Dengan meluasnya penerapan teknologi gelombang milimeter di berbagai bidang seperti radar penghindaran tabrakan, elektronik otomotif, dan transportasi kereta api, W-band (75-110 GHz) secara bertahap menjadi pita frekuensi yang ideal untuk sistem radar jarak dekat karena bandwidth yang tinggi, resolusi yang tinggi, dan kemudahan integrasi. Sebagai inti dari komponen transceiver, kinerja chip RF secara langsung menentukan kemampuan deteksi dan keandalan seluruh sistem radar. Artikel ini berfokus pada desain sistem komponen T/R berdasarkan chip RF SOC W-band, yang menyediakan diskusi komprehensif mulai dari pemilihan chip, desain arsitektur sistem, hingga simulasi dan implementasi struktur interkoneksi RF utama.

1. Pengembangan Chip RF W-Band dan Keuntungan Integrasi Sistem

Dalam beberapa tahun terakhir, baik pasar domestik maupun internasional telah membuat kemajuan yang signifikan dalam pengembangan chip RF W-band multi-saluran dengan integrasi tinggi. Sebagai contoh, Gatlian Microelectronics merilis chip RF CMOS 77 GHz yang merealisasikan “2 pemancar, 4 penerima” dengan integrasi kepadatan tinggi, yang sangat mendorong miniaturisasi dan pengurangan biaya sistem radar kendaraan. Chip RF ini mengintegrasikan modul-modul utama seperti amplifier dengan kebisingan rendah, amplifier daya, mixer, loop terkunci fase, dan pemindah fase, yang menawarkan penguatan tinggi, kebisingan rendah, dan kemampuan peralihan cepat, meletakkan fondasi yang kokoh untuk pengemasan tingkat sistem komponen T / R.

Dibandingkan dengan sistem tradisional yang dibangun dengan komponen terpisah, penggunaan chip RF SOC tidak hanya secara signifikan mengurangi ukuran sistem tetapi juga mengurangi kompleksitas sistem dan konsumsi daya, sehingga meningkatkan keandalan dan efisiensi produksi secara keseluruhan.

2. Arsitektur Sistem Komponen T/R dan Desain Tautan RF

Komponen T/R yang dirancang dalam makalah ini mengadopsi arsitektur “2T4R” dan beroperasi pada rentang frekuensi 75-80 GHz, dengan kemampuan modulasi FMCW. Sistem ini menggunakan chip RF SOC yang sangat terintegrasi sebagai intinya, dengan komponen di sekitarnya termasuk PCB multi-layer, antarmuka pandu gelombang, manajemen daya, dan sirkuit kontrol untuk mencapai fungsionalitas transceiver yang lengkap.

Pada rantai penerima, sinyal lemah yang diterima oleh antena dimasukkan melalui struktur probe pandu gelombang-mikrostrip, diperkuat oleh penguat derau rendah, dicampur dengan sinyal osilator lokal, dan dikonversi ke baseband. Setelah penyaringan dan kontrol penguatan, sinyal dikeluarkan. Rantai transmisi membalikkan proses ini, mengubah sinyal baseband ke frekuensi yang lebih tinggi dan memperkuatnya sebelum radiasi melalui antena. Parameter utama seperti noise figure, penguatan, dan linearitas seluruh rantai diverifikasi dan dioptimalkan melalui simulasi sistem.

3. Desain dan Simulasi Struktur Interkoneksi RF Utama

Untuk mencapai transmisi sinyal frekuensi tinggi yang efisien dalam PCB multi-lapisan, makalah ini berfokus pada desain tiga jenis struktur interkoneksi RF:

Transisi Probe Pandu Gelombang-Mikrostrip: Untuk mengatasi masalah kehilangan frekuensi tinggi pada W-band, diusulkan struktur probe kopling elektromagnetik berbentuk jarum halus, dengan permukaan hubung singkat yang terintegrasi di dalam PCB. Hasil simulasi menunjukkan bahwa insertion loss pada rentang 72,3-82,5 GHz berada di bawah 0,2 dB, dengan return loss yang sangat baik, lebih baik dari -20 dB, yang menunjukkan karakteristik broadband yang baik dan toleransi manufaktur.

Struktur Transisi Vertikal: Skema interkoneksi vertikal “GCPW-koaksial-GCPW” diadopsi untuk secara efektif menekan kebocoran elektromagnetik dan distorsi mode pada frekuensi tinggi. Struktur ini mempertahankan return loss lebih baik dari -16 dB di seluruh passband di bawah 100 GHz, dengan insertion loss hanya 0,42 dB pada 40 GHz, sehingga cocok untuk integrasi sistem dengan kepadatan tinggi.

Struktur Transisi BGA ke Mikrostrip: Untuk kemasan BGA chip RF, struktur garis GCPW ke mikrostrip dengan sirkuit yang cocok dirancang, berhasil menangkal kapasitansi parasit yang diperkenalkan oleh bola solder. Pada rentang 72-106 GHz, return loss lebih baik dari -15 dB, dengan rentang frekuensi target di bawah -20 dB dan insertion loss 0,4 dB.

4. Simulasi Sistem dan Verifikasi Kinerja

Simulasi tingkat sistem dari seluruh tautan transceiver dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ADS. Saluran penerima, dalam pita 75-80 GHz, menunjukkan angka derau 11,324 dB dan penguatan 57,602 dB, memastikan sinyal keluaran baseband murni. Saluran transmisi mencapai penguatan 24,602 dB, dengan daya output melebihi 5 dBm, memenuhi persyaratan sistem. Hasil simulasi mengkonfirmasi kelayakan dan keunggulan chip RF yang dirancang dan struktur interkoneksinya dalam sistem frekuensi tinggi.

5. Ringkasan dan Pandangan

Berdasarkan chip RF SOC W-band, artikel ini berhasil mendesain dan mensimulasikan sistem komponen T/R berkinerja tinggi yang diminiaturisasi. Dengan mengoptimalkan struktur utama seperti probe pandu gelombang, transisi vertikal, dan interkoneksi BGA, sistem ini mencapai kehilangan yang rendah, bandwidth yang lebar, dan integrasi yang tinggi. Di masa depan, dengan semakin matangnya proses chip RF dan inovasi berkelanjutan dalam teknologi pengemasan, komponen T/R W-band akan memainkan peran yang lebih penting dalam bidang-bidang seperti mengemudi otonom, transportasi cerdas, dan navigasi drone.