Với việc triển khai thương mại 5G-Advanced nhanh chóng và tiến bộ liên tục trong nghiên cứu tiền 6G, các hệ thống thông tin di động đang nhanh chóng phát triển theo hướng dải tần cao hơn, băng thông rộng hơn, khả năng tích hợp cao hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn. Là liên kết cốt lõi của hệ thống truyền thông không dây, giới hạn hiệu suất trên của mặt trận RF xác định trực tiếp dung lượng phủ sóng, tốc độ truyền và hiệu suất năng lượng của mạng.

Từ quan điểm đồng thiết kế giữa các thiết bị nguồn chủ động và các thành phần tần số cao thụ động, bài viết này phân tích những thách thức hiện tại về băng thông rộng, hiệu suất cao và thu nhỏ mà các mặt trận RF phải đối mặt, kết hợp sự phát triển tích hợp của MMIC công suất bán dẫn thế hệ thứ ba và vai trò quan trọng của tụ gốm đa lớp Q cao trong mạng lọc và kết hợp RF. Bài viết này cũng thảo luận về giá trị kỹ thuật của tối ưu hóa cộng tác ở cấp độ thiết bị để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống RF và triển vọng xu hướng phát triển công nghệ của thiết bị RF trong kỷ nguyên 6G.

Từ việc triển khai quy mô lớn các trạm cơ sở vĩ mô 5G, đến triển khai khả năng đường xuống 10 Gbps trong 5G-A và đến các hướng kỹ thuật đã xác định của 6G như terahertz và các bề mặt phản xạ thông minh, mỗi thế hệ lặp lại truyền thông di động đều đặt ra các yêu cầu về hiệu suất ngày càng nghiêm ngặt trên các mặt trận RF. Hiện ngành đang phải đối mặt với 3 thách thức cốt lõi:

Đầu tiên là thách thức về băng thông rộng. Nhu cầu tổng hợp sóng mang đa băng tần trong 5G-A và vùng phủ sóng toàn băng tần dưới 10 GHz trong 6G yêu cầu bộ khuếch đại công suất RF phải có băng thông tức thời rộng. Khó khăn trong thiết kế của việc kết hợp mạng với các thiết bị rời rạc truyền thống đã tăng lên đáng kể và đặc tính đáp ứng tần số của các thiết bị thụ động hạn chế trực tiếp giới hạn băng thông của hệ thống.

Thứ hai là thách thức về hiệu quả năng lượng. Theo mục tiêu "carbon kép", hiệu quả sử dụng năng lượng của trạm cơ sở đã trở thành chỉ số đánh giá cốt lõi cho các nhà khai thác. Việc tối ưu hóa kiến ​​trúc Doherty và công nghệ tiền biến dạng kỹ thuật số đã dần dần tiếp cận nút thắt về mặt lý thuyết. Việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng hơn nữa phải mở rộng sang phía thiết bị, với những nỗ lực đồng thời từ cả quá trình lặp lại quy trình của các chip hoạt động và tối ưu hóa tổn thất của các thiết bị thụ động.

Thứ ba là thách thức thu nhỏ. Khi số lượng kênh Massive MIMO nâng cấp từ 64 lên 128, không gian bên trong của các đơn vị ăng-ten hoạt động (AAU) tiếp tục bị thu hẹp. Tích hợp thiết bị, gắn bề mặt và thu nhỏ đã trở thành xu hướng tất yếu, đặt ra yêu cầu cao hơn về độ tin cậy, tính nhất quán và khả năng tương thích lắp ráp tự động của thiết bị.

Trong bối cảnh này, việc nâng cấp hiệu suất của một thiết bị không còn có thể đáp ứng được nhu cầu ở cấp độ hệ thống. Việc đồng thiết kế và lựa chọn chung các thiết bị nguồn chủ động và thiết bị tần số cao thụ động đã trở thành một con đường quan trọng để vượt qua hiệu suất của các mặt trận RF.

Là thiết bị hoạt động cốt lõi của giao diện RF, lộ trình kỹ thuật của bộ khuếch đại công suất đang nhanh chóng chuyển từ giải pháp bóng bán dẫn rời rạc sang giải pháp MMIC tích hợp đầy đủ. Các thiết bị nguồn bán dẫn thế hệ thứ ba được đại diện bởi các quy trình LDMOS và GaN không chỉ liên tục cải thiện điện áp đánh thủng và công suất đầu ra mà còn thúc đẩy sâu sắc việc tích hợp kiến ​​trúc.

