決戰次世代行動寬頻　RF前端訴求高整合/低成本

從自動駕駛車、智慧城市、智慧交通到貼近日常生活的穿戴與手持式裝置，現今產業內有許多關於各種物聯網(IoT)應用的熱點話題，而5G便是實現這些智慧裝置互連互通的秘密武器。行動通訊現在已成為關鍵基礎設施和日常生活重要組成部分；舉例來說，也許您正在用智慧手機通話或收發訊息，卻沒有注意到，無形之中，資料傳輸的數量正以驚人的速度成長。 

電信商如今面臨的挑戰是如何滿足這種日益增長的需求，同時保持每個用戶的成本相對不變。為了實現這一點，蜂巢式網路必須迅速密集化並創造新的高價值服務，同時最大程度減少運營和資本支出成本。蜂巢式網路將轉變為所有人與萬物互聯的中心平台。 

在此基礎下，打造蜂巢式網路不僅需要支援更高頻寬，容納更多智慧裝置，同時也需要維持聯網效能的穩定性，例如提供超高頻寬、短至1ms的延遲時間。迎接即將到來的5G網路，RF前端設計成為建構5G基地台與裝置之間的溝通橋樑不可或缺的關鍵技術。射頻架構必須具備可擴充性、高效率與可靠性，同時維持超小型的尺寸。 

在技術層面來看，5G包括許多不同的技術，包含大規模多重輸入輸出(Massive MIMO)/MIMO、載波聚合(CA)、毫米波和波束成形(Beamforming)，以及5G網路基礎設施，像是寬頻接入、全球定位系統(GPS)、點對點無線電和衛星通訊。 

imec企劃經理Joris Van Driessche表示，伴隨這些技術的演進，可歸納出幾個發展趨勢，其中一個現象是RF晶片供應商、電信設備供應商與電信商，正積極開發和測試增強型行動寬頻(eMBB)的毫米波頻率解決方案。過去，毫米波無線電收發器通常使用分離式元件予以實現，其方案無論是在尺寸、成本或功耗上皆超出基站或行動裝置所可接受的範圍。也基於此，imec看到了毫米波正往高度整合、低成本和低功率的發展趨勢前進。 

工研院資通所無線新應用射頻技術部技術經理陳正中表示，毫米波採用的是相位陣列系統方式，集結了多顆功率放大器(PA)與天線發送訊號。其因在於，採用單顆大型功率放大器結合單一天線，通常發射效率較差，故基地台系統或手機基本上都是集結多個天線與功率放大器，將能量聚集起來發送訊號。 

一般而言，毫米波位於高頻的頻段，當訊號發送出去時，會受到外在的自然環境影響，例如，前方若有障礙物，訊號就無法順利傳送，因此需要讓毫米波通訊系統具備掃描功能，挑選最佳傳輸路徑。 

當毫米波系統兼具多組PA和天線組合，可以透過相位成形概念，提供波束控制效能。此概念近似於雷達系統，雷達系統在掃描時，就是透過很多陣列天線掃描。 

圖1 Anokiwave亞太地區銷售總監張肇強認為，在越高的頻段，天線與天線之間的距離更短，使得手機與基地台在RF前端設計上備受挑戰。

另一方面，Anokiwave亞太地區銷售總監張肇強(圖1)認為，前端設計元件挑戰在於價格。傳統雷達、衛星通訊設計射頻前端大多採用模組方式，為滿足高頻需求尺寸設計較大。舉例來說，雷達應用可能放在戰鬥機具裡面，需要水冷與氣冷方式降溫，導致整個成本與後端散熱需求很大，較難用在商用5G基地台。 

多天線設計整合挑戰大　 揮軍RF前端手機/基站市場

再者，張肇強提到，無論是在手機或者基地台都面臨一樣的問題，就是高頻應用的天線設計限制。毫米波在28GHz或更高頻的頻段下，天線與天線之間的距離很短，傳統低雜訊放大器(LNA)RF元件難以滿足要求。 

當PA、LNA、開關(Switch)、濾波器(Filters)、全雙工器(Duplexer)與天線全部整合到一個很小的面積上時，是非常大的挑戰。舉例來說，以28GHz為例，天線與天線距離約0.5公分，基本上要在此尺寸內發揮功能，其先天限制門檻較難跨越。 

從天線設計來看，MIMO技術使用安裝發射器和接收器上的多根天線來提高容量和效率。天線越多，資料流程層越多。Qorvo市場戰略部亞太區經理Lawrence Tao(圖2)表示，現在的MIMO部署通常由基站上的最多8根天線以及接收器上的1~2根天線組成。因此，基站可以同時將8個資料流程發送到8個不同的用戶或雙重發送兩個資料流程到4個用戶。 

圖2 Qorvo市場戰略部亞太區經理Lawrence Tao表示，大型天線陣列可克服毫米波的傳播挑戰。

而大規模多重輸入輸出將MIMO提升到一個新的層級。其天線數量可擴展到數十或數百個天線(理論上可達數千個)，提供眾多功能和優勢，包括大幅提升容量和可靠性、更高的資料速率、更低的延遲、更好的連接(特別是對於5G所使用的具有挑戰性的較高頻率)，以及通過波束成形實現更高的電源效率和更廣的訊號覆蓋。 

