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Diseño de Sistemas Activos para Payload de Satélites LEO (Low Earth Orbit)
Código: 45648Créditos: 5
| Titulación | Tipo | Curso |
|---|---|---|
| Ingeniería de Telecomunicación | OP | 2 |
Profesor/a de contacto
- Nombre :
- Jordi Verdu Tirado
- Correo electrónico :
- jordi.verdu@uab.cat
Idiomas de los grupos
Puede consultar esta información al final del documento.
Prerrequisitos
Para cursar esta asignatura, se recomienda que el estudiante disponga de conocimientos previos en:
- Teoría de circuitos lineales y análisis de redes eléctricas.
- Electrónica analógica y dispositivos semiconductores.
- Señales y sistemas de comunicaciones.
- Radiofrecuencia y microondas:
- parámetros S,
- adaptación de impedancias,
- carta de Smith,
- estabilidad de amplificadores.
- Fundamentos de amplificadores RF y ruido.
- Herramientas de simulación de circuitos electrónicos.
Asimismo, es recomendable contar con experiencia básica en alguna herramienta CAD de diseño RF/microondas
Objetivos
La asignatura tiene como objetivo proporcionar los conocimientos avanzados necesarios para el diseño y análisis de circuitos integrados monolíticos de radiofrecuencia y microondas (MMIC) destinados a aplicaciones espaciales.
Al finalizar la asignatura, el estudiante será capaz de:
- Comprender las arquitecturas y los requisitos de los sistemas RF y de microondas utilizados en misiones espaciales y sistemas de comunicaciones por satélite.
- Analizar las características y limitaciones de las principales tecnologías MMIC utilizadas en aplicaciones espaciales, incluyendo GaAs, GaN y SiGe.
- Aplicar metodologías de diseño de circuitos RF y de microondas mediante herramientas CAD profesionales.
- Diseñar amplificadores de bajo ruido (LNA) y amplificadores de potencia (PA) integrados considerando criterios de ganancia, ruido, estabilidad, linealidad y eficiencia.
- Analizar y diseñar bloques funcionales de generación y conversión de frecuencia, tales como osciladores, VCOs y mezcladores.
- Utilizar técnicas de simulación electromagnética y co-simulación para validar el comportamiento de circuitos de alta frecuencia.
- Desarrollar layouts MMIC teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas y los efectos electromagnéticos asociados.
- Evaluar la influencia de las variaciones de proceso, la temperatura y el entorno espacial sobre las prestaciones del circuito.
- Incorporar criterios de fiabilidad, radiación y calificación espacial en el proceso de diseño.
- Desarrollar y justificar soluciones de diseño MMIC para aplicaciones espaciales reales a partir de un conjunto de especificaciones.
Resultados de aprendizaje
- CA23 (Aplicar las técnicas especializadas para el diseño de dispositivos activos destinados a satélites de alta carga, con un enfoque particular en las frecuencias altas dentro de la banda Q/V) Aplicar las técnicas especializadas para el diseño de dispositivos activos destinados a satélites de alta carga, con un enfoque particular en las frecuencias altas dentro de la banda Q/V
- KA21 (Definir la normativa vigente y la norma que regula el diseño de componentes de espacio para el caso de dispositivos activos) Definir la normativa vigente y la norma que regula el diseño de componentes de espacio para el caso de dispositivos activos
- SA30 (Diseñar circuitos MMIC integrados en tecnología de GaN para aplicaciones de espacio) Diseñar circuitos MMIC integrados en tecnología de GaN para aplicaciones de espacio
- SA31 (Diseñar dispositivos activos para antenas activas en aplicaciones de posicionamiento, banda L, con satélite de órbita baja) Diseñar dispositivos activos para antenas activas en aplicaciones de posicionamiento, banda L, con satélite de órbita baja
- SA32 (Diseñar amplificadores de potencia y de bajo ruido para sistemas de satélite de órbita baja) Diseñar amplificadores de potencia y de bajo ruido para sistemas de satélite de órbita baja
Contenidos
1. Introducción a los sistemas RF y de microondas para aplicaciones espaciales
- Arquitecturas de transmisión y recepción en sistemas espaciales.
