高頻毫米波(mmWave)的重要性與日俱增，其中，5G通訊為達到更大頻寬、更低延遲和更高數據傳輸率，首度運用毫米波頻段，讓行動寬頻通訊進入全新里程碑。然而，毫米波雖開啟5G行動寬頻新時代，卻也帶來諸多技術挑戰，最大障礙便是其訊號傳播時的路徑損失高，以及訊號易受阻擋遮蔽所衍生的種種問題。
目前，從晶片、天線、封裝、電路板到系統開發商，無不積極研究與開發各種可行解決方案，並透過模擬套件、測試儀器與策略結盟，來縮短學習曲線、突破成本與技術上的關卡。本活動即邀請相關領域代表性廠商深入剖析毫米波通訊設計開發的關鍵挑戰，並分享最新解決對策，協助台灣業者加速毫米波產品研發，順利邁入商用量產。
mmWave天線/模組設計有一套
高頻毫米波技術從軍事、航太正式進入商用市場，尤其是5G行動通訊應用，產生許多技術開發瓶頸，稜研科技RF資深工程師陳為暘(圖1)表示，包括缺乏毫米波開發工具、毫米波射頻模組設計複雜、量產空中更新(Over the Air, OTA)測試速度緩慢、毫米波基地台布建昂貴等皆是。其中，毫米波射頻前端與天線模組的設計挑戰更是進入此領域的主要障礙。
圖1 稜研科技RF資深工程師陳為暘表示，毫米波射頻前端與天線模組的設計挑戰是進入5G的主要障礙。
一般而言，使用者終端如手機大概會使用一發四收、二發二收或一發八收的AiP(Antenna in Package)模組，其他的CPE聯網設備則會使用更多如2×4、4×4或8×8的AiP模組；而基礎建設設備如小型基地台(Small Cell)，則採用4×4或8×8模組，大型基地台(Macro Cell)則使用8×8或128×128 AiP模組，陳為暘提到，為了讓無線電波訊號的波束成形(Beamforming)效果更佳，一般可能採用全數位(Fully-digital)、全類比(Fully-analog)或混合式(Hybrid)的電路設計(圖2)架構。
圖2 5G Beamformiong電路設計架構
整合多個射頻電路的Massive MIMO模組，將帶來許多設計挑戰，陳為暘指出，首先可能會遇到多路設計需要準確量測所有電路效能，而電路數量隨效能需求的提升也預期會持續增加，以128×128的模組為例，如何快速準確量測相當重要；在每個電路中提供穩定或已同步(Synchronized)的本地震盪(Local Oscillator, LO)訊號亦是重點；最後，整合天線的模組也可能出現陣列、互耦合(Mutual Coupling)、相位中心(Phase Center)等問題。
而在一個AiP模組中，整合許多電路如功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、濾波器、開關、天線等，陳為暘強調，系統整合可能會遇到高互連損失、電路複雜度大為提升、複雜電路產生更多熱、客製化設計、波束成形演算法等需求。甚至量產階段會遭遇材料、製程與OTA測試挑戰。稜研解決方案使用波束量測波束的技術，量測速度是傳統OTA量測的20倍，並有效降低80%成本，同時提供軟體服務與二維相位量測。
AiP高頻、高熱、高集積度，設計時需同時交叉考量多種工程問題，具備軟硬體整合能力。製造層面在設計階段就需考慮可生產性，牽涉複雜供應鏈管理，OTA產線驗證測試困難，稜研科技透過毫米波、軟體等技術服務，可以協助解決上述挑戰。
毫米波設計模擬不走冤枉路
眾所周知5G不僅提升網路效能，更能發展出許多4G時代沒有的新興功能，然而5G的新技術包括高頻毫米波元件，對於廠商都是大規模的投資，ANSYS代理商思渤科技高頻應用工程師張閔期(圖3)表示，在5G射頻、天線系統的設計上不容出錯，因此設計模擬工具的重要性也更加突顯，透過模擬工具可以清楚指出設計缺失、了解設計效能表現與實際影響效能的各項因素與改善之道。
圖3 思渤科技高頻應用工程師張閔期指出，模擬工具可以指出設計缺失、了解設計效能表現與實際影響效能的因素與改善之道。
在終端裝置的設計模擬上，張閔期說明，可以從天線設計與建模、人體與天線之間的互動、熱耦合對終端裝置影響這三部分協助設計的優化。天線設計模擬可以分為sub-6GHz天線與毫米波天線，協助將不同天線模組置入手機裡；而手握手機會顯著影響訊號表現，著名的「死亡之握」就是形容此一現象，透過模擬可以有效找出影響最小的設計。
另外，在長時間使用大量功能時，容易出現終端裝置，Wi-Fi或藍牙的連接斷開，天線效能下降的情況，最主要的原因就是元件發熱，其可能導致天線熱耦合問題，透過ANSYS多物理場分析可以解釋熱物理將如何影響RF/天線連接，並進一步解決。
一般在電路設計時不包括天線罩或緊鄰的天線元件，張閔期解釋，ANYSYS的HFSS模擬軟體，可以在修改模型時添加天線罩以更真實的反應模型評估影響。通常距離是影響天線陣列效能的主要因素，天線的真實增益受到天線罩與陣列間距離影響，透過HFSS，可以研究天線罩材料特性、位置、幾何形狀變化的影響。加入天線罩在高頻毫米波28GHz頻段的阻抗頻寬影響顯著，天線波束寬度與最大增益皆有微小變化。
