千兆位元高速無線通訊成真　毫米波應用來勢洶洶

高畫質(HD)DVD以及藍光(Blu-ray)DVD的競爭在2006年進入短兵相接，意味著高畫質電視(HDTV)普及之日將近，因此高畫質電視影像資料的傳輸方式也將成為下一波競爭重點。  

有線傳輸方式使用高畫質多媒體介面(HDMI)已成定局，根據松下表示，光是HDMI連接線的累積出貨量就早已超過30萬條，成為暢銷產品。而無線傳輸方面，若要以「非壓縮」的方式來傳送高畫質電視影像，在過去只是夢想，然而，毫米波(Millimeter Wave或mmWave)在近幾年逐漸抬頭，受到業者高度重視。  

毫米波崛起的原因，首先是半導體製程驚人的進步。2004年之後，半導體製程進入90奈米世代，隨後65奈米、45奈米的微細化步調飛快，使得晶體截止頻率一直向上飆升。此外，以互補金氧半導體(CMOS)技術應用於射頻，更已在手機、無線網路或全球衛星定位系統(GPS)等產品得到印證。  

實際利用毫米波的應用產品，也悄悄問世。早在2003年，本田汽車在新型高級汽車加入76GHz毫米波雷達，作為車輛之間的距離檢測，用以實現其衝撞減輕系統(CMS)。其實，76GHz車載雷達的實用化，可再追溯到1999年(圖1、2)。  

毫米波訊號損失問題不可輕忽  

什麼是毫米波？最簡單的定義，就是泛指波長為1～10毫米範圍的電波，傳播速度可達每秒30萬公里。如果換算成頻率，約在30G～300GHz範圍。而波長在0.1～1毫米之間，頻率在300G～3,000GHz之間的電波，通常以「次毫米波(Sub-millimeter)」來稱呼。10G～30GHz 的區域，有時被稱為「準毫米波」，其實稱之為「微波」較為合理(圖3)。  

由於毫米波的頻率非常高，在傳輸線上的訊號損失是很嚴肅的問題。例如在框體內部的配線，使用一般的銅線或同軸電纜，就不是好的選擇，通常是採用「導波管」的方式。而晶片內部的配線距離較短，可以使用微帶線(Micro-strip Line)。  

導波管的源起，是導線在傳輸高頻訊號電流所產生的集膚效應(Skin Effect)，此效應指的是高頻電流在導體中流動時，大部分電流傾向於在導體表面流動所產生的現象，此現象導致中空導體(導波管)的發展。中空導波管常應用於工作頻率超過2GHz時，中空結構的導波管可減少不必要的功率消耗。  

值得注意的是，毫米波與新興且熱門的超寬頻(UWB)究竟有何不同。嚴格說來，UWB是一種形式概念，泛指使用數GHz頻寬的訊號處理方式，不僅是無線，也可以是有線方式。原本可以利用的訊號頻段並沒有嚴格限定，不像毫米波明確定義在30G～300GHz的範圍。  

現在的UWB大多是指使用3.1G～10GHz微波帶的無線通訊技術，代表性應用就是無線USB以及藍芽3.0等規格。而IEEE 802.15.3c小組也正著手於毫米波利用的傳送規格，因此毫米波也可稱為IEEE 802.15.3c規格。在數公尺範圍內，可以得到1G～10Gbit/s的高速傳送速率，是UWB的十倍。  

適用於視線可及的高速內部通訊  

比較毫米波與2.4GHz或5GHz的無線網路，可以發現毫米波有一特徵，就是傳送的「直進性」特別好。這個現象當然與其頻率較高有很大的關係，當電波穿透障礙物時，會因反射現象而減弱訊號。其中有一項重要的觀念，就是反射訊號的深度與頻率開根號的導數成正比而減少。因此60GHz電波的返回深度，就是從直進方向展開的距離，若是與2.4GHz無線網路比較，僅有其五分之一。因此，在傳送端與接收端之間沒有障礙物的環境之下來進行通訊，也就是視線可及的內部通訊，毫米波是理想的傳送技術。  

前述CMOS技術所製造的晶體截止頻率越來越高，fT截止頻率與fMAX最高頻率在毫米波的應用上，相對上所需要的電晶體條件當然更嚴格。一般為了容易區分起見，截止頻率可以視為電流放大率為1時的頻率；最高頻率乃是功率放大比為1時的頻率。以60GHz頻段來說，fT截止頻率為120GHz的電晶體，電流放大率為2；相對地使用300GHz截止頻率的電晶體，電流放大率為5。  

