Với sự ứng dụng rộng rãi của công nghệ sóng milimet trong các lĩnh vực như radar tránh va chạm, điện tử ô tô và giao thông đường sắt, dải tần W-band (75–110 GHz) đã dần trở thành dải tần lý tưởng cho các hệ thống radar tầm ngắn nhờ băng thông rộng, độ phân giải cao và khả năng tích hợp dễ dàng. Là cốt lõi của thành phần thu phát, hiệu suất của chip RF quyết định trực tiếp khả năng phát hiện và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống radar. Bài viết này tập trung vào thiết kế hệ thống thành phần T/R dựa trên chip RF SOC băng tần W, cung cấp một cuộc thảo luận toàn diện từ việc lựa chọn chip, thiết kế kiến trúc hệ thống, đến mô phỏng và triển khai các cấu trúc kết nối RF chính.

1. Phát triển chip tần số vô tuyến băng tần W và những lợi thế của việc tích hợp hệ thống

Trong những năm gần đây, cả thị trường trong nước và quốc tế đều đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển các chip RF băng tần W đa kênh, tích hợp cao. Ví dụ, Gatlian Microelectronics đã ra mắt chip RF CMOS 77 GHz thực hiện cấu hình “2 bộ phát, 4 bộ thu” với mức độ tích hợp mật độ cao, góp phần thúc đẩy mạnh mẽ quá trình thu nhỏ kích thước và giảm chi phí cho các hệ thống radar trên xe. Các chip RF này tích hợp các mô-đun quan trọng như bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, bộ khuếch đại công suất, bộ trộn, vòng khóa pha và bộ dịch pha, mang lại khả năng khuếch đại cao, tiếng ồn thấp và chuyển mạch nhanh, đặt nền tảng vững chắc cho việc đóng gói các thành phần T/R ở cấp hệ thống.

So với các hệ thống truyền thống được chế tạo từ các linh kiện rời rạc, việc sử dụng chip RF SOC không chỉ giúp giảm đáng kể kích thước hệ thống mà còn làm giảm độ phức tạp và mức tiêu thụ điện năng, từ đó nâng cao độ tin cậy tổng thể và hiệu quả sản xuất.

2. Kiến trúc hệ thống thành phần thu phát và thiết kế liên kết tần số vô tuyến

Thành phần thu phát (T/R) được thiết kế trong bài báo này áp dụng kiến trúc “2T4R” và hoạt động trong dải tần số 75–80 GHz, với khả năng điều chế FMCW. Hệ thống sử dụng chip RF SOC tích hợp cao làm lõi, cùng với các thành phần xung quanh bao gồm bảng mạch in nhiều lớp (PCB), giao diện ống dẫn sóng, mạch quản lý nguồn và mạch điều khiển để đảm bảo chức năng thu phát hoàn chỉnh.

Trong chuỗi thu, các tín hiệu yếu thu được từ ăng-ten được đưa vào qua cấu trúc đầu dò ống dẫn sóng-dải vi, được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, trộn với tín hiệu dao động cục bộ và chuyển đổi xuống dải tần cơ sở. Sau khi lọc và điều khiển độ lợi, tín hiệu được xuất ra. Chuỗi truyền tín hiệu thực hiện quy trình ngược lại, chuyển đổi tín hiệu dải cơ sở sang tần số cao hơn và khuếch đại nó trước khi phát ra qua ăng-ten. Các thông số chính như hệ số nhiễu, độ lợi và độ tuyến tính của toàn bộ chuỗi được kiểm tra và tối ưu hóa thông qua mô phỏng hệ thống.

3. Thiết kế và mô phỏng các cấu trúc kết nối RF chính

Để đảm bảo việc truyền dẫn hiệu quả các tín hiệu tần số cao trong các bảng mạch in nhiều lớp, bài báo này tập trung vào việc thiết kế ba loại cấu trúc kết nối RF:

Sự chuyển tiếp giữa đầu dò ống dẫn sóng và đầu dò dải vi sóng: Để giải quyết vấn đề tổn hao tần số cao trong dải tần W-band, một cấu trúc đầu dò ghép điện từ dạng kim mảnh đã được đề xuất, với bề mặt ngắn mạch được tích hợp trực tiếp trên bảng mạch in (PCB). Kết quả mô phỏng cho thấy tổn hao chèn trong dải tần 72,3–82,5 GHz dưới 0,2 dB, cùng với tổn hao phản xạ xuất sắc ở mức tốt hơn -20 dB, chứng tỏ các đặc tính băng rộng tốt và khả năng chịu dung sai trong quá trình sản xuất.

Cấu trúc chuyển tiếp dọc: Sơ đồ kết nối dọc “GCPW-coaxial-GCPW” đã được áp dụng để triệt tiêu hiệu quả hiện tượng rò rỉ điện từ và biến dạng chế độ ở tần số cao. Cấu trúc này duy trì mức tổn thất phản xạ tốt hơn -16 dB trên toàn dải thông dưới 100 GHz, với tổn thất chèn chỉ 0,42 dB ở tần số 40 GHz, nhờ đó phù hợp cho việc tích hợp hệ thống mật độ cao.

Cấu trúc chuyển tiếp từ BGA sang dải vi mạch: Đối với việc đóng gói chip RF theo kiểu BGA, một cấu trúc chuyển đổi từ GCPW sang đường truyền vi dải kèm theo mạch bù đã được thiết kế, giúp loại bỏ thành công điện dung phụ do các quả cầu hàn gây ra. Trong dải tần 72–106 GHz, hệ số suy hao phản xạ đạt mức tốt hơn -15 dB, với dải tần mục tiêu có giá trị dưới -20 dB và hệ số suy hao chèn là 0,4 dB.

4. Mô phỏng hệ thống và kiểm tra hiệu năng

Các mô phỏng cấp hệ thống cho toàn bộ liên kết thu phát đã được thực hiện bằng phần mềm ADS. Kênh thu, trong dải tần 75–80 GHz, cho thấy hệ số nhiễu là 11,324 dB và độ lợi là 57,602 dB, đảm bảo tín hiệu đầu ra băng tần cơ sở thuần khiết. Kênh truyền đạt được độ lợi 24,602 dB, với công suất đầu ra vượt quá 5 dBm, đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Kết quả mô phỏng xác nhận tính khả thi và ưu việt của chip RF được thiết kế cùng các cấu trúc kết nối của nó trong các hệ thống tần số cao.

5. Tóm tắt và Triển vọng

Dựa trên các chip RF SOC băng tần W, bài báo này đã thiết kế và mô phỏng thành công một hệ thống linh kiện thu phát (T/R) hiệu suất cao, kích thước siêu nhỏ. Thông qua việc tối ưu hóa các cấu trúc chính như đầu dò ống dẫn sóng, các đoạn chuyển tiếp dọc và các kết nối BGA, hệ thống này đạt được các đặc tính tổn hao thấp, băng thông rộng và mức độ tích hợp cao. Trong tương lai, với sự phát triển ngày càng hoàn thiện của quy trình sản xuất chip RF và sự đổi mới liên tục trong công nghệ đóng gói, các thành phần T/R băng tần W sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong các lĩnh vực như lái xe tự động, giao thông thông minh và điều hướng máy bay không người lái.