¿Cómo conectar las antenas?

En el número anterior del blog de radar de Renesas, discutimos diferentes opciones de antena para transmitir y recibir la señal del radar. Ahora nos centraremos en cómo conectar un transceptor de radar de circuito integrado de microondas monolítico (MMIC) a las antenas de manera que garantice una transferencia eficiente de las señales. En frecuencias de ondas milimétricas (mmWave), cualquier transición entre dos líneas de transmisión diferentes, en el chip, la placa o la antena, puede tener un impacto significativo en el rendimiento del sistema en general. Cualquier degradación o mal funcionamiento de las interfaces provocará pérdida de señal o interferencias, lo que provocará una reducción del rendimiento o fallos del sistema. Por lo tanto, uno de los desafíos clave en el diseño de un módulo de radar será mantener una alta integridad de la señal y bajas pérdidas a lo largo de toda la ruta de la señal de RF entre el MMIC y las antenas seleccionadas.

En frecuencias de ondas milimétricas, las transiciones de chip a placa son desafiantes debido a las longitudes de onda cortas involucradas. El enfoque más común es usar el BGA para transferir las señales de RF desde el chip a una línea de transmisión impresa en la placa, generalmente líneas microstrip, pero también se pueden usar líneas strip, guías de ondas coplanares (CPW) o guías de ondas integradas en sustrato (SIW). Esto permite una conexión directa a antenas integradas, como conjuntos de parches.

La estructura de transición debe diseñarse para hacer coincidir la impedancia del MMIC con la de la línea de transmisión en la placa, para minimizar pérdidas y reflexiones. Esto es fundamental para una transferencia de energía eficiente y una eficiencia de radiación óptima y se puede lograr reduciendo el ancho de la línea y/o agregando estructuras coincidentes.

Un diseño cuidadoso de la interfaz puede ayudar a minimizar el efecto de la diafonía y la interferencia, que pueden ser importantes en frecuencias de ondas milimétricas. También es importante garantizar una buena conexión con la tierra de la PCB, para reducir aún más las interferencias y mejorar la relación señal-ruido.

Se deben utilizar materiales de alta calidad y bajas pérdidas para fabricar la placa, para reducir las pérdidas en las líneas de transmisión entre el chip y la antena. Además, se debe tener especial cuidado durante el proceso de montaje, para asegurar una correcta alineación entre las bolas de soldadura y las líneas, para evitar desajustes y minimizar los efectos parásitos.

Una vez más, el uso de herramientas de simulación electromagnética es fundamental para optimizar la interfaz. El diseño debe adaptarse al apilamiento y diseño de PCB deseados, para garantizar que se logre el rendimiento objetivo. La simulación se puede ampliar para incluir las antenas y, al final, toda la PCB, y analizar los efectos del material y las tolerancias de fabricación.

Cuando se utilizan antenas de guía de ondas 3D, es necesario agregar una segunda transición, desde la placa al módulo de antena. Para ello, los modos de línea de transmisión que transportan la señal en la PCB (por ejemplo, los modos cuasi-TEM de microcinta) deben convertirse a modos de guía de ondas.

Un lanzador de guía de ondas a bordo (LoB) es una pequeña interfaz diseñada al final de la línea de transmisión de la PCB, que proporcionará un medio para que las ondas electromagnéticas generadas por el MMIC del radar se acoplen a la antena de la guía de ondas. Puede ser un elemento impreso (sonda) o una abertura en un plano conductor.

La forma del lanzador a bordo debe optimizarse para maximizar la eficiencia del acoplamiento y hacer coincidir la impedancia de la línea de transmisión en el tablero con la impedancia de la guía de ondas. Para garantizar una transición suave, normalmente se utilizan formas cónicas. De hecho, los bordes afilados y las discontinuidades abruptas provocarían altos niveles de reflexión, lo que provocaría pérdida de energía y distorsión de la señal.

El tamaño del lanzador de la guía de ondas también es de capital importancia. Debe ser lo suficientemente pequeño como para caber en el tablero, manteniendo la longitud de las líneas lo más cortas posible. Por otro lado, las leyes de la física requieren que sea lo suficientemente grande como para acoplar eficientemente la señal de la línea de transmisión de la PCB a la antena de guía de ondas. Una vez más, las herramientas de simulación electromagnética son inevitables para optimizar el diseño del lanzador y predecir con precisión su rendimiento.

Se requerirá fabricación y ensamblaje de alta precisión para garantizar un contacto y alineación precisos entre la placa y la antena de guía de ondas. Cualquier tolerancia en la alineación o entrehierros puede provocar una gran pérdida de rendimiento.

Con un lanzador de guía de ondas en el paquete, las señales mmWave aún deben enrutarse en la PCB. Esto significa que se requieren materiales de alta calidad y con bajas pérdidas. Esto podría evitarse con un acoplamiento directo entre el transceptor de radar y las antenas 3D utilizando un lanzador de guía de ondas en paquete (LiP), también conocido como Lanzador en paquete (LoP). El LiP/LoP se utiliza para interconectar el MMIC con una guía de ondas externa que alimenta la antena. Se puede integrar en el paquete del MMIC, evitando la necesidad de enrutarlo en la PCB, de modo que ahora se pueden utilizar materiales de sustrato de menor costo.

El paquete del MMIC debe diseñarse para acomodar un lanzador de guía de ondas para cada canal de transmisión y recepción del transceptor de radar. Hay dos opciones para implementar el iniciador en el paquete: inicio superior o inferior.

En una configuración de lanzamiento superior, la antena se coloca encima del paquete y requerirá soporte mecánico para garantizar la alineación y la estabilidad. Las señales de RF se acoplarán a la guía de ondas sin tener que utilizar ninguna bola del BGA.

Con el enfoque de lanzamiento desde abajo, el MMIC y las antenas se colocan en lados opuestos de la PCB. Se utilizará alguna bola del conjunto de rejilla de bolas (BGA) del MMIC para definir la transición de la guía de ondas. Las señales mmWave se acoplarán a la antena a través de una guía de onda corta definida por el BGA y enchapada en la PCB.

En ambos casos, cada lanzador tiene un tamaño mínimo, dictado por la frecuencia de funcionamiento, el tamaño total del paquete se verá incrementado con respecto al de las interfaces BGA convencionales.

Como en el caso del lanzador a bordo, el lanzador en paquete debe diseñarse para proporcionar una transición suave del MMIC a la guía de ondas, minimizando las pérdidas debidas a reflexiones y dispersión, y al mismo tiempo haciendo coincidir la impedancia del chip con la del guía de ondas.

La red de alimentación en las capas de redistribución del MMIC debe diseñarse para proporcionar una distribución uniforme de potencia a cada lanzador de guías de ondas, minimizando al mismo tiempo el acoplamiento entre los diferentes puertos de RF. Además, los materiales utilizados en el embalaje deben elegirse cuidadosamente, ya que pueden afectar el rendimiento del lanzador de guías de ondas.

La estabilidad mecánica del paquete con LiP es importante para garantizar la confiabilidad a largo plazo. La estructura debe diseñarse para resistir tensiones mecánicas y variaciones de temperatura. Además, es fundamental garantizar la alineación precisa y el contacto adecuado entre el lanzador y la guía de ondas, para evitar no sólo la pérdida de rendimiento debido a un desajuste, sino también para reducir las fugas que provocarían un mayor acoplamiento entre los diferentes canales de RF.