40-48 GHz超寬頻無線模組及電路技術－總計畫(3/3)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

40-48 GHz 超寬頻無線模組及電路技術--總計畫(3/3)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2219-E-002-006-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 10 月 31 日

執 行 單 位 ： 國立臺灣大學電信工程學研究所

計 畫 主 持 人 ： 王暉

共 同 主 持 人 ： 林怡成、陳俊雄、吳瑞北、黃天偉、盧信嘉

計畫參與人員： 學士級-專任助理：陳淑貞

博士班研究生-兼任助理：王多柏、趙士峰

博士後研究：王琦學、蔡政翰

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 11 月 15 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 「40-48 GHz 超寬頻無線模組及電路技術」總計畫 ※

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(1/3) (2/3) (3/3)

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Research of 40-48-GHz Ultra Wide Band Wireless Module and Circuits

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(1/3)(2/3)(3/3) ※

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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC 93-2219-E-002-016

NSC 94-2219-E-002-006

NSC 95-2219-E-002-006

執行期間：93 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：王 暉教授

共同主持人：陳俊雄教授

盧信嘉助理教授

林怡成助理教授

吳瑞北教授

黃天偉副教授

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□ 國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：

中 華 民 國 96 年 10 月 1 日

ˇ

「40-48 GHz 超寬頻無線模組及電路技術」總計畫 (1/3)(2/3)(3/3)

Research of 40-48-GHz Ultra Wide Band Wireless Module and Circuits (1/3)(2/3)(3/3)

計畫編號:

NSC 93-2219-E-002-016

NSC 94-2219-E-002-006

NSC 95-2219-E-002-006

執行期限：93 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 主 持 人：王 暉 國立台灣大學電信所教授 E-mail ：[email protected] 計畫參與人員：王琦學、王多柏、蔡政翰、趙世峰、陳淑貞 一. 中文摘要（關鍵詞：單晶微波積體電路、 降頻器、升頻器、收發模組。） 本計畫執行時間為三年，在計畫執行期 間，元件模型、電路設計及佈局、晶片製作、 測試與收發模組均已完成。在計畫執行三年 中，使用現有的單晶微波積體電路和高頻電路 板設計組裝單一的模組，如天線、轉接器、濾 波器、升頻器、降頻器與中頻訊號處理電路。 每各單一模組之間使用高頻同軸線或Q頻段導 波管相互連接，以達成收發模組的功能，同時 並以中科院的基頻視訊模組做傳送測試，以驗 證每個單一模組之設計規格是否滿足40-48 GHz無線收發模組之要求。

Abstract (Keywords： MMIC, Downconverter,

Upconverter, Transceiver module.)

In this three-year project, device modeling, circuit design, layout, chip fabrication, testing and transceiver module have been completed. In the three years, we developed the key components, including the antenna, transition, up converter, down converter, local oscillator, and IF circuits, for the 40-48-GHz wireless transceiver applications. Some Coaxial lines and Q-band waveguides are used to connect the modules to complete a transceiver module, and the transceiver module is tested by transmitting

the baseband video signal to prove the specifications of the each unit module for a 40-48-GHz wireless transceiver module. 二. 計畫緣由與目的 無線收發電路在無線通訊系統扮演很重 要的角色，其主要功能為射頻訊號與基頻訊號 的轉換器，其應用範圍可為通訊、雷達和遠端 控制[1]-[3]。本計畫預備研究及設計製作 40-48 GHz 之無線收發模組及關鍵元組件技術。主要 關鍵元組件技術包含有天線、共面波導與微帶 線濾波器、共面波導轉接器之研製、升降頻電 路之研製與放大晶片設計和中頻積體電路及 後製程研究等相關技術。 三. 研究方法與結果 總計畫 本計畫成功設計製作 40-48 GHz 相關的元 組件，項目包括有天線、轉接器、濾波器、放 大器和升降頻器等相關晶片，圖一為 40-48 GHz 無線收發系統圖，根據系統鏈結參數，我 們定出每一元件的規格，並且設計製作相關的 晶片與元件。接著我們利用自行開發的晶片， 來組裝並製作完成40-48-GHz 之超寬頻無線收 發模組，其發射器與接收器的照片分別如圖二 與三所示。收發模組之操作頻率範圍在 40 GHz 至48 GHz 間，發射機傳送功率大於 0 dBm 以

