ชิป RF ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบหลักในระบบสื่อสารไร้สายและระบบนำทางสมัยใหม่ โดยกำหนดความไว ความสามารถในการต้านการรบกวน และระดับการบูรณาการของระบบทั้งหมดโดยตรงด้วยการเชื่อมโยงเครือข่ายอย่างครอบคลุมของระบบนำทางเป่ยโต่วของจีนและการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการสื่อสารคลื่นมิลลิเมตร 5G ความต้องการชิป RF ที่มีประสิทธิภาพสูงและอัตโนมัติสูงกำลังเพิ่มขึ้น บทความนี้สำรวจเส้นทางการนำไปใช้และความท้าทายทางเทคนิคของชิป RF ในสถาปัตยกรรมระบบ การออกแบบวงจรหลัก และการเพิ่มประสิทธิภาพการรวมระบบ โดยมุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้ทั่วไปในระบบนำทางและระบบคลื่นมิลลิเมตร.

1. การประยุกต์ใช้และการออกแบบอิสระของชิป RF ในระบบนำทาง

ในระบบนำทางทั้งทางพลเรือนและทางทหาร ความสามารถในการใช้งานร่วมกันหลายระบบ (เช่น BeiDou, GPS, GLONASS, Galileo) ได้กลายเป็นแนวโน้มการพัฒนาเครื่องรับสัญญาณนำทางแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่พึ่งพาชิปจากต่างประเทศ ซึ่งนำไปสู่ความเสี่ยงด้านห่วงโซ่อุปทานและความปลอดภัยทางเทคนิค เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สถาบันวิจัยในประเทศได้พัฒนาชิป RF สำหรับการนำทางแบบบูรณาการสูงและทำงานอัตโนมัติเต็มรูปแบบ (RFIC) โดยใช้เทคโนโลยี RF-CMOS ซึ่งรวมโมดูลต่างๆ เช่น เครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำ (LNA) เครื่องผสมสัญญาณ ตัวกรองที่ซับซ้อน เครื่องขยายสัญญาณที่มีอัตราขยายปรับได้ (VGA) และ ADCs เข้าด้วยกัน สร้างห่วงโซ่การประมวลผลสัญญาณที่สมบูรณ์ตั้งแต่ RF ไปจนถึงความถี่กลางดิจิทัล.

ชิป RF นี้ใช้สถาปัตยกรรมความถี่กลางต่ำแบบแปลงความถี่ลงขั้นเดียว ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของวงจรรอบข้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพของระบบไว้LNA ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกของสายรับสัญญาณ มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดค่าตัวเลขสัญญาณรบกวนและการจับคู่ความต้านทาน การออกแบบใช้โครงสร้างตัวเหนี่ยวนำการเสื่อมของแหล่งจ่ายร่วมกับเครือข่ายการจับคู่แบบตัวเก็บประจุ-ตัวเหนี่ยวนำเพื่อให้ได้การจับคู่ 50Ω ที่อินพุตในขณะที่ปรับค่าตัวเลขสัญญาณรบกวนให้ต่ำกว่า 2 dB ตัวเลขสัญญาณรบกวนของระบบโดยรวมต่ำกว่า 4 dB ซึ่งช่วยเพิ่มความไวของเครื่องรับได้อย่างมีนัยสำคัญ.

นอกจากนี้ ตัวกรองความถี่กลางยังใช้โครงสร้างตัวกรองเชิงซ้อนแบบเชบิเชฟ Gm-C ลำดับที่ห้า ซึ่งปรับอัตราขยาย ความถี่กลาง และความกว้างของแถบผ่านผ่านทรานส์คอนดักแทนซ์และความจุ โครงสร้างนี้สามารถบรรลุอัตราส่วนการปฏิเสธภาพ (IMRR) ที่ดีกว่า 40 dB ด้วยความกว้างแถบผ่าน 4 MHz และความเรียบของแถบผ่าน 0.55 dB ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการต้านการรบกวนและการเลือกสัญญาณของระบบ.

2. การบูรณาการและความท้าทายของชิป RF ในองค์ประกอบ T/R ช่วงความถี่ W

ในความถี่คลื่นมิลลิเมตร โดยเฉพาะในย่าน W-band (75–110 GHz) การออกแบบชิป RF ต้องเผชิญกับความท้าทาย เช่น ความถี่ที่สูงขึ้น ความยาวคลื่นที่สั้นลง และการสูญเสียการส่งผ่านที่มากขึ้น ตัวอย่างเช่น ในเรดาร์หลีกเลี่ยงการชนที่ความถี่ 77 GHz ส่วนประกอบ T/R จำเป็นต้องแสดงค่าอัตราขยายสูง เสียงรบกวนต่ำ การสลับสัญญาณที่รวดเร็ว และการรวมวงจรสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การนำชิป SOC RF แบบ 2-ทรานสมิตเตอร์ 4-รีซีฟเวอร์ ที่พัฒนาขึ้นในประเทศมาใช้ ได้เปิดแนวทางที่เป็นไปได้สำหรับการย่อขนาดและลดต้นทุนของส่วนหน้าเรดาร์คลื่นมิลลิเมตร.

