產學研分進合擊投入開發　毫米波商用日益成熟

毫米波在商業應用算是一項新技術，因此，不論是在無線通訊還是感測領域，除了因應高頻物理特性在製程、材料與元件設計上做出調整，毫米波開發還必須滿足商用市場對於功耗與成本的要求，才能催生出完整且可行的商業模式。

毫米波技術/商用取得平衡

毫米波過去應用在軍事與航太領域，若要商業化應用，降低成本相對重要，Anokiwave亞太區業務總監張肇強(圖1)指出，與過去軍事航太的應用相較之下，毫米波技術在導入商業應用的過程中，縮小元件體積、降低耗電量重要性更為提升。

在5G通訊方面，毫米波因為頻率高、波長短，傳輸效率不如低頻訊號，空氣、水分、動植物、建築物都有可能對訊號造成干擾，也是目前技術發展的重大挑戰。因此，透過多個發射器與主動式天線(Active Antenna)設計，與過去軍事航太的主動陣列雷達原理一致，可以集中多個訊號形成波束(Beam)，克服毫米波訊號先天的物理性劣勢，利用波束成形(Beam Forming)與波束追蹤(Beam Tracking)技術調整波束的相位，讓發射端與接收端訊號可以準確對接。

在無線通訊系統中，從基地台、小型基地台(Small Cell)、5G網路終端、手機來看，張肇強說明，依照不同的傳輸任務，設備的發射功率是設備或營運商採購時考量的重點之一，一般而言基地台要求65~70dBm、Small Cell約50~55dBm、無線網路閘道器約42dBm、手機約20dBm。無線基地台的發射功率是指在使用頻段範圍內的能量，5G會透過天線與收發器陣列的數量與功率來決定發射功率，目前基地台大約會建置128~256個天線/收發器模組，Small Cell約32~64個模組，CPE可能為16~32個，而手機在8個以下。

儘管5G毫米波在天線設計已做出調整，但根據了解，毫米波在支援行動通訊時，仍可能面臨訊號遭阻擋或傳輸距離不夠遠的問題。對此，工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安表示，除了布建更多的基地台提升密度，也可以透過Relay進行訊號代轉來延續訊號。事實上，訊號代轉並不是新的技術，過去的行動通訊就有利用此種方法，因此，從技術面來看是可行的。然而，不論採用何種方式來提升傳輸距離，都必須要考量成本的問題，是否會被導入實際商用場景還有待觀察。

而為實現毫米波應用願景，學術領域也投入雙頻/多頻與寬頻相關技術以及波束成形相關電路設計研究。國立台灣大學電機資訊學院副院長暨微波學會理事長吳宗霖進一步說明，進入5G毫米波通訊時代，必須要支援大頻寬、多頻段的應用，所以天線與射頻(RF)設計也要跟著改變，以滿足5G的發展趨勢；同時，還必須克服毫米波元件耗電量較高的問題，因此研究會著重在如何將毫米波相關電路與天線設計及封裝的共設計，做得更省電、成本更低，以滿足商用效益。

另外，波束成形相關的電路設計對5G毫米波研究也相當重要，因為毫米波訊號傳輸耗損嚴重，波束必須做得夠窄並提升天線增益，讓訊號傳得更遠且能隨時切換方向，以實現支援多用戶的應用場景。

材料/製程兼顧效能成本需求

吳宗霖表示，材料的損耗是毫米波商業發展的關鍵因素之一，若能在不提升成本的前提下，將材料損耗降低一個階數(Order)，將有助於毫米波應用的推進。而目前技術面雖然已可將材料的損耗降低，但同時也會增加相對的成本，使得毫米波較難導入大規模商用。

而在電路板(PCB)製造與封裝(Package)製程方面，則考驗著製程的精密度，目前相關研發工作正致力於將製程解析度從原先的2、3密耳(mil)，精進到1mil以下。此外，測試工作如何確保毫米波產品在量產過程中維持應有的效能及良率，都是毫米波商業化過程中須克服的挑戰。

各廠爭相布局毫米波技術

而為加速毫米波的商用發展，半導體廠商積極投入毫米波產品開發，不論是在5G通訊還是汽車/工業雷達都有新的進展。

英飛凌鎖定5G基地台/雷達應用

英飛淩的毫米波解決方案主要鎖定汽車雷達、工業雷達，以及點對點基站連接的無線回程通訊(例如V波段60GHz或E波段70/80GHz回程鏈路)三大應用領域，提供毫米波功率元件與毫米波射頻收發器相關解決方案。

