تُعد رقائق التردد اللاسلكي بمثابة المكون الأساسي في أنظمة الاتصالات اللاسلكية والملاحة الحديثة، حيث تحدد بشكل مباشر الحساسية والقدرة على مكافحة التشويش ومستوى التكامل للنظام بأكمله. مع الربط الشبكي الشامل لنظام الملاحة الصيني BeiDou والتطور السريع للاتصالات ذات الموجات المليمترية 5G، يتزايد الطلب على رقائق التردد اللاسلكي عالية الأداء وذاتية الاستقلالية العالية. تستكشف هذه المقالة مسار التنفيذ والتحديات التقنية لرقائق الترددات اللاسلكية في بنية النظام، وتصميم الدوائر الرئيسية، وتحسين التكامل، مع التركيز على التطبيقات النموذجية في أنظمة الملاحة والموجات المليمترية.

1. التطبيق والتصميم المستقل لرقاقات الترددات اللاسلكية في أنظمة الملاحة

في كل من أنظمة الملاحة المدنية والعسكرية على حد سواء، أصبح التوافق متعدد الأوضاع (مثل النظام العالمي لتحديد المواقع والنظام العالمي لتحديد المواقع والنظام العالمي لتحديد المواقع ونظام غلوناس ونظام غاليليو) اتجاهاً للتطوير. وقد اعتمدت أجهزة استقبال الملاحة التقليدية إلى حد كبير على الرقائق الأجنبية، مما أدى إلى مخاطر سلسلة التوريد والأمن التقني. ولمعالجة هذه المشكلة، طورت المؤسسات البحثية المحلية رقاقة ملاحة لاسلكية متكاملة ومستقلة بالكامل باستخدام تقنية RF-CMOS، ودمج وحدات مثل مضخمات الترددات اللاسلكية منخفضة الضوضاء (LNA)، والخلاطات والمرشحات المعقدة، ومضخمات الكسب المتغير (VGA)، ومضخمات الكسب المتغير (ADCs)، مما أدى إلى إنشاء سلسلة معالجة إشارة كاملة من التردد اللاسلكي إلى التردد الرقمي الوسيط.

تتبنى شريحة التردد اللاسلكي هذه بنية التردد المنخفض والمتوسط ذات التحويل السفلي ذات المرحلة الواحدة، مما يقلل بشكل فعال من تعقيد الدوائر الطرفية مع ضمان أداء النظام. ويُعد LNA، باعتباره المرحلة الأولى من سلسلة جهاز الاستقبال، أمرًا حاسمًا في تحديد رقم الضوضاء ومطابقة المعاوقة. ويستخدم التصميم بنية محث انحطاط المصدر مع شبكة مطابقة سعوية حثية لتحقيق مطابقة مدخلات 50Ω مع تحسين رقم التشويش إلى أقل من 2 ديسيبل. ويكون رقم ضوضاء النظام الكلي أقل من 4 ديسيبل، مما يعزز حساسية المستقبل بشكل كبير.

بالإضافة إلى ذلك، يستخدم مرشح التردد المتوسط بنية مرشح تشيبيشيف Gm-C المعقدة من الدرجة الخامسة، والتي تضبط الكسب والتردد المركزي وعرض النطاق الترددي من خلال التوصيل والسعة. ويحقق هذا الهيكل نسبة رفض للصورة (IMRRR) أفضل من 40 ديسيبل مع عرض نطاق ترددي يبلغ 4 ميجاهرتز وتسطيح نطاق مرور يبلغ 0.55 ديسيبل، مما يحسن من قدرات النظام على مكافحة التشويش واختيار الإشارة.

2. تكامل وتحديات رقائق الترددات اللاسلكية في مكونات نطاق الترددات اللاسلكية W- النطاق الترددي W

في ترددات الموجات المليمترية، وخاصة في النطاق W (75-110 جيجاهرتز)، يواجه تصميم رقائق الترددات اللاسلكية تحديات مثل الترددات الأعلى والأطوال الموجية الأصغر وخسائر نقل أكبر. على سبيل المثال، في رادار لتجنب الاصطدام بتردد 77 جيجاهرتز، يجب أن تتميز مكونات T/R بكسب عالٍ وضوضاء منخفضة وتبديل سريع وتكامل عالٍ. وفي السنوات الأخيرة، أتاح إدخال رقائق الترددات اللاسلكية المطورة محلياً والمكونة من 2 جهاز إرسال و4 أجهزة استقبال SOC مساراً ممكناً لتصغير وخفض تكلفة واجهات الرادار الأمامية ذات الموجات المليمترية.

