Como conectar as antenas?

Na edição anterior do blog de radar da Renesas, discutimos diferentes opções de antenas para transmissão e recepção do sinal de radar. Agora vamos nos concentrar em como conectar um transceptor de radar de circuito integrado monolítico de micro-ondas (MMIC) às antenas de forma que garanta uma transferência eficiente dos sinais. Em frequências de ondas milimétricas (mmWave), quaisquer transições entre duas linhas de transmissão diferentes, no chip, placa ou antena, podem ter um impacto significativo no desempenho do sistema geral. Qualquer degradação ou mau funcionamento nas interfaces causará perda ou interferência de sinal, levando à redução do desempenho ou falhas do sistema. Portanto, um dos principais desafios no projeto de um módulo de radar será manter a alta integridade do sinal e baixas perdas em todo o caminho do sinal de RF entre o MMIC e as antenas selecionadas.

Nas frequências de ondas milimétricas, as transições chip-placa são desafiadoras devido aos comprimentos de onda curtos envolvidos. A abordagem mais comum é usar o BGA para transferir os sinais de RF do chip para uma linha de transmissão impressa na placa, geralmente linhas microstrip, mas também striplines, guias de ondas coplanares (CPW) ou guias de ondas integrados em substrato (SIW). Isso permite uma conexão direta com antenas integradas, como patch arrays.

A estrutura de transição precisa ser projetada para combinar a impedância do MMIC com a da linha de transmissão na placa, para minimizar perdas e reflexões. Isto é crítico para uma transferência de energia eficiente e uma eficiência de radiação ideal e pode ser conseguido diminuindo a largura da linha e/ou adicionando estruturas correspondentes.

Um design cuidadoso da interface pode ajudar a minimizar o efeito de diafonia e interferência, que pode ser significativo em frequências mmWave. Também é importante garantir uma boa conexão com o aterramento da PCB, para reduzir ainda mais a interferência e melhorar a relação sinal-ruído.

Materiais de alta qualidade e baixas perdas devem ser utilizados na fabricação da placa, para reduzir as perdas nas linhas de transmissão entre o chip e a antena. Além disso, cuidados especiais devem ser tomados durante o processo de montagem, para garantir um alinhamento adequado entre as esferas de solda e as linhas, para evitar desencontros e minimizar os efeitos parasitas.

Aqui, novamente, o uso de ferramentas de simulação eletromagnética é fundamental para otimizar a interface. O design deve ser adaptado ao empilhamento e layout da PCB desejados, para garantir que o desempenho desejado seja alcançado. A simulação pode ser estendida para incluir as antenas e, no final, toda a PCB, e analisar os efeitos das tolerâncias de material e fabricação.

Quando são utilizadas antenas guia de onda 3D, é necessário adicionar uma segunda transição, da placa para o módulo da antena. Para isso, os modos da linha de transmissão que transportam o sinal na PCB (por exemplo, os modos microstrip quase-TEM) devem ser convertidos em modos de guia de ondas.

Um lançador de guia de ondas a bordo (LoB) é uma pequena interface projetada no final da linha de transmissão da PCB, que fornecerá um meio para que as ondas eletromagnéticas geradas pelo radar MMIC sejam acopladas à antena do guia de ondas. Pode ser um elemento impresso (sonda) ou uma abertura em um plano condutor.

A forma do lançador a bordo deve ser otimizada para maximizar a eficiência do acoplamento e para combinar a impedância da linha de transmissão na placa com a impedância do guia de ondas. Para garantir uma transição suave, normalmente são usadas formas cônicas. Na verdade, arestas vivas e descontinuidades abruptas causariam altos níveis de reflexão, levando à perda de potência e à distorção do sinal.

O tamanho do lançador do guia de ondas também é de importância capital. Ele precisa ser pequeno o suficiente para caber no quadro, mantendo o comprimento da linha o mais curto possível. Por outro lado, as leis da física exigem que seja grande o suficiente para acoplar eficientemente o sinal da linha de transmissão da PCB à antena do guia de ondas. Mais uma vez, as ferramentas de simulação eletromagnética são inevitáveis ​​para otimizar o design do lançador e prever com precisão o seu desempenho.