GiFi概念可望實現  

毫米波之所以引起關注，主要原因是只要藉由一組傳送接收電路，就可以完成Gbit/s的夢幻傳輸，這就是所謂的「GiFi」概念(圖4)。  

實在很難相信，僅僅數年之前，使用CMOS技術來製作毫米波的射頻收發晶片，幾乎是天方夜譚。當時180奈米的半導體製程用於CMOS，電晶體fT截止頻率最多僅能達到50G～60GHz的地步。因此，要以CMOS技術來應付毫米波，根本不可能。  

但是，半導體製程進步神速，微處理器以及邏輯晶片的整合，高速化的CMOS晶體設計一路從180奈米、130奈米，再進步現在90奈米成為主流，此一製程所達成的fT截止頻率已經到達140GHz，勉強可用來應付毫米波。  

寄望於45奈米製程技術  

展望半導體業的未來，可以見到65奈米與45奈米已經展開。因此，業界現在開始關注毫米波，有其原因。依據多數射頻開發廠商的說法，能夠讓60GHz毫米波進入量產階段，理想的fT截止頻率應該是在300GHz的門檻，若換算成相對應的半導體製程，約是45奈米，預計普及時間是在2010年左右。  

就毫米波本身來說，其實早就開始利用砷化鎵(GaAs)化合物半導體技術，這也是CMOS技術期待能夠取而代之的目標之一。美國加州洛杉磯大學教授、也是射頻CMOS晶片的開發者Behzad Razavi就表示，目前的狀況與當年5GHz無線技術狀況相似，當時很難想像5GHz無線網路會採用CMOS技術來實現，而在今日卻是很普遍的事。毫米波會不會走同樣的模式？相當值得期待。  

目前各種電路例如混頻器、壓控振盪器(VCO)、鎖相迴路(PLL)等個別晶片，在CMOS正處於開發階段，預計2007年將正式登場，再加上一點緩衝時間，預期2009年可以進入實用化的階段。  

仔細思考，採用CMOS技術，確實可以改變毫米波晶片的面貌，基頻電路或天線等能夠整合在收發電路的單晶片上。若是近距離通訊，未來可以在小型封裝內部整合傳送接收電路與天線。就現況來說，毫米波通訊收發模組的尺寸不僅太大、價格也太貴，而且電波直線性的使用有點困難。  

因此，60GHz頻段的通訊大多應用在大樓與大樓之間的高速通訊，或是業務專用的影像傳送，例如高畫質影像的轉播傳送，在一般民生用途上則受到限制。而76GHz頻段的分配使用，則被運用於汽車防止衝撞的市場上，NEC也曾經運用毫米波來傳送IEEE 1394資料。  

高畫質無線傳輸需求帶動毫米波發展  

因為以上種種緣故，毫米波往往被貼上「特殊用途」的標籤，市場規模受限，出貨數量也難以成長。因此以當前狀況來說，量產效果不會出現，無法期待價格快速滑落。當前使用化合物半導體材料，整合度又較為困難，使用單晶片微波積體電路(MMIC)的方式，元件費用當然相當可觀。  

高畫質時代的到來，則有機會化解這個惡性循環。高畫質電視的影像資料是以非壓縮的方式來傳送，是毫米波可以盡情發揮之處。請留意，這是屬於消費性產品的範疇，數量龐大是其特徵。HDMI無線化技術的最佳候選人也許就是毫米波。HDMI介面運用在平面電視、機上盒、影音擴大機，以及含有硬碟機的錄影裝置也逐漸導入(圖5)。  

HDMI對應的設備，目前因為強制使用高頻寬數位內容保護(HDCP)技術，市場規模第一的美國的高畫質電視必須納入此一介面。不過，HDMI是有線連接介面，如果從設置場所的自由度與方便性來考量，確實有其限制。根據某電視大廠人員指出，美國客戶已經提出要求，希望大畫面薄型電視的影像訊號傳送可以用無線化的方案來實踐。  

