Progettazione di un LNA in tecnologia BiCMOS per applicazioni di imaging ad onde millimetriche

I controlli di sicurezza sono sempre più comuni nei vari settori della vita quotidiana. Ogni tipo di controllo di sicurezza necessita di un certo tempo speso sia da parte del personale di servizio, sia da parte della gente sottoposta al controllo; è quindi inevitabile che molti controlli potrebbero creare disagi per i passeggeri e visitatori. Da un lato gli approcci di oggi tendono a prendere più tempo rispetto al passato, dall’altro lato si ha un numero progressivamente crescente di persone sottoposte a controllo. I passeggeri negli aeroporti trascorrono la maggior parte del loro tempo di attesa affinchè il loro bagaglio ed essi stessi siano sottoposti a controllo. Ogni aiuto fornito dagli attuali strumenti tecnici, come i metal detector e macchine a raggi X, possono fornire solo una serie limitata di informazioni. L’interesse su un nuovo tipo di sistemi di sicurezza basati sul concetto di Imaging passivo è spinto principalmente da due motivi. Il primo motivo è la necessità di sistemi che rispetto agli attuali possano fornire una maggiore quantità di informazioni che possono aiutare a distinguere più efficacemente i materiali sospetti (come metalli, armi, sostanze chimiche, ecc...). Il secondo motivo è quello di ridurre i tempi con cui tali controlli sono effettuati. In altre parole l’obiettivo è contribuire ad aumentare la sicurezza complessiva, riducendo il fastidio che un controllo di sicurezza può comportare sia in termini di tempi, sia in termini di invasione della persona. Inoltre, la minacce sono in continua evoluzione; i terroristi si ingegnano per indurre in errore i classici metal detector. È per questo che nuovi sistemi sono necessari, che sono in grado di individuare armi ed esplosivi nascosti, anche se non sono necessariamente in metallo. Inoltre, l’imaging a onde millimetriche, così come le tecniche radar attive, può essere usato per operare in uno scenario dell’ordine di alcune decine di metri. Ciò significa che le persone da sottoporre a controllo possono essere proiettate a distanze fino ad alcune decine di metri. Questo campo di applicazione sarà molto importante in futuro perché apre nuove possibilità per la sicurezza; consente di individuare un potenziale pericolo già prima che la persona sospetta può entrare in una zona sensibile alla minaccia. Anche se le tecniche di imaging sono state studiate per decenni, la tecnologia dei nuovi sensori che operano nel regime delle onde millimetriche ha permesso un incremento delle prestazioni (ad esempio la video-rate o banda video) e ciò non può che rinnovare l’interesse in questo settore. Si intuisce quindi come le frontiere della ricerca e dello sviluppo dei sistemi elettronici di sicurezza e telerilevamento siano in fermento ed in continua evoluzione. Come in altri campi, gli attuali sviluppi delle tecnologie dell’informazione e comunicazione vanno nella direzione di un miglioramento della vita di ciascuno di noi. Le tecnologie al Silicio permettono la realizzazione e la produzione a basso costo dei dispositivi radioricevitori a Radiofrequenza: la soluzione BiCMOS al SiGe rappresenta un ottimo compromesso fra prestazioni ed integrabilità rispetto alla bipolare o alla CMOS. La tecnologia a disposizione è BiCMOS da 0.13µm (con la parte bipolare in eterostruttura al SiGe) fornita da STMicroelectronics e specificatamente studiata per applicazioni a microonde e onde millimetriche. Lo sviluppo del progetto è stato fatto impiegando, per lo studio di sistema ADS, mentre per la progettazione circuitale RFDE, un tool integrato nell’ambiente CADENCE. Questo lavoro di tesi è articolato in due fasi distinte: 1) Studio di sistema del ricevitore 2) Progettazione circuitale del Low Noise Amplifier LNA Nel primo capitolo si richiamano alcuni concetti fondamentali del Telerilevamento ottico passivo, con particolare riguardo alle leggi che regolano la trasmissione della radiazione elettromagnetica e le sue interazioni con l’atmosfera e le diverse superfici. Nel secondo capitolo saranno mostrate le diverse possibili soluzioni adottabili e i pregi e difetti che le caratterizzano. Inoltre saranno esposte le soluzioni più significative presentate da altri autori e lo stato dell’arte attuale su tali applicazioni. Nel terzo capitolo verrà descritto lo studio di sistema che ha avuto lo scopo di evidenziare come i parametri e le prestazioni di ciascun blocco del sistema interagiscono fra loro impattando sulle prestazioni finali dell’intero sistema. Tale studio al alto livello è la base di partenza per poter fissare i vincoli che ciascun blocco deve rispettare in modo che le prestazioni complessive del sistema raggiungano lo stato dell’arte su tali applicazioni. Nel quarto capitolo, dopo aver fornito le specifiche di progetto sarà esposta la progettazione circuitale del Low Noise Amplifier, un blocco fondamentale del ricevitore perché posto nella posizione più critica del sistema dal punto di vista del rumore, guadagno e linearità. Infine nelle conclusioni verranno fornite alcune indicazioni utili per eventuali sviluppi futuri a questo lavoro di tesi e progettazioni degli altri blocchi che costituiscono il sistema completo