設計/板材力克耗損　5G毫米波前端模組開發挑戰多

雖然毫米波頻段能提供相當大的可用頻寬，但也包含許多毫米波在戶外通訊傳輸高路徑損耗與高傳輸損耗的問題。在綜合水與空氣吸收率、波段使用現況以及可用連續頻寬之考量，28GHz與39GHz被選為毫米波的操作頻段。

毫米波在戶外通訊需藉由天線陣列形成波束來解決高損耗的問題，卻也額外造成毫米波在戶外通訊窄波束、高指向性傳輸的困難與挑戰。同時，5G毫米波前端模組因為熱與巨量天線單元(Antenna Element)天線陣列所引致整合與板材選擇之考量，如何達到盡可能低的插入耗損(Insertion Loss)，也是5G毫米波行動通訊能達到穩定傳輸、成本門檻合理與商用需求普及前，需先釐清與解決的課題。

根據METIS所勾勒的2020年使用情境，最高峰值傳輸速率(Peak Data Rate)必須是目前傳輸速率的10到100倍；行動數據容量(Mobile Data Volume)則必須是2010年的1,000倍(如圖1所示)。要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1,000倍行動數據容量的需求，利用毫米波頻段增加可用頻寬是最直接、有效的解決方案。因此隨著5G手機逐漸普及，國內外各通訊大廠、模組廠與元件廠，亦紛紛投入下一波5G毫米波商機，搶先布局。

本文主要係針對5G就利用毫米波進行無線接取傳輸所遭遇的各項挑戰、主要關鍵技術，與隨之而來在毫米波前端模組設計與高頻電路板板材選擇上的挑戰與考量，進行詳細的解說—首先將先介紹各國在毫米波頻段規畫的頻譜現況，與針對使用毫米波頻段進行高頻段無線接取所遭遇的各項技術困難與挑戰進行解說；其次，則詳細解說5G毫米波系統開發的主要挑戰；再者，則是介紹工研院在5G毫米波無線接取技術方面技術的發展成果。

深入了解各國毫米波頻段現況暨無線接取技術挑戰

目前，世界各國已陸續釋出了第五代無線行動通訊6GHz以下與毫米波高頻的頻譜(如圖2所示)，以加速第五代無線行動通訊系統的商用與布建。

各國5G毫米波頻譜現況

小於6GHz以下的頻段主要是2.6GHz、3.5GHz與4.8GHz頻段。而毫米波高頻頻段，於中國與歐洲是在26GHz，美國、日本、韓國和台灣則是28GHz頻段。另外，37GHz~40GHz則是全球共通頻段。

由於各國國情的不同，在推廣第五代無線行動通訊的策略與切入點也完全不同。例如中國在推廣第五代無線行動通訊的著眼點，主要係以國土覆蓋為重點，因此第一階段5G的推廣以覆蓋範圍較廣的6GHz以下為主。美國電信營運商Verizon則是以取代最後一哩路—光纖的成本切入，從28GHz毫米波的固定式無線接取(Fixed Wireless Access, FWA)應用開始推廣，再逐步推廣至一般小基地台(Small Cell)對手機的無線接取應用。

毫米波通訊無線接取主要技術挑戰

雖然使用毫米波頻段進行通訊傳輸，5G毫米波並不是第一個，之前就有如IEEE 802.11ad Wi-Fi，採用60GHz的高頻頻段進行傳輸，但主要應用為室內短距離點對點影音傳輸。5G毫米波則是第一個同時應用於室內與戶外情境，並同時支援多用戶傳輸情境，也因此在這些情境下的無線接取，有許多第一次遭遇，且需要釐清與解決的技術挑戰。

