Si基相控阵技术的相关进展1

Si基相控阵技术的相关进展1

• • 一、技术背景
  • 二、设计考虑
  • • 2.1模块化扩展（phased-array scaling）
    • 2.2 封装挑战
    • 2.3 波束控制
    • 2.4 校准
    • 2.5 电磁仿真
  • 三、简要回顾（2014-2019）
  • 四、发展趋势
  • • 4.1 更高EIRP
    • 4.2 宽带波束合成
    • 4.3 多功能与3D感知应用
    • 4.4 高效散热
    • 4.5 软件定义相控阵列

一、技术背景

最近这些年基于硅基工艺（主要是Si CMOS 和SiGe BiCMOS）实现的SOC（System on Chip）以及AiP（Antenna in Package）封装技术得到了长足的发展，使得相控阵技术相关产品能够实现低成本和大批量生产，因此有可能在5G毫米波通信、低轨卫星互联 等民用产品中广泛使用。

调研过程中翻到一篇不错的综述文献¹，来自IBM的T. J. Watson Research Center，属于该技术领域顶级的研究团队（原文献）。后面将简要记录下几个主要的设计考虑因素包括：模块化扩展、封装挑战、波束控制、校准、电磁仿真，并进一步回顾下该技术短暂的历史，最后给出对未来研究趋势的探讨。

正如这篇文章名字所示“The More (Antennas), the Merrier: A Survey of Silicon-Based mm-Wave Phased Arrays Using Multi-IC Scaling”，拥有更多天线单元的大型阵列越来越受到关注。原因在于对于收发系统的两个核心指标：发射EIRP和接收SNR，通过增加阵列单元数量N，理论上二者能够分别得到N^2和N倍的增益。同时大型阵列所提供的窄波束及空域滤波能力对于通信而言同样不可忽略。

二、设计考虑

2.1模块化扩展（phased-array scaling）

大规模的硅基相控阵IC芯片虽然有很多优势，但其设计面临极大的挑战。

使用这种扩展技术需要考虑整个阵列功能在IC间的分配、本振及时钟源分配和相关的同步问题。

波束成形可以在RF、LO、IF及数字域进行，而Si基相控阵研究大多采用RF即模拟波束合成或混合波束合成方式，这样片上电路数量较少。RF波束合成架构的主要功能模块包括：模拟波束合成、频率变换、模数转换及数字信 处理。不同架构可以选择将不同功能进行IC集成，比如将模拟波束合成和频率变换进行IC集成，IC输入RF信 输出IF信 ，就可以减少工作于毫米波的板间或电缆互联，从而减低成本。这种方案被IBM、Qualcomm、Nokia Bell Labs、and Intel等公司采用。而由此带来的问题是需要处理频率变换所需的本振分配 络和本振同步问题。

2.2 封装挑战

首先需要考虑的是集成封装方案，Si基相控阵IC与天线集成有如图5所示的三种方式可选择：（a）On-PCB；（b）In-Package；（c）On-Wafer。

2.3 波束控制

硅基相控阵最显着的优势之一就是集成了数百万个数字控制晶体管。 几乎所有商用的基于Si的相控阵都使用片上光束表。 一个典型的基于静态随机存取存储器（SRAM）的波束表把每一个波束状态存为一行配置，配置主要包括每个通道移相器和衰减器的控制状态，然后通过SPI在不同配置行间切换。如图7（a）所示。不同IC的独立控制通过地址位和总线寻址完成。

对于高速数字控制，保持时钟和IC中数据I / O的所需输入阻抗也很重要。对于穿行和并行两种方式图7（b），穿行前后驱动比较容易但会导致延时；而并行虽然解决了延时问题，但对于高速信 而言，阻抗问题可能会降低信 完整性。所以大型阵列通常选择二者的组合。此外数字模拟的电磁兼容也需要通过电源隔离和地隔离来给予考虑。

四、发展趋势

在过去的五年中，基于硅的可扩展毫米波相控阵已从研究挑战发展为商业应用，而且还在进一步向更广阔的应用发展。文中指明：更高EIRP，宽带波束合成，多功能与3D感知应用，高效散热以及软件定义阵列是需要进一步研究的技术方向。