Lấy Doherty MMIC tích hợp đầy đủ ba giai đoạn cho băng tần 5G 3,3–3,8 GHz làm ví dụ. Các giải pháp Doherty rời rạc truyền thống yêu cầu bộ tách nguồn, bộ kết hợp bên ngoài, nhiều bộ mạng phù hợp và mạch phân cực, dẫn đến một số lượng lớn các thành phần BOM, dấu vết PCB lớn và việc kiểm soát tính nhất quán của lắp ráp khó khăn, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định về năng suất và hiệu suất trong sản xuất hàng loạt. Ngược lại, Doherty MMIC tích hợp đầy đủ các bóng bán dẫn sóng mang, bóng bán dẫn đạt đỉnh, bộ chia công suất đầu vào, bộ kết hợp đầu ra và mạng khớp trước trên chip, tất cả chỉ trên một chip, đạt được trở kháng đầu vào 50 Ω và trở kháng đầu ra được tiêu chuẩn hóa, giúp giảm đáng kể khó khăn khi thiết kế khớp bên ngoài.

Giá trị cốt lõi của các thiết bị tích hợp như vậy không chỉ nằm ở việc giảm kích thước mà còn ở khả năng nhân rộng hiệu suất. Mạng kết hợp tích hợp trên chip được nhà sản xuất hiệu chỉnh chính xác, có tính nhất quán giữa các kênh tốt hơn nhiều so với các giải pháp được xây dựng bằng các thiết bị riêng biệt. Trong khi đó, chúng hỗ trợ kiểm soát độ lệch độc lập cho các đường dẫn sóng mang và đường đạt đỉnh, cho phép điều chỉnh linh hoạt sự cân bằng giữa hiệu quả và tuyến tính cho các tình huống ứng dụng khác nhau, thích ứng hoàn hảo với nhu cầu đa dạng của các trạm macro 5G, trạm vi mô và ăng-ten hoạt động MIMO cỡ lớn.

Trong các hệ thống đầu cuối RF, các thiết bị thụ động thường bị bỏ qua nhưng hiệu suất của mạng phối hợp trở kháng, mạch lọc bỏ qua và mạch ghép/chặn DC cuối cùng sẽ quyết định hiệu suất thực tế, độ tuyến tính và độ ổn định vận hành của hệ thống khuếch đại công suất. Trong số đó, tụ gốm nhiều lớp RF (MLCC), là một trong những thiết bị thụ động được sử dụng rộng rãi nhất, có hệ số Q, điện trở nối tiếp tương đương (ESR), độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL) và độ chính xác của điện dung ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất chèn và tính nhất quán tham số của các mạng phù hợp.

Lấy tụ gốm RF Q cao dòng 100B làm ví dụ, họ sử dụng vật liệu điện môi bằng sứ có hệ số nhiệt độ P90, kết hợp với quy trình thiêu kết gốm dày đặc và thiết kế cấu trúc có độ tự cảm ký sinh thấp. Chúng có thể đạt được hệ số Q cao hơn nhiều và tổn thất chèn thấp hơn ở dải tần số cao so với MLCC thông thường. Trong các mạng phối hợp của bộ khuếch đại công suất RF công suất cao, chúng có thể giảm sinh nhiệt và tổn thất hiệu suất do tổn thất thụ động một cách hiệu quả, đồng thời cải thiện hiệu suất tiêu hao tổng thể của bộ khuếch đại công suất.

Đối với các kịch bản có yêu cầu về độ chính xác khác nhau, tụ điện RF Q cao tạo thành một dải dung sai hoàn chỉnh: các thiết bị có cấp độ chính xác ±1% phù hợp với các mạng khớp chính xác và các kịch bản có yêu cầu tuyến tính cao, đảm bảo tính nhất quán của tham số giữa các kênh trong sản xuất hàng loạt và giảm chi phí hiệu chuẩn và gỡ lỗi; các thiết bị có mức dung sai ±2% và ±5% cân bằng hiệu suất và chi phí tương ứng, thích ứng với các loại thiết bị RF công nghiệp và dân dụng khác nhau. Trong khi đó, định mức chịu được điện áp cao từ 500 V trở lên có thể thích ứng hoàn hảo với các mạch phân cực điện áp cao của bộ khuếch đại công suất cao. Kết hợp với công nghệ đầu cuối có độ tin cậy cao bằng chì thiếc, chúng có thể đáp ứng các yêu cầu vận hành ở nhiệt độ rộng từ -55°C đến +175°C và thích ứng với các môi trường ứng dụng khắc nghiệt như trạm gốc, radar và hàng không vũ trụ.

Trong thiết kế kỹ thuật thực tế, việc lựa chọn thiết bị nguồn chủ động và thiết bị thụ động không được thực hiện độc lập. Sự kết hợp hợp tác giữa hai bên là chìa khóa để đạt được hiệu suất hệ thống tối ưu.

Đầu tiên là thiết kế hợp tác kết hợp trở kháng. Các đặc tính trở kháng đầu ra của MMIC công suất xác định cấu trúc liên kết và các tham số thành phần của mạng phù hợp. Các thông số ESR và ESL của tụ điện Q cao cần được đưa vào mô hình mô phỏng khớp tổng thể, thay vì chỉ sử dụng các mô hình tụ điện lý tưởng. Mô phỏng chung bằng cách sử dụng thiết bị thụ động Q cao với các mô hình đo được có thể cải thiện đáng kể tính nhất quán giữa kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế, giảm sự lặp lại thiết kế và rút ngắn chu trình R&D của sản phẩm.

