Проектирование усилителей Rf для радиолокационных систем: вызовы и решения

Усилители радиочастот (RF) служат основой современных автомобильных радиолокационных систем, позволяя точно обнаруживать объекты, адаптивный круиз-контроль, предотвращение столкновений и автономные функции вождения. Поскольку транспортные средства все больше полагаются на радарные датчики, работающие в диапазонах 24 ГГц, 77 ГГц и 79 ГГц, требования к производительности усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя усилителя, работающего в диапазоне 24 ГГц, 77 Г

Основные задачи в конструкции усилителя РФ для автомобильного радара

Автомобильные радиолокационные системы накладывают уникальный набор ограничений, которые резко отличаются от тех, которые в традиционных коммуникациях или промышленных радарах. Усилитель должен надежно работать при температурах капота, которые могут превышать 125 ° C, выдерживать механический удар от выбоин и пересеченной местности и поддерживать производительность в течение 10-15 лет срока службы транспортного средства. Помимо экологической прочности, выделяются несколько проблем с электрическим дизайном.

Высокое управление мощностью и термоуправление

Для обнаружения объектов на дальностях, превышающих 250 метров, при проникновении дождя, тумана и дорожного распыления радиолокационный передатчик должен доставлять значительную мощность радиочастотного излучения - часто десятки милливатт до нескольких ватт в антенном порту. Стадия усилителя мощности (PA) должна усиливать сигнал без введения нелинейных искажений, которые могут ухудшить точность диапазона или генерировать гармоники, которые мешают другой электронике транспортного средства. Высокая плотность мощности в компактном корпусе приводит к значительному производству тепла. Без эффективного управления тепловыделением температуры перехода могут превышать безопасные эксплуатационные пределы, вызывая преждевременный отказ устройства или дрейф производительности. Дизайнеры должны балансировать эффективность с добавлением мощности (PAE) против линейности, поскольку работа вблизи точки сжатия максимизирует эффективность, но увеличивает искажение.

Линейность и правильность модуляции

Современные автомобильные радиолокационные системы преимущественно используют частотно-модулированные непрерывные волны (FMCW) или многократно-входовые многоотводные (MIMO) формы волн. Эти схемы полагаются на высоколинейное усиление и фазовые отношения, которые кодируют информацию о диапазоне и скорости. Нелинейное поведение, такое как сжатие усиления, преобразование амплитуды в фазу (AM-PM) и искажение интермодуляции, может размазать частотный спектр удара, уменьшая разрешение цели и создавая ложные обнаружения. Поддержание линейности во всем динамическом диапазоне радара, от слабых отражений на большом расстоянии до сильных эхо от близлежащих препятствий, является постоянной конструкционной битвой.

Шумовая фигура и чувствительность приемника

Усилитель низкого шума (LNA) на переднем конце приемника устанавливает общую системную шумовую фигуру, непосредственно диктуя минимальный обнаруживаемый сигнал. В автомобильной среде LNA должна подавлять шумовые вклады с антенн, линий передачи и этапов микшера, предлагая достаточный прирост для преодоления последующего шума стадии. Шумовая фигура ниже 3 дБ типична для радарных LNA с частотой 77 ГГц, но достижение этого в компактном, недорогом процессе на основе кремния, таком как SiGe BiCMOS или CMOS, требует тщательного компромисса между геометрией транзистора, смещения и соответствия импедансу. Помехи от соседних радиолокационных блоков, Bluetooth, Wi-Fi и других автомобильных радиочастотных источников дополнительно усложняют шумовой бюджет.

Широкая пропускная способность и частотная гибкость

Правила автоматического радиолокационного контроля (например, FCC Part 15, ETSI EN 301-091) распределяют полосы пропускания в несколько гигагерц, особенно в диапазоне 77-81 ГГц, для улучшения разрешения диапазона. Усилители должны обеспечивать плоский коэффициент усиления и согласованный фазовый отклик в этих широких диапазонах. Достижение 4-6 ГГц мгновенной полосы пропускания на миллиметровых частотах волн не прибегая к громоздким распределенным топологиям усилителей создает серьезные проблемы согласования и паразитирования. Кроме того, частотно-гибкие системы, которые прыгают через поддиапазоны, чтобы избежать помех или позволить одновременно выполнять несколько функций, усложняют проектирование сетей согласования ввода и вывода.

