• 千兆位元高速無線通訊成真 毫米波應用來勢洶洶


  •   
  • FileName: N9590016.pdf [preview-online]
    • Abstract: 千兆位元高速無線通訊成真 毫米波應用來勢洶洶【 陳乃塘】 2006.11高畫質影音傳輸的需求,使得高速無線通訊技術受到業者高度重視,其中,毫米

Download the ebook

千兆位元高速無線通訊成真 毫米波應用來勢洶洶
【 陳乃塘】 2006.11
高畫質影音傳輸的需求,使得高速無線通訊技術受到業者高度重視,其中,毫米
波技術更是逐漸抬頭。由於毫米波傳送的直進性良好,因此在傳送端與接收端之
間沒有障礙物的環境中,毫米波是優秀的高速傳送技術。換算成相對應的半導體
製程,若要讓 60GHz 毫米波具有理想的 fT 截止頻率,預計在 2010 年前後,45
奈米製程成熟之時,也將是毫米波應用大量普及之日。
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。
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。
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。
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。
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,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。
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。
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)


Use: 0.2081