Mit der weit verbreiteten Anwendung der Millimeterwellentechnologie in Bereichen wie Kollisionsvermeidungsradar, Automobilelektronik und Schienenverkehr hat sich das W-Band (75-110 GHz) aufgrund seiner hohen Bandbreite, hohen Auflösung und einfachen Integration allmählich zum idealen Frequenzband für Radarsysteme mit geringer Reichweite entwickelt. Als Kernstück der Transceiver-Komponente bestimmt die Leistung des HF-Chips direkt die Erkennungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Radarsystems. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Design des T/R-Komponentensystems auf der Basis von W-Band-SOC-HF-Chips und bietet eine umfassende Diskussion von der Chipauswahl über das Design der Systemarchitektur bis hin zur Simulation und Implementierung der wichtigsten HF-Verbindungsstrukturen.

1. Entwicklung von W-Band RF Chips und Vorteile der Systemintegration

In den letzten Jahren wurden sowohl auf dem nationalen als auch auf dem internationalen Markt erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von mehrkanaligen, hochintegrierten W-Band-HF-Chips erzielt. So hat Gatlian Microelectronics einen 77-GHz-CMOS-HF-Chip auf den Markt gebracht, der “2 Sender, 4 Empfänger” mit hoher Integrationsdichte realisiert und damit die Miniaturisierung und Kostenreduzierung von Fahrzeugradarsystemen erheblich fördert. Diese RF-Chips integrieren Schlüsselmodule wie rauscharme Verstärker, Leistungsverstärker, Mischer, Phasenregelkreise und Phasenschieber, die eine hohe Verstärkung, geringes Rauschen und schnelle Schaltfunktionen bieten und eine solide Grundlage für das Packaging von T/R-Komponenten auf Systemebene bilden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, die mit diskreten Komponenten aufgebaut sind, werden durch den Einsatz von SOC-HF-Chips nicht nur die Systemgröße, sondern auch die Systemkomplexität und der Stromverbrauch erheblich verringert, was die Zuverlässigkeit und die Produktionseffizienz insgesamt verbessert.

2. T/R-Komponenten-Systemarchitektur und RF-Link-Design

Die in dieser Arbeit entwickelte T/R-Komponente verwendet eine “2T4R”-Architektur und arbeitet im Frequenzbereich von 75-80 GHz mit FMCW-Modulationsfähigkeiten. Das System verwendet einen hochintegrierten SOC-HF-Chip als Kern, mit umgebenden Komponenten wie mehrlagigen Leiterplatten, Hohlleiterschnittstellen, Leistungsmanagement und Steuerschaltungen, um eine vollständige Transceiver-Funktionalität zu erreichen.

In der Empfängerkette werden schwache, von der Antenne empfangene Signale über eine Hohlleiter-Mikrostreifen-Sondenstruktur eingespeist, durch einen rauscharmen Verstärker verstärkt, mit dem Signal des Lokaloszillators gemischt und auf das Basisband herunterkonvertiert. Nach Filterung und Verstärkungsregelung wird das Signal ausgegeben. Die Übertragungskette kehrt diesen Prozess um, wandelt das Basisbandsignal in eine höhere Frequenz um und verstärkt es vor der Abstrahlung über die Antenne. Schlüsselparameter wie Rauschzahl, Verstärkung und Linearität der gesamten Kette werden durch Systemsimulationen überprüft und optimiert.

3. Entwurf und Simulation von wichtigen RF-Verbindungsstrukturen

Um eine effiziente Übertragung von Hochfrequenzsignalen in mehrlagigen Leiterplatten zu erreichen, konzentriert sich dieser Beitrag auf den Entwurf von drei Arten von HF-Verbindungsstrukturen:

Hohlleiter-Mikrostreifen-Sondenübergang: Zur Lösung des Problems der Hochfrequenzverluste im W-Band wurde eine feine nadelförmige elektromagnetische Kopplungssondenstruktur mit einer in die Leiterplatte integrierten Kurzschlussfläche vorgeschlagen. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Einfügungsdämpfung im Bereich 72,3-82,5 GHz unter 0,2 dB liegt, mit einer ausgezeichneten Rückflussdämpfung von besser als -20 dB, was gute Breitbandeigenschaften und Fertigungstoleranz demonstriert.

Vertikale Übergangsstruktur: Ein vertikales “GCPW-Koaxial-GCPW”-Verbindungsschema wurde gewählt, um elektromagnetische Streuungen und Modenverzerrungen bei hohen Frequenzen wirksam zu unterdrücken. Diese Struktur hat eine Rückflussdämpfung von mehr als -16 dB über den gesamten Durchlassbereich unter 100 GHz und eine Einfügungsdämpfung von nur 0,42 dB bei 40 GHz, was sie für die Integration von Systemen mit hoher Dichte geeignet macht.

BGA-zu-Mikrostreifen-Übergangsstruktur: Für das BGA-Packaging von HF-Chips wurde eine GCPW-zu-Mikrostreifen-Leitungsstruktur mit Anpassungsschaltungen entwickelt, die der durch die Lötkugeln verursachten parasitären Kapazität erfolgreich entgegenwirkt. Im Bereich 72-106 GHz ist die Rückflussdämpfung besser als -15 dB, mit einem Zielfrequenzbereich unter -20 dB und einer Einfügedämpfung von 0,4 dB.

4. Systemsimulation und Leistungsüberprüfung

Simulationen auf Systemebene der gesamten Transceiver-Verbindung wurden mit ADS-Software durchgeführt. Der Empfängerkanal innerhalb des 75-80-GHz-Bandes wies eine Rauschzahl von 11,324 dB und eine Verstärkung von 57,602 dB auf, was reine Basisband-Ausgangssignale gewährleistet. Der Übertragungskanal erreichte eine Verstärkung von 24,602 dB mit einer Ausgangsleistung von über 5 dBm und erfüllte damit die Systemanforderungen. Die Simulationsergebnisse bestätigen die Machbarkeit und Überlegenheit des entworfenen HF-Chips und seiner Verbindungsstrukturen in Hochfrequenzsystemen.

5. Zusammenfassung und Ausblick

Auf der Grundlage von W-Band-SOC-HF-Chips wird in diesem Artikel erfolgreich ein leistungsstarkes, miniaturisiertes T/R-Komponentensystem entworfen und simuliert. Durch die Optimierung von Schlüsselstrukturen wie der Hohlleitersonde, vertikalen Übergängen und BGA-Verbindungen erreicht das System geringe Verluste, eine große Bandbreite und eine hohe Integration. Mit der weiteren Reifung der HF-Chip-Prozesse und der kontinuierlichen Innovation bei den Gehäusetechnologien werden W-Band-T/R-Komponenten in Zukunft eine immer wichtigere Rolle in Bereichen wie dem autonomen Fahren, dem intelligenten Transport und der Drohnennavigation spielen.