Các chip RF đóng vai trò là thành phần cốt lõi trong các hệ thống truyền thông và định vị không dây hiện đại, trực tiếp quyết định độ nhạy, khả năng chống nhiễu và mức độ tích hợp của toàn bộ hệ thống. Với việc triển khai mạng lưới toàn diện của Hệ thống Định vị BeiDou của Trung Quốc và sự phát triển nhanh chóng của truyền thông sóng milimet 5G, nhu cầu về các chip RF có hiệu suất cao và độ tự chủ cao đang gia tăng. Bài viết này tìm hiểu về lộ trình triển khai và các thách thức kỹ thuật của chip RF trong kiến trúc hệ thống, thiết kế mạch chính và tối ưu hóa tích hợp, tập trung vào các ứng dụng điển hình trong hệ thống định vị và hệ thống sóng milimet.

1. Ứng dụng và thiết kế tự động của chip RF trong các hệ thống định vị

Trong cả hệ thống định vị dân sự và quân sự, khả năng tương thích đa chế độ (như BeiDou, GPS, GLONASS, Galileo) đã trở thành xu hướng phát triển. Các bộ thu định vị truyền thống chủ yếu phụ thuộc vào chip nước ngoài, dẫn đến các rủi ro về chuỗi cung ứng và an ninh kỹ thuật. Để giải quyết vấn đề này, các viện nghiên cứu trong nước đã phát triển một chip RF định vị (RFIC) tích hợp cao, hoàn toàn tự chủ bằng công nghệ RF-CMOS, tích hợp các mô-đun như bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA), bộ trộn, bộ lọc phức tạp, bộ khuếch đại độ lợi biến đổi (VGA) và bộ chuyển đổi ADC, tạo ra một chuỗi xử lý tín hiệu hoàn chỉnh từ RF đến tần số trung gian kỹ thuật số.

Con chip RF này áp dụng kiến trúc tần số trung gian thấp (LIF) chuyển đổi xuống một giai đoạn, giúp giảm đáng kể độ phức tạp của các mạch ngoại vi đồng thời đảm bảo hiệu suất hệ thống. LNA, là giai đoạn đầu tiên của chuỗi thu, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số nhiễu và sự phù hợp trở kháng. Thiết kế sử dụng cấu trúc cuộn cảm suy giảm nguồn kết hợp với mạng phù hợp điện dung-điện cảm để đạt được sự phù hợp đầu vào 50Ω đồng thời tối ưu hóa hệ số nhiễu xuống dưới 2 dB. Hệ số nhiễu tổng thể của hệ thống dưới 4 dB, giúp nâng cao đáng kể độ nhạy của bộ thu.

Ngoài ra, bộ lọc tần số trung gian sử dụng cấu trúc bộ lọc phức Chebyshev Gm-C bậc năm, cho phép điều chỉnh hệ số khuếch đại, tần số trung tâm và băng thông thông qua độ dẫn điện và điện dung. Cấu trúc này đạt được tỷ lệ loại bỏ tín hiệu phản xạ (IMRR) trên 40 dB với băng thông 4 MHz và độ phẳng dải thông là 0,55 dB, từ đó nâng cao khả năng chống nhiễu và chọn lọc tín hiệu của hệ thống.

2. Việc tích hợp và những thách thức của chip RF trong các thành phần thu phát băng tần W

Ở dải tần số sóng milimet, đặc biệt là dải tần W (75–110 GHz), việc thiết kế chip RF phải đối mặt với những thách thức như tần số cao hơn, bước sóng ngắn hơn và tổn thất truyền dẫn lớn hơn. Ví dụ, trong một radar tránh va chạm 77 GHz, các thành phần thu phát (T/R) cần phải có độ lợi cao, độ nhiễu thấp, tốc độ chuyển mạch nhanh và mức độ tích hợp cao. Trong những năm gần đây, sự ra đời của các chip RF SOC 2 bộ phát 4 bộ thu do trong nước phát triển đã mở ra một con đường khả thi để thu nhỏ và giảm chi phí cho các bộ thu sóng radar sóng milimet.

