Con la amplia aplicación de la tecnología de ondas milimétricas en campos como el radar anticolisión, la electrónica automotriz y el transporte ferroviario, la banda W (75-110 GHz) se ha consolidado como la banda de frecuencia ideal para sistemas de radar de corto alcance debido a su elevado ancho de banda, alta resolución y facilidad de integración. Como componente central del transceptor, el rendimiento del chip de radiofrecuencia (RF) determina directamente la capacidad de detección y la fiabilidad de todo el sistema de radar. Este artículo se centra en el diseño del sistema de transmisión/recepción (T/R) basado en chips de RF SoC de banda W, ofreciendo un análisis exhaustivo que abarca desde la selección del chip y el diseño de la arquitectura del sistema hasta la simulación e implementación de las principales estructuras de interconexión de RF.

1. Desarrollo de chips de radiofrecuencia de banda W y ventajas de integración de sistemas

En los últimos años, tanto el mercado nacional como el internacional han experimentado un progreso significativo en el desarrollo de chips de radiofrecuencia (RF) de banda W multicanal y de alta integración. Por ejemplo, Gatlian Microelectronics lanzó un chip de RF CMOS de 77 GHz que integra dos transmisores y cuatro receptores con alta densidad de integración, lo que impulsa considerablemente la miniaturización y la reducción de costes de los sistemas de radar para vehículos. Estos chips de RF integran módulos clave como amplificadores de bajo ruido, amplificadores de potencia, mezcladores, bucles de enganche de fase (PLL) y desplazadores de fase, ofreciendo alta ganancia, bajo ruido y capacidades de conmutación rápida, lo que sienta una base sólida para el empaquetado a nivel de sistema de componentes de transmisión/recepción (T/R).

En comparación con los sistemas tradicionales construidos con componentes discretos, el uso de chips RF SOC no solo reduce significativamente el tamaño del sistema, sino que también disminuye la complejidad del sistema y el consumo de energía, mejorando la confiabilidad general y la eficiencia de producción.

2. Arquitectura del sistema de componentes T/R y diseño de enlace RF

El componente T/R diseñado en este artículo adopta una arquitectura “2T4R” y opera en el rango de frecuencia de 75 a 80 GHz, con capacidades de modulación FMCW. El sistema utiliza un chip RF SOC altamente integrado como núcleo, con componentes periféricos que incluyen PCB multicapa, interfaces de guía de onda, gestión de energía y circuitos de control para lograr la funcionalidad completa del transceptor.

En la cadena de recepción, las señales débiles captadas por la antena se introducen a través de una estructura de sonda de microcinta y guía de onda, se amplifican mediante un amplificador de bajo ruido, se mezclan con la señal del oscilador local y se convierten a banda base. Tras el filtrado y el control de ganancia, la señal se emite. La cadena de transmisión invierte este proceso, convirtiendo la señal de banda base a una frecuencia más alta y amplificándola antes de su radiación a través de la antena. Los parámetros clave, como la figura de ruido, la ganancia y la linealidad de toda la cadena, se verifican y optimizan mediante simulaciones del sistema.

3. Diseño y simulación de estructuras clave de interconexión de RF

Para lograr una transmisión eficiente de señales de alta frecuencia dentro de PCB multicapa, este artículo se centra en el diseño de tres tipos de estructuras de interconexión de RF:

Transición de sonda de microcinta a guía de ondasPara abordar el problema de la pérdida de alta frecuencia en la banda W, se propuso una sonda de acoplamiento electromagnético con forma de aguja fina, con una superficie de cortocircuito integrada en la PCB. Los resultados de la simulación muestran que la pérdida de inserción en el rango de 72,3 a 82,5 GHz es inferior a 0,2 dB, con una excelente pérdida de retorno superior a -20 dB, lo que demuestra buenas características de banda ancha y una buena tolerancia de fabricación.

Estructura de transición verticalSe adoptó un esquema de interconexión vertical «GCPW-coaxial-GCPW» para suprimir eficazmente la fuga electromagnética y la distorsión modal a altas frecuencias. Esta estructura mantiene una pérdida de retorno inferior a -16 dB en toda la banda de paso por debajo de 100 GHz, con una pérdida de inserción de tan solo 0,42 dB a 40 GHz, lo que la hace idónea para la integración en sistemas de alta densidad.

Estructura de transición de BGA a microbandaPara el encapsulado BGA de chips de RF, se diseñó una estructura de línea GCPW a microcinta con circuitos de adaptación, contrarrestando con éxito la capacitancia parásita introducida por las esferas de soldadura. En el rango de 72 a 106 GHz, la pérdida de retorno es inferior a -15 dB, con un rango de frecuencia objetivo inferior a -20 dB y una pérdida de inserción de 0,4 dB.

4. Simulación de sistemas y verificación del rendimiento

Se realizaron simulaciones a nivel de sistema de todo el enlace transceptor utilizando el software ADS. El canal receptor, en la banda de 75-80 GHz, presentó una figura de ruido de 11,324 dB y una ganancia de 57,602 dB, lo que garantiza señales de salida de banda base puras. El canal de transmisión alcanzó una ganancia de 24,602 dB, con una potencia de salida superior a 5 dBm, cumpliendo así con los requisitos del sistema. Los resultados de la simulación confirman la viabilidad y la superioridad del chip de RF diseñado y sus estructuras de interconexión en sistemas de alta frecuencia.

5. Resumen y perspectivas

Este artículo presenta el diseño y la simulación de un sistema de componentes T/R miniaturizado de alto rendimiento, basado en chips RF SoC de banda W. Mediante la optimización de estructuras clave como la sonda de guía de onda, las transiciones verticales y las interconexiones BGA, el sistema logra bajas pérdidas, un amplio ancho de banda y una alta integración. En el futuro, con la mayor madurez de los procesos de fabricación de chips RF y la continua innovación en tecnologías de empaquetado, los componentes T/R de banda W desempeñarán un papel aún más importante en campos como la conducción autónoma, el transporte inteligente y la navegación de drones.