5G商轉腳步逐漸逼近，無論是晶片、模組和設備商皆積極做最後衝刺，以備戰5G商機；其中，毫米波天線陣列設計成為最大門檻，如何破解此難題成為搶奪5G市場重要關口。
5G預計在2019年邁入首次商轉的里程碑，也意味著5G即將進入戰國時代。由於5G網路在延遲(Latency)、頻寬(Bandwidth)及容量(Capacity)等特性方面的表現，皆將比現有的4G通訊技術大幅躍升，這對整個科技產業界來說，可說是備受矚目的關鍵技術，可望為人工智慧(AI)、自駕車、擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)甚至混合實境(MR)等前瞻應用帶來推波助瀾的效果。
5G之所以能完成上述應用與服務，最重要的突破在於高頻毫米波(mmWave)技術的使用；毫米波為5G通訊運用的新頻段，是5G寬頻得以千倍提升的最大關鍵。不過，由於5G採用了新調變方法、Massive MIMO、陣列天線等新技術，加上開發人員對5G高頻毫米波頻段較為陌生，且基地台訊號發射功率比以往更大，因而有許多挑戰亟待克服，包括訊號衰減、電路設計與保護等，都是相當重要的課題。
5G聚焦三大應用
經濟部技術處5G辦公室特聘顧問謝慶堂(圖1)表示，5G發展進入最後衝刺階段，已完成最後標準化，同時政府與廠商正積極進行測試階段。5G與之前技術最大差別，在於須整合很多技術組合，才能滿足5G應用需求。
圖1 經濟部技術處5G辦公室特聘顧問謝慶堂表示，5G可說是嶄新的標準，須整合多種技術才能滿足其應用需求。
ITU針對5G通訊提出一個全新的定義，其應用分為三大類型，包含增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、大規模機器型通訊(mMTC)與超可靠度和低延遲通訊(uRLLC)等，同時將這些應用類型，歸納出八大關鍵指標，包含峰值資料傳輸率(Peak Data Rate)、區域傳輸流量(Area Traffic Capacity)、網路能源效率(Energy Efficiency)、連接密度(Connection Density)、延遲性(Latency)、行動性(Mobility)、頻譜效率(Spectral Efficiency)，以及用戶體驗數據速率(User Experienced Data Rate)等元素，作為劃分不同應用類型的KPI基礎(圖2)。
圖2 5G三大應用分析圖
資料來源：工研技術研究院
耀登科技(Auden)前瞻研發中心技術長周瑞宏(圖3)談到，在5G環境中，目前定義一個小基地台在效能指標要求下，需要傳輸的速率高達10Gbps。從3GPP規範的5G標準內容中，若以28GHz或39GHz的毫米波頻段為例，於28GHz頻寬約400MHz；而39GHz頻寬則是約800MHz。
圖3 耀登科技前瞻研發中心技術長周瑞宏談到，天線陣列設計將是實現5G毫米波不可少的關鍵技術。
滿足大資料量傳輸 天線陣列設計一步到位
以在通道理論做為計算方法，400MHz、64QAM規格下，單一通道將無法滿足10Gbps。整體看起來，在各種使用情境下，需要搭配其他配套措施才能達到大資料量傳輸，而採取天線陣列技術，實現毫米波的高速傳輸，已成為勢在必行的關鍵重點。事實上，無論是在基地台或行動裝置，皆需透過天線陣列的方式予以實現高傳輸速率，而取決於不同類型裝置空間彈性，其對於天線陣列的數量需求，也會有所相異。舉例來說，高通(Qualcomm)日前推出的毫米波模組，期能在手機中導入4顆毫米波模組，但由於手機內空間與散熱問題，在實際運用還需縝密衡量。
天線陣列除了提供高傳輸速率外，另外一項重點就是克服毫米波空間衰減(Pass Loss)特性，故還需搭配波束成形(Beam Forming)技術進行訊號處理。周瑞宏談到，天線陣列是高度指向性的技術，其最大的問題在於無法穿透障礙物，若在端與端傳輸過程中，中間有障礙物阻隔，則訊號能量會急遽衰減，例如在行動裝置設計上，若使用者的手阻擋住天線，就會產生訊號衰減問題。
