迎戰5G商用化　天線/晶片設計有對策

5G R15規格底定後，5G也朝正式商用化更邁進一步。而在各國陸續展開頻譜拍賣、指配後，電信商也紛紛喊出2019年或2020年5G行動服務商用化的願景。不過，5G不論是在組網方式還是使用的頻段，都比歷代行動通訊來得複雜。其中，5G NR高頻毫米波(mmWave)的技術特性，更為基地台與行動裝置設計帶來許多挑戰。為此，設備與晶片廠商也持續推出解決方案，希望能加速促成5G商用行動服務開通。

現階段5G焦點主要集中在增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)應用情境討論，希望能朝更高網路容量與更高傳輸速率發展。而要增加蜂巢式基地台容量可透過三大措施實現，包括獲得新頻譜、提高基地台密度和改善頻譜效率。對此，ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇(圖1)表示，雖然可見新的頻譜持續增加、網路密度不斷提高，但提升頻譜效率仍相當重要。

目前大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)已被證實能夠使行動資料傳輸量提高3至5倍，且未來有望持續提升。而各國電信營運商也紛紛展開5G Massive MIMO測試，預計在2019年至2020年開始在部分地區進行5G商業部署。而在eMBB逐漸完備後，解勇認為，高頻毫米波技術及超高可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)應用情境將成為下一波產業聚焦熱點。

波束成形/主動式天線克服毫米波物理限制

毫米波為極短波長且極高頻率的載波通訊，是除了多天線、多工調變方法之外，另一個能直接大幅提升資料傳輸速率的途徑。然而，毫米波技術也面臨到傳輸路徑損耗(Path Loss)、集膚效應(Skin Effect)等物理特性所帶來的限制，造成通訊距離短、覆蓋範圍小、易受干擾且易被人體及建築遮蔽等問題，因此必須透過波束成形(Beam Forming)、Massive MIMO陣列天線等技術加以解決(圖2)。

波束成形技術可將多個訊號集中並指向特定方向，以克服毫米波耗損的問題並提升訊號傳遞的距離。而波束成形的運作還必須藉由相位陣列天線(Phased Array Antenna)來控制、調整波束的方向，才能形成指向性波束。

而為避免方向偏差影響用戶端的訊號接收，基地台天線還須加入波束追蹤(Beam Tracking)技術，快速移動、掃描以隨時偵測用戶位置。而為支援此技術，未來5G基地台天線將採主動式、智慧型天線設計。

諾基亞(Nokia)台港澳業務銷售總監鄭志中進一步說明，主動式陣列天線能確保訊號的穩定性，但以5G時代一個基地台至少須處理64個發射機(TRx)的情況而言，可預見主動式陣列天線將會為基地台帶來龐大的運算負載，使得基地台的處理效能與功耗成為重要的課題。為此，Nokia也著手進行實驗，希望能將人工智慧(AI)導入基地台，利用機器學習演算法提升運算效能，並進一步預測用戶移動的路徑，藉之分擔主動式天線所帶來的運算負載，提升基地台的運作效能。

而在終端裝置的天線設計上，毫米波波束也可能受到手握手機的方式、系統的材質(如玻璃、陶瓷、金屬元件、機構件)影響，被物質吸收、反射或是偏移本來應該輻射的角度。對此，Qorvo產品行銷經理陳慶鴻(圖3)指出，目前業界常見的解決方案包括導入多根毫米波天線陣列模組，或透過擺放方式、多極化多頻段設計，來降低這些外在影響。

5G RF前端朝模組/IC發展

5G Massive MIMO陣列天線系統，使之對於射頻元件的整合度、頻寬與成本具更高的要求。此外，5G頻段包含6GHz以下的低頻頻段與高頻毫米波頻段，支援的頻段比4G LTE多且複雜，因此，若要達到5G RF性能指標要求，將為相關RF元件製程與電路設計帶來更大的挑戰。

LTE技術演進掀起RF前端模組市場第一波熱潮，不過市調機構Yole指出，2017年底5G NR非獨立(Non-Standalone, NSA)標準出現，才是驅動RF前端市場大幅成長的主因。5G NR NSA在架構上採用4G/5G聯合組網，並引入雙連結(Dual Connectivity)技術確保設備能同時使用兩個基地台的無線資源，也促使RF前端設計複雜度以及元件需求向上提升。根據Yole發布的報告，RF前端模組市場2023年產值達352億美元，2017~2023年複合成長率(CAGR)為14%。

