5G毫米波技術(shù)擁有比4G更大的帶寬，提供更高的傳輸速率與容量，但卻有著傳輸容易衰減的挑戰(zhàn)，故須透過(guò)相位數(shù)組的方式予以解決，而實(shí)現(xiàn)相位數(shù)組技術(shù)，相控整合芯片扮演重要角色。

隨著高數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的爆炸性成長(zhǎng)，為了應(yīng)付越來(lái)越多的數(shù)據(jù)吞吐量和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，第五代移動(dòng)通信(5G)應(yīng)運(yùn)而生。5G頻譜主要分為sub-6GHz和毫米波頻段，其中毫米波頻段最大的優(yōu)點(diǎn)是具有比sub-6GHz數(shù)倍的帶寬，但需克服毫米波信號(hào)在空氣中傳遞損耗大的問(wèn)題，而相位數(shù)組是目前最被接受的解決方案，它是藉由將多路信號(hào)聚焦于空間中一特定方位，形成指向性的波束來(lái)增加信號(hào)傳遞的距離。在此相位數(shù)組前端系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵之零組件即是相控電路。

雙極化毫米波相位數(shù)組

相位數(shù)組在毫米波通信上之使用，主因?yàn)榭朔撩撞ㄓ诳臻g中傳播高損耗之問(wèn)題。多路多天線同頻同時(shí)發(fā)射相同信號(hào)，藉由在不同路之相同信號(hào)加上權(quán)重(Weighting)，在空間中之特定方位同相(In-phase)相加，產(chǎn)生建設(shè)性干涉，使能量形成指向性波束，增加傳輸端的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP)與接收端的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)，進(jìn)而延長(zhǎng)信號(hào)傳遞的距離。

考慮架構(gòu)的復(fù)雜程度與成本，目前應(yīng)用于毫米波之相位數(shù)組，在射頻調(diào)整相位與振幅權(quán)重為大宗，即為射頻波束成形(Radio Frequency Beamforming)^[1]。透過(guò)射頻前端模擬電路的實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行相位與振幅權(quán)重之調(diào)整，產(chǎn)生波束成形之效果。若要執(zhí)行彈性較高的波束成形，每一數(shù)組之天線單元須包含功率放大器、低噪聲放大器、收發(fā)切換開(kāi)關(guān)、相移器與衰減器/可變?cè)鲆娣糯笃鞯饶M控制電路，且天線單元之間間距需小于特定操作頻率之波長(zhǎng)。而天線單元之決定，取決于系統(tǒng)欲掃描之視角，如圖1所示。為避免相位數(shù)組進(jìn)行波束掃描時(shí)，在非主波束方位產(chǎn)生不必要之光柵旁波瓣(Grating Lobe)，造成波束能量不集中與干擾等問(wèn)題，一般天線單元之間的間距會(huì)限制小于或等于半波長(zhǎng)。

圖1、相位數(shù)組掃描視角與天線單元間距之關(guān)系圖

由上述可想而知，在毫米波波長(zhǎng)小與每一天線單元包含多電路之情況下，整合會(huì)是一大難題。此時(shí)，相控電路采用集成電路設(shè)計(jì)整合較為最佳解決方案，藉由整合多路前端相控電路，支持?jǐn)?shù)個(gè)天線單元，同時(shí)整合相關(guān)數(shù)字電路，由于部分?jǐn)?shù)字電路與周邊電路皆可共享，簡(jiǎn)化數(shù)字控制接口，亦可減少所需芯片面積。

另外，毫米波與sub-6GHz最大的不同在于損耗增加，這也使得原在sub-6GHz高秩(High Rank)的情況，在毫米波不易存在。在sub-6GHz可輕易達(dá)到4×4多重輸入多重輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)，甚至8×8 MIMO，于毫米波中將不易做到。因此，在毫米波低秩的情形下，要增加信道容量，使用極化分集(Polarization Dversity)方式，透過(guò)雙極化天線同時(shí)收或送兩正交的信號(hào)(正交信號(hào)其相關(guān)度低)，可達(dá)到2×2 MIMO單一客戶端趨近2倍數(shù)吞吐量。射頻前端系統(tǒng)整合為節(jié)省面積，天線單元采用雙極化之設(shè)計(jì)，同一數(shù)組天線可同時(shí)支持兩極化之輸入與輸出^[2]。

在相控電路中為創(chuàng)造兩獨(dú)立之路徑來(lái)支持極化分集之運(yùn)作，射頻前端模擬電路則須復(fù)制兩套，如圖2所示。可想而知，在有限的面積下，電路增加一倍，其在整合上勢(shì)必面臨困難，再加上需兼顧兩路徑之獨(dú)立性或隔離度，且散熱問(wèn)題也隨著功率放大器的倍增而增加。綜合上述，簡(jiǎn)單歸納幾個(gè)重點(diǎn)：

