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【正文】编辑|雷达小助理 审核|调皮哥 本期分享的文章将重点介绍如何将单片微波集成电路（MMIC）雷达收发器连接到天线，以保证信号的有效传输等内容。一、毫米波MMIC到天线接口在毫米波 （mmWave） 频率下，芯片、电路板或天线上两条不同传输线之间的任何转换都会对整个系统的性能产生重大影响，接口中的任何退化或故障都会导致信号丢失或产生干扰，从而导致性能降低或系统故障。因此，雷达模块设计中的关键挑战之一是：在MMIC和所选天线之间的整个RF信号链路中保持高信号完整性和低损耗。二、芯片到电路板BGA接口
在毫米波频率下，由于波长较短，芯片到电路板的转换非常具有挑战性。
最常见的方法是使用 BGA 将射频信号从芯片传输到印在电路板上的传输线，通常是微带线，但也可以使用带状线、共面波导 (CPW) 或基底集成波导 (SIW)。这样就可以直接连接到板载天线，如贴片阵列，如图1所示。
图 1：通过 BGA 接口的雷达 MMIC 到天线连接
过渡结构的设计需要使 MMIC 的阻抗与电路板上传输线的阻抗相匹配，以尽量减少损耗和反射。这对高效功率传输和最佳辐射效率至关重要，可通过缩小传输线宽度或增加匹配结构来实现，如图2所示。
图 2：具有匹配结构的 MMIC 转电路板 BGA 接口
精密的接口设计有助于最大限度地减少串扰和干扰的影响，这在毫米波频率下可能很重要。同时，确保与PCB接地的良好连接也很重要，以进一步减少干扰并提高信噪比。
制造电路板时应使用高质量、低损耗的材料，以减少芯片和天线之间传输线上的损耗。此外，在组装过程中必须特别小心，以确保焊球和线之间的正确对齐，以避免不匹配并最大限度地减少寄生效应。
同样，使用电磁仿真工具是优化接口的资本，如图3所示。设计必须适应所需的堆叠和PCB布局，以确保达到目标性能。仿真可以扩展到包括天线，最终包括整个PCB，并分析材料和制造公差的影响。
图 3：MMIC 到电路板板 BGA 接口 – 仿真模型
三、板载波导天线发射器
当使用3D波导天线时，需要添加从电路板到天线模块的第二个过渡。为此，在PCB上传输信号的传输线模式（例如微带准TEM模式）必须转换为波导模式，如图4所示。
图 4：带有发射器的 MMIC 到波导天线组件 （LoB）
板载波导发射器（LoB）是设计在PCB传输线末端的小型接口，它将为雷达MMIC产生的电磁波耦合到波导天线中提供一种手段，这可以是印刷元件（探头）或导电平面中的孔径。
图 5：微带到波导的过渡 – 示例概念
图 6：板载微带馈电和发射器的波导槽天线
必须优化板上发射器的形状，以最大限度地提高耦合效率，并使板上传输线的阻抗与波导的阻抗相匹配。为了确保平稳过渡，通常使用锥形形状。事实上，锋利的边缘和突然的不连续性会导致高反射水平，导致功率损耗和信号失真。
波导发射器的尺寸也很重要。它需要足够小以适合电路板，保持线长度尽可能短。另一方面，物理定律要求它足够大，以有效地将来自PCB传输线的信号耦合到波导天线。同样，电磁仿真工具对于优化发射器的设计并准确预测其性能是不可避免的。
需要高精度的制造和组装，以确保电路板和波导天线之间的精确接触和对准。对准或气隙中的任何公差都可能导致性能的严重损失。
四、波导天线封装上的发射器
使用封装上的波导发射器，毫米波信号仍需在印刷电路板上布线，这意味着需要高质量、低损耗的材料。使用封装波导发射器（LiP），也称为封装发射器（LoP），可避免雷达收发器与 3D 天线之间的直接耦合。LiP/LoP 用于将 MMIC 与馈给天线的外部波导连接起来，集成到 MMIC 的封装中，无需在印刷电路板上布线，因此现在可以使用成本更低的基板材料。
MMIC 的封装设计必须能容纳雷达收发器每个发射和每个接收通道的波导发射器，在封装中实现发射器有两种选择：顶部发射或底部发射。
在顶部发射配置中，天线放置在封装顶部，需要机械支撑以保证对准和稳定性。RF信号将耦合到波导，而无需使用BGA球，如图7所示。
图 7：MMIC 到波导天线组件，带有发射器封装 （LiP） – 顶部发射
采用底部发射方法，MMIC和天线放置在PCB的相对两侧，MMIC的球栅阵列（BGA）的一些球将用于定义波导转换。毫米波信号将通过由BGA定义的短波导耦合到天线，并在PCB上电镀整体，如图8所示。
图 8：MMIC 到波导天线组件，带有发射器封装 （LiP） – 底部发射
在这两种情况下，每个发射器都有一个最小尺寸，由工作频率决定，封装的整体尺寸将相对于传统 BGA 接口的尺寸增加。
与板载发射器的情况一样，封装中的发射器需要设计为提供从MMIC到波导的平滑过渡，最大限度地减少反射和散射引起的损耗，同时使芯片的阻抗与波导的阻抗相匹配。
MMIC再分配层中的馈电网络必须设计为每个波导发射器提供均匀的功率分配，同时最大限度地减少不同RF端口之间的耦合。此外，包装中使用的材料需要仔细选择，因为它们会影响波导发射器的性能。
LiP封装的机械稳定性对于确保长期可靠性非常重要。该结构的设计应能够承受机械应力和温度变化。此外，确保发射器和波导之间的精确对准和正确接触也是有好处的，不仅可以避免由于不匹配而导致性能损失，还可以减少泄漏，从而导致不同RF通道之间的耦合增加。
参考链接：
[1]https://www.renesas.com/us/en/blogs/how-connect-antennas
【本期结束】
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