IC và Hệ thống Thiết kế Tạo Chùm Pha

| Created: Tháng Mười Một 5, 2020 | Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Giống như các lĩnh vực ứng dụng khác, sự tích hợp đang ngày càng phổ biến và đã giúp giảm kích thước hệ thống một cách đáng kể. Các sản phẩm IoT, viễn thông, ô tô và nhiều lĩnh vực khác đều được hưởng lợi từ sự tích hợp do SoCs và các IC khác cung cấp. Công nghệ RF dựa trên beamforming cũng đang chứng kiến mức độ tích hợp của riêng mình, và một IC beamforming mảng pha là thứ mà một hệ thống nhỏ gọn cần để cung cấp beamforming và, trong các hệ thống có khả năng 5G, MIMO.

5G đã giúp beamforming trở thành một từ khóa công nghệ mới, nhưng beamforming có những ứng dụng ngoài viễn thông. Radar chirped, truyền năng lượng không dây tầm xa, và V2X là một số lĩnh vực nơi beamforming hữu ích để cung cấp truyền dữ liệu/năng lượng tầm xa với kiểm soát hướng. Khi bạn cần kiểm soát mảng pha trong hệ thống mới của mình, hãy xem xét một trong những bộ điều khiển beamforming này.

Kiểm Soát Chùm Tia trong Beamforming Mảng Pha

Beamforming từ một bề mặt phẳng, như một PCB, có thể được thực hiện với một mảng ăng-ten pha. Những ăng-ten này có thể được in trực tiếp trên PCB, hoặc chúng có thể là ăng-ten bên ngoài (ví dụ, ăng-ten cao su). Tín hiệu gửi đến mỗi ăng-ten trong mảng được dịch chuyển pha một chút, và chùm tia được hình thành do sự can thiệp giữa mỗi ăng-ten. Bằng cách đặt đúng độ trễ giữa các tín hiệu gửi đến các ăng-ten khác nhau, bạn có thể kiểm soát hướng của chùm tia kết quả.

IC beamforming mảng pha của bạn kiểm soát độ trễ này giữa các phần tử ăng-ten khác nhau, do đó kiểm soát chùm tia phát ra. Những IC này là các thành phần RF tần số cao thường được kết hợp với các thành phần khác. Sơ đồ khối dưới đây cho thấy kiến trúc điển hình của một đầu vào RF tích hợp với beamforming.

Các khối khác nhau trong sơ đồ này có thể được tích hợp với các mức độ khác nhau trong các thành phần khác nhau. Đối với bộ điều khiển beamforming, một số phần của đầu vào có thể được tích hợp vào IC, vì vậy hãy cẩn thận khi thêm khuếch đại hoặc lọc bổ sung ở đầu ra. Bộ điều khiển beamforming chỉ có thể kết nối với một số lượng nhỏ ăng-ten, vì vậy kiểm soát một mảng lớn hơn đòi hỏi nhiều IC beamforming hơn, có thể với nhiều bộ thu phát. Một mô-đun radar chirped chỉ cần tới 4 ăng-ten vá trung tâm, trong khi một hệ thống MIMO 4x4 hoặc 8x8 có thể cần một mảng lớn ăng-ten để cung cấp beamforming trên nhiều kênh. Một bộ thu phát RF đơn lẻ cũng có thể được sử dụng với một công tắc ăng-ten để mở rộng kích thước của mảng.

Một IC tạo chùm pha (phased array beamforming IC) dễ sử dụng với ghép kênh theo thời gian (TDD) hoặc ghép kênh theo tần số (FDD). Đối với TDD, một công tắc ở đầu ăng-ten chỉ cần chuyển đổi đường dẫn tín hiệu giữa bên nhận (Rx) và bên phát (Tx) của bộ điều khiển tạo chùm pha. Đối với FDD, bạn sẽ cần một cách tiếp cận sáng tạo hơn vì bạn cần gửi và nhận ở các băng tần khác nhau cùng một lúc. Cộng đồng nghiên cứu vẫn đang làm việc trên kiến trúc IC để kích hoạt FDD với tạo chùm trong một đơn vị thu phát đơn. Cho đến khi đó, có các đơn vị thu phát hai kênh cho radio FDD có thể hỗ trợ kiểm soát chùm với nhiều bộ điều khiển tạo chùm pha.

Các Loại Bộ Điều Khiển Tạo Chùm

Ở phía nhận, tạo chùm có hai loại, và bạn sẽ cần chọn các linh kiện của mình để phù hợp với từng loại tạo chùm. Lưu ý rằng các loại tạo chùm khác nhau cũng ảnh hưởng đến bố cục PCB của bạn. Hai loại tạo chùm này là tạo chùm số và tạo chùm tương tự.

