با کاربرد گسترده فناوری موج میلی‌متری در حوزه‌هایی مانند رادار اجتناب از برخورد، الکترونیک خودرو و حمل‌ونقل ریلی، باند W (۷۵–۱۱۰ گیگاهرتز) به دلیل پهنای باند بالا، وضوح بالا و سهولت در یکپارچه‌سازی، به تدریج به باند فرکانسی ایده‌آل برای سامانه‌های رادار کوتاه‌برد تبدیل شده است. به‌عنوان هستهٔ مؤلفهٔ فرستنده/گیرنده، عملکرد چیپ RF به‌طور مستقیم قابلیت تشخیص و قابلیت اطمینان کل سیستم رادار را تعیین می‌کند. این مقاله بر طراحی سیستم مؤلفهٔ T/R مبتنی بر چیپ‌های RF SOC باند W تمرکز دارد و بحثی جامع از انتخاب چیپ، طراحی معماری سیستم تا شبیه‌سازی و پیاده‌سازی ساختارهای کلیدی اتصال RF را ارائه می‌دهد.

1. توسعه چیپ‌های RF باند W و مزایای یکپارچه‌سازی سیستم

در سال‌های اخیر، بازارهای داخلی و بین‌المللی در توسعه چیپ‌های RF باند-W چندکاناله و با یکپارچگی بالا پیشرفت‌های قابل توجهی داشته‌اند. برای مثال، شرکت گتلین میکروالکترونیکس یک چیپ RF CMOS ۷۷ گیگاهرتزی را عرضه کرد که با یکپارچگی با چگالی بالا، پیکربندی “۲ فرستنده، ۴ گیرنده” را محقق می‌سازد و به کوچک‌سازی و کاهش هزینه سیستم‌های رادار خودرو کمک شایانی می‌کند. این تراشه‌های RF، ماژول‌های کلیدی مانند تقویت‌کننده‌های کم‌نویز، تقویت‌کننده‌های قدرت، میکسرها، حلقه‌های قفل فازی و جابه‌سازهای فاز را یکپارچه می‌کنند و قابلیت‌های بهره بالا، نویز کم و سوئیچینگ سریع را ارائه می‌دهند و بدین ترتیب، پایه‌ای محکم برای بسته‌بندی در سطح سیستم برای اجزای فرستنده/گیرنده (T/R) فراهم می‌آورند.

در مقایسه با سیستم‌های سنتی ساخته‌شده با قطعات گسسته، استفاده از تراشه‌های RF روی تراشه (SOC) نه تنها به‌طور قابل‌توجهی اندازه سیستم را کاهش می‌دهد، بلکه پیچیدگی و مصرف توان سیستم را نیز کاهش داده و قابلیت اطمینان کلی و بهره‌وری تولید را بهبود می‌بخشد.

2. معماری سیستم مولفه‌ای T/R و طراحی لینک RF

جزء T/R طراحی‌شده در این مقاله از معماری “2T4R” بهره می‌برد و در بازه فرکانسی ۷۵–۸۰ گیگاهرتز با قابلیت‌های مدولاسیون FMCW کار می‌کند. این سیستم از یک تراشه RF SOC با یکپارچگی بالا به‌عنوان هسته استفاده می‌کند و با اجزای پیرامونی شامل PCBهای چندلایه، رابط‌های موج‌راهن، مدیریت توان و مدارهای کنترل، کارایی کامل فرستنده/گیرنده را فراهم می‌آورد.

در زنجیره گیرنده، سیگنال‌های ضعیف دریافت‌شده توسط آنتن از طریق ساختار پروب موج‌راهنما-میکرواستریپ وارد می‌شوند، توسط یک تقویت‌کننده کم‌نویز تقویت شده، با سیگنال نوسانگر محلی مخلوط شده و به باند پایه پایین‌تبدیل می‌شوند. پس از فیلترسازی و کنترل بهره، سیگنال خروجی می‌شود. زنجیره انتقال این فرایند را معکوس کرده، سیگنال باند پایه را به فرکانس بالاتر تبدیل و پیش از تابش از طریق آنتن آن را تقویت می‌کند. پارامترهای کلیدی مانند ضریب نویز، بهره و خطی بودن کل زنجیره از طریق شبیه‌سازی‌های سیستم بررسی و بهینه‌سازی می‌شوند.

