今日的行動通訊產業正掀起一波革新的浪潮。許多報導提及使用者對於更高資料速率以及更大頻寬的需求，促使無線產業想盡方法要在同一區域中服務更多的使用者，亦即提高整體服務密度(Densification)。這樣的需求同時也激發了利用微波和毫米波(mmWave)頻段中較少使用之頻譜的想法，並且帶動了產業轉型，從原本在寬廣的區域中輸送功率，轉變成以指向性方式輸送功率。
在指向性通訊(Directive Communication)的新時代，一個或多個波束的能量可直接發送給單一使用者，因而可重複使用較高的頻率，並且提供更出色的服務品質和更卓越的整體體驗。指向性通訊象徵著消費性服務的重大躍進，如果得以實現，將可望為5G甚或更先進通訊帶來更多的機會，包括各式各樣的全新地面和機載應用，並且為更多使用者提供更有效、更低價的數據服務。
天線是實現「5G增密」的關鍵要素。用於指向性通訊的天線，其體積需遠大於傳輸波長(通常需為傳輸波長的8倍)。如欲針對商業應用提供合適的天線尺寸，則需較短的波長或更高的頻率，使得免許可的60GHz頻段，可望成為下一代無線網路頻段首選。這個頻段的常用標準為IEEE 802.11ad(WiGig)，它透過採用相位陣列發射器和接收器的波束成形協定，來提高通道效率和系統效能，以提供高達7Gbit/s的多Gigabit資料速率，並協助使用者對齊傳輸路徑。
5G和多Gigabit高速無線通訊的願景令人嚮往；然而，要實現這樣的願景有賴於兩項重大技術突破：首先需開發低成本相位陣列，接著需證明它們可實際用於5G通訊鏈路，後者正是美國加州大學聖地牙哥分校(UCSD)的研究人員與是德科技，於去年通力合作想要解決的問題。結果顯示雙方已經向前邁進了一大步，成功展示了全球第一個64(8×8)和256(16×16)單元、60GHz的晶圓級相位陣列發射器，其中整合了可在數百公尺距離內提供Gbit/s通訊的高效率天線。該展示不僅證明了5G通訊鏈路的可行性，同時還提供締造紀錄的效能。
攜手政府/儀器商 UCSD首款SoC相位陣列出籠
UCSD研究人員耗費了許多心力，並受惠於兩個關鍵因素，才得以順利進行展示。一是UCSD開發了業界首見，可在60GHz頻率上運作的64和256單元系統級晶片(SoC)相位陣列(參見圖1)。此開發源自於UCSD和TowerJazz先前的合作計畫。該計畫受到美國國防高等研究計劃署(DARPA)的資金挹注，結果開發了晶圓級SoC，每顆SoC均包含60GHz訊號源、放大器、分布網路、相位偏移器、電壓控制的放大器，以及高效率的晶片內建天線。
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| 圖1 UCSD的64和256單元、60GHz矽晶圓級相位陣列發射器設計，可滿足5G高效能通訊系統的需求。這類系統支援Gbit/s資料速率，具有波束成形功能，非常適合用於航太與國防(A/D)系統。它們在單一矽晶片上整合了多項電路功能和高效率天線，可降低主攻商業和A/D市場之相位陣列的成本。 |
另一個因素是UCSD和是德科技之間已經建立了相當長期的合作夥伴關係；約在10年前，是德科技首次資助UCSD的微機電系統(MEMS)開發計畫。在2015年，是德科技正式簽約成為UCSD無線通訊中心的產業聯盟廠商，進一步鞏固了雙方的合作關係。在合約條款規範下，是德科技同意提供無線通訊研究所需的設備，並提供研究經費。
約在這個時候，UCSD剛剛開發了相位陣列系統級晶片(SoC)，正準備進行下一步：證明該晶片可用於5G通訊鏈路。為此，UCSD需要一套結合硬體和軟體的量測系統；該系統須具備必要的效能和準確度，而且可供負責該計畫的少數UCSD研究人員進行操作。
