الخلاصة
مع التطبيق الواسع النطاق لأنظمة الملاحة الساتلية على مستوى العالم، أصبحت أجهزة استقبال الملاحة الساتلية متعددة الأوضاع، القادرة على دعم أنظمة الملاحة المختلفة مثل النظام العالمي لتحديد المواقع وGLONASS وGalileo وBiDou، الخيار السائد لأجهزة الملاحة. ومع ذلك، فإن توسعها الإضافي مقيد بشكل كبير بالحجم واستهلاك الطاقة. تؤثر وحدة استقبال الترددات اللاسلكية، باعتبارها المكون الأساسي لجهاز استقبال الملاحة، بشكل مباشر على استقرار وموثوقية النظام بأكمله. وتؤدي التصاميم التقليدية التي تستخدم مكونات منفصلة إلى أحجام كبيرة واستهلاك مرتفع للطاقة وأداء غير مستقر للنظام. وللتغلب على هذه القيود، أصبح استبدال المكونات المنفصلة بالدوائر المتكاملة الخاصة بالترددات الراديوية (RF ASICs) المسار التقني الرئيسي لتحقيق تصغير حجم جهاز الاستقبال واستهلاك منخفض للطاقة واستقرار عالٍ. تدرس هذه الورقة البحثية بشكل منهجي التقنيات الرئيسية في تصميم الدوائر المتكاملة للتطبيقات الخاصة بالترددات اللاسلكية (RF ASIC) لأجهزة استقبال الملاحة عبر الأقمار الصناعية متعددة الأوضاع، وتقترح بنية رقاقة تردد لاسلكي كاملة، وتقدم حلولاً مجدية لتحديات تصميم الوحدات الأساسية مثل مضخمات الصوت منخفضة الضوضاء والخلاطات ومركبات التردد. توفر النتائج دعماً نظرياً وعملياً للتطوير المستقل وتكامل رقاقات الترددات اللاسلكية الملاحية متعددة الأنماط.

مقدمة
مع التحسين المستمر والتكامل المستمر لنظم الملاحة الساتلية العالمية، عززت أجهزة استقبال الملاحة الساتلية متعددة الأوضاع، التي يمكنها استقبال ومعالجة الإشارات من أنظمة ملاحة متعددة في وقت واحد، موثوقية تحديد المواقع ودقتها وتوافرها بشكل كبير. ونتيجة لذلك، أصبحت هذه الأجهزة اتجاهًا رئيسيًا للتطوير في تقنيات الملاحة الحديثة. ومع ذلك، مع تزايد عدد الوظائف المتكاملة، أصبحت مشاكل حجم جهاز الاستقبال واستهلاك الطاقة أكثر بروزاً، لا سيما في الأجهزة المحمولة والمضمنة، حيث يحد هذان العاملان بشكل مباشر من نطاق التطبيقات.

تعتبر وحدة استقبال الترددات اللاسلكية، باعتبارها الجزء الأمامي من مستقبل الملاحة، مسؤولة عن العمليات الرئيسية مثل استقبال الإشارات وتضخيمها وتحويلها إلى أسفل. ويؤثر أداؤها بشكل مباشر على دقة المعالجة اللاحقة للنطاق الأساسي والاستقرار الكلي للنظام. عادةً ما يتم بناء وحدات استقبال الترددات اللاسلكية التقليدية باستخدام مكونات منفصلة. وعلى الرغم من أن هذه التصاميم توفر المرونة، إلا أن حجمها الكبير واستهلاكها العالي للطاقة وضعف اتساقها يحد من أداء جهاز الاستقبال. ونتيجة لذلك، أصبح التحول نحو الدوائر المتكاملة المتخصصة الخاصة بالترددات اللاسلكية (ASICs) لقسم الترددات اللاسلكية خياراً حتمياً لتحقيق أداء عالٍ وتكلفة منخفضة وحجم صغير في أجهزة الاستقبال.

1. متطلبات رقاقات الترددات اللاسلكية للملاحة الساتلية متعددة الأوضاع

تحتاج مستقبلات الملاحة الساتلية متعددة الأنماط إلى دعم نطاقات تردد متعددة وأنظمة تعديل في وقت واحد، مما يضع متطلبات أعلى على رقاقات الترددات اللاسلكية. فمن ناحية، يجب أن تتمتع الرقاقة بقدرة استقبال عريضة النطاق لتغطية نطاقات الترددات التشغيلية لأنظمة الملاحة المختلفة. ومن ناحية أخرى، يجب أن تحافظ على حساسية عالية مع تحقيق ضوضاء منخفضة وخطية عالية وأداء ممتاز في مكافحة التشويش. وعلاوة على ذلك، لاستيعاب الأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطارية، يجب أن تكون الشريحة ذات استهلاك منخفض للطاقة وأن تحقق التوازن بين التكامل والتكلفة والموثوقية.