- Comunicaciones por satélite y cargas útiles.
- Bandas frecuenciales de interés (S, X, Ku, Ka y Q/V).
- Requisitos de prestaciones, consumo, masa y fiabilidad.
- Tendencias actuales en sistemas espaciales.
2. Tecnologías de semiconductores para circuitos de alta frecuencia
- Dispositivos activos para RF y microondas.
- Tecnologías GaAs, GaN y SiGe.
- Figuras de mérito de los dispositivos.
- Modelos eléctricos y modelos de proceso.
- Ventajas y limitaciones de cada tecnología.
3. Metodología de diseño de circuitos de microondas
- Especificaciones de diseño.
- Selección tecnológica.
- Simulación de pequeña y gran señal.
- Análisis de sensibilidad.
- Variaciones de proceso y temperatura.
- Flujo de diseño asistido por ordenador.
4. Diseño de amplificadores de bajo ruido
- Prestaciones y especificaciones de los LNA.
- Ruido y figura de ruido.
- Adaptación simultánea de ruido y ganancia.
- Estabilidad.
- Amplificadores multietapa.
- Casos de estudio para aplicaciones espaciales.
5. Diseño de amplificadores de potencia
- Clases de funcionamiento.
- Eficiencia y linealidad.
- Redes de adaptación.
- Técnicas de polarización.
- Amplificadores basados en tecnología GaN.
- Consideraciones térmicas.
6. Osciladores y síntesis de frecuencia
- Principios de generación de señales.
- Osciladores integrados.
- Osciladores controlados por tensión.
- Ruido de fase.
- Bucles PLL.
- Aplicaciones en sistemas espaciales.
7. Mezcladores y conversión de frecuencia
- Fundamentos de la conversión de frecuencia.
- Mezcladores activos y pasivos.
- Parámetros de prestaciones.
- Arquitecturas I/Q.
- Integración en front-ends RF.
8. Diseño físico y simulación electromagnética
- Implementación física de circuitos de alta frecuencia.
- Layout de circuitos integrados de microondas.
- Elementos pasivos integrados.
- Efectos parásitos.
- Simulación electromagnética.
- Co-simulación circuito-electromagnética.
9. Fiabilidad y calificación espacial
- Efectos de la radiación en semiconductores.
- Variaciones ambientales y degradación.
- Estrategias de robustez.
- Encapsulado e integración.
- Estándares y procesos de calificación espacial.
Actividades formativas y Metodología
| Título | Horas | ECTS | Resultados de aprendizaje |
|---|---|---|---|
| Prácticas de laboratorio de diseño RF y microondas | 15 | 0,6 | CA23, KA21, SA30, SA31, SA32 |
| Trabajo individual del estudiante | 75 | 3 | CA23, KA21, SA30, SA31, SA32 |
| Resolución de problemas y análisis de circuitos de alta frecuencia | 5 | 0,2 | CA23, SA32 |
| Proyecto de diseño de un amplificador o circuito integrado de microondas para el espacio | 7 | 0,28 | CA23, SA30, SA32 |
| Clases de teoría | 22 | 0,88 | CA23, KA21, SA32 |
La asignatura combina actividades dirigidas, supervisadas y autónomas para favorecer la adquisición progresiva de las competencias relacionadas con el diseño de dispositivos activos y circuitos integrados de radiofrecuencia y microondas para aplicaciones espaciales.
Las actividades dirigidas se basan principalmente en clases teóricas, en las que se presentan los conceptos fundamentales, las metodologías de diseño, las tecnologías de semiconductores y las restricciones propias del entorno espacial.
Las actividades supervisadas incluyen prácticas de laboratorio y tutorías académicas. Durante las prácticas, el alumnado aplicará los conocimientos adquiridos mediante herramientas profesionales de simulación y diseño asistido por ordenador, analizando y validando el comportamiento de circuitos de alta frecuencia. Las tutorías estarán destinadas al seguimiento de las actividades prácticas y del proyecto de diseño.
Por último, el trabajo autónomo comprende el estudio individual de los contenidos de la asignatura, la resolución de ejercicios, la preparación de las actividades de evaluación y el desarrollo del proyecto de diseño.
