مع انتشار تطبيق تكنولوجيا الموجات المليمترية على نطاق واسع في مجالات مثل رادار تجنب الاصطدام وإلكترونيات السيارات والنقل بالسكك الحديدية، أصبح نطاق التردد W (75-110 جيجاهرتز) تدريجياً نطاق التردد المثالي لأنظمة الرادار قصيرة المدى نظراً لعرض نطاقه الترددي العالي ودقته العالية وسهولة التكامل. وباعتبارها جوهر مكون جهاز الإرسال والاستقبال، فإن أداء شريحة التردد اللاسلكي يحدد بشكل مباشر قدرة الكشف وموثوقية نظام الرادار بأكمله. يركز هذا المقال على تصميم نظام مكوّن جهاز الإرسال والاستقبال على أساس رقاقات التردد اللاسلكي ذات النطاق W، ويقدم مناقشة شاملة بدءاً من اختيار الرقاقة، وتصميم بنية النظام، وصولاً إلى محاكاة وتنفيذ هياكل التوصيل البيني الرئيسية للترددات اللاسلكية.

1. تطوير رقائق الترددات اللاسلكية ذات النطاق W ومزايا تكامل النظام

في السنوات الأخيرة، أحرزت الأسواق المحلية والدولية تقدماً كبيراً في تطوير رقائق الترددات اللاسلكية متعددة القنوات وعالية التكامل في النطاق W. على سبيل المثال، أصدرت شركة Gatlian Microelectronics رقاقة التردد اللاسلكي CMOS بتردد 77 جيجاهرتز التي تحقق “2 مرسل و4 مستقبلات” مع تكامل عالي الكثافة، مما يعزز بشكل كبير من تصغير وخفض تكلفة أنظمة رادار المركبات. تدمج رقاقات الترددات اللاسلكية هذه وحدات رئيسية مثل مضخمات منخفضة الضوضاء، ومضخمات الطاقة، والخلاطات، والحلقات المغلقة الطور، ومبدلات الطور، مما يوفر كسبًا عاليًا وضوضاء منخفضة وقدرات تبديل سريعة، مما يضع أساسًا متينًا لتعبئة مكونات T/R على مستوى النظام.

مقارنةً بالأنظمة التقليدية المبنية بمكونات منفصلة، فإن استخدام رقائق SOC RF لا يقلل من حجم النظام بشكل كبير فحسب، بل يقلل أيضًا من تعقيد النظام واستهلاك الطاقة، مما يحسن الموثوقية الإجمالية وكفاءة الإنتاج.

2. بنية نظام مكون T/R وتصميم وصلة التردد اللاسلكي

يعتمد مكون T/R المصمم في هذه الورقة على بنية “2T4R” ويعمل في نطاق تردد 75-80 جيجاهرتز، مع قدرات تعديل FMCW. ويستخدم النظام شريحة تردد لاسلكي SOC متكاملة للغاية باعتبارها النواة الأساسية، مع مكونات محيطة بها بما في ذلك مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات، وواجهات الدليل الموجي، وإدارة الطاقة، ودوائر التحكم لتحقيق وظائف جهاز الإرسال والاستقبال الكاملة.

في سلسلة الاستقبال، يتم إدخال الإشارات الضعيفة التي يستقبلها الهوائي من خلال هيكل مسبار موجي-مجهر-مجهرية يتم تضخيمه بواسطة مضخم منخفض الضوضاء، ويمزج مع إشارة المذبذب المحلي، ويتم تحويله إلى نطاق أساسي. بعد التصفية والتحكم في الكسب، يتم إخراج الإشارة. تعكس سلسلة الإرسال هذه العملية، حيث تقوم بتحويل إشارة النطاق الأساسي إلى تردد أعلى وتضخيمها قبل الإشعاع عبر الهوائي. يتم التحقق من المعلمات الرئيسية مثل رقم الضوضاء والكسب والخطية للسلسلة بأكملها وتحسينها من خلال محاكاة النظام.