2. تصميم بنية رقاقة الترددات اللاسلكية

استنادًا إلى المتطلبات المذكورة أعلاه، تقترح هذه الورقة البحثية بنية ASIC كاملة للترددات اللاسلكية للملاحة عبر الأقمار الصناعية متعددة الأوضاع. تعتمد البنية على هيكل مستقبل ذي تردد وسيط صفري (Zero-IF) أو هيكل مستقبل منخفض التردد لتبسيط تعقيد النظام وتقليل عدد المكونات الخارجية. تدمج الرقاقة الوحدات الأساسية، بما في ذلك مضخم منخفض الضوضاء (LNA)، وخلاط، ومركب التردد، ومرشح، ومضخم كسب متغير (VGA)، من خلال تصميم متكامل للغاية، مما يحسن سلسلة الإشارة ويتحكم في استهلاك الطاقة.

3. التقنيات والحلول الرئيسية

3.1 مضخم منخفض الضوضاء (LNA)
وباعتباره أول دائرة نشطة في جهاز الاستقبال، يؤثر رقم ضوضاء LNA بشكل مباشر على حساسية النظام. وتتطلب رقاقة الملاحة متعددة الأوضاع أن يكون لدى LNA ضوضاء منخفضة وكسب عالٍ ومطابقة جيدة للمدخلات على نطاق تردد واسع. ويستخدم التصميم بنية تعاقبية مقترنة بتقنيات مطابقة الضوضاء لضمان الكسب مع كبح الضوضاء بفعالية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقديم تقنية الانحياز التكيفي للحفاظ على الأداء الأمثل في ظل ظروف التشغيل المختلفة.

3.2 خلاط 3.2
يقوم الخلاط بتحويل إشارات التردد اللاسلكي إلى تردد متوسط. تُعد خطيته وكسب التحويل أمرًا بالغ الأهمية لقدرة النظام على مكافحة التشويش. تستخدم هذه الورقة خلاطًا نشطًا قائمًا على هيكل خلية جيلبرت، مع تحسين الأحجام وظروف التحيز لترانزستورات التحويل لتحسين الخطية وتقليل تسرب المذبذب المحلي. علاوة على ذلك، يتم استخدام تقنية إعادة الاستخدام الحالية لتقليل استهلاك الطاقة.

3.3 مركب الترددات
يوفر مُركِّب التردد إشارة مذبذب محلي مستقرة ودقيقة للمزج. يتطلب التنقل متعدد الأوضاع قفلًا سريعًا وتغطية نقاط تردد متعددة. ويستخدم التصميم هيكل حلقة مقفلة الطور (PLL)، يدمج مذبذباً منخفض الضوضاء منخفض الطور ومتحكم في الجهد (VCO) ومقسم عالي الدقة. يتم استخدام تقنيات المعايرة الرقمية لتقليل أخطاء التردد، ويتم استخدام تقنية التقسيم الجزئي لتمكين تكوين نقطة تردد مرنة.

4. الملخص والنظرة المستقبلية

تقترح هذه الورقة البحثية حلاً شاملاً لتصميم ASIC للترددات اللاسلكية لأجهزة استقبال الملاحة عبر الأقمار الصناعية متعددة الأوضاع، مع التركيز على تحديات التصميم والحلول للوحدات الرئيسية مثل مضخم الضوضاء المنخفض والمزج ومركب التردد. من خلال تحسين بنية الدائرة وتكامل النظام، من الممكن تقليل الحجم واستهلاك الطاقة بشكل كبير مع تحسين الاستقرار والأداء العام لجهاز الاستقبال. في المستقبل، ومع التقدم في التكنولوجيا وتزايد متطلبات النظام، ستستمر رقائق الترددات اللاسلكية الملاحية متعددة الأوضاع في التطور نحو تكامل أعلى واستهلاك أقل للطاقة وقدرات أقوى لمكافحة التشويش، مما يوفر دعماً تقنياً قوياً للتطبيق واسع النطاق لأنظمة الملاحة العالمية.