英飛凌電源管理及多元電子事業處射頻及感測元件經理吳柏毅表示，該公司在5G毫米波基礎建設的部分採用矽鍺(SiGe)製程，而在毫米波雷達射頻IC的部分則是SiGe與BiCMOS兼具。他說明，SiGe有較好的發射功率，可以支援長程偵測。BiCMOS則結合RF與數位基頻，可以支援在行動裝置應用中的低功耗要求。由於BiCMOS的製程複雜度較高，英飛凌是市面上少數能以此製程進行開發的廠商。

而英飛凌也積極與產業夥伴、學術研究單位合作，拓展毫米波雷達在汽車應用領域以外的發展機會，除了將毫米波雷達導入智慧照明系統、智慧音箱，該公司也持續投入毫米波雷達在物體/材料分析、手勢辨識的相關研究與開發工作。

德州儀器毫米波雷達從汽車進軍工業

德州儀器在毫米波的投入主要聚焦在感測應用，除了推出77/79GHz的車用毫米波雷達，該公司也因應市場趨勢，將毫米波雷達導入工業應用。

德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統應用經理王盈傑指出，物聯網(IoT)與工業4.0浪潮下，應用市場對於感測器的需求越來越高，而看好毫米波雷達在偵測物件距離、速度與角度的優勢，該公司在2018年正式推出用於工業系統的高解析度CMOS單晶片60GHz感測器產品組合。據了解，該款毫米波感測器整合了計算處理晶片，能提供即時決策和訊號處理。此外，其採用包含天線的封裝技術(Antenna-on-Package)，不但克服了過往射頻設計相關的挑戰，更有助於將產品尺寸縮小。

Anokiwave採CMOS製程訴求整合度

航太軍事應用毫米波陣列雷達主要重點為準確性，對成本、體積、耗電較不敏感。在商業應用時則完全不同，標準型的基地台使用最多的收發模組，但體積、重量與功耗也不能無限制地上升，張肇強表示，一般而言64個收發模組須消耗約100瓦(W)電力，256個模組就是400瓦以上，基地台若是重量太重架設在戶外，遇到惡劣的天候很容易損壞，不慎從高處落下發生意外後果更為嚴重。

因此Anokiwave長期專注高頻毫米波技術，在毫米波商業化的浪潮之下，希望藉由過去的基礎站穩發展的浪尖，在毫米波元件的技術開發上，該公司選擇以成熟的CMOS製程切入，張肇強認為，儘管在高頻訊號表現上，矽元件不如化合物半導體如砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)，但CMOS製程在微縮與整合上有無可取代的優勢，以該公司目前的射頻前端(RFFE)元件而言，已經整合四個收發模組在單晶片中，有助於降低裝置成本、功耗、體積。

而Anokiwave新一代射頻元件將整合八個收發模組，目前已經可以為客戶提供樣品，預計2019年下半年正式出貨。展望未來，5G高頻毫米波儘管還存在許多技術瓶頸，但發展趨勢無疑會持續往前推動，透過技術的微縮、整合，並開發、改善軟體訊號控制技術，強化使用者體驗，以達成5G願景擘劃的目標。

ADI提供全訊號鏈解決方案

針對ADI在毫米波的投入，ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇表示，看好毫米波在5G市場的商用前景，該公司不斷加大產品研發投入，並透過長期的技術累積和深入的系統架構理解，開發更具競爭力的全訊號鏈系統級解決方案。目前ADI在毫米波上下變頻器和用於波束成形的移相器方面，推出基於SiGe製程的高整合度和高性價比方案；在中頻處理方面，則推出基於28nm CMOS製程的射頻採樣資料轉換器，以滿足毫米波大頻寬的需求。

而在雷達應用的部分，該公司也推出Drive360 28nm CMOS雷達技術平台，以既有的ADAS、MEMS和雷達技術組合為基礎。其雷達技術是以28nm CMOS製程為基礎，具備良好的射頻性能以支援目標識別和分類等應用。解勇表示，毫米波技術門檻高、投入大、週期長，目前市場主要集中在有限的幾家廠商。而ADI能夠提供從Bit到天線的全訊號鏈解決方案，給予客戶系統級的方案支援，也成為該公司的競爭優勢。