整體而言，天線陣列設計主要藉由控制每個天線彼此之間的振幅與相位，來達到空間中的聚焦，此聚焦的能力會大幅影響陣列天線的效能。以現階段而言，大多採用分布式天線陣列方式，當單一功率放大器(PA)損毀時，還有其他組天線單元能予以支援，再者，分布式天線陣列設計方法，成本也較集中式天線陣列來得低。
搶攻6GHz以下市場 製程選用成關鍵要素
英飛凌(Infineon)射頻與感測部門應用工程經理游勝凱(圖4)談到，2019年5G開台將會以6GHz以下的頻段先行，屆時3.5~4GHz之間，甚至是5GHz的頻段都有可能成為首要導入的頻段。
圖4 英飛凌射頻與感測部門應用工程經理游勝凱表示，未來5G相關元件都將朝模組化發展，屆時製程的選用極為重要。
然而，如何在擁擠的城市環境中，建立3.5GHz支援所需的小型基地台，就須導入新的射頻技術，因此可能必需要採用氮化鎵(GaN)，作為新的射頻功率放大器(RF PA)製程。甚至基地台未來要運用在未來更高頻段，還須選用較高記憶體容量的製程技術予以實現。舉例來說，目前常聽到的砷化鎵(GaAs)，理論上也是一種可運作於高頻的製程設計。
游勝凱進一步分析，高頻設計的主流製程為BiCMOS技術，而此也是該公司開發的核心技術，預期將結合旗下矽鍺(SiGe)BiCMOS的製程，應用於5G相關技術之中。整體而言，以目前行動裝置應用，將以sub-6GHz以下的頻段為主，英飛凌將會比較著重在SiGe跟CMOS。
游勝凱認為，未來5G的通訊時代，許多裝置必須採用模組化設計，例如發射器和微波降轉換(Downconverter)等元件，此時就須要應用到SiGe跟CMOS元件，若採用GaAs技術，除非設計是單一顆PA或低噪訊功率放大器(LNA)，否則將難以整合矽晶圓基礎的技術。
以應用類型區分，游勝凱建議，手機可採用SiGe跟CMOS類型的製程技術，而提供長達10公里以上所使用的後置網路(Backhaul)，可能就要使用較好的GaN製程，甚至未來5G所使用的sub-6GHz的基地台，也必須要用GaN才有可能實現。
事實上，5G應用除了天線陣列設計和製程外，如何確保5G設備與系統可在安全、可靠與在快速的狀況下保持穩定性傳輸，做好電路保護非常重要。如上述所說，5G毫米波本身在高頻段的物理限制，傳輸會有空間衰減問題，故須透過增加基地台布建密度，彌補空間衰減的挑戰，這也是電路保護設計日趨受到重視的關鍵原因之一。
四大保護元件加持 基地台雷擊威脅免擔憂
力特(Littelfuse)應用工程經理許孝成(圖5)表示，氣候環境的改變，如溫度的高低起伏劇烈、颱風或雷擊等，對於通訊元件和設備來說，是很大的問題，而越精密的元件，相對來說就更加脆弱。其中，雷擊就是一項很大的潛在威脅因子。
圖5 力特應用工程經理許孝成認為，瞬態電壓抑制將是基地台選用的主流保護元件。
因為雷擊產生的過電壓問題，可藉由瞬態浪湧保護晶閘管(SIDACtor)、氣體放電管(GDP)、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和瞬態電壓抑制(TVS)二極管等進行設備和晶片的保護。
許孝成談到，這四種類型的元件，都是附屬在被保護的電路上面，產生一個高的阻抗，除非有雷擊的時後，才會發揮效用。以雷擊突波吸收能力來看，瞬態電壓抑制效能高於金屬氧化物壓敏電阻許多，但市面上卻普遍採用金屬氧化物壓敏電阻，主因在於成本考量。實際上瞬態電壓抑制的價格比金屬氧化物壓敏電阻高出20倍之多，故現行設計手法會採用3~5顆的金屬氧化物壓敏電阻，做出接近瞬態電壓抑制能力的產品。在應用上，與功率技術相關產品大多採用金屬氧化物壓敏電阻元件，但在基地台要求的保護能力品質較高，因此則會選用瞬態電壓抑制元件為主。
此外，偏向於訊號線的保護，大多會使用瞬態浪湧保護晶閘管和氣體放電管元件，若產生突波時電壓就會關掉。舉例來說，當裝置出現12V電壓，保護元件就會將電壓降低到0或1V，使後端DC-DC的穩壓器無法進行電力輸出，此時系統會重開機。