Les puces RF sont au cœur des systèmes modernes de communication sans fil et de navigation. Elles déterminent directement la sensibilité, la capacité anti-brouillage et le niveau d'intégration de l'ensemble du système. Avec la mise en réseau complète du système de navigation chinois BeiDou et le développement rapide de la communication à ondes millimétriques 5G, la demande de puces RF hautement performantes et très autonomes augmente. Cet article explore la voie de mise en œuvre et les défis techniques des puces RF dans l'architecture du système, la conception des circuits clés et l'optimisation de l'intégration, en se concentrant sur les applications typiques de la navigation et des systèmes à ondes millimétriques.

1. Application et conception autonome de puces RF dans les systèmes de navigation

Dans les systèmes de navigation civils et militaires, la compatibilité multimode (BeiDou, GPS, GLONASS, Galileo) est devenue une tendance de développement. Les récepteurs de navigation traditionnels sont largement tributaires de puces étrangères, ce qui entraîne des risques pour la chaîne d'approvisionnement et la sécurité technique. Pour y remédier, les instituts de recherche nationaux ont mis au point une puce RF de navigation (RFIC) hautement intégrée et entièrement autonome, utilisant la technologie RF-CMOS et intégrant des modules tels que des amplificateurs à faible bruit (LNA), des mélangeurs, des filtres complexes, des amplificateurs à gain variable (VGA) et des ADC, créant ainsi une chaîne complète de traitement du signal depuis la RF jusqu'à la fréquence intermédiaire numérique.

Cette puce RF adopte une architecture de basse fréquence intermédiaire à conversion descendante en un seul étage, ce qui réduit efficacement la complexité des circuits périphériques tout en garantissant les performances du système. Le LNA, en tant que premier étage de la chaîne de réception, joue un rôle crucial dans la détermination du facteur de bruit et de l'adaptation d'impédance. La conception utilise une structure d'inductance à dégénérescence de source combinée à un réseau d'adaptation capacitif-inductif pour obtenir une adaptation d'entrée de 50Ω tout en optimisant le facteur de bruit à moins de 2 dB. Le facteur de bruit global du système est inférieur à 4 dB, ce qui améliore considérablement la sensibilité du récepteur.

En outre, le filtre de fréquence intermédiaire utilise une structure de filtre complexe Gm-C de Chebyshev de cinquième ordre, qui ajuste le gain, la fréquence centrale et la largeur de bande par transconductance et capacité. Cette structure permet d'obtenir un rapport de rejet d'image (IMRR) supérieur à 40 dB avec une largeur de bande de 4 MHz et une planéité de la bande passante de 0,55 dB, ce qui améliore les capacités d'antibrouillage et de sélection des signaux du système.

2. Intégration et défis des puces RF dans les composants T/R en bande W

Dans les fréquences d'ondes millimétriques, en particulier dans la bande W (75-110 GHz), la conception de puces RF est confrontée à des défis tels que des fréquences plus élevées, des longueurs d'onde plus petites et des pertes de transmission plus importantes. Par exemple, dans un radar anticollision de 77 GHz, les composants T/R doivent présenter un gain élevé, un faible bruit, une commutation rapide et une intégration poussée. Ces dernières années, l'introduction de puces RF SOC à 2 émetteurs et 4 récepteurs développées au niveau national a ouvert la voie à la miniaturisation et à la réduction des coûts des frontaux de radars à ondes millimétriques.

Ces puces RF intègrent des modules tels que des amplificateurs de puissance, des amplificateurs à faible bruit, des mélangeurs, des déphaseurs et des synthétiseurs de fréquence, permettant un fonctionnement simultané sur plusieurs canaux. Pour garantir l'intégrité des signaux haute fréquence, les puces sont couplées à des structures d'interconnexion RF de haute performance, telles que des sondes guide d'ondes-microbande, des transitions verticales et des conversions BGA-microbande. En optimisant les structures des sondes et en intégrant des surfaces de court-circuit, ces conceptions permettent d'obtenir des performances à large bande avec une perte d'insertion inférieure à 0,2 dB et une perte de retour supérieure à -20 dB dans la gamme de fréquences 72-82 GHz, ce qui améliore considérablement l'efficacité du système.

3. Technologies clés communes dans la conception de puces RF

Qu'il s'agisse de puces de navigation ou de puces RF à ondes millimétriques, les efforts de conception se concentrent généralement sur les aspects fondamentaux suivants :

Faible bruit et haute linéarité
Le LNA, en tant que premier étage d'amplification, détermine la sensibilité du système, tandis que la linéarité du VGA et de l'amplificateur de puissance de l'étage final (par exemple, OIP3) affecte la gamme dynamique et la capacité anti-brouillage du système. Grâce à l'optimisation du gain en cascade et aux structures de rétroaction négative, il est possible de parvenir à un équilibre entre le bruit et la linéarité.

Filtres et rejet d'images
Les filtres complexes sont essentiels dans les architectures à basse fréquence intermédiaire, leur rejet hors bande et la planéité de la bande passante ayant une incidence directe sur la qualité du signal. La structure de Chebyshev, avec sa bande de transition abrupte, est largement adoptée et renforcée par des modules de pré-calibrage pour améliorer l'IMRR.

Intégration des systèmes et compatibilité électromagnétique
Les puces RF hautement intégrées combinent des circuits analogiques et numériques, et le bruit de commutation numérique peut affecter les performances RF par le biais du couplage avec le substrat. Des techniques telles que les anneaux de protection, les domaines de puissance indépendants et l'isolation profonde des puits N sur les schémas peuvent supprimer efficacement le couplage du bruit et améliorer la stabilité du système.

Configurabilité et adaptabilité des applications
Les puces RF modernes prennent généralement en charge les interfaces SPI ou I²C, ce qui permet aux utilisateurs d'ajuster dynamiquement le gain, la largeur de bande et les modes opérationnels pour s'adapter aux besoins variables des systèmes de navigation ou de radar multimodes.

4. Conclusion et perspectives

Les puces RF sont les “sens” et la “voix” des systèmes sans fil, leurs performances ayant un impact direct sur le niveau général des communications, de la navigation, des radars et d'autres dispositifs. Actuellement, les puces RF nationales dans les domaines de la navigation et des ondes millimétriques ont fait des progrès significatifs, atteignant une autonomie totale depuis la conception de l'architecture et l'optimisation des circuits jusqu'à l'intégration des systèmes. À l'avenir, avec le rétrécissement des nœuds de processus, l'évolution des technologies d'emballage telles que SiP et 3D-IC et l'application d'outils de conception assistée par l'IA, les puces RF continueront à progresser en termes de fréquences plus élevées, de consommation d'énergie plus faible et d'intelligence plus forte, apportant ainsi un soutien solide aux systèmes de communication et de perception indépendants et contrôlables de la Chine.