3. تصميم ومحاكاة هياكل التوصيل البيني للترددات اللاسلكية الرئيسية

لتحقيق النقل الفعال للإشارات عالية التردد داخل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات، تركز هذه الورقة على تصميم ثلاثة أنواع من هياكل التوصيل البيني للترددات اللاسلكية:

انتقال مجس الموجي الموجي-المجسات الدقيقة: لمعالجة مشكلة فقدان الترددات العالية في النطاق W، تم اقتراح هيكل مجس اقتران كهرومغناطيسي دقيق على شكل إبرة، مع سطح دائرة قصيرة مدمج داخل ثنائي الفينيل متعدد الكلور. تُظهر نتائج المحاكاة أن خسارة الإدخال في نطاق 72.3-82.5 جيجا هرتز أقل من 0.2 ديسيبل، مع خسارة عودة ممتازة أفضل من -20 ديسيبل، مما يدل على خصائص النطاق العريض الجيدة وتحمل التصنيع.

هيكل الانتقال الرأسي: تم اعتماد مخطط الربط الرأسي “GCPW-COCPW- GCPW” لقمع التسرب الكهرومغناطيسي وتشويه الوضع عند الترددات العالية بشكل فعال. يحافظ هذا الهيكل على خسارة عودة أفضل من -16 ديسيبل عبر نطاق التمرير بأكمله أقل من 100 جيجاهرتز، مع خسارة إدخال تبلغ 0.42 ديسيبل فقط عند 40 جيجاهرتز، مما يجعله مناسبًا لتكامل النظام عالي الكثافة.

هيكل التحويل من BGA إلى هيكل التحويل من BGA إلى مايكروستريب: بالنسبة لتغليف رقاقة التردد اللاسلكي BGA، تم تصميم هيكل خط GCPW إلى خط الشريط الدقيق مع دوائر مطابقة، مما أدى إلى مواجهة السعة الطفيلية التي أدخلتها كرات اللحام بنجاح. في نطاق 72-106 جيجا هرتز، تكون خسارة العودة أفضل من -15 ديسيبل، مع نطاق تردد مستهدف أقل من -20 ديسيبل وخسارة إدخال تبلغ 0.4 ديسيبل.

4. محاكاة النظام والتحقق من الأداء

أجريت عمليات محاكاة على مستوى النظام لكامل وصلة جهاز الإرسال والاستقبال باستخدام برنامج ADS. وأظهرت قناة الاستقبال، ضمن نطاق 75-80 جيجاهرتز، رقم ضوضاء يبلغ 11.324 ديسيبل وكسباً يبلغ 57.602 ديسيبل، مما يضمن إشارات خرج نقي للنطاق الأساسي. وحققت قناة الإرسال كسبًا قدره 24.602 ديسيبل، مع طاقة خرج تتجاوز 5 ديسيبل ميلي واط، مما يلبي متطلبات النظام. تؤكد نتائج المحاكاة جدوى وتفوق رقاقة التردد اللاسلكي المصممة وهياكل التوصيل البيني الخاصة بها في الأنظمة عالية التردد.

5. الملخص والتوقعات

استنادًا إلى رقاقات الترددات اللاسلكية ذات النطاق W، تصمم هذه المقالة بنجاح وتحاكي نظام مكون T/R مصغر عالي الأداء ومصغر. من خلال تحسين الهياكل الرئيسية مثل مسبار الدليل الموجي والانتقالات الرأسية ووصلات BGA، يحقق النظام خسارة منخفضة وعرض نطاق ترددي واسع وتكامل عالٍ. في المستقبل، مع النضج الإضافي لعمليات رقاقات الترددات اللاسلكية والابتكار المستمر في تقنيات التغليف، ستلعب مكونات T/R ذات النطاق W دورًا أكثر أهمية في مجالات مثل القيادة الذاتية والنقل الذكي والملاحة بالطائرات بدون طيار.