Миниатюризация и ограничения интеграции

Транспортные средства несут несколько радарных датчиков - передний (LRR), угол на ближнем расстоянии (SRR) и обнаружение внутреннего присутствия - каждый конкурирует за пространство с антеннами, блоками обработки и источниками питания. Усилители радиочастотной связи должны быть интегрированы в компактные модули, часто используя один чип с антенной в упаковке (AoP) или системой в упаковке (SiP) подходы. Это требует монолитной интеграции PA, LNA, коммутационных сетей и смещающихся цепей на общей матрице или подложке. Помехи между траекториями питания и низкого шума, связь подложки и тепловое перекрестие становятся серьезными в таких плотно упакованных конструкциях.

Передовые материалы и полупроводниковые технологии

Преодоление ограничений только кремния привело к принятию сложных полупроводниковых материалов, которые обеспечивают превосходную подвижность электронов, напряжение пробоя и теплопроводность.

Нитрид галлия (GaN) для усилителей мощности

GaN-on-SiC или GaN-on-Si HEMTs стали предпочтительным материалом для мощных радиолокационных ПА из-за их высокой скорости разрушения (более 3 МВ / см), высокой скорости насыщения электронов и отличной теплопроводности. Усилители GaN могут обеспечить в 5-10 раз большую плотность мощности на единицу площади, чем аналоги GaAs или Si, что позволяет использовать меньшие размеры матрицы. Их широкий диапазон (3,4 эВ) позволяет работать при температурах канала, превышающих 200 ° C, без значительного ухудшения, что напрямую решает тепловую проблему в автомобильных моторных отсеках. Хотя устройства GaN исторически демонстрировали более высокие показатели шума по сравнению с SiGe, недавние улучшения процесса закрыли разрыв для стадий усилителя средней мощности. GaAsMan.com предлагает практическое руководство по конструкции GaN PA для автомобильных радаров .

Кремниевый германий (SiGe) BiCMOS для низкошумных передних концов

Для приемников LNA и усилителей драйверов процессы SiGe BiCMOS обеспечивают оптимальный баланс между производительностью шума, коэффициентом усиления и стоимостью интеграции. SiGe HBTs достигают показателей шума ниже 2 дБ при 77 ГГц, предлагая возможность совместной интеграции цифровых схем управления, калибровки и смещения на одном чипе. Конструкция гетероперехода снижает сопротивление базы и улучшает частоту транзита (f_]t > 300 ГГц), позволяя усиливать низкий шум до W-диапазона. В документе IEEE по SiGe LNA для радара 77 ГГц подробно описаны последние достижения в оптимизации шума.

Арсенид галлия (GaAs) pHEMT для средней мощности

Несмотря на рост GaN и SiGe, псевдоморфные HEMT (pHEMT) GaAs остаются популярными для стадий усилителей средней мощности (100-500 мВт) в диапазоне 24 ГГц. Их зрелая производственная база, хорошая линейность и умеренная стоимость делают их пригодными для радиолокационных модулей малой дальности, где не требуется экстремальная плотность мощности. GaAs также предлагает отличные свойства с низким уровнем шума для LNA 24 ГГц, когда процессы SiGe менее доступны.

Инновационные методы проектирования схем

Помимо выбора материала, новые топологии схем и методы настройки необходимы для достижения максимальной производительности любого полупроводникового процесса.

