Los chips de RF son el componente central de los modernos sistemas de comunicación y navegación inalámbricos, ya que determinan directamente la sensibilidad, la capacidad antiparásitos y el nivel de integración de todo el sistema. Con la amplia interconexión del sistema de navegación BeiDou de China y el rápido desarrollo de la comunicación por ondas milimétricas 5G, aumenta la demanda de chips de RF de alto rendimiento y gran autonomía. Este artículo explora la ruta de implementación y los retos técnicos de los chips de RF en la arquitectura de sistemas, el diseño de circuitos clave y la optimización de la integración, centrándose en las aplicaciones típicas de los sistemas de navegación y de ondas milimétricas.

1. Aplicación y diseño autónomo de chips de RF en sistemas de navegación

En los sistemas de navegación civiles y militares, la compatibilidad multimodo (como BeiDou, GPS, GLONASS, Galileo) se ha convertido en una tendencia de desarrollo. Los receptores de navegación tradicionales han dependido en gran medida de chips extranjeros, lo que conlleva riesgos para la cadena de suministro y la seguridad técnica. Para solucionar este problema, las instituciones de investigación nacionales han desarrollado un chip RF de navegación (RFIC) altamente integrado y totalmente autónomo que utiliza tecnología RF-CMOS e integra módulos como amplificadores de bajo ruido (LNA), mezcladores, filtros complejos, amplificadores de ganancia variable (VGA) y ADC, creando una cadena completa de procesamiento de señales desde RF hasta frecuencia intermedia digital.

Este chip de RF adopta una arquitectura de conversión descendente de baja frecuencia intermedia de una etapa, lo que reduce eficazmente la complejidad de los circuitos periféricos al tiempo que garantiza el rendimiento del sistema. El LNA, como primera etapa de la cadena receptora, es crucial para determinar el factor de ruido y la adaptación de impedancias. El diseño utiliza una estructura de inductor de degeneración de fuente combinada con una red de adaptación capacitiva-inductiva para lograr una adaptación de entrada de 50Ω y optimizar el factor de ruido por debajo de 2 dB. El factor de ruido global del sistema es inferior a 4 dB, lo que mejora significativamente la sensibilidad del receptor.

Además, el filtro de frecuencia intermedia utiliza una estructura de filtro complejo Chebyshev Gm-C de quinto orden, que ajusta la ganancia, la frecuencia central y el ancho de banda mediante transconductancia y capacitancia. Esta estructura consigue una relación de rechazo de imagen (IMRR) superior a 40 dB con un ancho de banda de 4 MHz y una planitud de banda pasante de 0,55 dB, lo que mejora la capacidad antiinterferencia y de selección de señales del sistema.

2. Integración y retos de los chips de RF en los componentes T/R de banda W

En las frecuencias de ondas milimétricas, especialmente en la banda W (75-110 GHz), el diseño de chips de RF se enfrenta a retos como frecuencias más altas, longitudes de onda más pequeñas y mayores pérdidas de transmisión. Por ejemplo, en un radar anticolisión de 77 GHz, los componentes T/R deben presentar alta ganancia, bajo ruido, conmutación rápida y alta integración. En los últimos años, la introducción de chips SOC RF de 2 transmisores y 4 receptores desarrollados en el país ha proporcionado una vía viable para la miniaturización y la reducción de costes de los frontales de radar de ondas milimétricas.

Estos chips de RF integran módulos como amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido, mezcladores, desfasadores y sintetizadores de frecuencia, que permiten el funcionamiento simultáneo multicanal. Para garantizar la integridad de las señales de alta frecuencia, los chips se acoplan con estructuras de interconexión de RF de alto rendimiento, como sondas de guía de ondas-microstrip, transiciones verticales y conversiones de BGA a microstrip-line. Gracias a la optimización de las estructuras de las sondas y a la integración de superficies de cortocircuito, estos diseños consiguen un rendimiento de banda ancha con una pérdida de inserción <0,2 dB y una pérdida de retorno superior a -20 dB en la gama de frecuencias de 72-82 GHz, lo que mejora notablemente la eficiencia del sistema.

3. Tecnologías clave comunes en el diseño de chips de RF

Tanto si se trata de chips de navegación como de chips de radiofrecuencia de ondas milimétricas, los esfuerzos de diseño suelen centrarse en los siguientes aspectos fundamentales:

Bajo ruido y alta linealidad
El LNA, como primera etapa amplificadora, determina la sensibilidad del sistema, mientras que la linealidad del VGA de la etapa final y del amplificador de potencia (por ejemplo, el OIP3) afecta al rango dinámico del sistema y a su capacidad antiparásitos. Mediante la optimización de la ganancia en cascada y las estructuras de realimentación negativa, se puede lograr un equilibrio entre ruido y linealidad.

Filtros y rechazo de imágenes
Los filtros complejos son cruciales en las arquitecturas de frecuencias bajas-intermedias, ya que su rechazo fuera de banda y su planitud de banda pasante afectan directamente a la calidad de la señal. La estructura Chebyshev, con su pronunciada banda de transición, se adopta ampliamente y se mejora con módulos de precalibración para mejorar la IMRR.

Integración de sistemas y compatibilidad electromagnética
Los chips de RF altamente integrados combinan circuitos analógicos y digitales, y el ruido de conmutación digital puede afectar al rendimiento de RF a través del acoplamiento del sustrato. Técnicas como los anillos protectores, los dominios de potencia independientes y el aislamiento profundo de pozos N en los diseños pueden suprimir eficazmente el acoplamiento de ruido y mejorar la estabilidad del sistema.

Configurabilidad y adaptabilidad de las aplicaciones
Los chips de RF modernos suelen admitir interfaces SPI o I²C, lo que permite a los usuarios ajustar dinámicamente la ganancia, el ancho de banda y los modos operativos para adaptarse a las distintas necesidades de los sistemas de navegación o radar multimodo.

4. Conclusión y perspectivas

Los chips de RF actúan como los “sentidos” y la “voz” de los sistemas inalámbricos, y su rendimiento repercute directamente en el nivel general de la comunicación, la navegación, el radar y otros dispositivos. En la actualidad, los chips de radiofrecuencia nacionales en los campos de la navegación y las ondas milimétricas han progresado notablemente, alcanzando una autonomía de enlace total desde el diseño de la arquitectura y la optimización de circuitos hasta la integración de sistemas. En el futuro, a medida que los nodos de proceso se reduzcan aún más, evolucionen las tecnologías de empaquetado como SiP y 3D-IC, y se apliquen herramientas de diseño asistidas por IA, los chips de RF seguirán abriéndose paso en frecuencias más altas, menor consumo de energía y mayor inteligencia, proporcionando un sólido apoyo a los sistemas de comunicación y percepción independientes y controlables de China.