4.1 更高EIRP

当前方案硅基IC的集成规模能够满足短距离移动通信的需求。如果要扩大覆盖范围，就需要提高阵列的EIRP性能（增加天线单元数量或更高功率放大器）。前面说了目前Si集成放大器的输出功率有限，大概在20dBm以下，而化合物半导体放大器的输出功率更高，不过从集成方式来说可能需要完全不同的集成工艺，比如异质集成。所以到底是选择增加天线数量还是采用其它工艺放大器可能需要进一步的研究支撑。

4.2 宽带波束合成

无线通信有对更高速率的要求，对应相控阵系统更大的瞬时带宽。而相移技术基于窄带假设，当用于宽带系统时，会出现波束倾斜和阵列码间串扰（类似孔径渡越），这时需要用时延来代替相移。而相移与时延最主要的区别是相移可以周期循环，而时延不行，因此可能需要很多位来实现大型阵列的波束合成，这将给IC集成带来一定的挑战，如何将硅基相控阵扩展到硅基时延阵列是需要进一步研究的方向。

4.3 多功能与3D感知应用

自动驾驶汽车需要的3D感知推动了传感器技术的发展。目前基于光的激光雷达技术得到广泛的关注和投资，但全天候的感知系统可能仍需要依赖毫米波系统，低成本的硅基相控阵提供了一条可行途径。可以通过更多数量的天线单元提高角分辨率和范围，通过更大的信 带宽来提高范围分辨率。通信应用与3D感知雷达应用对相控阵有相同的技术需求，因此可以相互促进。

4.4 高效散热

散热对于阵列来说也是需要考虑的问题。实现高效散热和一体化集成所需要的研究方向包括：1）关于更高效波束合成的电路级研究； 2）能够兼容当前Si基及化合物半导体阵列集成工艺的新型散热方案 ，3）结合散热和电气性能的多物理场仿真。

4.5 软件定义相控阵列

最后比较重要的一点是，相控阵系统硬件还需要同软件结合才能构成最终的应用系统。可以将软件无线电的思想扩展到相控阵系统，这需要在（1）射频-数字联合设计来实现可配置和适应性；（2）大规模阵列的捷变波束控制以及（3）集成的控制软件界面。（好吧，这部分我没看懂）。

1. B. Sadhu, X. Gu and A. Valdes-Garcia, “The More (Antennas), the Merrier: A Survey of Silicon-Based mm-Wave Phased Arrays Using Multi-IC Scaling,” in IEEE Microwave Magazine, vol. 20, no. 12, pp. 32-50, Dec. 2019. ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ??

2. T. H?hne and V. Ranki, “Phase Noise in Beamforming,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 9, no. 12, pp. 3682-3689, December 2010. ??

3. A. Puglielli, G. LaCaille, A. M. Niknejad, G. Wright, B. Nikoli? and E. Alon, “Phase noise scaling and tracking in OFDM multi-user beamforming arrays,” 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC), Kuala Lumpur, 2016, pp. 1-6. ??

4. S. Zihir, O. D. Gurbuz, A. Kar-Roy, S. Raman and G. M. Rebeiz, “60-GHz 64- and 256-Elements Wafer-Scale Phased-Array Transmitters Using Full-Reticle and Subreticle Stitching Techniques,” in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 64, no. 12, pp. 4701-4719, Dec. 2016. ??

5. B. Sadhu et al., “A 28-GHz 32-Element TRX Phased-Array IC With Concurrent Dual-Polarized Operation and Orthogonal Phase and Gain Control for 5G Communications,” in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 52, no. 12, pp. 3373-3391, Dec. 2017. ??

6. S. Shahramian, M. J. Holyoak, A. Singh and Y. Baeyens, “A Fully Integrated 384-Element, 16-Tile, $W$ -Band Phased Array With Self-Alignment and Self-Test,” in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 54, no. 9, pp. 2419-2434, Sept. 2019. ??

7. X. Gu et al., “A compact 4-chip package with 64 embedded dual-polarization antennas for W-band phased-array transceivers,” 2014 IEEE 64th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Orlando, FL, 2014, pp. 1272-1277. ??

8. A. Valdes-Garcia, A. Paidimarri and B. Sadhu, “Hardware-Software Co-integration for Configurable 5G mmWave Systems,” 2020 IEEE Symposium on VLSI Technology, Honolulu, HI, USA, 2020, pp. 1-2. ??

9. X. Gu, D. Liu and B. Sadhu, “Packaging and Antenna Integration for Silicon-Based Millimeter-Wave Phased Arrays: 5G and Beyond,” in IEEE Journal of Microwaves, vol. 1, no. 1, pp. 123-134, winter 2021. ??