Receptor de rádio-frequência em tecnologia CMOS para comunicações sem fios a 433 MHz

Abstract

As redes de sensores sem fios são uma tecnologia emergente que se está a tornar muito popular na vida quotidiana e em muitas aplicações. As redes de sensores sem fios podem ser usadas em sistemas de vigilância, monitorização, automação e aplicações biomédicas. Cada ponto da rede de sensores sem fios necessita de um transceiver de RF junto dos sensores e actuadores (se integrado ainda melhor) para transmissão/recepção de dados. Este transceiver de RF deve ser pequeno, ter longo tempo de vida, baixo consumo de energia, baixa tensão de alimentação, e deverá ser de baixo custo, de modo a permitir a sua produção e utilização em larga escala. O transceiver de RF é composto por um transmissor e por um receptor. Esta tese descreve a concepção, fabrico e teste de um receptor de RF em CMOS para comunicações sem fios a 433 MHz. Este receptor foi fabricado em tecnologia CMOS 0.7 μm. O receptor de RF em CMOS baseia-se no princípio da super-regeneração, sendo ideal para comunicações de curtas distâncias e para aplicações de baixo consumo energético. Um microssistema com fotodetectores (sensores integrados) foi fabricado com as dimensões 1.6 mm × 1.5 mm. A potência consumida do receptor de RF em CMOS foi de 4.38 mW alimentado a 3 V. Das muitas aplicações do receptor de RF em CMOS em microssistemas de comunicação sem fios, são apresentadas duas aplicações biomédicas. Um fato inteligente para hidroterapia em piscinas, para monitorizar a postura, a frequência cardíaca e a frequência respiratória em pacientes durante as sessões de hidroterapia. Um microlaboratório num chip portátil, para medir a concentração de biomoléculas em fluidos humanos em tempo real enviar os dados para uma unidade central. Uma futura integração deste receptor de RF em CMOS com um transmissor de RF em CMOS (em desenvolvimento) no mesmo chip com uma antena comercial externa resultará num transceiver de RF em CMOS a 433 MHz para comunicações em fios.

Wireless sensor networks are an emerging technology becoming very popular daily life with many applications. They can be used for surveillance, monitoring, building automation and biomedical applications. Each node in a wireless sensor network needs a RF transceiver integrated with the sensors and actuators for transmitting/receiving data. This RF transceiver must be lightweight, have a long lifetime with limited power consumption and power supply, and should be low-cost to allow the use in large scale. The RF transceiver is composed by a transmitter and a receiver. This thesis describes the design, fabrication and test of a RF CMOS receiver for wireless communications at 433 MHz. It was fabricated in CMOS technology 0.7 μm. The RF CMOS receiver is based in the superregenerative principle and it is ideal for short-distance communications and low-power applications. A wireless microsystem with photodetectors (as integrated sensors) was fabricated with 1.6 mm × 1.5 mm size dimensions. The power consumption of the RF CMOS receiver was 4.38 mW using a power supply of 3 V. From the many applications of the RF CMOS receiver in wireless communications microsystems, it is presented two for biomedical applications. A smart suit for hydrotherapy in swimming-pools, for monitoring body kinematics, heart and respiratory rate in patients during hidrocinesiotherapy sessions. A laboratory-on-a-chip portable, for measuring the concentration of biomolecules in human fluids in real time. Future integration of this RF CMOS receiver with a RF CMOS transmitter (in development) in the same chip with an external commercial antenna will result in a complete RF CMOS transceiver at 433 MHz for wireless communications.