Радиочастотные чипы служат основным компонентом современных систем беспроводной связи и навигации, напрямую определяя чувствительность, возможность защиты от помех и уровень интеграции всей системы. В связи со всесторонним развитием китайской навигационной системы BeiDou и стремительным развитием миллиметроволновой связи 5G растет спрос на высокопроизводительные и высокоавтономные радиочастотные чипы. В этой статье рассматриваются пути реализации и технические проблемы радиочастотных чипов в системной архитектуре, проектировании ключевых схем и оптимизации интеграции с упором на типичные приложения в навигации и системах миллиметровых волн.

1. Применение и автономное проектирование радиочастотных чипов в навигационных системах

Как в гражданских, так и в военных навигационных системах тенденцией развития стала многорежимная совместимость (например, BeiDou, GPS, ГЛОНАСС, Galileo). Традиционные навигационные приемники в значительной степени зависят от иностранных чипов, что приводит к рискам, связанным с цепочкой поставок и технической безопасностью. Для решения этой проблемы отечественные исследовательские институты разработали высокоинтегрированный, полностью автономный навигационный радиочастотный чип (RFIC) с использованием технологии RF-CMOS, объединяющий такие модули, как малошумящие усилители (LNA), смесители, сложные фильтры, усилители с переменным коэффициентом усиления (VGA) и АЦП, создавая полную цепь обработки сигнала от РЧ до цифровой промежуточной частоты.

В этом радиочастотном чипе применена одноступенчатая архитектура понижающего преобразования низкой промежуточной частоты, что позволяет эффективно снизить сложность периферийных схем и одновременно обеспечить производительность системы. МШУ, являющийся первым каскадом в цепи приемника, играет решающую роль в определении коэффициента шума и согласования импеданса. В конструкции используется структура индуктивности с дегенерацией источника в сочетании с емкостно-индуктивной согласующей сетью для достижения согласования с входом 50 Ом при оптимизации коэффициента шума до уровня ниже 2 дБ. Общий коэффициент шума системы составляет менее 4 дБ, что значительно повышает чувствительность приемника.

Кроме того, в фильтре промежуточной частоты используется сложная структура фильтра пятого порядка Чебышева Gm-C, которая регулирует коэффициент усиления, центральную частоту и полосу пропускания с помощью транскондуктивности и емкости. Эта структура позволяет достичь коэффициента подавления изображения (IMRR) более 40 дБ при полосе пропускания 4 МГц и плоскостности полосы пропускания 0,55 дБ, что улучшает возможности системы по защите от помех и селекции сигналов.

2. Интеграция и проблемы ВЧ-чипов в T/R-компоненты W-диапазона

В диапазоне миллиметровых волн, особенно в W-диапазоне (75-110 ГГц), разработка радиочастотных микросхем сталкивается с такими проблемами, как более высокие частоты, меньшие длины волн и большие потери при передаче. Например, в радаре для предотвращения столкновений, работающем на частоте 77 ГГц, компоненты T/R должны обладать высоким коэффициентом усиления, низким уровнем шума, быстрым переключением и высокой степенью интеграции. В последние годы отечественные микросхемы SOC RF с двумя передатчиками и четырьмя приемниками открыли путь к миниатюризации и снижению стоимости фронтальных устройств радаров миллиметровых волн.

В эти радиочастотные микросхемы интегрированы такие модули, как усилители мощности, малошумящие усилители, смесители, фазовращатели и синтезаторы частот, поддерживающие одновременную работу нескольких каналов. Чтобы обеспечить целостность высокочастотных сигналов, микросхемы соединяются с высокопроизводительными ВЧ-соединительными структурами, такими как волноводно-микрополосковые пробники, вертикальные переходы и преобразования BGA в микрополосковые линии. Оптимизация структуры зондов и интеграция поверхностей короткого замыкания позволяют достичь широкополосных характеристик со вносимыми потерями <0,2 дБ и возвратными потерями лучше -20 дБ в диапазоне частот 72-82 ГГц, что значительно повышает эффективность системы.

3. Общие ключевые технологии в проектировании радиочастотных микросхем

Будь то навигационные или радиочастотные чипы миллиметрового диапазона, усилия по проектированию обычно сосредоточены на следующих основных аспектах:

Низкий уровень шума и высокая линейность
МШУ, как первый каскад усилителя, определяет чувствительность системы, а линейность VGA и усилителя мощности (например, OIP3) последнего каскада влияет на динамический диапазон системы и способность защиты от помех. Благодаря каскадной оптимизации коэффициента усиления и структурам с отрицательной обратной связью можно достичь баланса между шумами и линейностью.

Фильтры и отклонение изображения
Сложные фильтры имеют решающее значение в архитектурах с низкими и средними частотами, поскольку их внеполосное отклонение и плоскостность полосы пропускания напрямую влияют на качество сигнала. Структура Чебышева с ее крутой переходной полосой широко применяется и дополнительно расширяется модулями предварительной калибровки для улучшения IMRR.

Системная интеграция и электромагнитная совместимость
Высокоинтегрированные радиочастотные микросхемы сочетают в себе аналоговые и цифровые схемы, и цифровой коммутационный шум может влиять на характеристики РЧ-системы через связь с подложкой. Такие методы, как защитные кольца, независимые домены мощности и глубокая изоляция N-лунок в макетах, могут эффективно подавить шумовую связь и повысить стабильность системы.

Конфигурируемость и адаптируемость приложений
Современные радиочастотные микросхемы, как правило, поддерживают интерфейсы SPI или I²C, позволяя пользователям динамически регулировать усиление, полосу пропускания и режимы работы, чтобы адаптироваться к изменяющимся потребностям многорежимных навигационных или радарных систем.

4. Заключение и перспективы

Радиочастотные чипы выступают в роли “органов чувств” и “голоса” беспроводных систем, а их производительность напрямую влияет на общий уровень коммуникационных, навигационных, радарных и других устройств. В настоящее время отечественные радиочастотные чипы в области навигации и миллиметровых волн добились значительного прогресса, достигнув полной автономности от проектирования архитектуры и оптимизации схем до системной интеграции. В будущем, по мере дальнейшего уменьшения технологических узлов, развития технологий упаковки, таких как SiP и 3D-IC, и применения инструментов проектирования, основанных на искусственном интеллекте, радиочастотные чипы будут продолжать прорываться вперед в области более высоких частот, более низкого энергопотребления и более сильного интеллекта, обеспечивая надежную поддержку независимых и управляемых китайских систем связи и восприятия.