對於天線設計來說，一個明顯趨勢就是從被動天線系統(PAS)向高階或主動天線系統(AAS)過渡。這種轉變不僅發生在5G/6G和Wi-Fi等地面通訊領域，在衛星、航太和感測應用領域也是如此。

對於某些應用案例，特別是軍事/國防、航太和星載通訊(space-borne communication)和感測，所需的發射功率水準已經超過了絕大多數半導體技術的能力。同時，對於許多較新湧現的用例，一些新型天線以前曾被認為不是功率太低，就是不太實用。如今隨著AAS的進展和一些半導體技術整合度的提高，為這些新型天線的設計應用打開了大門。

主要的AAS發展趨勢可能是由5G/6G技術發展驅動，這些技術中部署了具有數十個甚至超過100個天線單元的極為複雜的AAS。與較不複雜和更傳統的通訊和感測用例(例如具有稀疏和廣泛分離基地台的異質蜂巢通訊)相比，複雜程度和元件數量達到如此水準後，則更加強調緊湊性、效率和可整合性。

圖1：AAS訊號鏈包括PA、LNA和其他RF元件。

(來源：Techplayon)

現代AAS設計通常具有多重輸入多重輸出(MIMO)和/或波束控制能力，這要求RF前端(RFFE)硬體至少是天線單元的子集，在某些情況下，每個天線單元可能有不同的RFFE訊號鏈。這意味著，對於現代AAS解決方案來說，每個天線即便是沒有幾十個RFFE訊號鏈的話，至少也有幾個。這些訊號鏈中的每一個可以由功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、移相器、可變衰減器、開關、環形器/隔離器、濾波器、合成器/功率分配器，以及可能的混頻器和振盪器組成。

對於更特殊的AAS，意味著RFFE硬體元件數量可能多達數百個，這取決於MIMO通道的數量、天線單元和AAS的具體設計。如果用離散元件實現的話，這些訊號鏈的設計本身將佔用很大空間，成本也很高，並且由於連接器和傳輸線的RF損耗，導致效率也很低，這使得故障排除極其困難。比較合理的升級改進是用板級硬體來實現現代的AAS。板級AAS解決方案目前已很常見，但這些解決方案通常無法滿足效率、結構形狀或成本方面的要求。

AAS下一個設計追求是在大規模半導體製造基礎上，建構更高整合度的解決方案。儘管這些高度整合的解決方案仍然內建於AAS中，並使用標準電路板技術，但採用整合度更高的元件，可以顯著減少RFFE硬體的佔位面積。此外，更高整合度的解決方案還可以節省總體成本，並成為毫米波(mmWave)通訊和感測解決方案的一個優異特性。

圖2：用於5G網路的毫米波RFFE解決方案，透過採用簡化片上校準和數位校正的模組化方法，簡化了AAS設計配置。

(來源：pSemi)

技術選項

半導體領域的這些趨勢和轉變的一個很好例子是5G新無線電(New Radio，NR)毫米波系統和基地台的實現。5G NR的最新3GPP版本，除了低於6GHz的FR1頻段之外，還分配了從24.25~52.60GHz (FR2-1)和52.60~71.00GHz的毫米波頻段。為了實現毫米波mMIMO基地台的必需性能，需要更多的RF鏈路，所需的TX和RX鏈路可能多達256條。

為了保持合理的尺寸、重量和功率效率，人們普遍認為，實現毫米波mMIMO基地台的唯一方法，是採用更高整合度(相對於6GHz以下頻段MIMO技術而言)。這些技術要求以緊湊和高效的方式與大功率PA進行高度整合。另外還要求RF線路之間具有高隔離度，以及具有低插入損耗(IL)和高隔離度的TX/RX之間的良好切換性能。

絕緣體上矽(SOI)和砷化鎵(GaAs)技術適用於毫米波mMIMO基地台中的許多元件，而其他技術功率太低、成本也太高，或者根本不屬於傳統蜂巢基地台的典型供應鏈。GaAs和GaN是高輸出功率PA的最佳選擇，而矽鍺(SiGe)和SOI是所需輸出功率為20dBm左右的毫米波mMIMO應用的較好選擇。

由於CMOS的頻率和輸出功率性能相對較差，對於此類應用來說是不太好的選項。然而，對數位基頻而言，CMOS的可整合性最好，而SOI技術的可整合性名列第二，其次是SiGe。與其他半導體技術相比，SOI在隔離性能方面表現出色。眾所周知，與GaN和GaAs相比，SOI開關具有優異的IL性能和功率承受能力。因此，SOI可能是實現高整合度毫米波mMIMO模組的最佳選項之一。

由於GaAs和GaN均由III-V半導體技術製成，缺乏與CMOS技術或其他矽基技術整合的既定路徑，因此被認為是最不可整合的。然而，為了增強GaN和GaAs技術的可整合性，已湧現大量的實質性研究和開發成果，因此在同一晶片中完全可以實現高頻RF和高速數文書處理技術的高度整合。

新一代AAS技術

更複雜的AAS以及更高頻率通訊和感測技術的發展趨勢，可能會導致RFFE中用於這些應用的半導體解決方案的改變。這一改變將使一些應用轉向採用更多單元的AAS設計，設計中使用更易整合的低功率半導體(如SOI)技術。此外，還將進一步開發更易整合的GaAs和GaN技術。

(參考原文：Active antenna systems reshaping RF front-ends，by Jean-Jaques (JJ) DeLisle)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年4月號

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