80 85 90 95 100 105 75 110 -80 -60 -40 -20 0 20 40