射频、微波及毫米波积体电路(RFICandMMIC).PDF

射頻、微波及毫米波積體電路 (RFIC and MMIC) 半導體製程的進展快速，目前已有0.18 μm/90 nm 甚至65 nm/40 nm的 RF CMOS製程被開發出來，使得RFIC的設計可以滿足更高頻率、更高整合度的需求。 RFIC的發展趨勢之一指向更高頻寬及頻段的應用，如下世代的無線網路 (WLAN) 通信標準 IEEE 802.11ac的 5-GHz 多頻道系統或是更高頻率IEEE 802.11ad的 60-GHz寬頻系統。另一發展趨勢是在現有的系統之下進行整合，包括單一頻帶 的子電路整合，如 WLAN 系統收發機(Transceiver)與功率放大器(PA) 、收發切換 開關 (T/R switch) 等的整合；單一系統的多頻帶整合，如IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ad 2.4/5/60-GHz 多頻帶WLAN的收發機整合，或是 24/77-GHz中距離與長距離汽車雷 達多通道收發機整合；不同系統的整合，如WLAN與手機GSM/WCDMA/LTE的 多模整合等。相關研究議題如下： 1. 綠能低耗電多標準(Multi-standard) 多頻帶(Multi-band)收發機 未來在綠能與多標準系統(如802.11a/b/g/n/ac/ad 2.4/5/60-GHz)的設計需求中， 低耗電設計將是未來系統的主要挑戰，對於筆記型電腦或平板電腦而言，多模通 信模組的直流耗電在3W 以下將是基本需求，其中射頻部份的功率消耗更將降至 1W或 0.5W 以下，但是對於智慧型手機而言，多模通信模組在0.5W 以下將是未來 的趨勢，這使得射頻部份的功率消耗將降至 0.1W或更低。這些低耗電的系統需 求將使得射頻電路需要有架構創新或是被動元件與主動混合架構以達成更省電 的射頻系統。 2. 高線性度多頻道 (Multi-channel)收發機 在有限的無線頻譜(Wireless Spectrum)資源中，提昇無線傳輸速率超過十億 位元 (Gigabit)傳輸速率將是未來發展的必然趨勢，目前多天線系統 (Multi-Input Multi-Output, MIMO)已是非常成熟的技術，但未來的感知無線電 (Cognitive Radio) 將會結合不同頻帶，使用其中多個可用的頻道(Frequency-Channel)同時進行多頻 道(Multi-channel)的資料傳輸，特別是 5GHz以下的各種有限頻寬(Bandwidth)的無 線通信標準(如手機或2.4/5GHz無線網路) ，在經過不同頻帶(Frequency-band)中之 多頻道(Frequency-Channel)結合後才能形成真正的寬頻通信，以提昇無線傳輸速 率超過Gbps (Gigabits per second) ，但在多頻道(Multi-channel)與Gbps的高速要求 中，收發機的線性度要求將較以前的單一頻道通信更為提高，而且需要在多頻道 (Multi-channel)與Gbps的高速信號實作測量中以確認收發機各元件的線性度滿足 其要求。 3. 功率放大器的自動偏壓控制 由於 WLAN功率放大器大多操作在非飽和區，所以在功率控制上均直接採功 率調降(power backoff)的方式，偏壓電流不變，而功率增加效率 (PAE)極差。自動 偏壓控制可隨著輸出功率調整偏壓電流，以提升效率。 4. 高線性度、低插入損耗的收發切換開關 目前以 CMOS/SiGe BiCMOS所設計的 WLAN 收發機(transceiver)中，缺乏高 線性度、低插入損耗的收發切換開關，如何整合T/R切換器是一個重要的題目。 5. 低電壓操作電路 CMOS製程已經進展到40 nm製程，其操作電壓可能降至低於1 V ，傳統的 cascode LNA或是雙平衡式混波器 (double-balanced mixer) 等電路均無法正常操作， 必須改良電路架構以在低電壓操作。如在VCO上使用變壓器(Transformer)取代電 感，即可使操作電壓下降。低電壓的操作會限制輸出訊號的振幅 ，進而降低訊號 訊雜比，使相位雜訊惡化。使用變壓器當作正回授的路徑，可以使振幅大於操作 電壓。 6. 高頻被動元件之設計及等效模型的建立 隨著操作頻率的提高，每一個高頻元件、每一段佈線的雜散效應均要考慮。 被動元件的設計，以晶