高頻通訊IC設計一再突破　5G推動毫米波跨界應用

2020-04-21

Keith Benson

目前全球技術所採用的頻率正在不斷提高。其中毫米波(mmWave)頻率為因應通訊和國防等眾多產業中的嚴苛要求帶來希望。在電信鏈路需要更高的資料速率，因此不斷超出現有技術能力，邁向28GHz和39GHz發展。

不斷增加的高頻IC開發，導致軍用設施在戰場上需要因應的技術量增加。高頻雷達解析度的提高可以更清晰地解析目標，使國防應用(如救助滯留海上的機組人員時)受益。此外，許多專為電信設計的IC，被要求必須具有低成本並且適合大規模生產以便更易於部署。而這些領域需要可驗證解決方案，且在整個應用領域中能正常運作的測試儀器。

本文將簡要介紹共用通用技術將使哪些產業受益、甚或受到影響。更進一步分析IC供應鏈以及IC供應鏈如何因應這些新興需求；同時本文亦將說明毫米波頻率如何協助解決當今的挑戰，再舉例說明相關技術如何使之成為可能。

衛星通訊力助各領域市場發展

為某個不同產業應用創建的技術通常會使多個產業受益。微波爐被公認為是來自一位雷達工程師的功勞，他在測試過程中發現自己的午餐被融化了。如今，人們看到類似情況正在發生，5G電信正試圖實現國防產業利用相控陣列天線所帶來的益處。將來，國防產業很可能又會反過來實現5G進步所帶來的新技術，進而建立起良性循環。

同樣地，衛星通訊也正在經歷一場技術的變革，從地球同步赤道軌道(GEO)或地球靜止軌道衛星轉向探索近地軌道(LEO)衛星，後者將能提供更高的資料傳輸量和對地球更良好的覆蓋率。其原因是在既定網路中，從繞行地球運作的一顆或數顆GEO衛星轉為數千顆衛星。有許多業者正試圖創建因應寬頻網際網路的全新LEO衛星群；而許多爭相提供衛星的公司，正是同一批國防公司，它們擁有完備GEO衛星，這些衛星對於軍用監控和通訊來說可謂至關重要。

這種從為不同目的而創造的技術中受益的循環，已經出現在各個市場中，並還將持續數年。現在，人們將探討為何毫米波頻率對國防和通訊皆有幫助。

資料傳輸量高需求促訊號頻率不斷推升

在過去20年間，隨著行動通訊的蓬勃發展，使得對更高資料速率的需求也不斷成長。每隔幾年就會導入一個新的無線標準來定義新協定以增加資料傳輸量。這些傳輸量的提高，通常與更複雜的調變方案相關，以便同時傳輸多個資訊。隨著調變方案變得更加複雜，傳輸更多資料的能力也正提升。然而，調變複雜度增加到某個程度就不再能顯著改善傳輸量，故訊號調變的常用方法是將其擴展到載波頻率附近的一系列頻率上。因此，提高傳輸量的另一種方法，是將調變訊號(FBW)擴展到更寬的頻率範圍內來增加其頻寬。為了不斷增加可擴展訊號的數量，需要增加載波頻率(FC)以使其不低於直流。透過轉移到更高頻率，以實現同時傳輸更多資料的能力，將應用推向毫米波頻率(圖1)。

5G技術影響電子戰軍事裝備

當今的軍事衝突越來越多以採用電子形式，這引發了電子戰的構想。電子戰的關鍵元件之一是雷達，只需發送一個訊號並等待訊號返回，即可對雷達視野範圍進行測繪。雷達系統已經經歷100多年的發展，而其主要優勢便是能監測和測繪人類看不見的目標物。這使雷達操作員比沒有雷達的對手擁有更大的優勢。因此，雷達技術多年來一直處於持續發展的狀態。如今，雷達應用於日常天氣預報、空中交通管制以及新興應用中，如在汽車產業中利用雷達來偵測汽車與目標物之間的距離。採用UHF和VHF頻率的傳統低頻雷達系統已經被應用於超長距離早期探測雷達，快速移動的飛機更常在X頻段頻率(8GHz至12GHz)運作，進而可以受益於更高解析度和更小尺寸的天線。用於戰鬥機中部署和瞄準導彈的雷達系統通常在Ka頻段(33GHz至37GHz)運作。94GHz下的導向武器和導彈開發也正在不斷增加。雷達系統走向更高頻率具有諸多優勢，人們可以透過查看表徵目標解析能力的距離解析度和角度解析度來瞭解這些優勢。走向更高頻率的第一個優勢，是實現給定角度解析度的天線尺寸將縮小，該解析度是小型軍備安裝的關鍵。從另一個角度來看，對於給定天線尺寸，更高頻率下的角度解析度會增加。雷達的距離解析度與調變頻寬成正比，如上所述，在更高的頻率下會提高距離解析度。因此，由於應用要求更高的解析度，轉向更高頻率將會帶來優勢。

