工研院資通所 郭芳銚 姜哲揚

第五代行動通訊（5G）為了提升更好之用戶體驗，提高了傳輸速率、降低傳輸延遲與增加鏈結可靠度。隨著第三代合作夥伴計劃（3GPP）於2018年初步完成Release 15的技術規格，加上臺灣5G商轉預計於2020年底進行，5G於毫米波頻段也是勢在必行，未來毫米波前端晶片與模組的需求會逐年上升。使用頻段升高，意味著傳輸損耗之增加，射頻前端則需提供足夠的等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP），才可保持相同的訊號涵蓋範圍。為了克服毫米波的傳輸損耗，5G會使用大規模的陣列天線，同時採用波束成形與波束追蹤技術，其中關鍵元件即為相控電路。

毫米波陣列系統設計考量暨相位陣列晶片製程選擇

毫米波相位陣列

相位陣列技術已發展數十年，過去多運用在軍事、雷達相關用途上[1]。近年由於毫米波的應用蓬勃發展，例如衛星通訊、點對點傳輸、車用雷達與5G等，相位陣列逐漸於民用中興起。相位陣列係使用多天線之系統，由相同訊號分別加上不同權重（weighting），透過不同天線輻射出，在空間中之特定方位同相（in-phase）相加，產生建設性干涉，使能量聚集於該方向，形成波束，進而增加傳輸端的EIRP與接收端的訊雜比（Signal to Noise Ratio, SNR）。
根據權重（也就是相位與振幅）加入的位置，可粗略的區分為類比與數位兩種波束成形架構。其中，類比又可分為在射頻（Radio Frequency, RF）、本地振盪（Local Oscillator, LO）與中頻（Intermediate Frequency, IF）區域作權重調整，各有不同的優缺點[2]。由各個國際大廠Qualcomm、IBM & Ericsson、MediaTek、Samsung、LG等釋出的相關文獻與新聞[3-8]得知，目前5G毫米波係以射頻端做波束成形為主要實現方式，主因不外乎其架構較簡單且成本較低。

相位陣列為了避免在波束掃描時，產生光柵波瓣（grating lobe），造成波束能量不集中與干擾等問題，一般天線單元之間的間距會限制小於或等於半波長。射頻波束成形之相位陣列前端每一天線單元須包含功率放大器、低雜訊放大器、收發切換開關、相移器與衰減器/可變增益放大器，架構如圖1所示。由於毫米波波長小（28GHz/39GHz波長僅10.7 mm/7.69 mm），要將上述這些分散式元件整合至每一天線單元大小內是十分困難的。另外，在毫米波頻段下，訊號除了無線傳輸有大量損耗外，於基板上之傳輸線損耗也是十分可觀的。因此，在相位陣列設計中，會將功率放大器與低雜訊放大器盡量與天線單元緊密結合，避免多餘傳輸線損耗降低系統整體性能。預期的架構為一整合晶片，囊括多組前端電路，可緊密連接四到十六個天線單元，如圖2。擁有低成本與高整合度等優點的矽製程（如：CMOS、BiCMOS等）是毫米波應用的首選，儘管它的輸出功率與效率不及GaAs和GaN等三五族的製程，但矽製程可將數位電路整合於同一單晶片中，原本數量龐大的相位與振幅控制之數位邏輯訊號輸入/輸出埠，簡化成僅三到五個輸入/輸出埠的序列周邊介面（Serial Peripheral Interface, SPI），大幅降低後端數位硬體的整合複雜度。

功耗與散熱

EIRP為電路輸出功率與天線增益的乘積。一個含有M個單元之相位陣列，可額外提供20 Log（M）dB的陣列增益（array gain），這就是空間功率合成（spatial power combining）技術，與一般於基板的傳輸線功率合成相比，少了介質與金屬損耗，相對較為高效。每一個小功率輸出之功率放大器分別饋入獨立天線為一陣列單元，全部輻射功率則為每一陣列單元輻射功率的聚合。以一8×8的陣列天線為例，陣列單元為5 dBi之貼片天線（patch antenna）與10 dBm輸出之功率放大器，其總合EIRP為51 dBm。圖3為陣列單元數目於不同功率放大器輸出功率對EIRP的關係圖，陣列單元數越多，EIRP越大。在EIRP大小固定下，功率放大器輸出功率越大，所需陣列單元數目越少；放大器輸出功率越小，所需陣列單元數目越多。雖然兩者相比，陣列數目少可減少前端電路晶片的用料，或許可降低成本，但輸出功率高則需要消耗較多的直流功率。

另外，由於5G採用正交分頻多工（Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）的調變方式，功率放大器需工作在後退操作點（back-off）才能滿足該調變線性度的要求，後退操作點將會使得直流與射頻功率轉換效率降低，一般功率放大器後退操作點10 dB，其功率轉換效率（Power Added Efficiency, PAE）低於2 %，也就是超過98 %的直流功率全部變成熱。因此，高功率放大器搭配少量陣列單元數，將會面臨較嚴重的散熱問題，散熱系統複雜度與成本會大幅增加。表1以兩顆商用功率放大器為例，一顆線性輸出功率為21 dBm，另一顆則為9 dBm，分別使用4×4與8×8陣列單元，皆可達到50dBm EIRP，但其直流消耗功率卻有將近兩倍的差距，相同條件下的熱模擬分析，前者溫升攝氏295度，後者僅72度。由此可發現使用多陣列單元搭配低功率放大器，可有效避免大直流功耗與散熱問題，也可得知大功率輸出的三五族製程恐無用武之地，相反地，矽製程較為合適。

