ด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีคลื่นมิลลิเมตรอย่างแพร่หลายในสาขาต่าง ๆ เช่น เรดาร์ป้องกันการชน, อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์, และการขนส่งทางรถไฟ, ช่วงความถี่ W-band (75–110 GHz) ได้กลายเป็นช่วงความถี่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับระบบเรดาร์ระยะสั้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป เนื่องจากมีแบนด์วิดท์สูง, ความละเอียดสูง, และความง่ายในการผสานรวมในฐานะที่เป็นส่วนประกอบหลักของทรานซีฟเวอร์ ประสิทธิภาพของชิป RF จะเป็นตัวกำหนดความสามารถในการตรวจจับและความน่าเชื่อถือของระบบเรดาร์ทั้งหมดโดยตรง บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การออกแบบระบบส่วนประกอบ T/R โดยใช้ชิป RF SOC ในย่านความถี่ W-band โดยให้การอภิปรายอย่างครอบคลุมตั้งแต่การเลือกชิป การออกแบบสถาปัตยกรรมระบบ ไปจนถึงการจำลองและการนำไปใช้ของโครงสร้างการเชื่อมต่อ RF ที่สำคัญ.

1. การพัฒนาชิป RF ในย่านความถี่ W และการรวมระบบ ข้อได้เปรียบ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทั้งตลาดในประเทศและต่างประเทศได้มีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในการพัฒนาชิป RF แบบหลายช่องทางที่มีความบูรณาการสูงในย่านความถี่ W-band ตัวอย่างเช่น บริษัท Gatlian Microelectronics ได้เปิดตัวชิป CMOS RF ความถี่ 77 GHz ที่รองรับ “2 ตัวส่งสัญญาณ 4 ตัวรับสัญญาณ” ด้วยการบูรณาการความหนาแน่นสูง ซึ่งช่วยส่งเสริมการย่อขนาดและลดต้นทุนของระบบเรดาร์ยานพาหนะอย่างมากชิป RF เหล่านี้รวมโมดูลสำคัญต่างๆ เช่น เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ เครื่องขยายกำลัง เครื่องผสมสัญญาณ วงจรสอดคล้องเฟส และตัวเลื่อนเฟสเข้าด้วยกัน มอบความสามารถในการขยายสัญญาณสูง เสียงรบกวนต่ำ และการสลับสัญญาณอย่างรวดเร็ว ซึ่งวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการบรรจุชิ้นส่วน T/R ในระดับระบบ.

เมื่อเปรียบเทียบกับระบบแบบดั้งเดิมที่สร้างขึ้นจากชิ้นส่วนแยกต่างหาก การใช้ชิป SOC RF ไม่เพียงแต่ช่วยลดขนาดของระบบได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่ยังลดความซับซ้อนของระบบและปริมาณการใช้พลังงานลง ซึ่งช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือโดยรวมและความมีประสิทธิภาพในการผลิต.

2. สถาปัตยกรรมระบบส่วนประกอบ T/R และการออกแบบลิงค์ RF

องค์ประกอบ T/R ที่ออกแบบในเอกสารนี้ใช้สถาปัตยกรรม “2T4R” และทำงานในช่วงความถี่ 75–80 GHz พร้อมความสามารถในการมอดูเลต FMCW ระบบใช้ชิป RF SOC ที่มีการรวมสูงเป็นแกนหลัก โดยมีส่วนประกอบโดยรอบรวมถึงแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น, อินเทอร์เฟซคลื่นนำทาง, การจัดการพลังงาน, และวงจรควบคุมเพื่อให้ได้ฟังก์ชันการรับส่งสัญญาณที่สมบูรณ์.

ในสายการรับสัญญาณ สัญญาณอ่อนที่ได้รับจากเสาอากาศจะถูกป้อนผ่านโครงสร้างหัววัดแบบเวฟไกด์-ไมโครสตริป ผ่านการขยายโดยเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ ผสมกับสัญญาณออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น และแปลงลงสู่ย่านความถี่พื้นฐานหลังจากผ่านการกรองและการควบคุมการขยายสัญญาณแล้ว สัญญาณจะถูกส่งออก สายการส่งสัญญาณจะย้อนกลับกระบวนการนี้ โดยแปลงสัญญาณแถบความถี่พื้นฐานเป็นความถี่ที่สูงขึ้นและขยายสัญญาณก่อนที่จะส่งผ่านเสาอากาศ พารามิเตอร์สำคัญ เช่น ค่าตัวเลขสัญญาณรบกวน การขยายสัญญาณ และความเชิงเส้นของสายการส่งสัญญาณทั้งหมด จะได้รับการตรวจสอบและปรับให้เหมาะสมผ่านการจำลองระบบ.

