Os chips de RF são o componente central dos modernos sistemas de comunicação e navegação sem fios, determinando diretamente a sensibilidade, a capacidade anti-bloqueio e o nível de integração de todo o sistema. Com a rede abrangente do sistema de navegação BeiDou da China e o rápido desenvolvimento da comunicação 5G de ondas milimétricas, a procura de chips RF de alto desempenho e altamente autónomos está a aumentar. Este artigo explora o caminho de implementação e os desafios técnicos dos chips de RF na arquitetura do sistema, conceção de circuitos chave e otimização da integração, centrando-se em aplicações típicas em sistemas de navegação e de ondas milimétricas.

1. Aplicação e Conceção Autónoma de Chips RF em Sistemas de Navegação

Tanto nos sistemas de navegação civis como nos militares, a compatibilidade multimodal (como BeiDou, GPS, GLONASS, Galileo) tornou-se uma tendência de desenvolvimento. Os receptores de navegação tradicionais têm dependido em grande medida de chips estrangeiros, o que acarreta riscos para a cadeia de abastecimento e para a segurança técnica. Para resolver este problema, as instituições de investigação nacionais desenvolveram um chip de RF de navegação altamente integrado e totalmente autónomo (RFIC) utilizando a tecnologia RF-CMOS, integrando módulos como amplificadores de baixo ruído (LNA), misturadores, filtros complexos, amplificadores de ganho variável (VGA) e ADC, criando uma cadeia completa de processamento de sinais desde a RF até à frequência intermédia digital.

Este chip RF adopta uma arquitetura de conversão descendente de frequência baixa-intermédia de uma fase, reduzindo eficazmente a complexidade dos circuitos periféricos e assegurando simultaneamente o desempenho do sistema. O LNA, como primeiro estágio da cadeia do recetor, é crucial para determinar a figura de ruído e a correspondência de impedância. O projeto utiliza uma estrutura indutora de degeneração da fonte combinada com uma rede de emparelhamento capacitivo-indutivo para obter um emparelhamento de entrada de 50Ω, optimizando simultaneamente o valor do ruído para menos de 2 dB. A figura de ruído global do sistema é inferior a 4 dB, melhorando significativamente a sensibilidade do recetor.

Além disso, o filtro de frequência intermédia utiliza uma estrutura de filtro complexo Chebyshev Gm-C de quinta ordem, que ajusta o ganho, a frequência central e a largura de banda através da transcondutância e da capacitância. Esta estrutura atinge um rácio de rejeição de imagem (IMRR) superior a 40 dB com uma largura de banda de 4 MHz e uma planicidade de banda passante de 0,55 dB, melhorando as capacidades anti-interferência e de seleção de sinal do sistema.

2. Integração e desafios dos chips de RF em componentes T/R de banda W

Nas frequências de ondas milimétricas, especialmente na banda W (75-110 GHz), a conceção de chips de RF enfrenta desafios como frequências mais elevadas, comprimentos de onda mais pequenos e maiores perdas de transmissão. Por exemplo, num radar de prevenção de colisões de 77 GHz, os componentes T/R têm de apresentar um elevado ganho, baixo ruído, comutação rápida e elevada integração. Nos últimos anos, a introdução de chips SOC RF de 2 transmissores e 4 receptores desenvolvidos internamente proporcionou um caminho viável para a miniaturização e redução de custos de frontends de radar de ondas milimétricas.

Estes chips de RF integram módulos como amplificadores de potência, amplificadores de baixo ruído, misturadores, deslocadores de fase e sintetizadores de frequência, suportando o funcionamento simultâneo de vários canais. Para garantir a integridade dos sinais de alta frequência, os chips são acoplados a estruturas de interconexão de RF de alto desempenho, como sondas de guia de onda-microstrip, transições verticais e conversões de linha BGA para microstrip. Ao otimizar as estruturas das sondas e ao integrar superfícies de curto-circuito, estas concepções atingem um desempenho de banda larga com uma perda de inserção <0,2 dB e uma perda de retorno superior a -20 dB na gama de frequências de 72-82 GHz, melhorando significativamente a eficiência do sistema.

3. Tecnologias-chave comuns na conceção de chips de RF

Quer se trate de chips de navegação ou de chips de RF de ondas milimétricas, os esforços de conceção centram-se geralmente nos seguintes aspectos fundamentais:

Baixo ruído e alta linearidade
O LNA, como primeira fase do amplificador, determina a sensibilidade do sistema, enquanto a linearidade do VGA e do amplificador de potência da fase final (por exemplo, OIP3) afecta a gama dinâmica e a capacidade anti-interferência do sistema. Através da otimização do ganho em cascata e de estruturas de feedback negativo, é possível obter um equilíbrio entre ruído e linearidade.

Filtros e rejeição de imagens
Os filtros complexos são cruciais nas arquitecturas de baixa frequência intermédia, sendo que a sua rejeição fora da banda e a planicidade da banda passante afectam diretamente a qualidade do sinal. A estrutura Chebyshev, com sua banda de transição íngreme, é amplamente adotada e aprimorada com módulos de pré-calibração para melhorar o IMRR.

Integração de sistemas e compatibilidade electromagnética
Os chips de RF altamente integrados combinam circuitos analógicos e digitais, e o ruído de comutação digital pode afetar o desempenho de RF através do acoplamento do substrato. Técnicas como anéis de proteção, domínios de potência independentes e isolamento profundo de N poços em layouts podem suprimir eficazmente o acoplamento de ruído e melhorar a estabilidade do sistema.

Configurabilidade e adaptabilidade da aplicação
Os chips RF modernos suportam geralmente interfaces SPI ou I²C, permitindo aos utilizadores ajustar dinamicamente o ganho, a largura de banda e os modos operacionais para se adaptarem às diferentes necessidades dos sistemas de navegação ou radar multimodo.

4. Conclusão e perspectivas

Os chips de RF actuam como os “sentidos” e a “voz” dos sistemas sem fios, com o seu desempenho a afetar diretamente o nível geral de comunicação, navegação, radar e outros dispositivos. Atualmente, os chips RF domésticos nos domínios da navegação e das ondas milimétricas fizeram progressos significativos, alcançando uma autonomia total desde a conceção da arquitetura e a otimização dos circuitos até à integração do sistema. No futuro, à medida que os nós de processamento diminuírem ainda mais, as tecnologias de embalagem como a SiP e a 3D-IC evoluírem e as ferramentas de conceção assistida por IA forem aplicadas, os chips RF continuarão a avançar em frequências mais elevadas, menor consumo de energia e maior inteligência, proporcionando um apoio sólido aos sistemas de comunicação e perceção independentes e controláveis da China.