ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการสื่อสารไร้สาย ระบบเรดาร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร ความต้องการระบบ RF ที่มีประสิทธิภาพสูง มีการบูรณาการสูง และขนาดเล็กลงได้กลายเป็นสิ่งจำเป็นเร่งด่วนมากขึ้น ในบริบทนี้, ชิป RF ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบหลักของส่วนรับสัญญาณวิทยุ (RF front-end) และการออกแบบและเทคโนโลยีการสร้างแบบจำลองของพวกเขามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการขับเคลื่อนการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ โดยเฉพาะในยุคหลังมัวร์ ที่การปรับขนาดกระบวนการแบบดั้งเดิมเผชิญกับข้อจำกัด เทคโนโลยีการสร้างแบบจำลองที่ใช้ทรัพย์สินทางปัญญา (IP-based modeling technology) สำหรับ ชิป RF ได้กลายเป็นเส้นทางที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุการปรับปรุงระบบอย่างรวดเร็วและการออกแบบร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพ.

ภูมิหลังและความสำคัญของโมเดล IP ชิป RF

การจำลองแบบ IP ชิป RF หมายถึงการบรรจุฟังก์ชันการทำงาน ประสิทธิภาพ และข้อมูลการจัดวางของชิป RF ลงในแกนทรัพย์สินทางปัญญา (IP) ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ทำให้สามารถเรียกใช้และผสานเข้ากับระบบต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว คล้ายกับแกน IP ดิจิทัล เทคโนโลยีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโมดูลวงจรหลัก เช่น เครื่องขยายกำลังและสวิตช์ ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม เช่น GaAs และ GaN โดยการสร้างแบบจำลองอุปกรณ์ที่แม่นยำและผสมผสานกับการจำลองการจัดวางชิป จึงสามารถสร้าง ไอพีชิป RF ที่สะท้อนถึงลักษณะทั้งหมดของชิป ช่วยให้สามารถออกแบบร่วมกันและทำนายประสิทธิภาพจากระดับอุปกรณ์ไปจนถึงระบบ.

รากฐานทางทฤษฎีของการจำลองชิป RF

การจำลองแบบชิป RF แบ่งออกเป็นหลักเป็นแบบจำลองพฤติกรรมและแบบจำลองกะทัดรัด แบบจำลองพฤติกรรมอิงจากความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตเพื่อสร้างการแมปแบบกล่องดำ ทำให้เหมาะสำหรับการจำลองในระดับระบบ ส่วนแบบจำลองกะทัดรัดนั้นสร้างวงจรเทียบเท่าจากคุณสมบัติทางกายภาพของอุปกรณ์และให้ความหมายทางกายภาพที่ชัดเจนและความสามารถในการปรับขนาด ชิป RF, HEMTs และไดโอด PIN เป็นอุปกรณ์แอคทีฟหลักสองประเภท และกลไกการทำงานและความแม่นยำในการจำลองของพวกมันมีผลกระทบโดยตรงต่อการคาดการณ์ประสิทธิภาพโดยรวมของชิป.

การจำลองแบบสำหรับชิป RF ของเครื่องขยายกำลัง GaAs และ GaN

บทความนี้นำเสนอแบบจำลอง IP สำหรับทั้งชิปแอมพลิไฟเออร์กำลังคลื่นมิลลิเมตร GaAs และชิปแอมพลิไฟเออร์กำลังคลื่น X-band GaN:

ในเทคโนโลยี GaAs: ใช้แบบจำลองเชิงประจักษ์ EEHEMT และผ่านการทดสอบและการปรับให้เหมาะสมของ DC, S-parameters, และลักษณะสัญญาณขนาดใหญ่ ได้สร้างแบบจำลองเครื่องขยายกำลังที่มีความถูกต้องเกิน 90% ในช่วงความถี่ 29-39 GHz.

ในเทคโนโลยี GaN: มีการนำเสนอแบบจำลองการแบ่งส่วนภูมิภาคกึ่งกายภาพ ซึ่งพิจารณาผลกระทบของการเกิดความร้อนในตัวเองและผลกระทบของกับดักอย่างครบถ้วน ความแม่นยำในการทำนายกำลังขับและอัตราขยายในย่านความถี่ X-band มีค่าเกิน 95%.

