毫米波前端关键技术 相控整合芯片居5G要角

2020-09-08 来源:新通讯作者:林彦亨 郑惟中 陈颢轩 姜哲扬 郭芳铫 我要评论(0) 字号:

5G毫米波技术拥有比4G更大的带宽,提供更高的传输速率与容量,但却有着传输容易衰减的挑战,故须透过相位数组的方式予以解决,而实现相位数组技术,相控整合芯片扮演重要角色。

随着高数据传输应用的爆炸性成长,为了应付越来越多的数据吞吐量和无线网络应用需求,第五代移动通信(5G)应运而生。5G频谱主要分为sub-6GHz和毫米波频段,其中毫米波频段最大的优点是具有比sub-6GHz数倍的带宽,但需克服毫米波信号在空气中传递损耗大的问题,而相位数组是目前最被接受的解决方案,它是藉由将多路信号聚焦于空间中一特定方位,形成指向性的波束来增加信号传递的距离。在此相位数组前端系统中,最为关键之零组件即是相控电路。

双极化毫米波相位数组

相位数组在毫米波通信上之使用,主因为克服毫米波于空间中传播高损耗之问题。多路多天线同频同时发射相同信号,藉由在不同路之相同信号加上权重(Weighting),在空间中之特定方位同相(In-phase)相加,产生建设性干涉,使能量形成指向性波束,增加传输端的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP)与接收端的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR),进而延长信号传递的距离。

考虑架构的复杂程度与成本,目前应用于毫米波之相位数组,在射频调整相位与振幅权重为大宗,即为射频波束成形(Radio Frequency Beamforming)[1]。透过射频前端模拟电路的实现,可进行相位与振幅权重之调整,产生波束成形之效果。若要执行弹性较高的波束成形,每一数组之天线单元须包含功率放大器、低噪声放大器、收发切换开关、相移器与衰减器/可变增益放大器等模拟控制电路,且天线单元之间间距需小于特定操作频率之波长。而天线单元之决定,取决于系统欲扫描之视角,如图1所示。为避免相位数组进行波束扫描时,在非主波束方位产生不必要之光栅旁波瓣(Grating Lobe),造成波束能量不集中与干扰等问题,一般天线单元之间的间距会限制小于或等于半波长。

图1、相位数组扫描视角与天线单元间距之关系图

由上述可想而知,在毫米波波长小与每一天线单元包含多电路之情况下,整合会是一大难题。此时,相控电路采用集成电路设计整合较为最佳解决方案,藉由整合多路前端相控电路,支持数个天线单元,同时整合相关数字电路,由于部分数字电路与周边电路皆可共享,简化数字控制接口,亦可减少所需芯片面积。

另外,毫米波与sub-6GHz最大的不同在于损耗增加,这也使得原在sub-6GHz高秩(High Rank)的情况,在毫米波不易存在。在sub-6GHz可轻易达到4×4多重输入多重输出(Multi-input Multi-output, MIMO),甚至8×8 MIMO,于毫米波中将不易做到。因此,在毫米波低秩的情形下,要增加信道容量,使用极化分集(Polarization Dversity)方式,透过双极化天线同时收或送两正交的信号(正交信号其相关度低),可达到2×2 MIMO单一客户端趋近2倍数吞吐量。射频前端系统整合为节省面积,天线单元采用双极化之设计,同一数组天线可同时支持两极化之输入与输出[2]

在相控电路中为创造两独立之路径来支持极化分集之运作,射频前端模拟电路则须复制两套,如图2所示。可想而知,在有限的面积下,电路增加一倍,其在整合上势必面临困难,再加上需兼顾两路径之独立性或隔离度,且散热问题也随着功率放大器的倍增而增加。综合上述,简单归纳几个重点:

图2、双极化前端相控电路方块图

1. 毫米波无线传输衰减大,射频前端须采用相位数组,以增加传输/通信距离。
2. 毫米波波长短、天线单元间距小,空间有限情况下相控电路将以整合积体芯片为主。
3. 毫米波低秩环境下,将采用极化分集方式实现2×2MIMO。
4. 为节省印刷电路板绕线面积与减少线路损耗,相控芯片整合两组独立前端电路,以支应双极化前端设计。
5. 在有限面积下,相控芯片之整合与散热问题,随着电路组件倍增而加剧。

相控整合芯片设计

在[1]已简述相控芯片各组件之关键指针,以下将介绍各组件在文献上之实现方法。

功率放大器(Power Amplifier, PA)

在PA的电路设计上,差动对(Differential)为一常见之电路架构,其好处是信号之能量较能集中在差动在线,因此对于噪声的抗干扰能力较好。而在毫米波段,晶体管本身的寄生效应会对特性具有较为严重的影响,尤其是闸极到汲极之电容(Cgd)会使得增益及稳定性下降许多。因此,常见的做法为增加一补偿电容(Neutralization Capacitor)来将Cgd抵销,如图3[3]所示,藉此提高增益与稳定性。

图3、Differential Type放大器及补偿电容效应

而为了有效提升效率,一两级功率放大器偏压点分别操作在Deep Class-AB与High Class-AB被提出[4]。其中,Deep Class-AB可以提供AM-AM之预失真使P1dB及PAE的性能提升,然而其却会导致AM-PM之特性较差,在输入端加上一并联之PMOS电容可补偿AM-PM之失真。另外,也可采用偏压控制网络(Adaptive Bias Network)来提升PA之效率[5],透过该偏压网络使输出电压在小信号与大信号操作时有所不同,进而使整体放大器的效率提升。

