Khi internet vệ tinh trở thành một phần không thể thiếu của cơ sở hạ tầng số mới, nhu cầu về chip RF hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ điện năng thấp đang tăng nhanh chóng. Các chip RF là các thành phần cốt lõi của các trạm thu phát vệ tinh, trực tiếp quyết định hiệu quả truyền tín hiệu và hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Bài viết này, dựa trên kết quả nghiên cứu của “Chip chuyển mạch nguồn băng tần Ka cho Internet vệ tinh,” giới thiệu thiết kế và triển khai của một chip RF băng tần Ka có mức độ tích hợp cao và hiệu suất cao, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng để chế tạo các trạm thu phát internet vệ tinh nhỏ gọn và đáng tin cậy.

1. Yêu cầu kỹ thuật đối với chip RF dùng cho Internet vệ tinh

Các hệ thống internet vệ tinh thường được triển khai tại Quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO), với phạm vi phủ sóng rộng, tốc độ truyền tải cao và độ trễ thấp. Các trạm mặt đất và thiết bị trên quỹ đạo phải hoạt động trong phạm vi Dải tần số Ka-band (27–40 GHz) để đảm bảo việc truyền và nhận tín hiệu ổn định.

Điều này đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt đối với Chip RF:

Tích hợp cao: Giảm thiểu các mạch ngoại vi và linh kiện rời để giảm thiểu độ phức tạp của hệ thống.

Hiệu suất cao: Nâng cao hiệu suất công suất bổ sung (PAE) và giảm tổng mức tiêu thụ điện năng.

Sự thu nhỏ: Cho phép thiết kế các thiết bị đầu cuối nhẹ hơn và gọn gàng hơn.

Độ đồng nhất cao: Đảm bảo tính đồng nhất về biên độ và pha trên nhiều kênh để hệ thống hoạt động ổn định.

2. Kiến trúc chip RF và lựa chọn quy trình sản xuất

Cái Chip RF băng tần Ka trong nghiên cứu này áp dụng một Transistor PHEMT (Transistor có độ di động điện tử cao dạng giả hình) GaAs 90 nm quy trình này, nổi tiếng với độ di động điện tử cao, mật độ công suất lớn và đặc tính tần số cao xuất sắc — khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các mạch khuếch đại công suất và mạch chuyển mạch băng tần Ka.

Con chip này tích hợp một Bộ khuếch đại công suất (PA) và một Công tắc một cực hai vị trí (SPDT) trên một chip, giúp thực hiện đồng thời việc khuếch đại tín hiệu và chuyển mạch kênh.

Các điểm nổi bật chính trong thiết kế bao gồm:

• Bộ khuếch đại công suất ba cấp

Giai đoạn cuối cùng sử dụng một mạng ghép nối tổn thất tối thiểu, trong khi việc khớp đầu vào và khớp giữa các cấp sử dụng mạch phản kháng thông thấp, giúp nâng cao đáng kể hiệu suất đồng thời duy trì độ ổn định của hệ số khuếch đại.

• Công tắc SPDT song song

A Cấu hình song song các đường có bước sóng bằng ¼ kết hợp với hệ thống điều khiển điện áp dương giúp hạn chế tổn thất chèn xuống dưới 1 dB, với một thời gian chuyển mạch ≤ 500 ns.

• Thiết kế theo chuỗi hợp tác

Bằng cách nhúng mạng lưới ghép đôi và lọc Giữa các mô-đun khuếch đại và mô-đun chuyển mạch, tính nhất quán về trở kháng được tối ưu hóa, tổn thất trong mạch nối tiếp được giảm thiểu, và hiệu suất tổng thể của chip được cải thiện.

3. Các chỉ số hiệu suất chính và kết quả thử nghiệm

Con chip RF chỉ có kích thước 2,25 mm × 1,40 mm, thể hiện thành tích xuất sắc trong 27–31 GHz dải tần số:

Độ lợi tín hiệu nhỏ > 22 dB, độ phẳng ±1 dB

Công suất đầu ra tại mức nén 1 dB > 21,5 dBm

Hiệu suất năng lượng bổ sung (PAE) > 32%, vượt trội hơn hầu hết các chip RF băng tần Ka tương tự

Độ ổn định biên độ kênh < 0,5 dB, tính nhất quán pha < 4°

Tổng công suất tiêu thụ < 0,5 W, lý tưởng cho các trạm vệ tinh công suất thấp

Các thử nghiệm xác nhận rằng chip RF đáp ứng các mục tiêu thiết kế về mặt hiệu quả, tích hợp, và độ đồng đều của kênh, khiến nó trở nên rất phù hợp cho bộ phát đầu cuối mạng internet vệ tinh.

4. Giá trị của chip RF trong các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh

Các trạm vệ tinh truyền thống dựa vào bộ khuếch đại công suất rời rạc và công tắc, dẫn đến kích thước lớn hơn, tổn thất giao diện cao hơn và độ ổn định kênh kém hơn.

Đề xuất chip RF băng tần Ka dạng khối giải quyết những vấn đề này thông qua tối ưu hóa ở cấp độ quy trình và cấp độ mạch:

Tích hợp hệ thống: Một con chip duy nhất có thể thay thế nhiều mô-đun, giúp giảm kích thước phần đầu vào.

Hiệu suất được cải thiện: Thiết kế hiệu suất cao và tổn thất thấp giúp nâng cao chất lượng truyền thông tổng thể.

Độ ổn định trong sản xuất hàng loạt: Quy trình sản xuất PHEMT trên nền GaAs đảm bảo hiệu suất chip đồng đều và đáng tin cậy.

Những Chip RF có thể được ứng dụng rộng rãi trong các trạm mặt đất, trạm lắp đặt trên phương tiện, hệ thống thông tin liên lạc trên không, v.v., tạo thành một nền tảng phần cứng để xây dựng các mạng tích hợp không gian–mặt đất hiệu quả và đáng tin cậy.

5. Kết luận và triển vọng

Bài báo này giới thiệu một chip RF băng tần Ka hiệu suất cao được thiết kế riêng cho internet vệ tinh. Dựa trên Công nghệ PHEMT GaAs, con chip này tích hợp mạch khuếch đại công suất và mạch chuyển mạch theo thiết kế nối tiếp, giúp đạt được độ lợi cao, hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn.

Kết quả thí nghiệm đã chứng minh hiệu suất vượt trội của nó trong Dải tần số 27–31 GHz, cho thấy tiềm năng lớn trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế.

Nhìn về tương lai, khi internet vệ tinh ngày càng hòa nhập với Mạng 5G/6G, các chip RF sẽ tiếp tục phát triển theo hướng tần số cao hơn, băng thông rộng hơn, tích hợp đa kênh và kiến trúc có thể tái cấu hình. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào Chip RF tích hợp các cơ chế bảo mật và khả năng định hướng chùm sóng thông minh, thúc đẩy sự phát triển của thế hệ tiếp theo của các hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh.