應用於5G系統的毫米波升降頻收發機(Up/down converter)

工研院資通所 李威璁、王棓熲、鍾豐旭、林鴻宇、林東儒、陳正中、莊玉如

隨著高速無線傳輸的需求日益增進,增加通道頻寬已成為未來發展的趨勢,然而當前微波頻段使用率極高,無法滿足上述需求,這使得毫米波頻段(Millimeter wave frequency)成為第五代行動通訊技術的新寵兒。

如圖1,透過毫米波升降頻收發機的實現,於升頻端,將基頻晶片提供的基頻訊號升頻到毫米波頻段與毫米波相位陣列聯繫最後透過天線進行無線傳輸;於降頻端,將毫米波相位天線陣列接收到的毫米波訊號降頻到基頻訊號交由基頻晶片進行訊號解調,完成無線傳輸,由此可知毫米波升降頻收發機於第五代行動通訊扮演重要的角色,本文將講述工研院目前的研發成果、毫米波升降頻收發機的系統規格、以及與國內外其它研究團隊研發成果的比較。


圖1 毫米波升降頻收發機(Up/down converter)、基頻晶片、毫米波相位陣列示意圖
圖1 毫米波升降頻收發機(Up/down converter)、基頻晶片、毫米波相位陣列示意圖

 

精彩內容

1. 毫米波升降頻收發機內部電路介紹與電路設計問題解析
2. 核心電路-濾波器設計、建模與測試
3. 工研院毫米波升降頻收發機量測結果
4. 毫米波升降頻收發機電路  5G建構不可或缺

 

毫米波升降頻收發機內部電路介紹與電路設計問題解析

毫米波升降頻收發機(Up/down converter)

圖2為工研院所開發的毫米波升降頻收發機,內部電路包含升降頻混波器(Up/down mixer)、鎖相迴路(PLL)、可變增益放大器(VGA)、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、開關電路、和濾波器(Filter)。其中除了濾波器是實現於印刷電路板上,其它的主被動電路都使用台積電65nm製程高度整合成系統單晶片(system on chip)。


圖2 毫米波升降頻收發機
圖2 毫米波升降頻收發機


毫米波升降頻收發機和微波頻率升降頻收發機的設計有許多不同,為了要克服毫米波頻段波長短、高損耗的先天特性,子電路需要微縮晶片面積,高度整合成系統單晶片,在訊號路徑上的濾波器為了降低損耗和達到高度整合,在設計階段就要與其它主被動電路的輸出腳位進行對應,取代以往微波頻率升降頻收發機先實現各子電路和濾波器再將所有主被動元件組裝於印刷電路板的方案。

1.毫米波頻率合成器
毫米波頻率合成器提供本地震盪訊號進行基頻與毫米波頻段間的轉換,架構上採用交錯耦合式壓控振盪器來產生33~36.5GHz的輸出頻率,搭配24位元三角積分調變器以及可程式化除頻器、電荷幫浦、相位頻率偵測器整合成為一高頻率解析度之毫米波頻率合成器,可配合射頻頻率以及基頻頻率來彈性調整本地震盪訊號頻率。

2.本地振盪訊號抑制(LO rejection)和鏡像抑制(Image rejection)問題
毫米波升降頻收發機於第五代行動通訊系統中,除了處理基頻訊號和毫米波訊號之間的轉換外,為了避免影響到其它電子設備使用者,還需要處理本地振盪訊號抑制和鏡像抑制問題。

本地振盪訊號抑制問題主要來自於由鎖相迴路洩漏到毫米波升降頻收發機輸出端的訊號,由於毫米波升降頻收發機傳送的通訊訊號和鎖相迴路洩漏到毫米波升降頻收發機輸出端的訊號非常靠近(僅相近中頻(IF)頻率),在訊號抑制的處理上除了依靠混波器的抑制能力外,還要依靠額外的高特性因子濾波器協助抑制此訊號,將在後續進行介紹。另外鏡像抑制問題主要來自於混波器內的直交分合波器(Quadrature hybrid)和巴倫器(Balun)所構成的四相位(I+、I-、Q+、Q-)的振幅和相位不完美所造成的,需要透過混波器架構選擇、寬頻匹配和高特性因子濾波器來達到符合商用規範的鏡像抑制能力。