ชิป RF เหล่านี้รวมโมดูลต่างๆ เช่น เครื่องขยายกำลัง เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ เครื่องผสมสัญญาณ เครื่องเปลี่ยนเฟส และเครื่องสังเคราะห์ความถี่ รองรับการทำงานพร้อมกันหลายช่องสัญญาณ เพื่อรับประกันความสมบูรณ์ของสัญญาณความถี่สูง ชิปเหล่านี้ถูกเชื่อมต่อกับโครงสร้างการเชื่อมต่อ RF ประสิทธิภาพสูง เช่น โพรบแบบเวฟไกด์-ไมโครสตริป การเปลี่ยนผ่านแนวตั้ง และการแปลงจาก BGA เป็นไมโครสตริปลายโดยการปรับโครงสร้างของโพรบให้เหมาะสมและผสานพื้นผิววงจรสั้นเข้าด้วยกัน การออกแบบเหล่านี้สามารถให้ประสิทธิภาพแบบแบนด์วิดท์กว้าง โดยมีค่าการสูญเสียการแทรก (<0.2 dB) และค่าการสูญเสียย้อนกลับที่ดีกว่า –20 dB ในช่วงความถี่ 72–82 GHz ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบได้อย่างมีนัยสำคัญ.

3. เทคโนโลยีหลักที่ใช้ร่วมกันในการออกแบบชิป RF

ไม่ว่าจะเป็นชิปนำทางหรือชิป RF คลื่นมิลลิเมตร ความพยายามในการออกแบบมักจะมุ่งเน้นไปที่แง่มุมหลักต่อไปนี้:

เสียงรบกวนต่ำและความเป็นเชิงเส้นสูง
LNA ซึ่งเป็นขั้นตอนขยายสัญญาณแรก จะกำหนดความไวของระบบ ในขณะที่ความเชิงเส้นของ VGA ในขั้นตอนสุดท้ายและเครื่องขยายกำลัง (เช่น OIP3) จะส่งผลต่อช่วงไดนามิกและความสามารถในการต้านการรบกวนของระบบ ผ่านการปรับเพิ่มประสิทธิภาพการขยายแบบลำดับขั้นและโครงสร้างป้อนกลับเชิงลบ สามารถสร้างสมดุลระหว่างสัญญาณรบกวนและความเชิงเส้นได้.

ตัวกรองและการปฏิเสธภาพ
ตัวกรองที่ซับซ้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งในสถาปัตยกรรมความถี่ต่ำถึงปานกลาง ด้วยการปฏิเสธสัญญาณนอกย่านความถี่และการคงความราบเรียบของย่านความถี่ผ่านที่ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพสัญญาณ โครงสร้างเชบิเชฟฟ์ซึ่งมีย่านการเปลี่ยนผ่านที่ชัน ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายและได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมด้วยโมดูลการปรับเทียบล่วงหน้าที่ช่วยปรับปรุง IMRR.

การบูรณาการระบบและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
ชิป RF ที่มีการรวมระบบสูงรวมวงจรอนาล็อกและดิจิทัลเข้าด้วยกัน และสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ดิจิทัลสามารถส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ RF ผ่านการเชื่อมต่อกับวัสดุฐาน เทคนิคต่างๆ เช่น วงแหวนป้องกัน, โดเมนพลังงานอิสระ, และการแยก N-well อย่างลึกในเลย์เอาต์ สามารถลดการเชื่อมต่อของสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงเสถียรภาพของระบบ.

ความสามารถในการกำหนดค่าและการปรับใช้กับแอปพลิเคชัน
ชิป RF สมัยใหม่โดยทั่วไปรองรับอินเทอร์เฟซ SPI หรือ I²C ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับอัตราขยาย, ความกว้างของแถบความถี่, และโหมดการทำงานได้อย่างยืดหยุ่นเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของระบบนำทางหลายโหมดหรือระบบเรดาร์.

4. บทสรุปและแนวโน้ม

ชิป RF ทำหน้าที่เป็น “ประสาทสัมผัส” และ “เสียง” ของระบบไร้สาย โดยประสิทธิภาพของชิปเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อระดับโดยรวมของการสื่อสาร การนำทาง เรดาร์ และอุปกรณ์อื่นๆ ปัจจุบัน ชิป RF ภายในประเทศในด้านการนำทางและคลื่นมิลลิเมตรได้มีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญ โดยสามารถบรรลุความเป็นอิสระเต็มรูปแบบตั้งแต่การออกแบบสถาปัตยกรรมและการปรับแต่งวงจรไปจนถึงการบูรณาการระบบในอนาคต เมื่อขนาดของโหนดกระบวนการลดลงอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เช่น SiP และ 3D-IC พัฒนาขึ้น และเครื่องมือออกแบบที่ช่วยด้วย AI ถูกนำมาใช้ ชิป RF จะยังคงทำลายขีดจำกัดในด้านความถี่ที่สูงขึ้น การใช้พลังงานที่ต่ำลง และความสามารถทางปัญญาที่แข็งแกร่งขึ้น ซึ่งให้การสนับสนุนที่มั่นคงสำหรับระบบการสื่อสารและการรับรู้ที่จีนสามารถควบคุมได้เอง.