傳統上，國防公司的電子戰系統是於2GHz至18GHz之間運作，其涵蓋S波段、C波段、X波段和Ku波段的雷達。隨著威脅的距離增加，進行偵聽的電子裝置也將增加，直至最終消除威脅為止。人們可以看到，在28GHz和39GHz頻率操作的5G裝置接近用於導彈導向的現有Ka頻段。因此，對電子戰系統的新要求，將擴展到可覆蓋從24GHz到44GHz的5G頻率範圍，並且在這些頻率上將有更多電子手段可考慮用於軍事戰場。通常，電子戰的主要作用是偵聽威脅，然後以電子方式干擾威脅，同時不被發現。由於威脅可能來自各種不同的頻率，因此偵聽裝置(後面緊接著是干擾裝置)需要具備寬廣的操作頻段。

在國防應用中採用多年的關鍵技術已經成為5G電信的理想技術。相位陣列天線技術便適合5G應用，它的多個特性對國防產業也具有價值。這些關鍵屬性包括傳輸多個資料流程或輻射圖的能力。在國防應用中，這使得戰鬥機能夠一次追蹤多個目標，而在5G電信中，可以一次將資料傳輸給多個用戶。同樣地，國防應用需要可將能量對準一個方向的波束，進而降低被攔截或干擾的可能性，電信能夠更高效將資訊定向發送給使用者，進而消耗更低的功耗。幾乎能立即完成波束重新定位的能力讓兩種應用都能受益。深受電信和國防產業青睞的許多其他優勢亦使該技術具有吸引力。

IC設計精小迎高整合度/高性能

當今世界非常依賴行動通訊。支援5G蜂巢式基礎設施的先進技術對於許多電信裝置供應商及其IC供應鏈(圖2)而言，是重要的成長領域。這個巨大的成長機會催生數百萬甚至數十億美元的投資來實現下一代產品的發展。構成這些系統的核心元件是透過網路路由資料的IC。人們可以看到IC供應鏈的各方面都在改變和發展(如圖2所示)；同時，從這些產品可用的晶圓製造製程到最終測試解決方案都可看到，支援這些產品的技術都產生重要的創新。

提供晶圓製造服務的眾多半導體代工廠為IC創造基礎材料，並不斷創新。許多代工廠已經開發出新的製程技術來參與競爭並實現5G新技術。這種改進的示例之一，是轉向比電子束光刻更具成本效益的光學光刻。另一個優勢是可將新功能整合到單個製程節點中，以在價格敏感的市場中競爭。

隨著新製程技術的推出，IC設計也在不斷演進中。透過在單個製程節點中提供新功能，IC設計人員能夠將某些功能組合到一個產品中，或者從核心電晶體中獲得比以前更高的性能。這些趨勢最終導致晶片的整合度提高，並且更易於部署。隨著向毫米波頻率擴展，具吸引力的還包括能利用低成本封裝的優勢，使裝配更容易。毫米波頻率下的傳統國防裝配方式是晶片-引線互連裝配法，即轉換成小型金屬外殼，晶片之間採用引線相互鍵合。這並非大量裝配方法，且通常比表面黏著技術更昂貴。過去幾年一直採用此方法的主要原因來自尺寸限制。但隨著在更小封裝中實現更高整合度和更高的性能，表面黏著更具吸引力。

對於在28GHz和39GHz下的相位陣列天線及其IC，OTA測試等測試解決方案已經成為現實。以前，要測試相位陣列天線，通常需要一個大的電波暗室，它不僅難以構造且價格昂貴。現在這些測試解決方案變得更經濟、更小型化並且現成可用，進而導致可以提供完整天線解決方案，而毋需大量投資，測量最終產品的供應商數量大幅增加。相位陣列天線已經從主要用於國防公司和大學的探索性技術轉變為主流技術，不僅讓旨在抓住5G機遇的電信公司能夠利用此新技術，且能防禦新興國防威脅。現今標準儀器供應商提供的精確測量技術，已可更快解決經驗不足的天線工程師先前面臨的挑戰。這樣一來，業界便可提供更多的毫米波產品，這些產品既可部署在通訊應用中，也可以用於國防應用。通常用於蜂巢式基礎設施的產品在規格和功能上與國防和儀器儀表產業產品的需求接近。而易於獲取的IC和測試解決方案的發展加快最終產品的上市時間，這也大幅降低國防產業中毫米波頻率出現威脅的等級。

5G效應擴及國防/儀器領域

除了會受到影響的儀器儀表和國防產業以外，有廠商如亞德諾半導體(ADI)亦投入開發5G電信解決方案。因應電信市場的產品往往頻段較窄，因此更易於優化性能。國防產業通常需要寬頻寬解決方案，因為在缺乏超前認知的情況下，威脅可能來自多個頻率。

用於28GHz 5G電信基礎設施中的功率放大器(PA)的示例之一是HMC863ALC4，它可覆蓋24GHz至29.5GHz頻率範圍，並能提供大於0.5W的RF功率。PA採用一個小型4mm×4mm表面黏著封裝，可產生接近40dBm的三階交調點(TOI)。性能曲線如圖3所示。

此外，ADI也針對國防和儀器儀表市場開發解決方案，如可覆蓋20GHz至44GHz頻率範圍的ADPA7005，其支援倍頻程範圍工作頻寬，並可在整個工作頻段內提供大於1W的飽和輸出功率；整個頻率範圍上的一致增益標稱值為15dB，使其可以輕鬆整合到完整系統中。此外，40dBm以上時的高TOI是測量或生成高調變輸入訊號的選擇之一。TOI與飽和功率的性能曲線如圖4所示。