3.毫米波混波器
為了處理本地振盪訊號抑制問題,在混波器的設計上首先是選用先天上有較好LO to RF isolation的雙平衡式混波器(double balance mixer),接著混波器的電路佈局(layout)需要盡可能高度對稱,最後利用混波器輸出匹配和與混波器連接的緩衝放大器(Buffer amplifier)的頻率響應來更進一步處理本地振盪訊號抑制問題。

另外為了處理鏡像抑制問題,在混波器的設計上提出寬頻直交分合波器(Broadband quadrature hybrid),透過在直交分合波器和巴倫器之間插入一個電感和電容的級間匹配來解決混波器內的直交分合波器和巴倫器所構成的四相位(I+、I-、Q+、Q-)的不匹配效應。

透過上述技巧可以設計出同時具有本地振盪訊號抑制和鏡像抑制能力的混波器,然而這樣的抑制能力尚不足夠滿足商用需求,接著將要介紹如何利用高特性因子濾波器進一步提升本地振盪訊號抑制和鏡像抑制能力。


核心電路-濾波器設計、建模與測試
濾波器架構與原理

按照本次射頻系統開發規格,濾波器操作頻帶為38.6至40 GHz,通帶(passband)內(S1,1)小於-10 dB,(S1,2)大於-3 dB;中頻(IF)設定為3.5 GHz,故操作頻帶中心頻39.3 GHz扣除3.5 GHz後,35.8 GHz以下為阻帶(stopband),(S1,2)至少需小於-20 dB。
由於阻帶邊界靠近通帶,欲實現高帶阻率需經特殊設計。髮夾濾波器(hairpin filter)常被施作於射頻電路中,如圖3。藉由數級U型半波長共振腔彼此耦合,濾波器可將電磁波一級接一級傳遞至電路其他元件。然而,圖3中髮夾濾波器在35.8 GHz之(S1,2)高於-15 dB。
欲改善其特性,我們將髮夾濾波器彎折後,如圖4,令輸入端與輸出端之共振腔彼此靠近後,產生交互耦合的效果。這樣的好處是能在阻帶邊界創造傳輸零點(transmission zero),35.8 GHz的(S1,2)便降至-20 dB以下。
考量到系統包含兩組陣列天線,彼此極化方向正交,我們設計兩組濾波器分別供給兩套收發機(transceiver),如圖5。首先,根據其電路疊構,濾波器夾在上下兩層接地面之間,這樣的傳輸線結構稱為夾心帶線(stripline),優勢為屏蔽外界雜訊干擾;然而上層接地面需額外開四個槽孔,才能將訊號自金屬柱饋入濾波器再經由濾波器導出。觀察其電路俯視圖,可見饋入槽孔(紅框處)兩側需布局數個金屬柱,連接兩層接地面。其目的希望在饋入訊號轉接至夾心帶線時,將電磁波順利導引至濾波器,避免漏波造成能量損失,常見於電路開發中[1], [2], [3]。另外,兩個濾波器之間,會以一排金屬柱隔開,抑制雙極化天線間的電磁耦合干擾。


圖4 改良式髮夾濾波器與散射參數圖5 四埠濾波器平面圖樣、電路板立體結構與散射參數

 


系統整合之濾波器建模與模擬

圖6為系統單晶片(system-on-chip, SoC)中濾波器與射頻系統整合綜覽。其中,兩組濾波器夾於電路板介質層中,上下兩側受接地面防護干擾;晶片端M9為頂端訊號層,其上傳輸線會以微帶線(microstrip line)的形式,流經金屬通孔,將訊號載於濾波器上。濾波器輸出端口會於晶片上,再延伸訊號線至相移器(phasor),令天線波束能掃描不同方向。

