Wie werden die Antennen angeschlossen?

In der vorherigen Ausgabe des Radarblogs von Renesas haben wir verschiedene Antennenoptionen zum Senden und Empfangen des Radarsignals besprochen. Jetzt konzentrieren wir uns darauf, wie man einen MMIC-Radar-Transceiver (Monolithic Microwave Integrated Circuit) so an die Antennen anschließt, dass eine effiziente Übertragung der Signale gewährleistet ist. Bei Millimeterwellenfrequenzen (mmWave) können alle Übergänge zwischen zwei verschiedenen Übertragungsleitungen auf dem Chip, der Platine oder der Antenne erhebliche Auswirkungen auf die Leistung des Gesamtsystems haben. Jede Beeinträchtigung oder Fehlfunktion der Schnittstellen führt zu Signalverlust oder Interferenzen, was zu Leistungseinbußen oder Systemausfällen führen kann. Daher wird eine der größten Herausforderungen beim Design eines Radarmoduls die Aufrechterhaltung einer hohen Signalintegrität und geringer Verluste über den gesamten HF-Signalpfad zwischen dem MMIC und den ausgewählten Antennen sein.

Bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich sind Chip-zu-Board-Übergänge aufgrund der kurzen Wellenlängen eine Herausforderung. Der gebräuchlichste Ansatz ist die Verwendung des BGA zur Übertragung der HF-Signale vom Chip auf eine auf der Platine gedruckte Übertragungsleitung, in der Regel Mikrostreifenleitungen, aber auch Streifenleitungen, koplanare Wellenleiter (CPW) oder substratintegrierte Wellenleiter (SIW) könnten verwendet werden. Dies ermöglicht eine direkte Verbindung zu On-Board-Antennen, beispielsweise Patch-Arrays.

Die Übergangsstruktur muss so gestaltet sein, dass sie die Impedanz des MMIC an die der Übertragungsleitung auf der Platine anpasst, um Verluste und Reflexionen zu minimieren. Dies ist entscheidend für eine effiziente Leistungsübertragung und eine optimale Strahlungseffizienz und kann durch eine Verjüngung der Leitungsbreite und/oder das Hinzufügen passender Strukturen erreicht werden.

Ein sorgfältiges Design der Schnittstelle kann dazu beitragen, die Auswirkungen von Übersprechen und Interferenzen zu minimieren, die bei mmWave-Frequenzen erheblich sein können. Es ist außerdem wichtig, eine gute Verbindung zur Leiterplattenmasse sicherzustellen, um Störungen weiter zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

Für die Herstellung der Platine sollten hochwertige, verlustarme Materialien verwendet werden, um die Verluste auf den Übertragungsleitungen zwischen Chip und Antenne zu reduzieren. Darüber hinaus muss während des Montageprozesses besonders darauf geachtet werden, eine ordnungsgemäße Ausrichtung zwischen den Lötkugeln und den Leitungen sicherzustellen, um Fehlanpassungen zu vermeiden und parasitäre Effekte zu minimieren.

Auch hier ist der Einsatz elektromagnetischer Simulationswerkzeuge von entscheidender Bedeutung, um die Schnittstelle zu optimieren. Das Design muss an den gewünschten Aufbau und das PCB-Layout angepasst werden, um sicherzustellen, dass die angestrebte Leistung erreicht wird. Die Simulation lässt sich auf die Antennen und letztlich auf die gesamte Leiterplatte erweitern und die Auswirkungen von Material- und Fertigungstoleranzen analysieren.

Bei der Verwendung von 3D-Wellenleiterantennen ist es notwendig, einen zweiten Übergang von der Platine zum Antennenmodul hinzuzufügen. Dazu müssen die Übertragungsleitungsmodi, die das Signal auf der Leiterplatte übertragen (z. B. die Mikrostreifen-Quasi-TEM-Modi), in Wellenleitermodi umgewandelt werden.

Ein Waveguide Launcher on Board (LoB) ist eine kleine Schnittstelle, die am Ende der PCB-Übertragungsleitung entwickelt wurde und die Möglichkeit bietet, die vom Radar-MMIC erzeugten elektromagnetischen Wellen in die Waveguide-Antenne einzukoppeln. Dies kann ein gedrucktes Element (Sonde) oder eine Öffnung in einer leitenden Ebene sein.

Die Form des Launchers an Bord muss optimiert werden, um die Kopplungseffizienz zu maximieren und die Impedanz der Übertragungsleitung auf der Platine an die Impedanz des Wellenleiters anzupassen. Um einen fließenden Übergang zu gewährleisten, werden in der Regel konische Formen verwendet. Tatsächlich würden scharfe Kanten und abrupte Unterbrechungen zu hohen Reflexionsgraden führen, was zu Leistungsverlusten und Signalverzerrungen führen würde.

