相位陣列
打造毫米波功率放大器 砷化鎵製程相位補償展妙用
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,皆有大量的、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,為增加波束整合天線的隔離度以及避免柵波瓣(Grating Lobe)問題,天線之間需有一定的空間距離(如40GHz需要0.375cm的距離,3.5GHz需要4.3cm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2,900根天線;3.5GHz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整合的角度成反比,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整合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整合的角度。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5G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。
圖1 天線單位元5G 高整合積體電路示意圖
解決訊號失真 線性化技術持續精進
為了使頻譜有效地被使用,使用較為複雜的數位調變機制是必要的。然而,複雜的數位調變機制伴隨著較高的波峰及平均值比(Peak to Average Power Ratio, PAPR),這會造成訊號經過高功率放大器後扭曲失真,使訊號不容易被解調。為了解決訊號失真問題,各種線性化技術如下:
.自動偏壓調整式(Adaptive Bias)
將功率放大器操作在中低功率區來維持訊號的正確性,稱為功率退回(Power Back-off, PBO)。以文獻、為例,儘管它們有著傑出的最大輸出功率,但是功率退回後之最大效率與最大輸出功率下的效率有著很大的落差。自動偏壓調整式功率放大器可以改善功率退回後,功率放大器效率不佳的情況,其機制為低功率操作時將電路偏壓在AB類放大器,可以降低靜態電流並且降低功耗,當操作功率增加時,可以調整偏壓至A類放大器使功率放大器正常操作,因此,這個技術可以增加功率放大器的整體效率。
.訊號前授(Feed-forward)
訊號前授的技術主要是將訊號分成主路徑及副路徑,主路徑為訊號主要操作的路徑,副路徑則是用來消除主路徑的非線性訊號,像是三階交互調變項來增加線性度。適當的調整副路徑的相位即可有效消除三階交互調變訊號以增加線性度。以文獻為例,能有效消除三階交互調變失真藉由輸入反射訊號來當作副路徑的前授訊號。
.預失真技術(Pre-distortion)
預失真技術能補償功率放大器之增益壓縮(Gain Compression)特性,使最大輸出功率提升進而提升效率及線性度。然而,預失真線性化技術實現上較為複雜,容易受製程、偏壓以及溫度(PVT)變異的影響而使特性不如預期。同時因為需占用較大面積,運用在5G毫米波相位陣列中相對困難。
.相位補償(Amplitude Margin to Phase Margin Compensation)
為了符合面積及高線性輸出功率需求,相位補償技術是一個有效增加線性輸出功率的方法。文獻利用P-type電晶體相位增加的特性來補償N-type電晶體相位壓縮的問題,達到相位補償以增加線性輸出功率,此技術具低複雜度與占用面積小之優勢。因此,適用於高線性功率、高效率及面積精簡的5G功率放大器。
砷化鎵製程之相位補償技術
採用砷化鎵(Gallium Arsenide, GaAs)製程優點為崩潰電壓高(高電壓擺幅)及基板損耗小,有利於高功率放大器的設計。然而砷化鎵製程僅有N-type的高電子遷移率電晶體,所以上述的線性化補償技術並不適合於此製程。有鑑於此,工研院資通所提出一個適用砷化鎵製程的相位補償技術,可用於毫米波頻段的高功率放大器。
一般而言,相位失真源自於電晶體的閘極至源極的寄生電容Cgs,隨著功率放大器輸入訊號增加,會使寄生電容產生變化。當高頻訊號路徑上的電容產生變化,會使輸出訊號產生相位差異,進而導致輸入調變訊號時,輸出訊號的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)會隨之增加,造成解調訊號失真。
為了緩解此問題,工研院資通所團隊提出使用反向變化的電容元件來補償此寄生電容效應。圖2模擬砷化鎵製程電晶體操作在截止區(VGS偏壓<-1.5V)時,寄生電容Cgs隨輸入功率增加呈現反向的電容性變化,可用來補償操作在飽和區(VGS偏壓=-0.5V)的功率電晶體。又5G由圖3可觀察到電晶體尺寸變化時,寄生電容Cgs之變化與電晶體尺寸大小呈正比。因此適當調整砷化鎵製程電晶體尺寸及工作偏壓,其相位差異可以被補償進而改善EVM。
圖2 砷化鎵製程電晶體在偏壓(VGS)從-0.5變化至-2V時,寄生電容Cgs隨輸入功率的變化(電晶體尺寸為μm)。
圖3 砷化鎵製程電晶體尺寸從μm變大至μm時,寄生電容Cgs隨輸入功率的變化。
工研院資通所團隊已成功製作一示範晶片(圖4),面積為0.7×1.2mm2,其中包含所有的電路測試接點。圖5為此晶片經電腦模擬與實際量測的小訊號參數比較圖,量測到的小訊號增益在40GHz頻率下為15.7dB。
圖6為此晶片之大訊號功率特性圖,量測到之OP1dB及PAE參數分別為17.5dBm及17%。圖7顯示在OFDM 64-QAM500 MHz的調變訊號測試下,EVM小於-25dBc之高線性度測試條件下,此晶片具有13.7dBm的最大輸出功率及7.4%之功率轉換效率。
圖4 實現之砷化鎵晶片圖
圖5 量測之小訊號參數
圖6 量測之大訊號功率特性
圖7 OFDM...