Trong tạo chùm tương tự, một trong các tín hiệu Tx được đưa đến một phần tử ăng-ten bằng cách đi qua một phần tử dịch chuyển pha, (ví dụ, bộ lọc và bộ khuếch đại). Hiện nay, tạo chùm tương tự có lẽ là cách tiết kiệm chi phí nhất để xây dựng một mảng tạo chùm, nhưng mỗi bộ điều khiển tạo chùm chỉ có thể được sử dụng với một chùm duy nhất. Trong tạo chùm số, tín hiệu đầu vào tại mỗi phần tử ăng-ten được chuyển đổi thành tín hiệu số với một ADC tích hợp. Điều này cung cấp khả năng tái tạo hướng chính xác hơn của chùm nhận được. Cuối cùng, tạo chùm lai là sự kết hợp giữa hai loại tạo chùm này.

Các bộ điều khiển tạo chùm pha được hiển thị dưới đây đều là các bộ điều khiển tạo chùm tương tự vì tạo chùm số vẫn đang được phát triển và thương mại hóa, hãy mong đợi loại bộ tạo chùm này sẽ trở nên phổ biến rộng rãi trong tương lai.

Renesas, F5260AVGK

Bộ điều khiển tạo chùm F5260AVGK của Renesas là một bộ tạo chùm tương tự 8 kênh hoạt động từ 24 đến 28 GHz. Điều này làm cho nó hữu ích cho các ứng dụng như mô-đun radar cự ly ngắn với độ hướng thấp, ví dụ, cảm biến lùi. Thành phần này hoạt động ở chế độ bán dẫn song với đa cực hóa cho các ứng dụng mảng pha. Dải tần cũng hữu ích trong các ứng dụng 5G với 4x4 MIMO. Mỗi kênh bao gồm kiểm soát lợi ích tích hợp và kiểm soát pha chính xác cho việc điều khiển chùm chính xác với tầm xa. Kiểm soát được thực hiện qua SPI lên đến 50 MHz. Các thành phần khác hoạt động trong các dải tần khác cũng có sẵn trong dòng F5XXX và F6XXX từ Renesas.

Anokiwave, AWMF-0139

IC tạo chùm sóng AWMF-0139 từ Anokiwave là một thành phần khác giúp kích hoạt MU-MIMO quy mô lớn trong 5G, mặc dù tần số đầu ra phù hợp cho radar cự ly ngắn hoặc các ứng dụng RF chuyên biệt khác. Các thành phần khác trong dòng AWMF hỗ trợ các dải tần số khác lên đến 40 GHz. Những thành phần này cũng cung cấp khả năng kiểm soát tăng lực và pha một cách tinh tế, cần thiết cho giao tiếp nửa song công, khiến chúng có khả năng cạnh tranh với thành phần Renesas được trình bày ở trên. Các ứng dụng lý tưởng cho AWMF-0139 bao gồm hệ thống MIMO cho 5G và các công nghệ không dây khác.

Peregrine Semiconductor, PE19601

Bộ điều khiển tạo chùm sóng PE19601 từ Peregrine Semiconductor lý tưởng cho các ứng dụng radar băng X (8-12 GHz) nơi cần tạo chùm sóng (ví dụ, radar cự ly ngắn trong xe mới). Thành phần này cung cấp khả năng khuếch đại tích hợp với độ tuyến tính cao (OIP3 tại +40 dBm) với độ chính xác điều chỉnh pha 10 bit. Sự cách ly giữa mỗi đầu ra dây ăng-ten cũng khá cao (50 dB).

Các Thành Phần Khác cho Tạo Chùm Sóng Pha

Các đầu vào RF đang được tích hợp nhiều hơn bao giờ hết, và ở các tần số cao hơn bao giờ hết. Khi bạn cần thiết kế bảng mạch của mình với kiểm soát và thu nhận tạo chùm sóng pha, đây là một số thành phần khác bạn sẽ cần cho hệ thống của mình:

Việc tạo chùm sóng trở nên dễ dàng hơn nhờ vào các thành phần điều khiển tạo chùm sóng pha. Khi bạn cần tìm các thành phần tạo chùm sóng mới cho sản phẩm RF/không dây tiếp theo của mình, hãy thử sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Octopart cung cấp cho bạn một giải pháp hoàn chỉnh cho việc tìm nguồn cung ứng và quản lý chuỗi cung ứng điện tử. Hãy xem trang bán dẫn RF tích hợp của chúng tôi để bắt đầu tìm kiếm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.