Com a aplicação generalizada da tecnologia de ondas milimétricas em domínios como o radar anticolisão, a eletrónica automóvel e o transporte ferroviário, a banda W (75-110 GHz) tornou-se gradualmente a banda de frequência ideal para sistemas de radar de curto alcance devido à sua elevada largura de banda, alta resolução e facilidade de integração. Como núcleo do componente transcetor, o desempenho do chip de RF determina diretamente a capacidade de deteção e a fiabilidade de todo o sistema de radar. Este artigo centra-se na conceção do sistema de componentes T/R baseado em chips SOC RF de banda W, fornecendo uma discussão abrangente desde a seleção do chip, conceção da arquitetura do sistema, até à simulação e implementação das principais estruturas de interligação RF.

1. Desenvolvimento de chips RF de banda W e vantagens da integração de sistemas

Nos últimos anos, os mercados nacional e internacional fizeram progressos significativos no desenvolvimento de chips de RF de banda W multicanal e de alta integração. Por exemplo, a Gatlian Microelectronics lançou um chip RF CMOS de 77 GHz que realiza “2 transmissores, 4 receptores” com integração de alta densidade, promovendo grandemente a miniaturização e a redução de custos dos sistemas de radar para veículos. Esses chips de RF integram módulos-chave como amplificadores de baixo ruído, amplificadores de potência, misturadores, loops de fase bloqueada e deslocadores de fase, oferecendo alto ganho, baixo ruído e recursos de comutação rápida, estabelecendo uma base sólida para o empacotamento em nível de sistema de componentes T/R.

Em comparação com os sistemas tradicionais construídos com componentes discretos, a utilização de chips SOC RF não só reduz significativamente o tamanho do sistema, como também diminui a complexidade do sistema e o consumo de energia, melhorando a fiabilidade geral e a eficiência da produção.

2. Arquitetura do sistema de componentes T/R e conceção da ligação RF

O componente T/R concebido neste documento adopta uma arquitetura “2T4R” e funciona na gama de frequências 75-80 GHz, com capacidades de modulação FMCW. O sistema utiliza um chip SOC RF altamente integrado como núcleo, com componentes circundantes, incluindo PCBs multicamadas, interfaces de guia de ondas, gestão de energia e circuitos de controlo para alcançar a funcionalidade completa do transcetor.

Na cadeia do recetor, os sinais fracos recebidos pela antena são introduzidos através de uma estrutura de sonda de guia de onda-microstrip, amplificados por um amplificador de baixo ruído, misturados com o sinal do oscilador local e convertidos para banda base. Após filtragem e controlo de ganho, o sinal é emitido. A cadeia de transmissão inverte este processo, convertendo o sinal de banda base para uma frequência mais elevada e amplificando-o antes da radiação através da antena. Os principais parâmetros, como a figura de ruído, o ganho e a linearidade de toda a cadeia, são verificados e optimizados através de simulações do sistema.

3. Conceção e Simulação das Principais Estruturas de Interligação de RF

Para conseguir uma transmissão eficiente de sinais de alta frequência em PCB multicamadas, este documento centra-se na conceção de três tipos de estruturas de interligação RF:

Transição de sonda guia de onda-microstrip: Para resolver o problema da perda de alta frequência na banda W, foi proposta uma estrutura de sonda de acoplamento eletromagnético em forma de agulha fina, com uma superfície de curto-circuito integrada no PCB. Os resultados da simulação mostram que a perda de inserção na gama 72,3-82,5 GHz é inferior a 0,2 dB, com uma excelente perda de retorno superior a -20 dB, demonstrando boas caraterísticas de banda larga e tolerância de fabrico.

Estrutura de transição vertical: Foi adotado um esquema de interligação vertical “GCPW-coaxial-GCPW” para suprimir eficazmente as fugas electromagnéticas e a distorção de modo a altas frequências. Esta estrutura mantém uma perda de retorno superior a -16 dB em toda a banda passante abaixo de 100 GHz, com uma perda de inserção de apenas 0,42 dB a 40 GHz, tornando-a adequada para a integração de sistemas de alta densidade.

Estrutura de transição de BGA para microfita: Para o empacotamento de chips RF BGA, foi projectada uma estrutura de linha GCPW para microstrip com circuitos de correspondência, contrariando com sucesso a capacitância parasita introduzida pelas bolas de solda. Na gama de 72-106 GHz, a perda de retorno é superior a -15 dB, com uma gama de frequências alvo inferior a -20 dB e uma perda de inserção de 0,4 dB.

4. Simulação de sistemas e verificação de desempenho

Foram efectuadas simulações ao nível do sistema de toda a ligação do transcetor utilizando o software ADS. O canal recetor, na banda 75-80 GHz, apresentou uma figura de ruído de 11,324 dB e um ganho de 57,602 dB, garantindo sinais de saída puros em banda base. O canal de transmissão obteve um ganho de 24,602 dB, com potência de saída superior a 5 dBm, atendendo aos requisitos do sistema. Os resultados da simulação confirmam a viabilidade e superioridade do chip RF projetado e das suas estruturas de interligação em sistemas de alta frequência.

5. Resumo e perspectivas

Com base em chips SOC RF de banda W, este artigo concebe e simula com êxito um sistema de componentes T/R miniaturizado e de elevado desempenho. Ao otimizar as principais estruturas, como a sonda de guia de ondas, as transições verticais e as interligações BGA, o sistema atinge baixas perdas, uma ampla largura de banda e uma elevada integração. No futuro, com a maior maturidade dos processos de chips RF e a inovação contínua nas tecnologias de embalagem, os componentes T/R de banda W desempenharão um papel mais importante em domínios como a condução autónoma, o transporte inteligente e a navegação por drones.