Evaluación
Actividades de evaluación continuada
| Título | Peso | Horas | ECTS | Resultados de aprendizaje |
|---|---|---|---|---|
| Examen Individual | 40 | 1 | 0,04 | CA23, KA21, SA30, SA31, SA32 |
La evaluación se basa en una combinación de pruebas individuales, prácticas de laboratorio y un proyecto de diseño. Esta metodología permite valorar tanto la adquisición de los conocimientos teóricos como la capacidad de aplicarlos al diseño y análisis de circuitos integrados de radiofrecuencia y microondas para aplicaciones espaciales.
1. Examen individual
Peso: 40 %
Prueba escrita destinada a evaluar la adquisición de los conocimientos teóricos de la asignatura, incluyendo tecnologías de semiconductores, metodologías de diseño de circuitos de RF y microondas, amplificadores, osciladores, mezcladores y requisitos específicos de las aplicaciones espaciales.
2. Prácticas de laboratorio
Peso: 35 %
Realización de prácticas de simulación, análisis y validación de circuitos de alta frecuencia mediante herramientas CAD profesionales. Las prácticas permitirán desarrollar competencias relacionadas con el diseño de dispositivos activos y circuitos integrados para aplicaciones espaciales.
3. Proyecto de diseño
Peso: 25 %
Desarrollo de un proyecto de diseño de un dispositivo o subsistema activo para aplicaciones espaciales, incluyendo la definición de especificaciones, simulación, análisis de resultados y justificación técnica de la solución adoptada.
Condiciones para superar la asignatura
Para superar la asignatura es necesario obtener una calificación mínima de 4,0 sobre 10 en cada una de las actividades de evaluación (examen, prácticas de laboratorio y proyecto).
La calificación final de la asignatura se calculará mediante:
Nota final = 0,40·Examen + 0,35·Prácticas + 0,25·Proyecto
El estudiante que no supere la asignatura tendrá derecho a una prueba de recuperación de la parte correspondiente al examen, a las prácticas o al proyecto, en función de qué actividad de evaluación deba recuperarse. En el caso de las prácticas y del proyecto, la calificación máxima que podrá obtenerse en la recuperación será de 7,0.
En caso de recuperación, la calificación final se calculará como:
Nota final = 0,40·Examen de recuperación + 0,35·Prácticas + 0,25·Proyecto
En cualquier caso, se mantiene la obligación de obtener una calificación mínima de 4,0 sobre 10 en cada una de las actividades de evaluación.
Bibliografía
Bibliografía básica
- Pozar, D. M., Microwave Engineering, 5th Edition, Wiley, 2021.
- González, G., Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design, 2nd Edition, Prentice Hall, 1997.
- Cripps, S. C., RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 2nd Edition, Artech House, 2006.
- Razavi, B., RF Microelectronics, 2nd Edition, Prentice Hall, 2011.
- Maral, G., Bousquet, M., Sun, Z., Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology, 6th Edition, Wiley, 2020.
Bibliografía complementaria
- Vendelin, G. D., Pavio, A. M., Rohde, U. L., Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques, 2nd Edition, Wiley, 2005.
- Lee, T. H., The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits, 2nd Edition, Cambridge University Press, 2004.
- Fortescue, P., Stark, J., Swinerd, G., Spacecraft Systems Engineering, 4th Edition, Wiley, 2011.
- Collin, R. E., Foundations for Microwave Engineering, 2nd Edition, Wiley-IEEE Press, 2000.
- Maas, S. A., Nonlinear Microwave and RF Circuits, 2nd Edition, Artech House, 2003.
- Ludwig, R., Bretchko, P., RF Circuit Design: Theory and Applications, 2nd Edition, Pearson, 2008.
Software
- ADS
- HFSS
- Matlab
Grupos e idiomas de la asignatura
La información proporcionada es provisional hasta el 30 de noviembre. A partir de esta fecha, podrá consultar el idioma de cada grupo a través de este enlace. Para acceder a la información, será necesario introducir el CÓDIGO de la asignatura