Các chip RF này tích hợp các mô-đun như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, bộ trộn, bộ dịch pha và bộ tổng hợp tần số, hỗ trợ hoạt động đồng thời đa kênh. Để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu tần số cao, các chip được kết hợp với các cấu trúc kết nối RF hiệu suất cao, chẳng hạn như đầu dò ống dẫn sóng-dải vi sóng, các điểm chuyển tiếp dọc và các bộ chuyển đổi từ BGA sang đường truyền dải vi sóng. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc đầu dò và tích hợp các bề mặt ngắn mạch, các thiết kế này đạt được hiệu suất băng thông rộng với tổn thất chèn <0,2 dB và tổn thất phản xạ tốt hơn –20 dB trong dải tần số 72–82 GHz, giúp nâng cao đáng kể hiệu quả của hệ thống.

3. Các công nghệ cốt lõi phổ biến trong thiết kế chip RF

Dù là đối với chip định vị hay chip RF sóng milimet, các nỗ lực thiết kế thường tập trung vào các khía cạnh cốt lõi sau:

Độ ồn thấp và độ tuyến tính cao
Mạch khuếch đại tuyến tính (LNA), với vai trò là cấp khuếch đại đầu tiên, quyết định độ nhạy của hệ thống, trong khi độ tuyến tính của mạch khuếch đại VGA và mạch khuếch đại công suất ở cấp cuối (ví dụ: OIP3) ảnh hưởng đến dải động và khả năng chống nhiễu của hệ thống. Thông qua việc tối ưu hóa hệ số khuếch đại theo cấu trúc nối tiếp và cơ chế phản hồi âm, có thể đạt được sự cân bằng giữa độ nhiễu và độ tuyến tính.

Bộ lọc và loại bỏ hình ảnh
Các bộ lọc phức tạp đóng vai trò quan trọng trong các kiến trúc tần số trung bình-thấp, với khả năng loại bỏ tín hiệu ngoài dải tần và độ phẳng dải thông ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu. Cấu trúc Chebyshev, với dải chuyển tiếp dốc, được áp dụng rộng rãi và được cải tiến thêm bằng các mô-đun hiệu chuẩn trước để nâng cao hệ số IMRR.

Tích hợp hệ thống và Tương thích điện từ
Các chip RF tích hợp cao kết hợp các mạch tương tự và kỹ thuật số, và nhiễu chuyển mạch kỹ thuật số có thể ảnh hưởng đến hiệu suất RF thông qua hiện tượng ghép nối nền. Các kỹ thuật như vòng bảo vệ, vùng nguồn độc lập và cách ly N-well sâu trong thiết kế mạch có thể hiệu quả trong việc giảm thiểu hiện tượng ghép nối nhiễu và nâng cao độ ổn định của hệ thống.

Khả năng tùy chỉnh và khả năng thích ứng với ứng dụng
Các chip RF hiện đại thường hỗ trợ giao diện SPI hoặc I²C, cho phép người dùng điều chỉnh động mức khuếch đại, băng thông và chế độ hoạt động để phù hợp với các nhu cầu đa dạng của các hệ thống định vị đa chế độ hoặc hệ thống radar.

4. Kết luận và Triển vọng

Các chip RF đóng vai trò là “cảm quan” và “tiếng nói” của các hệ thống không dây, với hiệu suất của chúng tác động trực tiếp đến chất lượng tổng thể của các thiết bị truyền thông, định vị, radar và các thiết bị khác. Hiện nay, các chip RF nội địa trong lĩnh vực định vị và sóng milimet đã đạt được những tiến bộ đáng kể, đạt được sự tự chủ toàn diện từ thiết kế kiến trúc và tối ưu hóa mạch đến tích hợp hệ thống. Trong tương lai, khi các nút quy trình tiếp tục thu nhỏ, các công nghệ đóng gói như SiP và 3D-IC phát triển, cùng với việc áp dụng các công cụ thiết kế hỗ trợ bởi AI, chip RF sẽ tiếp tục đột phá ở tần số cao hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và trí tuệ mạnh mẽ hơn, cung cấp sự hỗ trợ vững chắc cho các hệ thống truyền thông và nhận thức độc lập và có thể kiểm soát của Trung Quốc.