Auch die Größe des Wellenleiter-Launchers ist von entscheidender Bedeutung. Es muss klein genug sein, um auf die Platine zu passen und die Leitungslänge so kurz wie möglich zu halten. Andererseits erfordern die Gesetze der Physik, dass es groß genug ist, um das Signal von der PCB-Übertragungsleitung effizient an die Wellenleiterantenne zu koppeln. Auch hier sind elektromagnetische Simulationswerkzeuge unvermeidlich, um das Design der Trägerrakete zu optimieren und ihre Leistung genau vorherzusagen.

Um einen genauen Kontakt und eine genaue Ausrichtung zwischen der Platine und der Wellenleiterantenne zu gewährleisten, ist eine hochpräzise Fertigung und Montage erforderlich. Etwaige Toleranzen in der Ausrichtung oder Luftspalte können zu hohen Leistungseinbußen führen.

Mit einem Waveguide-Launcher auf dem Gehäuse müssen die mmWave-Signale immer noch auf der Leiterplatte geroutet werden. Das bedeutet, dass hochwertige und verlustarme Materialien erforderlich sind. Dies könnte durch eine direkte Kopplung zwischen dem Radar-Transceiver und den 3D-Antennen mithilfe eines Waveguide Launcher in Package (LiP), auch bekannt als Launcher on Package (LoP), vermieden werden. Das LiP/LoP wird verwendet, um das MMIC mit einem externen Wellenleiter zu verbinden, der die Antenne speist. Es kann in das Gehäuse des MMIC integriert werden, sodass kein Routing auf der Leiterplatte erforderlich ist, sodass jetzt kostengünstigere Substratmaterialien verwendet werden können.

Das Gehäuse des MMIC muss so ausgelegt sein, dass es für jeden Sende- und Empfangskanal des Radar-Transceivers einen Wellenleiter-Launcher aufnehmen kann. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Launcher im Paket zu implementieren: Top- oder Bottom-Launch.

Bei einer Top-Launch-Konfiguration wird die Antenne oben auf dem Paket platziert und benötigt mechanische Unterstützung, um die Ausrichtung und Stabilität zu gewährleisten. Die HF-Signale werden an den Wellenleiter gekoppelt, ohne dass Kugeln des BGA verwendet werden müssen.

Beim Bottom-Launch-Ansatz werden der MMIC und die Antennen auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte platziert. Zur Definition des Wellenleiterübergangs werden einige Kugeln des Ball Grid Array (BGA) des MMIC verwendet. Die mmWave-Signale werden über einen kurzen Wellenleiter, der durch das BGA und plattierte Löcher auf der Leiterplatte definiert wird, an die Antenne gekoppelt.

In beiden Fällen hat jeder Launcher eine Mindestgröße, die von der Betriebsfrequenz bestimmt wird. Die Gesamtgröße des Pakets wird im Vergleich zu der der herkömmlichen BGA-Schnittstellen erhöht.

Wie beim integrierten Launcher muss auch der Launcher im Gehäuse so konzipiert sein, dass er einen reibungslosen Übergang vom MMIC zum Wellenleiter bietet, die Verluste durch Reflexionen und Streuung minimiert und gleichzeitig die Impedanz des Chips an die des Chips anpasst Wellenleiter.

Das Speisenetzwerk in den Umverteilungsschichten des MMIC muss so ausgelegt sein, dass es eine gleichmäßige Leistungsverteilung für jeden Wellenleiter-Launcher gewährleistet und gleichzeitig die Kopplung zwischen den verschiedenen HF-Ports minimiert. Auch die in der Verpackung verwendeten Materialien müssen sorgfältig ausgewählt werden, da sie die Leistung des Wellenleiter-Launchers beeinträchtigen können.

Die mechanische Stabilität des Gehäuses mit LiP ist wichtig für die Gewährleistung einer langfristigen Zuverlässigkeit. Die Struktur sollte so ausgelegt sein, dass sie mechanischen Belastungen und Temperaturschwankungen standhält. Außerdem ist es wichtig, die genaue Ausrichtung und den richtigen Kontakt zwischen dem Launcher und dem Wellenleiter sicherzustellen, um nicht nur Leistungsverluste aufgrund von Fehlanpassungen zu vermeiden, sondern auch die Leckage zu reduzieren, die zu einer erhöhten Kopplung zwischen den verschiedenen HF-Kanälen führen würde.