Come collegare le antenne?

Nel numero precedente del blog sui radar di Renesas abbiamo discusso le diverse opzioni di antenna per trasmettere e ricevere il segnale radar. Ora ci concentreremo su come collegare un ricetrasmettitore radar a circuito integrato monolitico a microonde (MMIC) alle antenne in modo da garantire un trasferimento efficiente dei segnali. Alle frequenze delle onde millimetriche (mmWave), qualsiasi transizione tra due diverse linee di trasmissione, sul chip, sulla scheda o sull'antenna, può avere un impatto significativo sulle prestazioni dell'intero sistema. Qualsiasi degrado o malfunzionamento delle interfacce causerà perdita di segnale o interferenze, con conseguente riduzione delle prestazioni o guasti del sistema. Pertanto, una delle sfide principali nella progettazione di un modulo radar sarà quella di mantenere un'elevata integrità del segnale e basse perdite lungo l'intero percorso del segnale RF tra l'MMIC e le antenne selezionate.

Con le frequenze delle onde millimetriche, le transizioni da chip a scheda sono impegnative a causa delle brevi lunghezze d'onda coinvolte. L'approccio più comune consiste nell'utilizzare il BGA per trasferire i segnali RF dal chip a una linea di trasmissione stampata sulla scheda, solitamente linee a microstrip, ma potrebbero essere utilizzate anche stripline, guide d'onda complanari (CPW) o guide d'onda integrate nel substrato (SIW). Ciò consente una connessione diretta alle antenne di bordo, come gli array di patch.

La struttura di transizione deve essere progettata per abbinare l'impedenza del MMIC a quella della linea di trasmissione sulla scheda, per ridurre al minimo perdite e riflessioni. Questo è fondamentale per un efficiente trasferimento di potenza e un'efficienza di radiazione ottimale e può essere ottenuto riducendo la larghezza della linea e/o aggiungendo strutture corrispondenti.

Un'attenta progettazione dell'interfaccia può aiutare a ridurre al minimo l'effetto di diafonia e interferenze, che possono essere significativi alle frequenze mmWave. È inoltre importante garantire un buon collegamento con la terra del PCB, per ridurre ulteriormente le interferenze e migliorare il rapporto segnale/rumore.

Per la produzione della scheda dovrebbero essere utilizzati materiali di alta qualità e a basse perdite, per ridurre le perdite sulle linee di trasmissione tra il chip e l'antenna. Inoltre, è necessario prestare particolare attenzione durante il processo di assemblaggio, per garantire un corretto allineamento tra le sfere di saldatura e le linee, per evitare disallineamenti e ridurre al minimo gli effetti parassiti.

Anche in questo caso, l’uso di strumenti di simulazione elettromagnetica è fondamentale per ottimizzare l’interfaccia. Il progetto deve essere adattato allo stackup e al layout PCB desiderati, per garantire il raggiungimento delle prestazioni previste. La simulazione può essere estesa per includere le antenne e, infine, l'intero PCB, e analizzare gli effetti delle tolleranze di materiale e di produzione.

Quando si utilizzano antenne in guida d'onda 3D è necessario aggiungere una seconda transizione, dalla scheda al modulo antenna. Per questo, le modalità della linea di trasmissione che trasportano il segnale sul PCB (ad esempio le modalità quasi-TEM a microstriscia) devono essere convertite in modalità guida d'onda.

Un lanciatore di guida d'onda a bordo (LoB) è una piccola interfaccia progettata all'estremità della linea di trasmissione del PCB, che fornirà un mezzo per accoppiare le onde elettromagnetiche generate dal radar MMIC all'antenna della guida d'onda. Può trattarsi di un elemento stampato (sonda) o di un'apertura in un piano conduttivo.

La forma del lanciatore a bordo deve essere ottimizzata per massimizzare l'efficienza di accoppiamento e per abbinare l'impedenza della linea di trasmissione a bordo all'impedenza della guida d'onda. Per garantire una transizione graduale, vengono normalmente utilizzate forme affusolate. Infatti, spigoli vivi e brusche discontinuità causerebbero elevati livelli di riflessione, con conseguente perdita di potenza e distorsione del segnale.

Anche le dimensioni del lanciatore della guida d’onda sono di fondamentale importanza. Deve essere abbastanza piccolo da adattarsi alla tavola, mantenendo la lunghezza della linea quanto più corta possibile. D'altra parte, le leggi della fisica richiedono che sia abbastanza grande da accoppiare in modo efficiente il segnale dalla linea di trasmissione del PCB all'antenna della guida d'onda. Anche in questo caso, gli strumenti di simulazione elettromagnetica sono inevitabili per ottimizzare la progettazione del lanciatore e prevederne con precisione le prestazioni.