5G毫米波無線接取的技術挑戰，主要來自如圖3所示的幾個面向：

・毫米波頻譜通道特性與通道模型

・相位陣列天線(Phased Array Antenna)設計

・波束成形與波束追蹤

・阻擋與支援多用戶傳輸需求

毫米波高頻通訊傳輸最大的挑戰在於很大的路徑耗損與傳輸耗損，其中路徑耗損視環境不同，與中心頻率的平方或甚至三次方成反比，也就是相較於3GHz的頻率，30GHz頻段有多達100倍到1,000倍的路徑耗損(Path Loss)，轉換成傳輸距離，也就是在30GHz的傳輸距離只有3GHz的百分之一到千分之一！同時，由於頻率越高波長越短，短到在進行高頻通訊傳輸時甚至會因下雨、樹葉、或甚至氧或水蒸氣等的阻擋與吸收而進一步造成顯著的傳輸耗損(Propagation Loss)。

為解決毫米波在戶外通訊較大的路徑耗損與傳輸耗損，其解決方案為設計大量或巨量的天線陣列(Antenna Array)，透過天線陣列與波束成形器(Beam-Former)的適當設計，使每個天線的輻射場型(Antenna Pattern)產生建設性干涉，來大幅提升天線增益，補償高頻傳輸的耗損。此時建設性干涉後的陣列天線輻射場型會成為細的輻射波束，同時具有很大的天線增益，此即所謂波束成形技術(Beam Forming)。

但因為天線陣列所形成的波束，其波束的半功率波束(Half Power Band Width, HPBW)寬度隨著天線陣列中天線元件的個數越多而越窄，使得原本在4G或之前在Sub-6GHz低頻段全方向(Omni-directional)傳輸的方式變成了指向性(Directional)傳輸，在行動通訊終端用戶(User Equipment, UE)會移動的典型情境之下，便又衍生出對準的問題；也就是如何使大量或巨量的天線陣列所形成的波束能夠隨終端用戶的移動而移動，以提供移動傳輸並始終維持好的通訊品質的能力，此則是透過波束追蹤(Beam Tracking)演算法的設計來達成。

另外，這種波束成形的窄波束指向性傳輸最棘手的問題則是阻擋問題，特別是針對3GPP所定義的5G增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broad Band, eMBB)應用，主要的應用場景是像購物中心(Shopping Mall)、露天廣場(Open Square)等人潮壅擠的熱點(Hot Spot)，阻擋問題更是難以避免。一旦訊號被阻擋，將產生幾十dB的訊號功率損失，使得傳輸品質大幅下降，甚至無法繼續通訊。因此阻擋問題必須被解決，才能夠使5G增強型行動寬頻應用在這些場景成為實際可實現的5G應用。

利用大量天線單元所構成的相位天線陣列形成窄波束指向性傳輸的另一個棘手問題，是多用戶終端支援的問題。對於小型基地台而言，原本就必須支援多個用戶終端，同時能夠支援越多的用戶終端，系統建置成本就越低。

毫米波前端模組開發需克服熱能散失

在3GPP所完成之Release-15新第五代行動通訊標準仍持續延用第四代行動通訊(4G)標準中所使用之正交頻分多重接取技術(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)。而正交頻分多重接取技術最大的缺點就是有很大的峰值相對於平均之功率比率(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，在搭配高階調變技術64-Quadrature Amplitude Modulation(QAM)時，需要在發射功率上從功率放大器(Power Amplifier, PA)的1dB功率(P1dB)點後退(Back-off)約10dB才能達到滿意的解調變性能，這使得功率放大器的功率附加效率(Power Added Efficiency, PAE)變得很差。這個問題在毫米波高頻頻段更加嚴重，因為製程的物理特性，功率放大器的功率附加效率隨著頻率越高而降低。以38GHz頻段為例，原本使用砷化鎵(GaAs)製程設計之功率放大器在1dB功率點的功率附加效率約為18%，但後退10dB之後的功率附加效率就只剩下2~3%，這意謂著有97%~98%的直流功率(DC Power)只有2~3%轉換成訊號功率傳送出去，其餘97%~98%的直流功率則是轉換成熱能散逸，造成很嚴重的散熱問題。