因此，當前所能想到的答案，就是UWB以及毫米波。究竟何者會是比較合適的方案，可以利用「技術分析」的方法來推論。就市面上多數採用的HDMI 1.2版來說，一條訊號線的傳送速度最高可以達到1.65Gbit/s，目前的有線傳輸方式是採用銅配線，這樣的速度不是問題，但是若要採用無線傳輸，技術問題就相當複雜。  

目前廠商發展的UWB技術，基本上是以480Mbit/s為主軸，畢竟無線USB的成功機率比較高，只要未來的作業系統內建驅動程式，說不定會產生如同 USB大量儲存裝置的蝴蝶效應，創造出龐大的市場規模。以此觀點來看，要載送非壓縮的高畫質電視影像資料，剩下的選擇即是毫米波通訊。  

但是，如果硬要以UWB來實踐，確實也可以做到Gbit/s的傳輸等級，那就是如同無線網路般，採用多輸入多輸出(MIMO)的空間延伸策略。這時就必須使用多個傳送與接收電路，訊號處理能力的需求也更為複雜。而毫米波僅需要一組收發電路就足以達成，這就是毫米波的優勢所在。  

各國免授權頻段規畫相去不遠  

根據IEEE 802.15.3c的資料，對於預定免授權可以使用的60GHz頻段，各國的規畫與利用略有差異(表1、圖6～7)，但相去不遠。  

以日本為例，59G～66GHz之間的7GHz頻段，規畫為「特定小電力」用途，若是每一個發射機的最大頻寬2.5GHz、輸出電力小於10毫瓦，不僅沒有限定用途，也無需執照(圖8)。而歐美日之間的頻段也相差不遠，應該可以與工業科學醫療(ISM)頻段的無線網路一樣，共用相同的零件。  

可望達成2Gbit/s瞬間資料載送  

根據日本情報通信研究機構(NICT)指出，若是在毫米波的調變方式與頻段幅度有所突破，2Gbit/s等級的瞬間資料載送速度是可以達成的。例如數位相機拍攝的影像，瞬間就載送到個人電腦上，或是電腦上的音樂檔案快速複製到音樂播放器上。  

要使毫米波簡單易用，除了CMOS相關技術的研發之外，必須開始累積應用技術。就硬體面來說，難題包括金屬配線的替代方式如導波管、晶片內部連接線的長度與頻率偏差晃動的製造技術等。目前車用雷達採用76GHz，若要普及，勢必要將費用降低至目前的十分之一以下，兩者雖然頻段上略有差異，但是實際安裝技術與半導體比較接近，轉用到毫米波通訊，就是一條捷徑。  

擴展毫米波應用的條件之一，就是天線的改良。誠如前述，毫米波的直進性很高，接收區域就相對狹窄，這時候就必須仰賴天線技術，各家技術不同，就產生不同樣式的天線。  

天線技術是擴展應用關鍵  

例如，日本放送協會(NHK)放送技術研究所就開發出因應環境的放射圖案圓筒形天線；而夏普(Sharp)針對家庭內或店舖內的電視影像通訊所開發的卻是透鏡天線(Lens Antenna)，此種方式乃是在避免障礙物的影響，並拉大放射角度。其作法是在平板天線(Patch Antenna)上配置，來決定放射角度，也提高天線的增益(圖9)。  

此種天線傳送端的放射角度與接收範圍的直徑息息相關，例如，±4度放射角在20公尺的接收範圍直徑為2.8公尺。如果放射角增大到±12度，同樣在20公尺的位置，接收範圍直徑則可以加大到8.5公尺。要做到與紅外線相同程度的±30度，也可以藉由進一步將透鏡天線的直徑小型化來實踐。  

夏普的毫米波模組是將射頻晶片安裝在低溫共燒多層陶瓷(LTCC)的構造中，減少寄生電容與寄生電感，而LTCC的背面正是平板天線的配置，以將從射頻晶片到天線的損失降至最低。  

在此補充說明透鏡天線，一般在衛星通訊、點對點、或是單點對多點的無線通訊等高階應用上，系統對於天線增益的需求相當大。然而，增益高於20dBi的天線，卻很難以單一天線單元的型式來達成。為了提高天線增益，國立台灣大學許博文教授採用透鏡，以光學折射原理將主波束聚焦，以提高天線增益。近來有人提出以一特殊形狀的介電質作為透鏡，將天線單元的輻射場型有效聚焦，稱之為介質透鏡天線，其架構是將介質透鏡黏著於平面天線的基板上。  