3. طراحی و شبیه‌سازی ساختارهای کلیدی ارتباط متقابل RF

برای دستیابی به انتقال کارآمد سیگنال‌های فرکانس بالا در بردهای مدار چاپی چندلایه، این مقاله بر طراحی سه نوع ساختار ارتباط متقابل RF تمرکز دارد:

انتقال از پروب موج‌راهنایی به میکرواستریپبرای رفع مشکل تلفات فرکانس بالا در باند W، ساختار یک پروب کوپلینگ الکترومغناطیسی سوزنی‌شکل ظریف با سطح اتصال کوتاه یکپارچه در PCB پیشنهاد شد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که تلفات درج در بازهٔ 72.3–82.5 گیگاهرتز کمتر از 0.2 دسی‌بل است و تلفات بازگشت عالی کمتر از ‑20 دسی‌بل بوده که ویژگی‌های پهن‌باند خوب و انعطاف‌پذیری در ساخت را نشان می‌دهد.

ساختار انتقال عمودییک طرح اتصال عمودی “GCPW-coaxial-GCPW” برای سرکوب مؤثر نشت الکترومغناطیسی و اعوجاج مد در فرکانس‌های بالا اتخاذ شد. این ساختار در سراسر باند عبور زیر ۱۰۰ گیگاهرتز ضریب تلفات بازگشت کمتر از ۱۶ دسی‌بل را حفظ می‌کند و با ضریب تلفات درج تنها ۰٫۴۲ دسی‌بل در ۴۰ گیگاهرتز، برای یکپارچه‌سازی سیستم‌های با چگالی بالا مناسب است.

ساختار گذار از BGA به میکرواستریپبرای بسته‌بندی BGA چیپ RF، ساختار خط میکروستریپ مشتق‌شده از GCPW همراه با مدارهای تطبیق طراحی شد که به‌طور موفقیت‌آمیز با ظرفیت پارازیتی ناشی از توپ‌های لحیم مقابله کرد. در بازهٔ فرکانسی ۷۲–۱۰۶ گیگاهرتز، تلفات بازگشتی کمتر از ۱۵- دسی‌بل است، با هدف قرار دادن بازهٔ فرکانسی هدف زیر ۲۰- دسی‌بل و تلفات درج برابر ۰.۴ دسی‌بل.

4. شبیه‌سازی سیستم و تأیید عملکرد

شبیه‌سازی‌های سطح سیستمی کل لینک ترانسیور با استفاده از نرم‌افزار ADS انجام شد. کانال دریافت‌کننده در باند ۷۵–۸۰ گیگاهرتز، ضریب نویز ۱۱.۳۲۴ دسی‌بل و بهره ۵۷.۶۰۲ دسی‌بل را نشان داد که سیگنال‌های خروجی باند پایه خالص را تضمین می‌کند. کانال انتقال به بهره ۲۴.۶۰۲ دسی‌بل دست یافت و توان خروجی آن بیش از ۵ دسی‌بل وات بود که نیازمندی‌های سیستم را برآورده می‌کند. نتایج شبیه‌سازی، امکان‌سنجی و برتری چیپ RF طراحی‌شده و ساختارهای ارتباطی آن را در سیستم‌های فرکانس بالا تأیید می‌کند.

5. خلاصه و چشم‌انداز

این مقاله بر اساس چیپ‌های RF SOC باند-W، یک سیستم مؤلفه T/R مینیاتوری با عملکرد بالا را با موفقیت طراحی و شبیه‌سازی می‌کند. با بهینه‌سازی ساختارهای کلیدی مانند پروب موج‌راهنما، گذارهای عمودی و اتصالات BGA، این سیستم به دستاوردهای تلفات کم، پهنای باند گسترده و یکپارچگی بالا می‌رسد. در آینده، با بلوغ بیشتر فرآیندهای چیپ RF و نوآوری مستمر در فناوری‌های بسته‌بندی، اجزای T/R باند W نقشی مهم‌تر در حوزه‌هایی مانند رانندگی خودران، حمل‌ونقل هوشمند و ناوبری پهپاد ایفا خواهند کرد.