Благодаря широкому применению миллиметровых волн в таких областях, как радары предотвращения столкновений, автомобильная электроника и железнодорожный транспорт, диапазон W (75–110 ГГц) постепенно стал идеальным диапазоном частот для радиолокационных систем ближнего действия благодаря своей широкой полосе пропускания, высокому разрешению и простоте интеграции. Будучи ядром приёмопередающего компонента, радиочастотный чип напрямую определяет способность обнаружения и надёжность всей радиолокационной системы. В данной статье рассматривается проектирование системы приёмо-передающих компонентов на основе радиочастотных чипов на кристалле W-диапазона, и представлено всестороннее обсуждение вопросов выбора чипа, проектирования архитектуры системы, моделирования и реализации ключевых структур радиочастотных соединений.

1. Разработка радиочастотных чипов W-диапазона и преимущества системной интеграции

В последние годы как на внутреннем, так и на международном рынках был достигнут значительный прогресс в разработке многоканальных высокоинтегрированных радиочастотных микросхем W-диапазона. Например, компания Gatlian Microelectronics выпустила 77-гигагерцовую КМОП-микросхему, реализующую схему «2 передатчика, 4 приёмника» с высокой плотностью интеграции, что значительно способствует миниатюризации и снижению стоимости автомобильных радиолокационных систем. Эти радиочастотные микросхемы включают в себя ключевые модули, такие как малошумящие усилители, усилители мощности, смесители, системы фазовой автоподстройки частоты и фазовращатели, обеспечивая высокий коэффициент усиления, низкий уровень шума и быстрое переключение, закладывая прочную основу для системной компоновки передающих и принимающих компонентов.

По сравнению с традиционными системами, построенными на дискретных компонентах, использование радиочастотных чипов SOC не только значительно уменьшает размер системы, но и снижает ее сложность и энергопотребление, повышая общую надежность и эффективность производства.

2. Архитектура системы компонентов T/R и проектирование радиочастотной связи

Компонент приёма/передачи, разработанный в данной статье, использует архитектуру «2T4R» и работает в диапазоне частот 75–80 ГГц с возможностью модуляции FMCW. В основе системы лежит высокоинтегрированный однокристальный радиочастотный кристалл (SOC), а окружающие компоненты включают многослойные печатные платы, волноводные интерфейсы, схемы управления питанием и управления, что обеспечивает полную функциональность приёмопередатчика.

В приёмной цепи слабые сигналы, принимаемые антенной, поступают на вход через волноводно-микрополосковую структуру зонда, усиливаются малошумящим усилителем, смешиваются с сигналом гетеродина и преобразуются с понижением частоты в низкочастотный сигнал. После фильтрации и регулировки усиления сигнал выводится на выход. В передающей цепи этот процесс происходит в обратном порядке: низкочастотный сигнал преобразуется в сигнал с более высокой частотой и усиливается перед излучением через антенну. Ключевые параметры, такие как коэффициент шума, коэффициент усиления и линейность всей цепи, проверяются и оптимизируются посредством системного моделирования.

3. Проектирование и моделирование ключевых структур радиочастотных соединений

Для достижения эффективной передачи высокочастотных сигналов в многослойных печатных платах в данной статье основное внимание уделяется разработке трех типов структур радиочастотных соединений:

Переход волновод-микрополосковый зондДля решения проблемы высокочастотных потерь в диапазоне W была предложена конструкция тонкого игольчатого электромагнитного зонда связи с короткозамкнутой поверхностью, интегрированной в печатную плату. Результаты моделирования показывают, что вносимые потери в диапазоне 72,3–82,5 ГГц составляют менее 0,2 дБ, а обратные потери — менее -20 дБ, что демонстрирует хорошие широкополосные характеристики и допуски на изготовление.

Вертикальная переходная структура: Для эффективного подавления электромагнитных утечек и модовых искажений на высоких частотах была применена схема вертикального соединения «GCPW-коаксиальный-GCPW». Эта структура обеспечивает обратные потери менее -16 дБ во всей полосе пропускания ниже 100 ГГц, а вносимые потери составляют всего 0,42 дБ на частоте 40 ГГц, что делает её пригодной для интеграции систем высокой плотности.

Структура перехода BGA-микрополосковыйДля корпусирования BGA СВЧ-микросхем была разработана структура GCPW-микрополосковая линия с согласующими цепями, которая успешно компенсирует паразитную ёмкость, вносимую шариками припоя. В диапазоне 72–106 ГГц обратные потери составляют менее -15 дБ, целевой диапазон частот — менее -20 дБ, а вносимые потери — 0,4 дБ.

4. Моделирование системы и проверка производительности

Моделирование всей системы приёмопередающего тракта на системном уровне было выполнено с помощью программного обеспечения ADS. Канал приёмника в диапазоне частот 75–80 ГГц продемонстрировал коэффициент шума 11,324 дБ и коэффициент усиления 57,602 дБ, что гарантировало получение чистого низкочастотного сигнала. Канал передачи достиг коэффициента усиления 24,602 дБ при выходной мощности более 5 дБм, что соответствует системным требованиям. Результаты моделирования подтверждают осуществимость и превосходство разработанной радиочастотной микросхемы и её структур межсоединений в высокочастотных системах.

5. Резюме и перспективы

В данной статье успешно разработана и смоделирована высокопроизводительная миниатюрная система приёмо-передающих компонентов на основе микросхем SOC W-диапазона. Оптимизация ключевых структур, таких как волноводный зонд, вертикальные переходы и межсоединения BGA, обеспечивает низкие потери, широкую полосу пропускания и высокую степень интеграции. В будущем, по мере дальнейшего развития технологий производства микросхем СВЧ и постоянного совершенствования технологий корпусирования, компоненты приёмо-передающих компонентов W-диапазона будут играть всё более важную роль в таких областях, как автономное вождение, интеллектуальный транспорт и навигация дронов.