5G高整合毫米波功率放大器線性化與載板技術發展

林鴻宇 ； 李威璁

《電腦與通訊》 173期 (2018/05) Pp. 7-11

摘要

隨著聯網裝置與數位服務的爆炸性成長產生了巨量的資料傳輸需求，如自駕車、機器人，皆需要大量的、低時間延遲的、不失真的高速傳輸需求，因此帶動了第五代行動通訊系統（5G）快速的成長，而以相位陣列技術組成之巨量天線（Massive multiple-input and multiple-output,Massive MIMO）即是達成上述需求的關鍵。但在毫米波段，5G巨量天線之相位陣列系統設計上將面臨兩個主要問題：其一，為了增加波束集成天線的隔離度以及避免柵波瓣（grating lobe）問題，天線之間需要有一定的空間距離（如40 GHz需要 0.375 cm的距離，3.5 GHz 需要4.3 cm的距離）。在相同空間下選用越高的頻率，擺放的天線數量越多（以長寬皆為20cm的範圍為例：毫米波段40GHz可放約2900根天線；3.5 GHz可放約25根天線 ），連帶相同面積下主被動元件需求量劇增，在毫米波段下單一天線射頻單元容許之置放空間將極為狹小。其二，儘管可以透過波束成形（Beamforming）將電磁波能量集中在特定方向，增加訊號發射強度，有效降低訊號在高頻傳輸損耗過大的影響（可讓訊號傳更遠），然而波束成形技術使用的天線數量與波束集成的角度成反比，在相同的傳輸距離之下（即相同的輸出功率），使用的天線越多則目標因為波束集成的角度越小而不容易被搜索，因此，必須提高功率放大器的線性功率來緩解此問題，使得相位陣列的天線數量可以被減少而增加波束集成的角度。綜合上述兩個議題，設計一個高線性功率、高效率及面積精簡符合第五代行動通訊系統的功率放大器是不可或缺的。為設計能符合5G毫米波段之巨量相位陣列需求之功率放大器，其高線性功率、高整合度等特性是必要的。如圖1為 5G天線射頻單元之前端高整合度IC架構示意圖，包含功率放大器、低雜訊放大器、開關及相移器等元件。