低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)

LNA扮演接收端第一级放大之角色,其噪声指数(Noise Figure)与增益将支配整体接收机的灵敏度,因此设计良好的前级可以有效抑制噪声并提升信噪比。

如前段所述,在芯片内部以差动形式布局有利于抑止噪声,然而为了简化印刷电路板上之线路布局,在芯片输入/输出之引脚与天线端(一般于印刷电路板上)皆采用单端单端(Single-Ended)。因此,目前应用于差动毫米波系统的LNA做法主要分为两种,一种是设计成单端(Single-Ended)输入,差动(Differential)输出的架构,第二种则是输入输出都为差动,最后在输入端加入巴伦(Balun)的架构。

使用单端输入、差动输出的架构,其电路第一级通常为共源极(Common-source, CS)放大器,第二级为主动巴伦所构成[6],此架构的好处在于CS放大器可以有效的抑制噪声。输入输出都为差动的架构,其电路第一级为共闸极(Common-gate, CG)放大器,后方两级为迭接(Cascode)电路串接而成[7],此架构在抑制NF的能力虽然没有CS放大器来的优异,输入阻抗匹配、消耗功率、线性度却比CS优秀,因此也较容易匹配,但使用此架构需额外再加上巴伦,因此NF会再加上巴伦的损耗。

可变增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)

可调式增益放大器常见分为模拟电压控制及数字控制。常见模拟电压控制的可调式增益放大器架构为电流导引[8]以及偏压控制[9],藉此控制偏压的调控,造成晶体管的电流变化进而影响电路的增益变化以及增益的调整。

而数字控制的可调式增益放大器则是利用多组晶体管的偏压(0及Vdd)切换,来影响电流变化实现增益控制[8]。另外,采用共栅极(Common-Gate)晶体管长宽比率(Aspect Ratio)[10, 11],亦可藉由切换不同晶体管之间的偏压状态来达到不同晶体管长宽比率的变化,将改变晶体管直流(DC)操作点,形成不同的阻抗增益,进而做到输出不同增益变化的目的。

相移器(Phase Shifter)

目前相移器大致上分为三类,分别为向量和相移器、反射式相移器和切换式相移器。向量和相移器是透过不同大小的I/Q信号相加实现相移功能[12]。反射式相移器包含一90o耦合器和对称的可调反射负载,透过调整反射负载进而影响信号的相位变化[13]。第三类为切换式相移器,由多个不同相移单元串接而成,相位分辨率由相移单位数量所决定,藉由切换信号经过的路径来改变相位。在路径上有不同的相移电路,常见的相移电路是由电容电感组成的T型High Pass和Low Pass以及π型High Pass和Low Pass四种结构,衍生出的切换式相移器有多种,在此举些例子。图4为三种不同的切换式相移器,分别采用π型Low Pass结构、T型Low Pass结构以及同时采用π型High Pass和Low Pass的结构来达成[14,15]。由于切换式相移器有无功耗、无方向性的限制和控制简单的优点,所以目前选用切换式架构作为相位数组系统中的相移器。

图4、三种切换式相移器电路架构图

掌握5G潜力股 毫米波相控芯片受倚重

工研院资通所团队于2017年初投入毫米波相控整合芯片开发,初期以GaAs制程之电路设计为主,已累积相关设计技术与成果。然而过程中发现GaAs在整合与散热面临很大的问题,在成本与可靠度尚无法满足5G小基站之需求,于是在2017年底转往CMOS发展。图5与图6分别为2018年与2019年的四路整合相控芯片开发成果,皆采用TSMC 65nm CMOS制程,前者为支持单极化设计,后者为双极化,表1为其基本规格。以R&S的矢量信号发生器与信号分析仪,产生的5G调变信号测试单路单极化之输出,线性输出功率可达+2dBm,如图7。在S参数量测结果显示,双极化相控芯片具有完整之相位与振幅控制功能,如图8。工研院团队除了致力于芯片开发上,更在毫米波模块上有多年的实绩[2],图9为上述相控芯片应用于相位数组天线模块之实例,包含(a)电路板正面8×4天线数组与(b)背面之相控芯片与数字、电源接口。

图5、工研院开发之支持单极化四路整合相控芯片(芯片面积:4.9×2.5 mm2)

图6、工研院开发之支持双极化四路整合相控芯片(芯片面积:5.2×4.6 mm2)

图7、以5G调变信号测试单路单极化整合相控芯片

图8、双极化整合相控芯片之单路振幅与相位调控量测结果

图9、工研院开发之相控芯片暨双极化相位数组天线模块

总结来说,为达成使用毫米波频段进行通信,相位数组系目前较佳之解决方案,其中相控电路为关键不可或缺之零组件。前端相控电路需紧密与天线单元结合,并搭配整体系统,针对整合、功耗与散热等问题做电路架构之优化。工研院资通所团队已经成功开发毫米波39GHz相控芯片,可支持双极化数组设计,具备波束成形与波束扫描技术,未来将持续进行芯片面积与效率之优化,希冀能克服目前毫米波通信成本与功耗/散热之问题。

(本文作者皆任职于工研院资通所;该文也于工研院资通所《计算机与通信》期刊刊登)

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