而有些廠商則是整合三度空間的天線元件，來獲得頻段幅度均勻一致的天線增益。例如，京瓷(Kyocera)採用多層構造的天線，呈現陣列狀，確保在 4GHz頻段幅度的天線增益約在20dBi的均一程度，天線的波瓣(Side Lobe)確保在15dB以下。如此，就可以在近距離無線通訊無線個人區域網路(WPAN)中具有不錯的表現。綜合上述，可以肯定的說，在毫米波的應用趨勢下，天線絕對是重要的核心技術之一(圖10)。  

毫米波相關CMOS技術成為顯學  

任何新科技運用的藍圖，都與新技術的發展步調有關。現在各大學、研究機關與半導體廠商的研究逐漸活躍，最後的難關就是要克服全面採用CMOS技術時所面臨的難題。  

探索未來半導體的走勢，可在每年仔細觀察國際固態電子電路會議(ISSCC)的走向。有些分析家曾經表示，ISSCC就是半導體技術的奧林匹克大賽，世界各地研究精英的技術論文都匯聚此處較勁。  

有趣的是，在2006年初，ISSCC首次針對毫米波開闢了一個場次。而2006年的國際微波會議(IEEE MTT-S)所舉辦的毫米波場次，CMOS技術相關論文竟然超過一半，而且也是從要素電路著手。在此特別將近幾年在ISSCC上關於毫米波的CMOS技術發表文獻作一扼要敘述，由於尚未進入整合階段，目前分成VCO振盪元件以及分頻器兩個部分(表2)。  

CMOS技術的微細化對於無線傳輸功不可沒。CMOS 90奈米製程的晶體截止頻率140GHz、最高振盪頻率200GHz。進入65奈米之後，截止頻率超越了150GHz、最高振盪頻率可以達到 350GHz。若是從晶體驅動速度的觀點來看，已經可以和矽鍺雙載子(SiGe Bipolar)技術並駕齊驅。當進入45奈米之後，截止頻率一舉越過300GHz，也就是60GHz的五倍之多，電路的設計空間就更加充分。  

CMOS技術的整合能力極強，65奈米與45奈米製程可以先將射頻電路與最前端的邏輯電路(例如DSP)先做整合處理，這是砷化鎵等化合物半導體望塵莫及的。從藍芽、無線區域網路、手機、GPS等使用CMOS技術的傳送接收晶片，爾後應該都可見此一發展趨勢。  

至於標準化的進展，端視IEEE 802.15 TG3c的作業時間表，預定在2007年的第一季有具體結果，2007年下半年或許就會出現合乎規格的方案問世。  

須克服製程與設計技術  

除了以上的優點與期待，在具體實現的路上，還有「製程技術」與「設計技術」的課題必須解決。  

第一個課題就是毫米波的訊號頻率很高，因此在傳送時容易產生訊號損失的問題。其中最主要的原因，在於矽基板的阻抗率太低。  

傳統上，毫米波通訊晶片採用砷化鎵基板傳送之際，基板的阻抗率大約有十的八次方歐姆公分，數值非常高。在傳送時，根本毋須考慮基板的訊號損失。但是，對於矽基板來說，會隨著頻率漸高，而轉化為良導體。以毫米波而言，基板的阻抗率僅有約100歐姆公分，阻抗率非常低。因此就會發生漏電流，訊號損失的現象就顯著增加。  

一旦訊號傳送時的損失變大，訊號雜訊比(S/N Ratio)自然就惡化，雜訊係數(Noise Factor, NF)也就提高。其實這個問題不僅跟隨著CMOS技術，矽鍺雙載子製程所使用的矽基板也有一樣的問題，克服的方式也是按照各廠商的專長而定。日本富士通研究所提出薄膜微帶線(Thin Film Micro Strip Line, TFMSL)的方式，設計了專用的遮罩層(Shield)，利用多層配線的構造，第一層作為接地用，第六層為傳輸線路的金屬層。  

台大以CMOS技術達成PLL頻率合成器  

第二道課題就是鎖相迴路頻率合成器的構成與實踐方式。無論傳送電路的混頻器或接收電路，鎖相迴路頻率合成線路是極為重要的構成要素。如果訊號的供給不穩定，結果可想而知。台灣大學使用40GHz的VCO，是以CMOS技術來達成鎖相迴路頻率合成器。  