另一個使這個問題更加雪上加霜的因素則是，相位陣列天線的設計，為整合多個功率放大器與天線，以陣列增益(Array Gain)來補償路徑損失與傳輸耗損，個數甚至可能最多高達256個。以工研院在38GHz的5G毫米波驗證平台的設計為例，系統傳輸距離為200公尺，且砷化鎵功率放大器在後退10~12dB後，線性輸出功率為22dBm的情境下，基地台端(gNB)射頻(Radio Frequency, RF)前端(Front-end)的相位陣列天線須多達64個天線單元。而根據熱模擬的結果，在這樣的情境下將產生近700瓦(Watt)的熱(如圖4所示)，因而導致高達將近200℃的高溫！這也是在5G毫米波高頻傳輸最亟需克服的技術挑戰議題之一。

另外，從圖4亦可以看出，使用大增益大輸出功率之功率放大器與低雜訊放大器(Low Noise Amplifier, LNA)，其大小就已經比天線大，對於天線單元之大小與天線單元之間距僅半波長之要求，每個天線單元卻必須整合包括：功率放大器、低雜訊放大器、相移器(Phase Shifter)、衰減器(Attenuator)與切換器(Switch)等元件所組合而成之波束成形器。如何整合包括這麼多不同功能的元件，並組合成波束成形器，使符合天線單元間距半波長之要求，更是整合上的一大挑戰，否則將使得功率放大器與低雜訊放大器距離天線更遠、傳輸線更長而造成損耗更大或雜訊係數更高。

慎選前端模組材料避插入耗損

5G毫米波前端模組板材選擇的考量有如圖5所示之各項要求。

5G毫米波前端模組整合方面的挑戰，除了來自需整合多個不同功能元件組合成波束成形器並符合天線單元間距半波長的要求外，所採用波束成形器中之相移器與衰減器各有五個位元以上之控制訊號。若同樣以前面所舉之38GHz 64天線單元相位陣列天線為例，就有640位元以上之數位控制訊號需在前端模組中整合走線。因此，5G毫米波前端模組板材之選擇，首先就必須能支援12層以上之多層板設計。此外，3GPP 5G毫米波標準的頻段規格涵蓋至52.6GHz，因此前端模組板材的選擇，也必須是能夠支援至52.6GHz之高頻板材，以達到盡可能低的插入耗損。

所謂達到盡可能低的插入耗損，是指板材的介電常數(Dielectric Constant, Dk)與損耗因數(Dissipation Factor, Df)都要越低越好。 同時因為5G毫米波前端模組會產生高熱的問題，板材的熱膨脹係數也必須越低越好。

另外吸水率(Moisture Absorption)也是一個重要的考慮因素。板材吸入水氣會造成介電常數與損耗因數的升高，進而造成插入耗損增加。

工研院偕各界研發無線接取技術

工研院自2014年開始投入5G毫米波高頻段接取技術的開發，第一個計畫選擇了11GHz頻段作為前瞻計畫的計畫目標。2015年配合經濟部技術處科發計畫，開始38GHz毫米波頻段「高頻接取技術」計畫的執行，並與台灣手機晶片大廠合作，共同制訂5G毫米波設計規格，並共同開發驗證，實現了64天線單元之基地台端相位天線陣列、32天線單元之用戶終端相位天線陣列、混合型波束成形(Hybrid Beam Forming)架構之全世界第一套38GHz 5G毫米波軟硬體驗證平台。

雙方更在2016年結合工研院4G基地台、該手機晶片大廠之手機，與工研院5G毫米波驗證平台，完成4G與5G毫米波雙連結(Dual Connectivity)之開發驗證，並共同參展MWC 2017。

另外工研院也在2018年完成整合中頻至毫米波升降頻器(Up/Down Converter)、波束成形器與2×4、4×4、4×8、8×8等不同天線單元天線陣列前端模組之28GHz 5G mmWave前端模組(圖6)，與支援70MHz至6GHz輸出頻率、搭配使用於Matlab或C++等純軟體開發環境之5G NR軟體定義驗證平台(5G SDR Platform)(圖7)，可使用於驗證5G mmWave前端模組或相關毫米波天線模組與晶片之驗證平台，亦可作為5G Sub-6GHz/mmWave功率放大器線性化演算法開發、5G Sub-6GHz/mmWave空中傳輸測試(OTA Test)之開發驗證平台。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為工研院資通所新興無線應用技術組技術副組長)