表1: 相同EIRP下，少陣列單元高功率放大器與多陣列單元低功率放大器比較

毫米波相位陣列晶片所包含的電路組成及設計須考量的問題

相控整合晶片設計

多路相控整合晶片設計，方塊圖如圖4，需整合多個射頻前端電路與數位控制單元，除了佈局本身須注意隔離度問題，每一射頻電路都有其重要指標：

1.功率放大器（Power Amplifier）：通常置放於天線單元前最後一級電路，作為訊號放大提升輸出功率，也是陣列天線中決定EIRP的關鍵元件，亦是其中功耗最大的。在毫米波頻段中，電晶體元件本身直流與射頻訊號轉換效率低，加上5G採用線性度要求高的OFDM調變方式，使得功率放大器設計更加不易。如本文前節所述，大功率輸出並不會是設計重點，線性度與高效率才是關鍵。

2.低雜訊放大器（Low Noise Amplifier）：通常置放於天線單元後第一級電路，作為射頻訊號接收第一級放大器，其雜訊指數（Noise Figure; NF）影響整體系統之接收靈敏度，故設計重點將在放大信號的同時產生盡可能低的雜訊以及失真。

3.收發切換開關（T/R Switch）：有鑑於5G NR毫米波頻段將採用時分雙工（Time-Division Duplexing, TDD），須有切換器轉換發射與接收模態，因此在相位陣列中，收發切換開關為功率放大器、低雜訊放大器與天線單元間的元件，如圖4，故於發射狀態時，切換器之損耗與線性度將會影響最後系統之輸出功率；在接收狀態則會影響雜訊指數與系統接收靈敏度。另外，為避免接收與發射電路產生不穩定甚至振盪的現象，切換器在兩狀態之間的隔離度也是設計重點之一。

4.相移器（Phase Shifter）：相位陣列中控制天線單元相位權重的電路，可調整各路之間相位不一致與波束成形，相位變化的解析度與精準度會影響波束成形之方位精準度、增益、半功率波束寬（Half-Power Beamwidth）與旁波瓣水平（Side-lobe level）。另外，由於電路元件本身之寄生效應，相移器做相位切換時會伴隨振幅的變化，也就是相位控制與振幅控制有相依關係，這在相列陣列中會造成波束成形失真的現象。一般做法會以相移器與可變增益放大器（或衰減器）量測數據來校正，取得一組相位與振幅獨立變化之對照表（lookup table），經由該對照表可產生失真較小甚至無失真之波束。若可在相移器電路設計時，將最小化振幅變化加入考量，即可減少後端校正的時間與成本花費。

5.可變增益放大器（Variable Gain Amplifier）或衰減器（Attenuator）：相位陣列中控制天線單元振幅權重的電路，可調整各路之間振幅不一致與波束塑型（可降低旁波瓣水平或增加半功率波束寬）。與相移器有著相同寄生效應的問題，在振幅調控時相位會隨之變化，此現象會造成波束失真，可透過校正方式解決，亦或於設計初期透過電路設計抑制相位變化。 總結而言，毫米波前端相控晶片需緊密與天線單元結合，其設計須搭配整體系統，針對整合、功耗與散熱等問題做考量，選擇合適製程，再搭配電路設計優化，減少後段整合校正工作，實現高整合、低成本的前端晶片。

[1] R. J. Mailloux, Phased Array Antenna Handbook. Norwood, MA: Artech House, 2005.
[2] Chun-Hsiang Chi, “Millimeter-wave Phased Array Antenna System for 5G Mobile Communication,” ICT Journal, No.162, pp22-29, Jun. 2015.
[3] J. D. Dunworth et al.,“A 28GHz Bulk-CMOS dual-polarization phasedarray transceiver with 24 channels for 5G user and basestation equipment,” in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. （ISSCC） Dig. Tech. Papers, Feb. 2018, pp. 70–71.
[4] Qualcomm. “Qualcomm Announces the Latest and Smallest Additions in its Family of 5G NR mmWave Antenna Modules. Internet: www.qualcomm.com/, Oct. 22, 2018
[5] B. Sadhu et al., “A 28-GHz 32-element TRX phased-array IC with concurrent dual-polarized operation and orthogonal phase and gain control for 5G communications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 52, no. 12, pp. 3373–3391, Dec. 2017.
[6] MediaTek. “MediaTek shows its 5G mmWave antenna design for smartphones. Internet: www.mediatek.com/, Jun. 15, 2018
[7] Roh, W., Seol, J.-Y., Park, J., et al.: ‘Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results’, Commun. Mag., 2014, 52, （2）, pp. 106–113
[8] H.-T. Kim et al., “A 28-GHz CMOS direct conversion transceiver with packaged 2×4 antenna array for 5G cellular system,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 53, no. 5, pp. 1245–1259, May 2018.