將晶片與濾波器電路疊構整合後,可建構圖7的系統單晶片模型。此時訊號偏壓會掛載於晶片上的傳輸線,經由與電路板連接之焊點,可將訊號饋送至濾波器萃取出通帶(38.6~40 GHz)內的訊號。由圖7之散射參數,通帶內(S1,1)皆小於-15 dB,中頻調變頻率(35.8 GHz)以下的(S1,2)小於-25 dB。


圖6 晶片與電路板系統整合示意圖
圖6 晶片與電路板系統整合示意圖

圖7 系統單晶片立體模型與散射參數
圖7 系統單晶片立體模型與散射參數

 

工研院毫米波升降頻收發機量測結果

圖8為工研院所開發毫米波升降頻收發機模組,開發的毫米波升降頻收發機晶片利用覆晶封裝(flip chip)的方式將晶片上的訊號線和高頻電路載板進行連接,除了增加晶片接地能力,也減少晶片上訊號線和高頻電路載板之間的連接損耗,這對於有訊號高損耗問題的毫米波頻段電路有莫大的好處。

圖8的毫米波升降頻收發機晶片包含升降頻混波器(Up/down mixer)、可變增益放大器(VGA)、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、開關電路,為一具有高整合度的系統單晶片(SOC) ,實際使用時透過此單晶片電路的開關電路來進行發射機與收發機的切換,藉此達成第五代行動通訊系統將採用的時分雙工(TDD)。

我們利用頻寬500 MHz的標準毫米波OFDM 64QAM訊號量測毫米波發射機的線性度,圖9為38GHz毫米波發射機(transceiver)線性輸出功率及星座圖,從圖中可以發現在EVM<3%的情況下線性輸出功率可以達到-1 dBm,足夠推動後續的毫米波相位陣列電路,接著我們量測先前提到需要克服的本地振盪訊號抑制和鏡像抑制問題,圖10為37到40 GHz此發射機電路在不包含濾波器協助的情況下所能具備的濾波能力,從圖中可以發現整體發射機的本地振盪訊號抑制在不同頻率下,皆可大於22 dBm,而鏡像抑制在不同頻率下,皆可大於30 dBm,搭配先前提到的濾波器電路整體的抑制能力分別可以提升到47 dBm和55 dBm,滿足第五代行動通訊商用系統的需求。


圖8 毫米波升降頻收發機(Up/down converter)模組
圖8 毫米波升降頻收發機(Up/down converter)模組

圖9 毫米波發射機(transceiver)線性輸出功率及星座圖
圖9 毫米波發射機(transceiver)線性輸出功率及星座圖

圖10 毫米波發射機本地震盪訊號抑制和鏡像抑制能力
圖10 毫米波發射機本地震盪訊號抑制和鏡像抑制能力

圖11 毫米波接收機(receiver)線性輸出功率及星座圖
圖11 毫米波接收機(receiver)線性輸出功率及星座圖

圖12 毫米波接收機鏡像抑制能力
圖12 毫米波接收機鏡像抑制能力

參考文獻

[1] XinXu, Qi-bo Huang, Zheng-xian Zhu, HuiXu, Bo Zhang, “Novel design for microstrip to stripline transitions for millimeter-wave application in LTCC,” Elsver, China Academy of Space Technology, Xi’an 710100, China, ActaAstronautica 104 (2014), pp. 256-259.
[2] D. Li, J. Xu, B. Zhang, W. Liu and L. Du, “GCPW to stripline vertical transition for K-band applications in LTCC,” 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), Nanjing, 2015.
[3] Fangzhou Guo, Lei Xia and Ruimin Xu, “Modeling of LTCC microstrip to stripline vertical via transition exploiting space mapping technique,” 2014 IEEE International Conference on Communiction Problem-solving, Beijing, 2014, pp. 361-363.

 

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