Thứ hai là sự hợp tác kiểm soát sự khoan dung và nhất quán. MMIC công suất tích hợp có tính nhất quán thông số cao. Nếu dung sai của tụ điện phù hợp quá lớn, nó sẽ trở thành nguồn dao động hiệu suất chính của toàn bộ liên kết. Trong thiết kế kênh RF có độ chính xác cao, việc sử dụng tụ điện Q cao có dung sai ±1% kết hợp với MMIC tích hợp có thể kiểm soát dao động khuếch đại giữa các kênh trong một phạm vi rất nhỏ, giúp giảm đáng kể khối lượng công việc hiệu chuẩn của các hệ thống đa kênh MIMO khổng lồ.

Thứ ba là sự hợp tác phù hợp về độ tin cậy. Trong các kịch bản RF công suất cao, nhiệt độ tiếp giáp của bóng bán dẫn điện được dẫn đến các thiết bị thụ động xung quanh thông qua PCB, trong khi các mạch phân cực điện áp cao gây ra ứng suất điện áp dài hạn lên tụ điện. Việc chọn các tụ điện RF có dải nhiệt độ rộng, khả năng chịu điện áp cao và đầu cuối có độ tin cậy cao có thể phù hợp với cấp độ tin cậy của các thiết bị điện, ngăn các thiết bị thụ động trở thành bo mạch ngắn trong tuổi thọ của hệ thống và đảm bảo sự ổn định của thiết bị trong quá trình sử dụng lâu dài.

Đối với kỷ nguyên 6G, mặt trận RF sẽ phát triển theo hướng dải tần cao hơn, khả năng tích hợp cao hơn và trí thông minh cao hơn, đồng thời công nghệ thiết bị cũng sẽ mở ra một vòng chuyển đổi mới.

Ở cấp độ quy trình thiết bị, các quy trình như GaN-on-SiC và GaN-on-Diamond sẽ tiếp tục lặp lại, cải thiện hơn nữa mật độ năng lượng và khả năng tản nhiệt để hỗ trợ công suất đầu ra ở dải tần terahertz. Về phía thiết bị thụ động, vật liệu điện môi và thiết kế cấu trúc có hệ số Q cao hơn và các thông số ký sinh thấp hơn sẽ trở thành trọng tâm R&D để đáp ứng nhu cầu tổn thất thấp của các dải sóng milimet và terahertz.

Ở cấp độ hình thức tích hợp, ranh giới giữa các thành phần chủ động và thụ động sẽ ngày càng mờ nhạt hơn. Hệ thống tần số vô tuyến trong gói (SiP) dựa trên sự tích hợp không đồng nhất và công nghệ đóng gói 3D sẽ trở thành xu hướng chủ đạo, tích hợp các bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, bộ lọc, tụ điện phù hợp và mạng thụ động vào một gói duy nhất để hiện thực hóa việc thu nhỏ và tiêu chuẩn hóa các mặt trận RF.

Ở cấp độ ứng dụng, các công nghệ 6G cốt lõi như mặt trước RF có thể cấu hình lại và bề mặt phản chiếu thông minh sẽ đặt ra các yêu cầu mới về khả năng điều chỉnh và tốc độ phản hồi của thiết bị. Sự kết hợp giữa các thiết bị thụ động Q cao có thể điều chỉnh và các thiết bị nguồn có thể cấu hình lại băng thông rộng sẽ trở thành một hướng quan trọng để khám phá kỹ thuật trong tương lai.

Công nghệ RF và vi sóng là sự hỗ trợ cơ bản của ngành truyền thông không dây. Mỗi bước nhảy vọt của các thế hệ truyền thông không thể tách rời những đột phá công nghệ và đổi mới kỹ thuật của các thiết bị RF. Trong giai đoạn quan trọng của việc tăng cường triển khai thương mại 5G-A và đẩy nhanh quá trình nghiên cứu trước 6G, việc vượt qua giới hạn hiệu suất của các thiết bị đơn lẻ và thúc đẩy việc đồng thiết kế và tối ưu hóa chung các thiết bị nguồn chủ động và thiết bị thụ động Q cao từ góc độ hệ thống là một con đường hiệu quả để vượt qua nút thắt hiệu suất của các mặt trận RF và nâng cao khả năng cạnh tranh tổng thể của ngành. Chúng tôi cũng mong muốn được trao đổi chuyên sâu giữa các đồng nghiệp trong ngành về R&D thiết bị, thiết kế mạch, ứng dụng hệ thống và các khía cạnh khác để cùng nhau thúc đẩy sự tiến bộ không ngừng của công nghệ RF và vi sóng, đồng thời đặt nền tảng phần cứng vững chắc cho các công nghệ truyền thông di động thế hệ tiếp theo.