圖2、雙極化前端相控電路方塊圖

1. 毫米波無(wú)線傳輸衰減大，射頻前端須采用相位數(shù)組，以增加傳輸/通信距離。
2. 毫米波波長(zhǎng)短、天線單元間距小，空間有限情況下相控電路將以整合積體芯片為主。
3. 毫米波低秩環(huán)境下，將采用極化分集方式實(shí)現(xiàn)2×2MIMO。
4. 為節(jié)省印刷電路板繞線面積與減少線路損耗，相控芯片整合兩組獨(dú)立前端電路，以支應(yīng)雙極化前端設(shè)計(jì)。
5. 在有限面積下，相控芯片之整合與散熱問(wèn)題，隨著電路組件倍增而加劇。

相控整合芯片設(shè)計(jì)

在[1]已簡(jiǎn)述相控芯片各組件之關(guān)鍵指針，以下將介紹各組件在文獻(xiàn)上之實(shí)現(xiàn)方法。

?功率放大器(Power Amplifier, PA)

在PA的電路設(shè)計(jì)上，差動(dòng)對(duì)(Differential)為一常見(jiàn)之電路架構(gòu)，其好處是信號(hào)之能量較能集中在差動(dòng)在線，因此對(duì)于噪聲的抗干擾能力較好。而在毫米波段，晶體管本身的寄生效應(yīng)會(huì)對(duì)特性具有較為嚴(yán)重的影響，尤其是閘極到汲極之電容(Cgd)會(huì)使得增益及穩(wěn)定性下降許多。因此，常見(jiàn)的做法為增加一補(bǔ)償電容(Neutralization Capacitor)來(lái)將Cgd抵銷，如圖3^[3]所示，藉此提高增益與穩(wěn)定性。

圖3、Differential Type放大器及補(bǔ)償電容效應(yīng)

而為了有效提升效率，一兩級(jí)功率放大器偏壓點(diǎn)分別操作在Deep Class-AB與High Class-AB被提出^[4]。其中，Deep Class-AB可以提供AM-AM之預(yù)失真使P1dB及PAE的性能提升，然而其卻會(huì)導(dǎo)致AM-PM之特性較差，在輸入端加上一并聯(lián)之PMOS電容可補(bǔ)償AM-PM之失真。另外，也可采用偏壓控制網(wǎng)絡(luò)(Adaptive Bias Network)來(lái)提升PA之效率^[5]，透過(guò)該偏壓網(wǎng)絡(luò)使輸出電壓在小信號(hào)與大信號(hào)操作時(shí)有所不同，進(jìn)而使整體放大器的效率提升。

?低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)

LNA扮演接收端第一級(jí)放大之角色，其噪聲指數(shù)(Noise Figure)與增益將支配整體接收機(jī)的靈敏度，因此設(shè)計(jì)良好的前級(jí)可以有效抑制噪聲并提升信噪比。

如前段所述，在芯片內(nèi)部以差動(dòng)形式布局有利于抑止噪聲，然而為了簡(jiǎn)化印刷電路板上之線路布局，在芯片輸入/輸出之引腳與天線端(一般于印刷電路板上)皆采用單端單端(Single-Ended)。因此，目前應(yīng)用于差動(dòng)毫米波系統(tǒng)的LNA做法主要分為兩種，一種是設(shè)計(jì)成單端(Single-Ended)輸入，差動(dòng)(Differential)輸出的架構(gòu)，第二種則是輸入輸出都為差動(dòng)，最后在輸入端加入巴倫(Balun)的架構(gòu)。

使用單端輸入、差動(dòng)輸出的架構(gòu)，其電路第一級(jí)通常為共源極(Common-source, CS)放大器，第二級(jí)為主動(dòng)巴倫所構(gòu)成^[6]，此架構(gòu)的好處在于CS放大器可以有效的抑制噪聲。輸入輸出都為差動(dòng)的架構(gòu)，其電路第一級(jí)為共閘極(Common-gate, CG)放大器，后方兩級(jí)為迭接(Cascode)電路串接而成^[7]，此架構(gòu)在抑制NF的能力雖然沒(méi)有CS放大器來(lái)的優(yōu)異，輸入阻抗匹配、消耗功率、線性度卻比CS優(yōu)秀，因此也較容易匹配，但使用此架構(gòu)需額外再加上巴倫，因此NF會(huì)再加上巴倫的損耗。

?可變?cè)鲆娣糯笃?Variable Gain Amplifier, VGA)

可調(diào)式增益放大器常見(jiàn)分為模擬電壓控制及數(shù)字控制。常見(jiàn)模擬電壓控制的可調(diào)式增益放大器架構(gòu)為電流導(dǎo)引^[8]以及偏壓控制^[9]，藉此控制偏壓的調(diào)控，造成晶體管的電流變化進(jìn)而影響電路的增益變化以及增益的調(diào)整。