Lawrence Tao談到，使用更大的天線陣列可提供額外的波束成形，從而克服在毫米波頻率範圍內遇到的更嚴峻的傳播挑戰。這些陣列可能具有數百個元件，但是由於波長短，因此極其緊湊。例如，30GHz的64元件天線陣列大小只有40mm×40mm。大陣列提供非常集中的波束，這些波束可以在不到一微秒的時間內重新定向。 

張肇強表示，5G主要採用的MIMO天線傳輸，相較於過去的LTE技術，其高功率設置有所不同。就MIMO技術本身差異性不大，區別在於室內應用時，須提供的距離相對較短，因此在60GHz的Wi-Fi 802.11ad就足以支援。相較之下，室外通訊需面臨到一系列環境影響，包含颳風、下雨等天氣變化，且空氣衰減情形較為嚴重，而這是真正挑戰的重點，導致市場上產生許多高功率的需求聲浪。  

張肇強進一步指出，訊號衰減難以從IC設計與天線設計完全解決，因此需要透過增強功率來改進。但終究3GPP會定義一套功率輸出的限制，所以即便設計者開發出超強功率的PA或RF模組，之後也難以用於量產上面。基本上，根據過去該公司生產PA的經驗，預估5G高頻的功率約50~60dBm。 

高功率RF設計升溫　 特殊半導體製程來助陣 

Lawrence Tao表示，相較於4G的現有技術能力，5G RF連接的密集程度將高出許多。再者，小型基地台連接的可用性將更高，預期將建立固定無線接入網路，並利用600MHz到80GHz的頻率。而這些技術皆可透過特殊半導體製程，包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和互補式金屬氧化物半導體(CMOS)等，滿足低延遲的點對點網路(圖3)射頻需求。 

圖3 各種4G和5G標準所需要的技術與RF射頻元件規格對應圖。

資料來源：Qorvo

陳正中分析，RF設計某種程度決定整個系統覆蓋範圍和訊號品質，其設計規格嚴謹且需透過特殊製程才足以支援這種高頻需求。他認為，CMOS技術是支援高頻的製程中最成熟、最便宜且整合度最高的一項製程。此外，矽鍺(SiGe)也是相對成熟的一項製程。 

陳正中談到，矽鍺製程類似於CMOS，就是在矽上面長一些異質接面雙極性電晶體(HBT)製程，所以可製造功率較高的元件。通常矽鍺製程有CMOS的整合度，PA發射出來的功率較CMOS高，傳輸距離比CMSO遠。 

目前對5G高頻的射頻製程應用眾說紛紜，其中有一說是「5G毫米波需要GaN才能達到特性」。Lawrence Tao表示，以大型基地台來說，LDMOS技術一直是高功率功率放大器的關鍵技術，但高功率GaN能提供更高的性能和效率，並且正迅速成為首選技術。而小型基地台具有多樣化特點，因此製造商能夠將GaAs、GaN和矽等各種技術用於功率放大器、開關和BAW濾波器等多種元件。 

力爭5G市場大餅　 RF前端戰火擴大延燒

看好5G市場未來的發展前景，RF前端的相關供應鏈也動起來，提出各種相對應的解決方案。 

目前在6GHz以下，Qovro在基站方面已經有相應的產品支援5G電信商的運用；在終端方面，該公司開發了支援900MHz頻寬(3.3~4.2GHz)的射頻前端模組，包含了功率放大器、濾波器、開關和低雜訊放大器，現已支援中興智慧手機，實現1Gbit/s的傳輸率，並與英特爾合作推出業界首個5G RF前端。他認為，GaN製程相比GaAs在很多射頻指標方面適合5G的應用場景。 

另一方面，目標市場鎖定在基站應用，提供6GHz以上頻段的RF射頻與天線模組解決方案的Anokiwave，現階段針對28GHz與39GHz等頻段，皆可提供相對應的解決方案，而24GHz的方案預計在2017年年底推出。在封裝方式上，24GHz、28GHz將採用傳統塑膠封裝；而39GHz由於頻率更高，天線與天線距離更小，散熱問題更為嚴重，故選用的是覆晶的封裝方式，以解決散熱問題。 

張肇強表示，滿足高整合度與低成本的訴求，除了優化晶片本身設計之外，天線模組設計也是一大重點。28GHz為例，在功率50dBm的情況下，至少需要64根天線模組，而對應到60dBm功率約需要256天線模組。 

為5G商用準備 手機商/電信商布局動作頻頻 

5G市場呼聲高昂，近期也看到手機廠商與電信商開始針對高頻的頻譜有所布局。以手機業者來說，通常在通訊傳輸設計過程中，會向政府申請為期一年的頻段，在此頻段內進行相關的研究工作。而就在2017年5月蘋果(Apple)向美國政府申請28GHz與39GHz兩個頻段進行實驗。同年，電信業者Verizon也以31億美元正式收購28GHz和39GHz頻譜，完全放棄6GHz以下頻段，全心投入到毫米波市場上。 

整體而言，張肇強透露，2017年開始已有許多基地台供應商開始導入28GHz射頻前端晶片，且積極實施前測準備。為迎接2018年2月韓國平昌冬季奧運以及2020年的日本東京夏季奧運，5G正式進入商用時程已在不遠處。