تدمج رقاقات الترددات اللاسلكية هذه وحدات مثل مضخمات الطاقة ومضخمات منخفضة الضوضاء ومضخمات ضوضاء منخفضة وخلاطات ومبدلات الطور ومركبات التردد، مما يدعم التشغيل المتزامن متعدد القنوات. ولضمان سلامة الإشارات عالية التردد، تقترن الرقاقات بهياكل توصيل بينية عالية الأداء للترددات اللاسلكية، مثل مجسات الموجات الدقيقة والمسابير الموجية والانتقالات الرأسية وتحويلات BGA إلى خطوط دقيقة. ومن خلال تحسين هياكل المسبار ودمج أسطح الدائرة القصيرة، تحقق هذه التصميمات أداءً عريض النطاق مع فقدان إدخال أقل من 0.2 ديسيبل وفقدان عائد أفضل من -20 ديسيبل في نطاق التردد 72-82 جيجاهرتز، مما يعزز كفاءة النظام بشكل كبير.

3. التقنيات الرئيسية الشائعة في تصميم رقاقة التردد اللاسلكي

سواء بالنسبة لرقائق الملاحة أو رقائق الترددات اللاسلكية ذات الموجات المليمترية، تركز جهود التصميم بشكل عام على الجوانب الأساسية التالية:

ضوضاء منخفضة وخطية عالية
يحدد LNA، باعتباره مرحلة المضخم الأول، حساسية النظام، بينما تؤثر خطية المرحلة النهائية لمضخم الطاقة ومضخم الطاقة (على سبيل المثال، OIP3) على النطاق الديناميكي للنظام وقدرته على مقاومة التشويش. من خلال تحسين الكسب المتتالي وهياكل التغذية الراجعة السلبية، يمكن تحقيق التوازن بين الضوضاء والخطية.

المرشحات ورفض الصور
تُعد المرشحات المعقدة حاسمة في بنيات الترددات المنخفضة المتوسطة، حيث يؤثر رفضها خارج النطاق وتسطيح نطاق التمرير بشكل مباشر على جودة الإشارة. يتم اعتماد هيكل تشيبيشيف، مع نطاقه الانتقالي الحاد، على نطاق واسع، ويتم تعزيزه بوحدات المعايرة المسبقة لتحسين IMRRR.

تكامل النظام والتوافق الكهرومغناطيسي
تجمع رقاقات الترددات اللاسلكية المتكاملة للغاية بين الدوائر التناظرية والرقمية، ويمكن أن تؤثر ضوضاء التبديل الرقمي على أداء الترددات اللاسلكية من خلال اقتران الركيزة. يمكن لتقنيات مثل الحلقات الواقية ومجالات الطاقة المستقلة والعزل العميق N-الجيد في التخطيطات أن تمنع اقتران الضوضاء بفعالية وتحسن استقرار النظام.

قابلية التهيئة والتكيف مع التطبيقات
تدعم رقاقات الترددات اللاسلكية الحديثة بشكل عام واجهات SPI أو I²C، مما يسمح للمستخدمين بضبط الكسب وعرض النطاق الترددي وأنماط التشغيل بشكل ديناميكي للتكيف مع الاحتياجات المتنوعة لأنظمة الملاحة أو الرادار متعددة الأوضاع.

4. الخاتمة والتوقعات

تعمل رقاقات الترددات اللاسلكية بمثابة “حواس” و“صوت” الأنظمة اللاسلكية، حيث يؤثر أداؤها بشكل مباشر على المستوى العام للاتصالات والملاحة والرادار والأجهزة الأخرى. في الوقت الحالي، حققت رقائق الترددات اللاسلكية المحلية في مجالات الملاحة والموجات المليمترية تقدماً كبيراً، حيث حققت استقلالية كاملة في الارتباط بدءاً من تصميم البنية وتحسين الدوائر إلى تكامل النظام. في المستقبل، مع تقلص عقد المعالجة بشكل أكبر، وتطور تقنيات التعبئة والتغليف مثل SiP و 3D-IC، وتطبيق أدوات التصميم بمساعدة الذكاء الاصطناعي، ستستمر رقائق الترددات اللاسلكية في تحقيق تقدم في الترددات الأعلى، واستهلاك أقل للطاقة، وذكاء أقوى، مما يوفر دعمًا قويًا لأنظمة الاتصالات والإدراك الصينية المستقلة والقابلة للتحكم.