RF 칩은 최신 무선 통신 및 내비게이션 시스템의 핵심 부품으로 전체 시스템의 감도, 전파 방해 방지 기능, 통합 수준을 직접적으로 결정합니다. 중국 베이더우 내비게이션 시스템의 포괄적인 네트워킹과 5G 밀리미터파 통신의 급속한 발전으로 고성능 및 고도의 자율성을 갖춘 RF 칩에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이 기사에서는 내비게이션 및 밀리미터파 시스템의 일반적인 애플리케이션에 초점을 맞춰 시스템 아키텍처, 주요 회로 설계 및 통합 최적화에서 RF 칩의 구현 경로와 기술적 과제를 살펴봅니다.

1. 내비게이션 시스템에서 RF 칩의 응용 및 자율 설계

민간 및 군용 내비게이션 시스템 모두에서 다중 모드 호환성(예: BeiDou, GPS, GLONASS, Galileo)이 개발 트렌드로 자리 잡았습니다. 기존의 내비게이션 수신기는 대부분 외산 칩에 의존해 공급망 및 기술 보안 위험이 있었습니다. 이를 해결하기 위해 국내 연구 기관은 RF-CMOS 기술을 사용하여 저잡음 증폭기(LNA), 믹서, 복합 필터, 가변 이득 증폭기(VGA) 및 ADC와 같은 모듈을 통합하여 RF에서 디지털 중간 주파수까지 완전한 신호 처리 체인을 만드는 고집적, 완전 자율 내비게이션 RF 칩(RFIC)을 개발했습니다.

이 RF 칩은 1단계 다운 컨버전 저중간 주파수 아키텍처를 채택하여 주변 회로의 복잡성을 효과적으로 줄이면서 시스템 성능을 보장합니다. 수신기 체인의 첫 번째 단계인 LNA는 잡음 수치와 임피던스 정합을 결정하는 데 매우 중요합니다. 이 설계는 용량성-유도성 매칭 네트워크와 결합된 소스 디버젼 인덕터 구조를 사용하여 50Ω 입력 매칭을 달성하는 동시에 잡음 수치를 2dB 이하로 최적화합니다. 전체 시스템 잡음 수치는 4dB 미만으로 수신기 감도를 크게 향상시킵니다.

또한 중간 주파수 필터는 트랜스 컨덕턴스와 커패시턴스를 통해 이득, 중심 주파수 및 대역폭을 조정하는 5차 체비셰프 Gm-C 복합 필터 구조를 사용합니다. 이 구조는 4MHz 대역폭과 0.55dB의 통과 대역 평탄도로 40dB 이상의 이미지 제거율(IMRR)을 달성하여 시스템의 전파 방해 방지 및 신호 선택 기능을 개선합니다.

2. W-대역 T/R 부품에서 RF 칩의 통합과 과제

밀리미터파 주파수, 특히 W 대역(75~110GHz)에서 RF 칩의 설계는 더 높은 주파수, 더 작은 파장, 더 큰 전송 손실과 같은 문제에 직면합니다. 예를 들어 77GHz 충돌 방지 레이더에서 T/R 부품은 높은 이득, 낮은 잡음, 빠른 스위칭, 높은 집적도를 보여야 합니다. 최근 국내에서 개발된 2송신기 4수신기 SOC RF 칩의 도입으로 밀리미터파 레이더 프론트엔드의 소형화와 비용 절감을 실현할 수 있는 길이 열렸습니다.

이러한 RF 칩은 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 믹서, 위상 시프터, 주파수 합성기 등의 모듈을 통합하여 다중 채널 동시 작동을 지원합니다. 고주파 신호의 무결성을 보장하기 위해 이 칩은 도파관-마이크로스트립 프로브, 수직 전환, BGA-마이크로스트립 라인 변환과 같은 고성능 RF 상호 연결 구조와 결합되어 있습니다. 이 설계는 프로브 구조를 최적화하고 단락 표면을 통합함으로써 72-82GHz 주파수 범위에서 0.2dB 미만의 삽입 손실과 -20dB 이상의 반사 손실로 광대역 성능을 달성하여 시스템 효율을 크게 향상시킵니다.

3. RF 칩 설계의 일반적인 핵심 기술

내비게이션 칩이든 밀리미터파 RF 칩이든 설계 작업은 일반적으로 다음과 같은 핵심 측면에 중점을 둡니다:

낮은 노이즈와 높은 선형성
첫 번째 앰프 스테이지인 LNA는 시스템의 감도를 결정하고, 최종 스테이지 VGA 및 파워 앰프(예: OIP3)의 선형성은 시스템의 다이나믹 레인지와 방해 전파 방지 기능에 영향을 미칩니다. 캐스케이드 게인 최적화와 네거티브 피드백 구조를 통해 노이즈와 선형성 간의 균형을 맞출 수 있습니다.

필터 및 이미지 거부
복잡한 필터는 대역 외 제거 및 통과 대역 평탄도가 신호 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 저중간 주파수 아키텍처에서 매우 중요합니다. 가파른 전이 대역이 있는 체비셰프 구조는 널리 채택되고 있으며 사전 보정 모듈로 더욱 강화되어 IMRR을 개선합니다.

시스템 통합 및 전자기 호환성
고집적 RF 칩은 아날로그와 디지털 회로를 결합하며, 디지털 스위칭 노이즈는 기판 결합을 통해 RF 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 보호 링, 독립 전원 도메인, 레이아웃의 깊은 N-웰 절연과 같은 기술은 노이즈 결합을 효과적으로 억제하고 시스템 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

구성 및 애플리케이션 적응성
최신 RF 칩은 일반적으로 SPI 또는 I²C 인터페이스를 지원하므로 사용자는 다중 모드 내비게이션 또는 레이더 시스템의 다양한 요구 사항에 맞게 게인, 대역폭 및 작동 모드를 동적으로 조정할 수 있습니다.

4. 결론 및 전망

RF 칩은 무선 시스템의 “감각'과 ”음성“ 역할을 하며, 그 성능이 통신, 내비게이션, 레이더 및 기타 장치의 전반적인 수준에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 내비게이션 및 밀리미터파 분야의 국내 RF 칩은 아키텍처 설계 및 회로 최적화에서 시스템 통합에 이르기까지 완전한 링크 자율성을 달성하며 상당한 발전을 이루었습니다. 앞으로 공정 노드가 더욱 축소되고, SiP 및 3D-IC와 같은 패키징 기술이 발전하고, AI 지원 설계 도구가 적용됨에 따라 RF 칩은 더 높은 주파수, 더 낮은 전력 소비, 더 강력한 지능으로 계속 발전하여 중국의 독립적이고 제어 가능한 통신 및 인식 시스템을 견고하게 지원할 것입니다.