上，接收機靈敏度小於-70 dBm 以下。 此 40-48 GHz 毫米波無線模組與中科院的 基頻(Baseband)與中頻(IF)電路模組做整合測 試，完成了影像傳送展示平台，圖四為中科院 的基頻與中頻電路模組，圖五可以看到網路攝 影機的影像，經過中科院基頻電路模組的調 變，載到40-48 GHz 毫米波無線模組作發射與 接收後，影像能清楚傳送並顯示在電腦上。 為了把業界 3-5 GHz 商用的 UWB 系統提 升到毫米波頻段來應用，我們與瑞昱(Realtek) 公司合作，我們把瑞昱提供的3-5 GHz UWB 系統模組當作是中頻(IF)，與我們的 40-48 GHz 毫米波無線模組做系統整合測試，圖六與圖七 可 以 看 到 瑞 昱 3-5-GHz UWB 模 組 透 過 PCMCIA 介面卡與筆記型電腦連接，之後利用 我們40-48-GHz 毫米波無線收發模組，把訊號 升頻發射並接收降頻，最後由瑞昱提供的測試 軟體來量測封包錯誤率(Package Error Rate)， 圖八是Multi-band OFDM Band 1 訊號在毫米 波的輸出頻譜，圖九是量出來的封包錯誤率， 可以看到在速率低時(<400Mbps)，可以達到 0%的錯誤率，在高速480Mbps 距離一公尺時也 可以達到0%的錯誤率，但在 480Mbps 距離兩 公尺時錯誤率開始增加，不過這已滿足 UWB 系統的要求。 各子計畫的研究成果分述於下： 子計畫一: 寬頻共面波導天線 於本子計畫中，提出了一個適用於毫米波 平面式超寬頻之圓極化天線。此天線是利用印 刷電路板(PCB)以及一圓柱形共振腔來實現 此原型天線。2×2 之陣列天線乃採用循序式相 位 90o_{，且旋轉每個單元並搭配一饋入網路來} 實現寬頻之3-dB axial ratio。 此天線之寬頻特性包含 10-dB 的反射損 耗頻寬超過 36%、穩定且高之天線增益約為 9~11dBic、極化之隔離(cross polarized)約為

20dB、 front to back ratio 約為 25dB 左右以及 3-dB axial ratio 之頻寬超過 30%。 於製作方面，已可完全於國內製作完成， 此計畫之後可大幅提升國內於毫米波之研製 能力。且毫米波之量測暗室已建置完成，對於 往後相關毫米波元件之研製，將有很大的幫助 [4]。 子計畫二: 平面濾波器 本子計畫以髪夾型並接共振器為基礎，利 用其產生傳輸零點的特性，使低通濾波器擁有 更低的止帶響應，完成了一個超寬頻微帶線四 階低通濾波器。 再以

λ

/4短路截線段為基礎，完成一個適 用 於 第 一 操 作 模 態 的 五 階 超 寬 頻 帶 通 濾 波 器，以及一個適用於全部操作模態的六階超寬 頻帶通濾波器。而此兩種

λ

/4短路截線段帶通 濾波器，亦使用了步階阻抗來得到更好的高頻 抑制。同時利用巧妙的摺疊與縮短短路截線段 的技巧，使整體電路面積大大的縮小至原來的 二分之ㄧ。使得這種濾波器具有頻帶寬、低止 帶響應以及小面積的特性，相當適合應用在微 波積體電路中。 在毫米波濾波器的研究方面，本研究以平 行耦合線共振器為基礎，同時設計並製作濾波 器所需之外部金屬封裝，完成了系統所須之毫 米波五階微帶線帶通濾波器模組。所有的製作 及組裝過程皆在國內實驗室完成，其成果可與 其他主、被動元、組件之研究配合，相輔相成， 因此於提升國內無線通訊毫米波電路技術的 目標上，此成果相當具有學術與實用的重要 性。 本子計畫接著藉由引入間隙電容與對地 並聯電感兩種元件，並以