毫米波使用的鎖相迴路頻率合成器，在實踐上的技術重點，是該鎖住哪一個頻率數值，該點就直接影響到收發晶片內部頻率變換的方式。  

基於成本考量，如同手機般採用直接變換(Direct Conversion)，是可以預期的。所以，晶片內在的局部(Local)60GHz振盪頻率就必須做到穩定。至於VCO是採用振盪頻率的60GHz，或是使用1G～5GHz的安定VCO訊號輸出，在混頻前段作倍頻的動作，這兩種產生方式都可以採用。  

前者是直接輸出60GHz訊號，電路構成比較簡單，但是分頻器(Prescaler)的消耗電力就是一大課題。其中的主要原因在於60GHz的高振盪頻率，分頻器內部的段數要增加，而導致電力消耗的增大。以手機為例，分頻器約耗掉10毫瓦，而20GHz頻段的產品約在600毫瓦。到了60GHz，當然就會更多。  

而後者必須採用頻率倍增電路，電路規模會增加，也須使用濾波器除去倍增時的不必要成分，整體而言消耗電力也會增大。  

在2006年的ISSCC會議中，IBM發表了60GHz傳送接收的晶片組方案，是採用130奈米的矽鍺雙載子CMOS技術所設計的兩顆晶片，一顆為傳送用，一顆為接收用。其架構是採用雙次變換(Double Conversion)的方式，其中的中頻(IF)設定在8.4G～9.1GHz。  

半導體微細化帶來低電壓挑戰  

以CMOS技術實現的第三個課題，則是類比-數位轉換器的構成方式。假設頻寬幅度1GHz的訊號轉換成基頻時，10位元的解析度、每秒2G個取樣的程度，目前類比數位轉換器(ADC)的功率消耗約在數瓦的程度。  

以CMOS技術來估算，由於微細化的幫助，300毫瓦附近的程度應該不是問題。然而，半導體微細化對於類比數位轉換器帶來的衝擊，就是更低的電源電壓。此時，面臨的課題即是「低電壓」動作穩定的運算放大器。  

第四個課題是晶片設計或線路模擬所需的元件模型(Device Modeling)。以現狀來說，幾乎找不到60GHz動作的元件模型，而半導體製程更微細化之後，伴隨而來的，將是晶體或電容器的特性變動幅度會增大。如果沒有好的設計與模擬工具，對研發者來說將會是一件辛苦的差事。  

最後一個課題則是期待「波束成形(Beam Forming)」功能的成熟。波束形成即是提高天線指向性的技巧，首先，一般家庭內的短距離通訊約在1～5公尺，也就是所謂的WPAN。  

為了提高傳播特性，可以外加運用砷化鎵或矽鍺技術的功率放大器來實現，但這會增加成本。也因此，工程人員努力尋求新技術，希望能捨棄功率放大器(Power Amplifier)，卻依然可以進行傳送接收。  

最為常見的方式，就是使用多數個天線，以控制天線的電氣特性。例如加州大學洛杉磯分校(UCLA)在矽晶片上設置了四個天線，藉由波束形成來提高天線的增益，稱之為「Antenna On Chip」。  

美日業者觀念不同調  

最後來談論一個有趣的話題。雖然IEEE 802委員會的TG3c小組已經著手訂定毫米波實體層傳送的標準，徵求標準方式的提案將陸續出現。傳輸距離10公尺、速率2Gbit/s是預定的暫時目標。然而針對調變方式，東西方廠商的看法似乎不同調。英特爾認為應該採用高層次的正交分頻多工(OFDM)方式，目標是期望基頻可以與802.11 a/b/g/n等標準共用；然而多數的日商卻認為，使用單純的幅移鍵控(ASK)調變方式即可，不僅節省費用，也可避免OFDM對於內部電路訊號雜訊比的嚴格要求，電路規模也比OFDM方式更小，日商的觀點，是以簡化調變方式為出發點。可以預期，各大廠之間的爭論將會延續一段時間。  

總之，以往無線傳輸的速度總是落後於有線通訊，但新技術卻能降低或消除這項下載的障礙，完全發揮無線通訊的潛力，並且改變人們的生活型態。  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌69期11月號)