ทั้งสองแบบจำลองถูกผสานรวมกับการจำลองการจัดวางชิปเพื่อตรวจสอบการนำไปใช้ได้จริงในวงจรจริง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำนายที่สูงของ ไอพีชิป RF ในระบบปฏิบัติการ.

การสำรวจการสร้างแบบจำลองสำหรับชิป RF สวิตช์ PIN

สำหรับชิปสวิตช์ไดโอด PIN ที่ใช้ GaAs เป็นฐาน ได้พัฒนาแบบจำลองทางกายภาพขึ้นโดยเริ่มจากสมการการแพร่แบบไบโพลาร์ โดยพิจารณาผลกระทบจากการปรับการนำไฟฟ้าและการเก็บกักตัวพาหะ จากนั้นได้นำเสนอแบบจำลองในรูปแบบที่แม่นยำทั้งในโดเมนความถี่และโดเมนเวลาผ่านวิธีการประมาณค่า Pade และวิธีวงจรเทียบเท่า เมื่อนำแบบจำลองนี้ไปรวมกับรูปแบบการจัดวางสวิตช์สำหรับการจำลอง พบว่ามีความแม่นยำที่ดีในสถานการณ์สัญญาณขนาดเล็กและบางส่วนของสัญญาณขนาดใหญ่ ซึ่งให้การสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับการสร้าง IP ประเภทสวิตช์ใน ชิป RF.

บทสรุปและแนวโน้มในอนาคต

บทความนี้ศึกษาเทคโนโลยีหลักของการสร้างแบบจำลองบนพื้นฐาน IP อย่างเป็นระบบสำหรับ ชิป RF, ครอบคลุมแนวทางแบบครบวงจรตั้งแต่ฟิสิกส์ของอุปกรณ์ไปจนถึงการจำลองระบบ ด้วยการพัฒนาแบบจำลองที่แม่นยำสำหรับชิปแอมพลิไฟเออร์กำลัง GaAs และ GaN รวมถึงชิปสวิตช์ PIN ทำให้ศักยภาพอันมหาศาลของการสร้างแบบจำลอง IP ในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบและลดระยะเวลาในการวิจัยและพัฒนาได้รับการยืนยันแล้ว.

ในอนาคต, การจำลองแบบ IP ชิป RF เทคโนโลยี ยังคงเผชิญกับความท้าทายและทิศทางการพัฒนาต่อไปนี้:

การปรับปรุงการบรรจบกันของแบบจำลองและความสอดคล้องทางกายภาพให้ดียิ่งขึ้น โดยเฉพาะในแง่ของความจุไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้นและการเชื่อมต่อระหว่างความร้อนและไฟฟ้าในกับดัก.

การพัฒนาเฟรมเวิร์กการจำลองที่มีความหลากหลายและปรับขนาดได้มากขึ้นสำหรับ ชิป RF ที่รองรับการใช้งานแบบหลายกระบวนการ หลายความถี่ และหลายฟังก์ชัน.

เสริมสร้างความเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งระหว่างแบบจำลองกับเครื่องมือ EDA เพื่อส่งเสริมการมาตรฐานและการนำไปใช้แพร่หลายของ ไอพีชิป RF ในอุตสาหกรรม.

โดยสรุป การสร้างแบบจำลองบนพื้นฐานของ IP ของ ชิป RF ไม่เพียงแต่เป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของการพัฒนาเทคโนโลยีเท่านั้น แต่ยังเป็นเครื่องยนต์หลักในการบรรลุการพัฒนาที่มีประสิทธิภาพสูง วงจรสั้น และต้นทุนต่ำสำหรับระบบ RF รุ่นต่อไปอีกด้วย ด้วยการปรับปรุงวิธีการจำลองอย่างต่อเนื่องและการขยายตัวของสถานการณ์การใช้งาน, ไอพีชิป RF จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในสาขาต่างๆ เช่น 5G/6G, การสื่อสารผ่านดาวเทียม และอิเล็กทรอนิกส์เพื่อการป้องกันประเทศ.