Адаптивное предвзятое отношение и отслеживание контуров

Для повышения эффективности при различных уровнях мощности — обычной в FMCW-радиолокаторах, где мощность передачи накачивается или регулируется для различных режимов обнаружения — адаптивные схемы смещения динамически смещают точку покоя усилителя. Отслеживание контура (ET) модулирует напряжение питания в синхронности с радиочастотной оболочкой, позволяя PA работать вблизи насыщения для пиковой выходной мощности при сокращении мощности постоянного тока в периоды низкого сигнала. Это может повысить среднюю PAE на 10-15 процентных пунктов в автомобильных радиолокационных приложениях. Интегрированные модуляторы ET с использованием быстро переключающихся преобразователей постоянного тока-DC теперь появляются в производственных радиолокационных чипсетах.

Гармоничное подавление и сети Dummy Load

Нелинейные ПА генерируют значительную вторую и третью гармоническую мощность, которая может попадать в соседние радиолокационные полосы или спариваться в пути приемника. Для прекращения гармоник без ухудшения фундаментальной производительности используются резонансные фильтры на кристалле, гармонические ловушки и фиктивные поглотители нагрузки. Например, шунтирование четвертиволновой заглушки на выходе может коротко замыкать вторую гармонику при представлении открытой цепи на фундаментальной. Комбинирование гармонического подавления с тщательной компоновкой минимизирует излучение межступенчатых гармоник, которое может повредить работу LNA.

Распределенный активный трансформатор (DAT) - комбинирование мощности

Когда одно устройство не может обеспечить требуемую выходную мощность (например, > 1 Вт при 77 ГГц), объединяются несколько PA-ячеек. Распределенная топология активного трансформатора использует плоские раневые трансформаторы для суммирования выходов нескольких усилителей блоков при обеспечении преобразования импеданса и изоляции. Структуры DAT продемонстрировали выходную мощность, превышающую 2 Вт при 77 ГГц с 20% PAE в SiGe BiCMOS, что делает их привлекательными для высокопроизводительных радаров дальнего действия. Microwaves101 имеет подробный обзор PA, объединяющих архитектуры .

Сети нейтрализации и стабильности

На миллиметровых частотах емкость дренажа затвора (C_]gd) FETs создает путь обратной связи, который может вызвать нестабильность или нежелательные колебания. Связанные друг с другом методы нейтрализации — где небольшой конденсатор помещается между затвором и дренажем дифференциальной пары — отменяют эффект Миллера и улучшают обратную изоляцию. Это позволяет более высокий коэффициент усиления на стадии при сохранении безусловной стабильности. Некоторые конструкции также включают сети стабилизации серии RC у затвора для влажных низкочастотных колебаний, которые возникают из резонансов смещения цепи.

Интегрированные решения охлаждения

Термическое управление выходит за рамки полупроводниковых решений на уровне пакетов. В усовершенствованных радиолокационных модулях используются встроенные микрофлюидные каналы, медные столбы для низкого термического сопротивления и теплопроводные эпоксидные недополнители. Тонкие подложки (до 50 мкм) уменьшают вертикальный тепловой путь от канала до теплоотвода. В крайних случаях исследуется активное охлаждение с миниатюрными паровыми камерами или охладителями Peltier, хотя стоимость и сложность обычно ограничивают их высокопроизводительными автономными платформами транспортных средств.

Интеграция систем и многочиповая упаковка

Тенденция к полностью интегрированному радару на кристалле (RoC) уменьшает размер, но требует тщательного разделения и изоляции.

Монолит против многочиповых подходов

Однокристальные решения с использованием SiGe BiCMOS интегрируют LNA, миксер, VCO, PLL, усилитель мощности и цифровую базовую полосу на одном кристалле. Полная интеграция упрощает сборку, но увеличивает риск цифровой шумовой связи в чувствительном переднем конце RF. Мультикристальные модули (MCM) разделяют PA (GaN) и LNA (SiGe) на разные кристаллы, собранные вместе с проводными связями или межсоединениями с флип-чипом. MCM предлагают лучшую тепловую изоляцию и позволяют отдельную оптимизацию процесса, за счет большего объема и более высокого количества деталей. Аналоговые устройства обсуждают компромиссы интеграции радиолокационной системы в своей технической статье.