以往RF前端多採用離散式元件(Discrete Components)，透過印刷電路板(PCB)上的RF走線(Trace)連接收發器、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)及濾波器(Filter)等主被動元件。不過，隨著RF元件用量的提升，陳慶鴻表示，目前4G高階手機RF元件模組化已是必然的趨勢，而5G將更進一步加速元件整合的趨勢。其中，模組的型式包括封裝、低損耗板材SMT、軟板SMT等，但不論採用何種方式都必須解決IC熱集中、高功率消耗的問題。

Anokiwave亞太地區銷售總監張肇強(圖4)進一步說明，5G毫米波訊號易耗損、受干擾，為降低訊號在PCB傳遞過程中的耗損，須將RF元件與天線整合以縮短RF走線，理想的做法是將RF元件置於天線基板的背面。然而，除了面臨到RF元件用量大幅增加的問題，隨著訊號頻率變高、波長變短，天線尺寸及每個天線間的距離都會大幅縮小，而離散式RF元件的尺寸較大，因此難以直接將之整合在天線基板上。

由於上述問題，也使得5G毫米波RF元件整合成為必然的趨勢，而目前市面也已有業者利用IC或模組的形式將RF元件整合在同一封裝。對此，張肇強表示，該公司看好CMOS製程的成熟度、高整合性以及生產成本等優勢，因此採用矽基的CMOS製程來生產毫米波RF前端IC，並將之與天線整合成模組，以解決訊號傳輸耗損問題。

RF模組封裝須考量散熱問題

Massive MIMO技術的導入使得5G基地台與終端裝置的天線數量皆增加，散熱問題因而成為RF元件與天線設計上的另一項挑戰，業者須在確保RF性能的同時，兼顧熱管理與成本問題。對此，張肇強解釋，雖然過去毫米波雷達與波束成形技術已被運用在軍事國防，但對於軍事應用來說，尺寸與成本都並非設計上的首要考量，因此若要運用相關技術實現商用基地台，除了要克服尺寸問題，基地台散熱所帶來的龐大成本也是一大挑戰。

為此，Anokiwave嘗試從封裝來改善散熱問題，其第一代毫米波RF前端IC採用QFN封裝技術，但考量塑膠封裝散熱效果較差，因此第二代產品改採晶圓級晶粒尺寸封裝(WLCSP)，在改善散熱問題的同時也能進一步縮小封裝體積。

同樣考量到塑膠封裝所產生的散熱問題，Qorvo日前推出39GHz的雙通道RF前端模組也針對塑膠封裝提出相關對策。Qorvo指出，由於該款RF前端模組採用GaN製程，而GaN功率密度比GaAs高出2至3倍，因此在封裝設計上面臨更棘手的散熱問題。為此，該公司在GaN RF前端模組封裝基座內加置均熱器，在確保產品成本競爭力的前提下，提升塑膠封裝的熱管理效能。

天線隔離度/線性度克服IMD干擾問題

5G組網方式分為獨立(Standalone, SA)與NSA兩種，其中，NSA主要是透過LTE發送控制訊號，而SA則是透過5G NR發送控制訊號。就目前各國電信商布局看來，除了中國移動有意直接部署5G SA網路，多數國家在初期仍會以NSA網路部署為主，因此兼容各標準、架構的解決方案也更顯重要。

針對組網方式對於天線設計的影響，陳慶鴻進一步說明，NSA的組網架構，無論是在1T4R或是2T4R的設計上，整體核心網路仍需要4G LTE做為控制通道，5G NR只提供高速的數據傳輸，因此NSA的架構下，會發生4G LTE與5G NR同時發射的應用場景，在RF前端設計須留意互調失真(IMD)產生的干擾問題。而SA組網架構，雖然不需要4G LTE做為控制通道，但在2T4R的設計上，仍須注意IMD帶來的干擾問題。

面對NSA的架構下會發生4G LTE與5G NR同時發射的應用場景，陳慶鴻建議裝置端的天線採分天線的設計方式，即4G LTE與5G NR的發射分別位於不同的天線上，利用天線間的隔離度，加上選用線性度較好的元件，來減少IMD對於系統干擾的影響。而他也指出，SA在1T4R的設計底下，除了可以節省一套RF發射元件之外，也無須面對IMD的干擾問題，對於終端裝置的RF前端成本考量是一大優勢，搭配成熟的天線調諧開關元件，可突破多頻且寬頻的天線在全面屏行動終端產品上的挑戰。