高通提供5G毫米波數據機至天線方案

高通除了在日前發表支援毫米波的5G多模數據機Snapdragon X55，旗下子公司高通技術公司也推出適用於5G多模行動裝置使用的第二代射頻前端解決方案，旨在與該公司5G數據機協同作業，同時支援6GHz以下(sub-6GHz)及毫米波頻段，為行動裝置提供從數據機至天線的完整方案。

據了解，該射頻前端解決方案包含高通QTM525 5G毫米波天線模組，透過降低模組高度，以支援更薄的5G智慧型手機設計。而高通技術公司也透露，接下來將推出100MHz 5G封包追蹤技術QET6100，以及一系列整合的5G/4G功率放大器(PA)、分集模組(Diversity Module)以及5G自適應天線調諧解決方案。

聯發科感測/通訊皆有布局

聯發科首款5G NR數據機並沒有支援毫米波頻段。但聯發科總經理陳冠州透露，該公司一直都有投入毫米波晶片的開發，並計畫Helio M70的下一代產品就會支援毫米波頻段。而除了持續投入5G毫米波數據機開發，聯發科也在近日推出新的超短距毫米波雷達平台Autus R10。

Autus R10採用77/79GHz頻段，可支援汽車製造商部署的環繞雷達系統，用以偵測車輛周圍360o範圍內的障礙物或車輛。在製程上採用CMOS技術，整合基頻DSP、射頻、封裝天線於一體，僅需要一個簡單的三線介面來連接外部的電子控制單元(ECU)。應用上的探測距離範圍為10公分至20公尺，最近探測距離小於10公分，其精確的近距離探測可被應用於高密度、擁擠的市區場景。

台廠紛紛投入毫米波開發

談到台灣半導體供應鏈在毫米波產業的發展機會，吳宗霖分析，台灣有很多廠商是從電腦產業供應鏈起家的，而電腦系統也會需要高頻、高速傳輸(10Gbps~20Gbps的傳輸速率)的技術，所以台灣廠商在高頻材料、製程技術與量測方面都有累積一定的技術能量。儘管這些技術不見得是為了毫米波通訊所做的準備，但因為部分高速傳輸運用的技術(包括材料、製程、設計方式與量測等)跟毫米波通訊的開發方向相同，這些共通的知識與技術能量將成為台灣廠商投入毫米波發展的基礎。

而針對目前實際的布局狀況，蘇明勇指出，台灣在毫米波供應鏈中最大的強項會是RF前端。雖然目前毫米波的產業鏈還不是很完整，但可以看到國際大廠已展開晶片與大型基地台的開發，而台灣可以跟這些大廠展開合作，在技術上達到互補。

目前也已有許多台灣廠商從PCB、雷達板、天線模組等零組件生產切入毫米波供應市場，或者是做封測代工(表1)。

國研院助產學單位加速毫米波發展

國家實驗研究院台灣半導體研究中心計畫主持人/資深研究員黃國威(圖2)表示，由於毫米波的頻率更高，加上發展初期採購量較小，使得毫米波量測所需的設備與元件(如探針)都比低頻昂貴許多。而毫米波相關量測也比低頻更難、更複雜，因此對於廠商而言，是否有足夠的人力與人才進行毫米波量測，也是投入毫米波領域時會面臨的另一大難題。

而為協助產業克服上述挑戰，國研院提供業界與學界前瞻元件與電路多元化之頻域和時域量測服務，透過由元件至電路系統之高頻量測全方位服務，促進台灣業界與學界在毫米波的發展。

筑波攜手產業投入高頻前瞻技術

看好高頻應用的發展性，筑波科技除了提供5G毫米波系統整合測試方案，也攜手VDI(Virginia Diodes)公司在台灣成立毫米波與太赫茲技術研發基地，協助客戶加速導入研發與量產，並持續推動更高頻的前瞻技術。

針對高頻前瞻研究，筑波科技技術長張俊傑(圖3)表示，觀察全球的發展情勢可發現，近年有越來越多廠商投入太赫茲(THz)頻段的研究，盼能利用更高頻的特性，研發出材料檢測、影像分析等前瞻技術方案。而台灣在太赫茲相關研發卻是相對落後的，為協助產業跟上這股趨勢，該公司除了引進太赫茲設備，也成立亞洲太赫茲產業發展協會(ATIDA)，盼能結合台灣產業與研究單位的研發能量，協助台灣產業為更高頻的前瞻應用做足準備。