Роль Антенны в пакете (AiP)

Многие радиолокационные модули 77 ГГц теперь размещают антенную решетку патча непосредственно на подложке пакета. Это исключает переходы волновода или микрополосы, которые вводят потерю и дисперсию. Выход PA должен приводить в движение импеданс антенны непосредственно - обычно несбалансированный на 50 Ом - требующий точного согласования вывода и гармонической фильтрации. Конструкции AiP также заставляют PA работать близко к излучающим элементам, где связь ближнего поля может изменять импеданс устройства. Тщательная ко-симуляция EM полного перехода PA-антенны имеет решающее значение.

Электромагнитная интерференция (EMI) Щит

Внутри транспортного средства радиолокационные модули находятся вблизи высокоточных приводов двигателей, информационно-развлекательных дисплеев и беспроводных приемопередатчиков. Усилители радиочастотной связи должны быть защищены от внешних помех, а также предотвращать утечку собственных выбросов. Проводящие прокладки, металлические корпуса со встроенными фильтрами волновода-ниже-отсека для охлаждающих вентиляционных отверстий и экранирование на кристалле металлического стекания являются распространенными методами. Линии электропитания PA фильтруются с помощью ферритовых шариков и разъединяющих конденсаторов, чтобы предотвратить попадание проводимых EMI в другие подсистемы.

Новые тенденции и будущие направления

Поскольку автономное вождение требует более высокого разрешения и надежности, технология усилителя RF продолжает развиваться.

Широкополосные GaN PA для 79 ГГц

79-81 ГГц диапазон, выделенный для радара ближнего радиуса действия высокого разрешения, требует усилителей с полосой пропускания, превышающей 2 ГГц. Недавние процессы GaN HEMT с длиной затвора ниже 100 нм демонстрируют значения f _]max выше 300 ГГц, что позволяет одноступенчатые PA с коэффициентом усиления 10 дБ и выходной мощностью 1 Вт на 78-82 ГГц. Эти устройства уменьшают количество каскадных стадий, уменьшая площадь и сложность.

Цифровое предварительное удаление (DPD) для автомобильного радара

В то время как DPD распространен в сотовых базовых станциях, его внедрение в автомобильный радар ускоряется. Цифровая коррекция нелинейности PA позволяет усилителю работать ближе к сжатию для более высокой эффективности при сохранении спектральной чистоты. На чипе таблицы поиска или полиномиальные модели корректируют форму волны передачи в реальном времени, используя короткий рабочий цикл пандусов FMCW. Эта техника может восстанавливать 3-5 дБ системного запаса, расширяя диапазон радара.

Интеграция машинного обучения для обнаружения ошибок

Встроенные схемы мониторинга состояния здоровья измеряют температуру PA, ток питания и выходную мощность. Классификаторы машинного обучения, работающие на цифровом процессоре радара, могут обнаруживать ранние признаки деградации усилителя, такие как увеличение тока утечки или снижение усиления, и вызывать перенастройку или предупреждения о деградации в системе безопасности транспортного средства. Эта способность прогнозного обслуживания повышает надежность радара в течение срока службы транспортного средства.

Заключение

Проектирование радиочастотных усилителей для автомобильного радара является многодисциплинарной инженерной задачей, которая затрагивает физику полупроводников, тепловой дизайн, электромагнитную совместимость и системную интеграцию. Строгие требования к обработке мощности, линейности, шуму, пропускной способности и экологической надежности подталкивают дизайнеров к использованию передовых материалов, таких как GaN и SiGe, принимают сложные методы схемы, такие как адаптивное смещение и распределенное объединение мощности, и охватывают интеграцию системы в пакете. По мере того, как радар движется к более высоким частотам и более широким полосам пропускания, будут необходимы постоянные инновации в производительности транзисторов, управлении температурой и цифровой компенсации. Конечное вознаграждение - безопасное, надежное и эффективное транспортное средство, которое может воспринимать свою среду с высокой точностью - делает каждый децибель усиления, каждый ватт эффективности и каждый уровень фазовой линейности стоит усилий.