而數(shù)字控制的可調(diào)式增益放大器則是利用多組晶體管的偏壓(0及Vdd)切換，來(lái)影響電流變化實(shí)現(xiàn)增益控制^[8]。另外，采用共柵極(Common-Gate)晶體管長(zhǎng)寬比率(Aspect Ratio)^{[10, 11]}，亦可藉由切換不同晶體管之間的偏壓狀態(tài)來(lái)達(dá)到不同晶體管長(zhǎng)寬比率的變化，將改變晶體管直流(DC)操作點(diǎn)，形成不同的阻抗增益，進(jìn)而做到輸出不同增益變化的目的。

?相移器(Phase Shifter)

目前相移器大致上分為三類，分別為向量和相移器、反射式相移器和切換式相移器。向量和相移器是透過(guò)不同大小的I/Q信號(hào)相加實(shí)現(xiàn)相移功能^[12]。反射式相移器包含一90o耦合器和對(duì)稱的可調(diào)反射負(fù)載，透過(guò)調(diào)整反射負(fù)載進(jìn)而影響信號(hào)的相位變化^[13]。第三類為切換式相移器，由多個(gè)不同相移單元串接而成，相位分辨率由相移單位數(shù)量所決定，藉由切換信號(hào)經(jīng)過(guò)的路徑來(lái)改變相位。在路徑上有不同的相移電路，常見(jiàn)的相移電路是由電容電感組成的T型High Pass和Low Pass以及π型High Pass和Low Pass四種結(jié)構(gòu)，衍生出的切換式相移器有多種，在此舉些例子。圖4為三種不同的切換式相移器，分別采用π型Low Pass結(jié)構(gòu)、T型Low Pass結(jié)構(gòu)以及同時(shí)采用π型High Pass和Low Pass的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)成^[14,15]。由于切換式相移器有無(wú)功耗、無(wú)方向性的限制和控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以目前選用切換式架構(gòu)作為相位數(shù)組系統(tǒng)中的相移器。

圖4、三種切換式相移器電路架構(gòu)圖

掌握5G潛力股 毫米波相控芯片受倚重

工研院資通所團(tuán)隊(duì)于2017年初投入毫米波相控整合芯片開(kāi)發(fā)，初期以GaAs制程之電路設(shè)計(jì)為主，已累積相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)與成果。然而過(guò)程中發(fā)現(xiàn)GaAs在整合與散熱面臨很大的問(wèn)題，在成本與可靠度尚無(wú)法滿足5G小基站之需求，于是在2017年底轉(zhuǎn)往CMOS發(fā)展。圖5與圖6分別為2018年與2019年的四路整合相控芯片開(kāi)發(fā)成果，皆采用TSMC 65nm CMOS制程，前者為支持單極化設(shè)計(jì)，后者為雙極化，表1為其基本規(guī)格。以R&S的矢量信號(hào)發(fā)生器與信號(hào)分析儀，產(chǎn)生的5G調(diào)變信號(hào)測(cè)試單路單極化之輸出，線性輸出功率可達(dá)+2dBm，如圖7。在S參數(shù)量測(cè)結(jié)果顯示，雙極化相控芯片具有完整之相位與振幅控制功能，如圖8。工研院團(tuán)隊(duì)除了致力于芯片開(kāi)發(fā)上，更在毫米波模塊上有多年的實(shí)績(jī)^[2]，圖9為上述相控芯片應(yīng)用于相位數(shù)組天線模塊之實(shí)例，包含(a)電路板正面8×4天線數(shù)組與(b)背面之相控芯片與數(shù)字、電源接口。

圖5、工研院開(kāi)發(fā)之支持單極化四路整合相控芯片(芯片面積：4.9×2.5 mm²)

圖6、工研院開(kāi)發(fā)之支持雙極化四路整合相控芯片(芯片面積：5.2×4.6 mm²)

圖7、以5G調(diào)變信號(hào)測(cè)試單路單極化整合相控芯片

圖8、雙極化整合相控芯片之單路振幅與相位調(diào)控量測(cè)結(jié)果

圖9、工研院開(kāi)發(fā)之相控芯片暨雙極化相位數(shù)組天線模塊

總結(jié)來(lái)說(shuō)，為達(dá)成使用毫米波頻段進(jìn)行通信，相位數(shù)組系目前較佳之解決方案，其中相控電路為關(guān)鍵不可或缺之零組件。前端相控電路需緊密與天線單元結(jié)合，并搭配整體系統(tǒng)，針對(duì)整合、功耗與散熱等問(wèn)題做電路架構(gòu)之優(yōu)化。工研院資通所團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)毫米波39GHz相控芯片，可支持雙極化數(shù)組設(shè)計(jì)，具備波束成形與波束掃描技術(shù)，未來(lái)將持續(xù)進(jìn)行芯片面積與效率之優(yōu)化，希冀能克服目前毫米波通信成本與功耗/散熱之問(wèn)題。

(本文作者皆任職于工研院資通所；該文也于工研院資通所《計(jì)算機(jī)與通信》期刊刊登)