Met de wijdverspreide toepassing van millimetergolventechnologie op gebieden zoals radar voor het vermijden van botsingen, automobielelektronica en spoorwegvervoer, is de W-band (75-110 GHz) geleidelijk de ideale frequentieband geworden voor radarsystemen met kort bereik vanwege de hoge bandbreedte, hoge resolutie en het integratiegemak. Als kern van de transceivercomponent bepaalt de prestatie van de RF-chip direct het detectievermogen en de betrouwbaarheid van het hele radarsysteem. Dit artikel richt zich op het ontwerp van het T/R-componentensysteem op basis van W-band SOC RF-chips en biedt een uitgebreide bespreking van chipselectie, systeemarchitectuurontwerp tot de simulatie en implementatie van belangrijke RF-interconnectiestructuren.

1. Ontwikkeling van W-band RF-chips en systeemintegratievoordelen

In de afgelopen jaren hebben zowel binnenlandse als internationale markten aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van meerkanaals, hooggeïntegreerde W-band RF-chips. Gatlian Microelectronics heeft bijvoorbeeld een 77 GHz CMOS RF-chip uitgebracht die “2 zenders, 4 ontvangers” realiseert met een hoge dichtheidsintegratie, wat de miniaturisatie en kostenreductie van voertuigradarsystemen sterk bevordert. Deze RF-chips integreren belangrijke modules zoals ruisarme versterkers, vermogensversterkers, mixers, fasevergrendelde lussen en faseverschuivers, die een hoge versterking, weinig ruis en snelle schakelmogelijkheden bieden en een solide basis leggen voor het verpakken van T/R-componenten op systeemniveau.

Vergeleken met traditionele systemen die gebouwd zijn met discrete componenten, vermindert het gebruik van SOC RF-chips niet alleen de systeemgrootte aanzienlijk, maar ook de complexiteit van het systeem en het stroomverbruik, waardoor de algehele betrouwbaarheid en productie-efficiëntie verbeteren.

2. T/R Component Systeemarchitectuur en RF Link Ontwerp

De T/R-component die in dit artikel is ontworpen, maakt gebruik van een “2T4R”-architectuur en werkt in het 75-80 GHz frequentiebereik, met FMCW-modulatiemogelijkheden. Het systeem maakt gebruik van een hooggeïntegreerde SOC RF-chip als kern, met omringende componenten waaronder meerlaagse PCB's, golfgeleiderinterfaces, vermogensbeheer en besturingscircuits om volledige transceiverfunctionaliteit te bereiken.

In de ontvangstketen worden de zwakke signalen die door de antenne worden ontvangen, ingevoerd via een waveguide-microstrip sondestructuur, versterkt door een ruisarme versterker, gemengd met het signaal van de lokale oscillator en gedownconverteerd naar basisband. Na filtering en versterkingsregeling wordt het signaal uitgevoerd. De transmissieketen keert dit proces om, zet het basisbandsignaal om naar een hogere frequentie en versterkt het voordat het via de antenne wordt uitgestraald. Belangrijke parameters zoals ruisgetal, versterking en lineariteit van de hele keten worden geverifieerd en geoptimaliseerd met behulp van systeemsimulaties.

3. Ontwerp en simulatie van belangrijke RF-interconnectiestructuren

Om een efficiënte overdracht van hoogfrequente signalen binnen meerlagige PCB's te bereiken, richt dit artikel zich op het ontwerp van drie soorten RF-interconnectiestructuren:

Golfgeleider-microstrip sonde overgang: Om het probleem van hoogfrequent verlies in de W-band aan te pakken, werd een fijne naaldvormige elektromagnetische koppelingssondestructuur voorgesteld, met een kortsluitoppervlak geïntegreerd in de PCB. Simulatieresultaten tonen aan dat het insertieverlies in het 72,3-82,5 GHz bereik lager is dan 0,2 dB, met een uitstekende return loss van beter dan -20 dB, wat goede breedbandkarakteristieken en fabricagetolerantie aantoont.

Verticale overgangsstructuur: Een “GCPW-coaxiaal-GCPW” verticaal interconnectieschema werd toegepast om elektromagnetische lekkage en modusvervorming bij hoge frequenties effectief te onderdrukken. Deze structuur handhaaft een retourverlies van beter dan -16 dB over de gehele doorlaatband onder 100 GHz, met een insertieverlies van slechts 0,42 dB bij 40 GHz, waardoor het geschikt is voor systeemintegratie met hoge dichtheid.

BGA naar Microstrip Overgangsstructuur: Voor RF chip BGA verpakking werd een GCPW naar microstrip lijnstructuur met matching circuits ontworpen, die met succes parasitaire capaciteiten veroorzaakt door de soldeerballen tegengaat. In het bereik 72-106 GHz is de return loss beter dan -15 dB, met een doelfrequentiebereik onder -20 dB en insertion loss van 0,4 dB.

4. Systeemsimulatie en prestatieverificatie

Simulaties op systeemniveau van de gehele transceiververbinding werden uitgevoerd met ADS-software. Het ontvangerkanaal, binnen de 75-80 GHz band, vertoonde een ruisgetal van 11,324 dB en een versterking van 57,602 dB, waardoor zuivere basisband uitgangssignalen gegarandeerd werden. Het transmissiekanaal behaalde een versterking van 24,602 dB, met een uitgangsvermogen van meer dan 5 dBm, waarmee aan de systeemvereisten werd voldaan. De simulatieresultaten bevestigen de haalbaarheid en superioriteit van de ontworpen RF-chip en zijn interconnectiestructuren in hoogfrequente systemen.

5. Samenvatting en vooruitzichten

Gebaseerd op W-band SOC RF chips, ontwerpt en simuleert dit artikel met succes een geminiaturiseerd T/R componentensysteem met hoge prestaties. Door sleutelstructuren zoals de golfgeleiderprobe, verticale overgangen en BGA-interconnecties te optimaliseren, bereikt het systeem een laag verlies, brede bandbreedte en hoge integratie. In de toekomst, met de verdere volwassenheid van RF-chipprocessen en voortdurende innovatie in verpakkingstechnologieën, zullen W-band T/R-componenten een belangrijkere rol spelen op gebieden zoals autonoom rijden, intelligent transport en dronenavigatie.