此外，該量測系統的速度必須夠快。UCSD研究人員已經投入了約兩年半的時間並耗費了許多心力於天線開發，他們希望能盡快進入下一個階段。為了達成這個目標，他們求助於UCSD的長期合作夥伴--是德科技，並且收到立竿見影之效。在短短幾天內，開發60GHz通訊鏈路所需的量測配置便已經到位。UCSD因而順利開發了連接距離分別為4公尺、30公尺，以及約100公尺的60GHz鏈路，並且成功展示了64單元發射相位陣列的效能。
UCSD依賴由是德科技儀器所組成的強大量測配置來開發通訊鏈路，如圖2所示。這些儀器包括Keysight M8190A任意波形產生器、E8267D PSG向量訊號產生器，以及配備10位元的ADC DSOS804A Infiniium S系列高畫質示波器(參見圖2)。另外UCSD還使用E8257D PSG類比訊號產生器作為本地振盪器。
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| 圖2 圖中顯示UCSD用於60GHz通訊鏈路量測的配置。 |
UCSD使用Keysight Signal Studio軟體來產生開發工作所需的60GHz 802.11ad標準波形，並使用89600 VSA軟體進行分析(圖3)。是德科技的81199A寬頻波形中心軟體也提供莫大的助益，讓UCSD通訊鏈路得以進行訊號發射與接收、套用數位預失真，並且提昇了誤差向量振幅效能。
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| 圖3 圖中顯示用於60GHz 802.11ad和5G鏈路量測的是德科技量測設備，分別為Keysight M8190A任意波形產生器、E8267D PSG向量信號產生器和DSOS804A Infiniium S系列高清晰度示波器，它們具有UCSD開發的64單元晶圓級相位陣列。 |
通訊鏈路開發完畢之後，下一步是分別在4、30和100公尺的距離上進行量測。為此，UCSD將其64單元相位陣列發射器放在三腳架上，以便利用通訊波形量測該陣列的掃描效能。此外還使用具有20dB增益的靜止喇叭天線充當接收器，並且搭配使用可在是德科技示波器上執行的解調變軟體來進行量測。
接下來，研究人員依據不同的調變機制、中心頻率和掃描角度來量測星座圖。為因應更長的距離，發射器被放置在六層樓建築的樓頂，接收器則放置於停車場，但汽車和樹木帶來了更多的干擾。
在這兩種情況下，量測到的星座圖顯示60GHz通訊鏈路運作良好。在4公尺的鏈路距離(全802.11ad通道)，64單元相位陣列發射器可在所有的掃描角度(所有平面中+/-45度)上維持一個複雜的通訊鏈路，幾乎不會添加任何失真，實現了速率達3.85Gbit/s的16QAM調變。30公尺的距離也可獲致幾乎相同的效能。當距離拉長到100公尺時，通訊鏈路可以實現速率達1.54Gbit/s的QPSK調變，並可在所有平面中進行±45度的掃描。
專研發射/接收元件 邁向5G藍海商機
全球第一個基於64和256單元相位陣列發射器的5G通訊鏈路具有波束指向功能，這項創新技術的發布，代表業界在實現5G的道路上，又邁出了一大步。但故事才剛剛開始。該研究計畫已正式展開第三階段的研究，UCSD研究人員正專注於開發發射/接收元件、更大的陣列，及更有效率的5G網路系統。同樣的，是德科技的硬體和軟體解決方案，將在接下來的開發階段發揮關鍵性作用。
和5G通訊鏈路一樣，任何新的發展都源自於持續不間斷的研究，以協助產業跨入5G指向性通訊的新時代。除此之外，相關的研究將有助於鋪設毫米波通訊系統未來的研究和發展道路。
(本文作者Mark Pierpoint為是德科技副總裁暨總經理；Gabriel M. Rebeiz任職於加州大學聖地牙哥分校)