高頻測試確保訊號品質
在5G的電路設計與模擬之外，訊號量測也是非常重要的一環，3GPP將中低頻段稱作FR1(Frequency Range 1)頻率範圍約410MHz~7.125GHz，高頻毫米波頻段稱作FR2(Frequency Range 2)頻率範圍約24.25~52.6GHz，目前主要應用為28GHz、39GHz與26GHz等42GHz以下頻段，有鑑於5G使用的頻率範圍寬廣，5G導入彈性參數(Numerology)，使用不同的子載波間距(Subcarrier Spacing)，戶外大型基地台需要極大化傳輸距離使用與LTE相同的15kHz子載波，在小型基地台或頻段稍高的3.5GHz使用30kHz，室內寬頻應用使用60kHz，毫米波28GHz頻段使用120kHz。
3GPP TS38.521/TS38.533定義5G NR射頻/RRM測試規範，是德科技資深專案經理張式先(圖4)說明，毫米波元件整合度高，主動式天線系統(Active Antenna Sytem, AAS)中的天線具備方向性，元件數量增加且元件面積小，無法使用接觸式量測，而多天線陣列訊號是立體圓柱橄欖型，必須要透過空中下載(Over the Air, OTA)進行測試。
圖4 是德科技資深專案經理張式先說明，毫米波元件整合度高，必須要透過空中下載(OTA)進行測試。
一般而言，OTA測試分為直接遠場(Direct Far Field)、非直接遠場(Indirect Far Field)、近場(Near-Field Scanning)等。張式先表示，這三種測試方式差異最顯而易見的是在測試距離上，尤其是高頻毫米波的部分，以15公分大小的智慧手機為例，直接遠場測試28GHz頻段需要4.2公尺距離，路徑損失達73.86dB；非直接遠場測試距離可以大幅縮短，路徑損失也不嚴重，缺點是緊縮場天線量測(Compact Antenna Test Ranges, CATR)系統成本較高；而近場測試沒有空間與路徑損失的問題，但無法測試接收端的訊號，且測試結果透過推估可能會有失真的疑慮。
OTA驗證的項目共三項：有效全向輻射功率(Effective(or Equivalent) Isotropic Radiated Power, EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、有效無方向性敏感度(Effective Isotropic Sensitivity, EIS)等。針對毫米波OTA訊號測試需求，張式先說，是德科技5G網路模擬器解決方案建立於E7515B UXM 5G無線測試平台上，為高度整合的訊令測試平台，支援多格式堆疊、處理能力和射頻資源。另外，使用E7770A通用介面單元和M1740A遠端射頻收發模組(RRH)展頻至中高頻和毫米波。
毫米波元件設計難關待解
5G的三大使用情境全面提升網路的效能，使得4G架構面臨大規模的翻新，包括頻譜效率(Spectrum Efficiency)、網路容量(Network Density)、可用頻譜(Available Spectrum)等，導入毫米波應用是達成技術需求的重要手段。工研院資通所新興無線應用技術組副組長陳文江(圖5)解釋，包括4K/8K行動高畫質視訊與AR/VR、車聯網等新興應用，都需要更高的網路傳輸速率。
圖5 工研院資通所新興無線應用技術組副組長陳文江解釋，透過波束掃描，可以即時動態調整上傳與下載模式。
毫米波由於波長短，天線尺寸也跟著縮小，陳文江說明，以6公分見方的面積為例，3GHz頻段只能擺放一個天線，但是頻率提升到30GHz，由於天線尺寸縮小，同樣面積採用陣列式天線設計，可放進8×8共64個天線，採用波束成形集中訊號能量，讓毫米波可以提供高傳輸速率並克服訊號易遭遮蔽與高路徑損失(Path Loss)缺陷。
5G網路除了效能提升之外，架構上也透過彈性化設計以滿足更多新興應用的需求，5G的時槽(Slot)可以根據不同應用彈性選擇，陳文江強調，透過波束掃描(Beam Sweeping)，可以即時動態調整上傳與下載資源，讓網路資源獲得更充分的利用。另外，利用波束確認(Beam Determination)、波束測量(Beam Measurement)、波束回報(Beam Reporting)等波束管理技術，可以掌握毫米波訊號波束特性並在利用上更有效率。
針對毫米波元件的設計趨勢，由於毫米波訊號路徑損失問題，必須盡可能採用高整合設計，縮短元件路徑以降低訊號的路徑損失，陳文江提到，在射頻前端整合多個訊號收發器與天線，頻繁且長時間的運作也容易使元件溫度升高，如何提高整合度並降低熱對元件效率產生的影響，是未來射頻前端設計的重大課題。再者，功率放大器線性化(PA Linearization)、高頻相位雜訊(Phase Noise)都是需要克服的技術難關。