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更新日期:107年5月25日

臺大學術卓越系列報導-電資學院毫米波射頻積體電路影響全世界個人無線通信發展

目前全球手機有一半以上都是智慧型手機,也就是大部份人都具備高速行動上網的配備,但是許多手機上網的愛用者仍然會抱怨尖峰時段的“龜速”感。其實手機上網就像開車上高速公路,原先使用900MHz的2G手機微波頻段,就像是在四十年前蓋的國道一號,其總頻寬實在太窄只有65MHz。未來的5G標準將使用的毫米波頻段(30GHz 至 300 GHz),可用的毫米波的頻寬是傳統微波的10倍至100倍。相當於我們在國道一號上方再加蓋了十座五楊高架,未來的5G行動通信,其毫米波可以使用的頻寬將是超過2000MHz(或是2GHz),甚至有些毫米波頻段可提供10GHz以上的可用頻寬。

將未來的5G與過去的2G或3G比較,其速度有如從過去的腳踏車時代,加速進入現代的高鐵時代(如圖所示)。即使非常多人同時上網,因為有更多的頻道,大家都可以順暢地上網。

電信所的毫米波研發團隊,累積多年的毫米波晶片研發經驗,研發出許多臺大突破世界紀錄的毫米波晶片,可應用在下世代5G毫米波通信系統的整合,使臺灣領先世界的矽晶圓科技與臺大毫米波技術可結合推廣至世界舞臺上,進而影響世界的個人無線通信發展。

毫米波晶片研發:

電機系及電信所 王暉教授

王暉教授早年積極參與國內射頻積體電路/單晶微波積體電路(RFIC/MMIC)領域的各項工作,如參與國科會晶片中心(CIC)各項RF的製程選取規劃,並幫助協調國外的廠商及研究單位與我國簽約,共同開發MMIC技術。此外,同時與國內著名砷化鎵穩懋半導體及矽製程臺積電晶圓廠合作,並設計MMIC,共同與業界提升國內此一領域的技術。同時也與臺大物理系、中研院天文所共同研發天文望遠鏡之系統,負責毫米波IC的研發。並已成功地完成至100GHz之MMIC晶片組製作及測試,目前部分電路晶片已用在天文望遠鏡之原型系統中實際操作。拓展國際合作:積極參與國際天文望遠鏡ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)計畫,與中研院天文所共同研發系統所需之RF晶片。並於2009年起,與德國的iHP合作研發BiCMOS毫米波頻段的各項電路。

在帶領研究團隊上,王暉教授率領臺大電波組十餘位教師,主持國科會電信及網通國家型整合型計畫,前後六次共15年,每年的經費均超過一千萬元。該計畫成果斐然,每次3年期的計畫成果展示,都包括了系統整合的成果,也經常被電信國家型計畫成果發表會中指定參展。自2009年起「電信國家型計畫」更名為「網通國家型計畫」,王教授繼續領導該團隊提出「與IEEE 802.11 超高傳輸率標準相容之 60-GHz 低耗電無線模組及電路技術」之三年期計畫以及後續「應用於IEEE 802.11ad 之60-GHz微型化多通道無線模組構裝及電路技術」,將毫米波高速無線傳輸的技術,落實在實際的網路通訊中。目前正在主持科技部前瞻通訊科技計畫「毫米波CMOS 發射與接收端積體電路與系統封裝技術研發」計畫,本計畫為與國研院晶片中心共同提出的雄才大略整合計畫,為次世代(第五代行動通訊系統,5G)研發毫米波射頻前端晶片。此一計畫的結果,對未來的無線通訊將產生巨大的影響。

另外,王教授與交通大學合作,共同主持學界科專「次世代矽基毫米波雷達技術-77 GHz車用雙模感測雷達 」,三年期計畫(2012-2014年),將研發以77 GHz CMOS車用雷達晶片,並完成SiP模組,結案前將在車輛中實測,此一計畫將為首度在國內自行研發毫米波汽車雷達系統及元件,將大幅提升國內產業研發的層級。本計畫參與的成員包括黃天偉、林坤佑、吳瑞北、盧信嘉等多位教授。

因標準矽基的製程中基板損耗較高,故高頻設計時必須將此一因素之電磁耦合效應考慮在內。近年來在與台積電的合作之下,有了諸多的突破,獲得了許多矽基毫米波電路中最佳(State-of-the-art)的結果。射頻互補式金氧半電晶體 (RF CMOS)的電路中,功率放大器一直是難以突破的瓶頸。

尤其是先進CMOS製程 (90mm或65mm)中,新閘極長度縮小,CMOS的崩潰電壓更低,而使功率放大器的輸出功率無法提升。

團隊在電信所數位教授通力合作之下(包括電信所黃天偉教授及林坤佑教授),以創新的設計方法,如寬頻傳輸線結合以及三維功率結合等技術,研發出高輸出功率的毫米波CMOS放大器。最近以台積電65mm COMS製程,研製出在毫米波各頻段中不同頻率(150GHz、90GHz、60GHz及24GHz) 的COMS功率放大器,均為現今在該頻段單一晶片的最高的輸出功率 (13 dBm、18 dBm、23 dBm及26 dBm),成績斐然。

毫米波1024QAM高速晶片之研製:

電機系及電信所 黃天偉教授

5G行動通訊的資料傳輸速率將提升10/100倍,目前的調變技術也將由64QAM提高為1024QAM,才能增加頻譜的效率。黃天偉教授的研究團隊突破傳統60-GHz Wi-Fi 802.11ad的標準64-QAM調變提升至1024-QAM調變,使傳輸速率至少提升25%,其中使用寬頻相位補償技術,使得IQ相位誤差在毫米波頻段降低至0.7°。其中的振幅誤差也小於0.04dB。其中的關鍵是使用台積電晶圓廠的65nm CMOS製程,共同與業界提升國內此一領域的技術。

智慧型RFIC乃是使硬體設計與人工智慧軟體結合,同時展現軟體靈活性與硬體低耗電的設計,2012年已經發表的極寬頻米(Miller)除頻器,可以依照輸入信號頻率自動調整其工作頻帶,只需要12mW與40ns就可完成頻帶偵測切換。 鎖定頻寬增加為57.4%,黃教授的團隊室同時也開發了寬頻的注入鎖定除頻器,將原本的40%工作頻寬增加為77.3%。在2017年本團隊使用電晶體尺寸組合最佳化技術,製作了90.9% 鎖定頻寬的寬頻除頻器,達成突破世界紀錄的工作頻寬,也為未來5G毫米波的寬頻通信鋪路。

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