基頻晶片廠搶奪商用化先機

要實現5G行動服務商用化，除了克服基地台與終端的RF前端與天線設計問題，基頻晶片亦是關鍵。為加速5G商轉，高通、三星以及Intel等晶片大廠也陸續發表5G基頻晶片，並紛紛展開通話測試。如高通日前與愛立信共同宣布，利用搭載Snapdragon X50晶片之智慧型手機尺寸的測試裝置上，在39GHz頻段完成符合3GPP R15規範的5G NR通話；而三星也表示，其已利用搭載Exynos Modem 5100的終端原型裝置以及5G基地台，完成5G NR數據通話無線傳輸(OTA)測試。

據悉，三星推出的基頻晶片在sub-6GHz頻段最高下載傳輸速率可達2Gbps，在毫米波頻段則可達6Gbps的下載傳輸速率。相較於先前的版本，Exynos Modem 5100在以上兩個頻段的傳輸速率分別是前代的1.7倍及5倍。此外，該款基頻晶片在4G網路中亦能達到1.6Gbps的下載傳輸速率。而根據高通日前演示的結果，Snapdragon X50則可在使用兩個28mm毫米波通道的情況下，達到1.2Gbps的整體傳輸速率。

除了基頻晶片，高通日前也發表可用於智慧型手機與行動終端裝置的整合式RF模組。根據其說法，QTM052毫米波天線模組可與Snapdragon X50基頻晶片協同作業，在26.5~29.5GHz(n257)、27.5~28.35GHz(n261)以及37~40GHz(n260)頻段上支援800MHz的頻寬。該模組在設計上，將無線電收發器、電源管理IC、射頻前端元件和相控天線陣列功能整合在封裝尺寸中，一支智慧型手機中最多可容納4個QTM052模組。

不過，高通也表示，材料、尺寸、工業設計、散熱以及輻射功率之監管要求，都是5G毫米波正式商轉前，會面臨到的挑戰。業者必須克服上述問題，才能加速5G毫米波行動裝置的商用化。

MIC：5G行動終端裝置2021年才會明顯成長

縱觀5G商用進程，資策會產業情報所(MIC)預測，5G終端將在2018年底陸續推出，然而，首波上市產品將以行動路由器與家用路由器為主；行動裝置與智慧型手機則會在2019年陸續問世，但要等到2020年各國5G基礎建設完備、正式商轉後，才會有較明顯的出貨成長。

資策會MIC資深產業分析師兼產品經理韓文堯表示，5G支援的頻段包含4G LTE頻段、5G NR sub-6GHz以及5G毫米波三個部分，不同的頻段所需的技術不盡相同，因此，若要同時支援三個頻段的運作，勢必會為終端裝置開發帶來成本、尺寸、電路設計以及功耗的問題。而他也透露，目前5G毫米波終端原型裝置的耗電量仍相當大。

除了技術挑戰，毫米波裝置在5G商轉初期的市場需求不足也是一大問題，業者須設法在頻段支援與成本間取得平衡。由於元件用量、天線成本與設計複雜度提升，5G毫米波RF前端成本也將大幅增加。然而，各國初期開放的頻段並不全然相同，儘管智慧型手機內含高頻元件，也只能在部分國家支援5G NR毫米波通訊，市場需求並不高。

韓文堯就各國開放的頻段進一步分析，美國與南韓電信商會率先開通5G NR高頻頻段，因此這兩國的終端裝置業者較有機會成為首波推出5G毫米波行動裝置者。而以中國而言，由於其電信商初期布建著重在sub-6GHz，因此業者在近期推出毫米波行動裝置的可能性較低。

而若以整體5G行動裝置市場來看，資策會MIC預估2019年5G智慧型手機出貨量將達420萬台，但要到2021年才會有較明顯的成長，預估2022年出貨量可達3.1億台。

資策會MIC資深產業分析師兼研究總監李建勳(圖5)表示，雖然晶片廠與多家Android手機大廠宣布在2019年推出5G行動裝置，加上全球最大電信商中國移動也將於2019年初採購5G手機，但除了美國、南韓以及中國，多數電信商皆要到2020年才會推出5G商用網路。因此，在5G技術尚未成熟、網路覆蓋率未大幅提升之前，出貨仍量不會有明顯的成長，初期推出的產品可能多屬於電信商採購機種。綜合上述，5G行動裝置市場真正起飛的時間預計會落在2021年後。