λ

/4型耦合線共振器 為基礎，另完成一個新式平行耦合型微帶線帶 通濾波器。此濾波器除了擁有傳輸零點改善頻 率選擇度外，並可藉由調整平行耦合線的長 度，來提高假通帶響應發生的頻率，而擁有更

好的止帶響應。本研究另實現了毫米波共面波 導帶通濾波器，成功的避開使用貫穿孔的程序 而達到所需之帶通濾波器響應 [5]-[31]。 子計畫三: 超寬頻平面電路與轉接的最佳化 本研究中提出了各種不同結構之間的轉 接設計、製作、以及理論、模擬與量測結果之 間的比較。包含了微帶線至矩形波導管的轉接 設計、平面電路之間鎊線轉接的設計、以及微 帶線到介質合成波導之間的轉接。 微帶線至矩形波導的轉接的部分，利用微 帶線饋入後耦合至槽線，再從槽線傳至天線， 輻射至波導管完成能量傳遞。不需用到任何連 通柱或空氣橋，即可達成寬頻的轉接設計。鎊 線轉接的部分，本研究提出了分別設計串接殘 株匹配式轉接、多段串接殘株匹配式轉接、以 及縱橫式補償轉接等三種不同的轉接補償結 構。此外本研究亦使用多層的低溫供燒陶瓷來 製作微帶線至基板合成波導的轉接，基板合成 波導保有傳統矩型波導的優點，也容易與平面 電路整合，相當適合用來製作毫米波頻段的系 統。利用LTCC 製程所製作的轉接結構當頻率 上升時，介質損耗也會跟著提升，到 60 GHz 時，插入損耗會增加大約一倍，因此若是未來 希望製作在更高的頻率上，必須使用損耗較小 的基板製作，才可能在高頻上滿足實際應用的 需求。 子計畫五: 超寬頻射頻收發電路之研製 升降頻電路晶片，主要是利用國家晶片製 作中心所提供的半導體製程來進行設計，其電 路包括有升降頻混波器、低雜訊放大器、功率 放大器和單刀雙擲開關，每一電路包括有微帶 線和共面波導版本。每個電路的中心操作頻率 以40-48 GHz 為準。經實晶圓測試，低雜訊放 大器(一)，其增益大於15 dB 以上，其反射損 耗大於9 dB，雜訊指數為 5.5 dB。低雜訊放大 器(二)，其增益大於25 dB 以上，其反射損耗 大於8 dB，雜訊指數平均為 7.5 dB。大輸出功 率的 18.5-GHz 二倍頻器，量測的轉換增益最 高為9 dB (輸入信號頻率為 7.5 GHz)，量測的 效益最高為17.5% (輸入信號強度為 5 dBm)。 33-50 GHz 次諧波主動混波元件，當 LO 功率 等於 15 dBm 時會有最大的轉換增益，RF 到 LO 和 LO 到 RF 的隔絕度(Isolation)，量測結果 均大於40dB。量測轉換增 35-45 GHz 有大於 -6.5 dB 的轉換增益(Conversion Gain)。此混波 器的P1dB 為-6dBm。 本 子 計 畫 成 功 的 實 現 了 一 個 頻 段 40-48-GHz 超寬頻射頻收發機所需的電路研 製。經實際量測，這些電路可滿足收發模組之 系統要求。由本計劃產出的論文有 19 篇，請 參閱文獻[32]-[50]。 子計畫六: 超寬頻系統整合及發射器線性化 技術 本子計畫研製了毫米波頻段之單晶體電 路與線性化電路。積體電路之製程使用CIC 以 及穩懋公司所提供之 0.15 微米之高速場效電 晶體(HEMT)之製程。本計劃所研製之單晶積 體之電路，包括放大器、混頻器及線性化電路。 我們在計畫的第一年中，已成功地研製出 毫米波40-48GHz 功率放大器與混頻器，並且 針對毫米波放大器提出一線性化電路。而第二 年的研究成功地整合線性化電路與功率放大 器，並將這些積體電路完成封裝，使用在系統 測試上。在第三年的計畫中，配合總計畫系統 整合及測試，並針對線性化的電路設計加以改 善，其中包括寬頻放大器、功率放大器及混頻 器。以上單晶積體電路皆已完成量測，並獲得 不錯的成果。 在計畫執行的三年間，有七篇國際期刊論 與七篇會議論文[51]-[64]。 子計畫七: 毫米波超寬頻量測技術 在本子計畫中所提之多模 TRL 校準方法