3. การออกแบบและการจำลองโครงสร้างการเชื่อมต่อ RF ที่สำคัญ

เพื่อให้การส่งผ่านสัญญาณความถี่สูงภายใน PCB หลายชั้นมีประสิทธิภาพ บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การออกแบบโครงสร้างการเชื่อมต่อ RF สามประเภท:

การเปลี่ยนผ่านของโพรบเวฟไกด์-ไมโครสตริป: เพื่อแก้ไขปัญหาการสูญเสียความถี่สูงในย่าน W-band ได้มีการเสนอโครงสร้างหัววัดการเชื่อมต่อแม่เหล็กไฟฟ้าแบบเข็มละเอียด โดยมีพื้นผิวลัดวงจรฝังรวมอยู่ในแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าค่าการสูญเสียการแทรกในช่วงความถี่ 72.3–82.5 GHz ต่ำกว่า 0.2 dB พร้อมค่าการสะท้อนกลับที่ยอดเยี่ยมมากกว่า -20 dB ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติแบบแบนด์วิดท์กว้างและความสามารถในการผลิตที่ดี.

โครงสร้างการเปลี่ยนผ่านแนวตั้ง: ได้มีการนำแผนผังการเชื่อมต่อแนวตั้งแบบ “GCPW-coaxial-GCPW” มาใช้เพื่อลดการรั่วไหลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการบิดเบือนโหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความถี่สูง โครงสร้างนี้สามารถรักษาค่าการสูญเสียการสะท้อนกลับ (return loss) ได้ดีกว่า -16 dB ตลอดย่านความถี่ผ่าน (passband) ที่ต่ำกว่า 100 GHz โดยมีค่าการสูญเสียแทรก (insertion loss) เพียง 0.42 dB ที่ความถี่ 40 GHz จึงเหมาะสำหรับการรวมระบบที่มีความหนาแน่นสูง.

โครงสร้างการเปลี่ยนผ่านจาก BGA เป็นไมโครสตริป: สำหรับการบรรจุชิป RF แบบ BGA ได้ออกแบบโครงสร้าง GCPW ไปยังสายไมโครสตริปพร้อมวงจรที่เข้ากัน ซึ่งสามารถต้านทานความจุพาราสิตที่เกิดจากลูกบัดกรีได้สำเร็จ ในช่วงความถี่ 72–106 GHz ค่าการสูญเสียการสะท้อนกลับดีกว่า -15 dB โดยมีช่วงความถี่เป้าหมายต่ำกว่า -20 dB และการสูญเสียการแทรก 0.4 dB.

4. การจำลองระบบและการตรวจสอบประสิทธิภาพ

การจำลองระดับระบบของลิงก์ทรานซีฟเวอร์ทั้งหมดได้ดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ ADS ช่องรับสัญญาณภายในย่านความถี่ 75–80 GHz แสดงค่าตัวเลขสัญญาณรบกวน (noise figure) ที่ 11.324 dB และอัตราขยาย (gain) ที่ 57.602 dB ซึ่งช่วยให้ได้สัญญาณเอาต์พุตเบสแบนด์ที่บริสุทธิ์ ช่องส่งสัญญาณสามารถทำอัตราขยายได้ 24.602 dB โดยมีกำลังส่งเกิน 5 dBm ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของระบบผลการจำลองยืนยันความเป็นไปได้และความเหนือกว่าของชิป RF ที่ออกแบบและโครงสร้างการเชื่อมต่อของมันในระบบความถี่สูง.

5. สรุปและแนวโน้ม

โดยอาศัยชิป RF แบบ SOC ในย่านความถี่ W-band บทความนี้ได้ออกแบบและจำลองระบบส่วนประกอบ T/R ขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพสูงได้สำเร็จ ด้วยการปรับโครงสร้างสำคัญ เช่น หัววัดแบบคลื่นนำทาง การเปลี่ยนผ่านแนวตั้ง และการเชื่อมต่อ BGA ให้เหมาะสม ระบบจึงสามารถลดการสูญเสียสัญญาณ เพิ่มแบนด์วิดท์ให้กว้าง และรองรับการรวมวงจรในระดับสูงในอนาคต เมื่อกระบวนการผลิตชิป RF มีความสมบูรณ์มากขึ้นและมีการนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ ส่วนประกอบ T/R ในย่านความถี่ W-band จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในด้านต่างๆ เช่น การขับขี่อัตโนมัติ การขนส่งอัจฉริยะ และการนำทางของโดรน.