由於假設多模傳輸線中各模態的傳播常數須 不同，並不適合使用於一般使用相同傳輸線的 多埠網路。針對使用相同傳輸線的多埠網路， 在第一年我們發展了新的 TLS 校準方法可以 處理具有相同傳播常數的狀況，此時由於傳播 常數及線長均相等，因此必須處理相同特徵值 eigenvalues 及特徵向量 eigenvectors 時的矩陣 計算，相當的複雜。由於特徵值為傳播常數及 線長的乘積，因此若能使用不同長度的線段， 即可使得特徵值不相同，而大幅簡化計算複雜 度。 本研究提出了擁有高製程變異容忍度之 耦合電感。為了驗證我們所提出的耦合電感確 實能在系統中發揮他們的效果，我們將其用來 實現傳輸零點與單頻帶帶通濾波器之電路。用 我們所提出的耦合電感來設計傳輸零點之電 路時，即使有上下層不對正 50 微米的情況發 生，傳輸零點的位置也幾乎沒變，只有的＋ 2.8%至-1.4%之間的變化。比起由傳統的耦合 電感去實現電路時，傳輸零點位置劇烈變化從 +11.5%至-8.6%的情況實在好了很多[65]-[69]。 四. 參考文獻

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2007 APMC (Asia-Pacific Microwave Conference). RF @ 40.1-47.6 GHz LO @ 18.5 GHz LNA PA Mixer Mixer Antenna Antenna

VSA Vector Signal Analyzer

ESG Vector Signal Generator

IF @ 3.1-10.6 GHz RF @ 40.1-47.6 GHz LO @ 18.5 GHz LNA PA Mixer Mixer Antenna Antenna

VSA Vector Signal Analyzer

ESG Vector Signal Generator

IF @ 3.1-10.6 GHz 圖一，40-48 GHz 無線收發系統 圖二，發射器模組照片 圖三，接收器模組照片 Webcam IF Baseband 圖四，中科院基頻與中頻電路模組(20 Mbps CDMA)

圖五，影像傳送展示平台

Realtek UWB Module

NTU MMW Tx Module

圖六，MMW UWB Transmitter

Realtek UWB Module

NTU MMW Rx Module

圖七，MMW UWB Receiver

Band 1

40.432 GHz

圖八，MMW UWB Output Spectrum

mode 8.2% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 7 7 6 6 5 5 0% 0.06% 0% 0.97% 0% 480 0% 0% 0% 0% 0% 400 0% 0% 0% 0% 0% 320 0% 0% 0% 0% 0% 200 0% 0% 0% 0% 0% 160 0% 0% 0% 0% 0% 106 0% 0% 0% 0% 0% 80 0% 0% 0% 0% 0% 53 data rate (Mbps) 2 1 2 1 2 1 distance (m) antenna to antenna PER (%) mode 8.2% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 7 7 6 6 5 5 0% 0.06% 0% 0.97% 0% 480 0% 0% 0% 0% 0% 400 0% 0% 0% 0% 0% 320 0% 0% 0% 0% 0% 200 0% 0% 0% 0% 0% 160 0% 0% 0% 0% 0% 106 0% 0% 0% 0% 0% 80 0% 0% 0% 0% 0% 53 data rate (Mbps) 2 1 2 1 2 1 distance (m) antenna to antenna PER (%) 圖九，Measurement of PER