隨著多媒體進步與連線裝置日益增加，頻寬需求量將越來越大，第四代(4G)行動通訊勢必面臨挑戰。因此，近年來各國開始著手第五代行動通訊技術的開發，預期在2020年能達到商轉目標。
歐洲針對5G計畫成立METIS組織，其對5G通訊系統規格有較明確定義。除使用者端的傳輸速率要有10∼100倍的提升外，單位面積下系統行動資料量要有1,000倍以上的提升。根據Shannon-Hartley理論(方程式1)，其中C代表通道容量，B代表頻寬，S代表接收到的訊號功率，N代表雜訊或是干擾功率，若要提升通道容量，其一就是改善訊號對雜訊比，其二就是提高使用頻寬；再者，利用多輸入多輸出(MIMO)技術，亦可以提升通道容量。
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| 方程式1 |
波束成形/毫米波/MIMO 提升5G傳輸速率
波束成形(Beam forming)技術是目前用來改善訊號對雜訊比最常見的技術之一，其利用發射能量較集中的場型覆蓋目標裝置，除能改善傳輸距離，也能降低對非目標裝置干擾，進而改善訊號對雜訊比。
在提升使用頻寬的部分，目前商用頻段的使用大部分在6GHz以下，在擁擠的頻譜下，有限頻寬當中，如何取得足夠的頻譜增加傳輸速度是一大問題，利用載波聚合(Carrier Aggregation)來增加使用頻寬是目前最常見的技術，但是在低頻段能夠取得的頻譜還是有限，另外一個方式則是往更高頻段發展，畢竟在高頻段使用率不高，且寬頻帶取得容易。
相較於目前常使用低於6GHz的商用頻段，當無線訊號於毫米波頻段傳播時，在空氣中傳輸損耗急遽地增加，因此，毫米波系統需要高增益天線，也就是相位陣列(Phased-Array)天線來克服此問題；此外，毫米波亦容易受到阻擋物干擾，所以波束成形更顯重要；另外，由於毫米波波長短，單位天線小，即使實現相位陣列天線，尺寸亦不大，因此以尺寸而言，毫米波適合發展陣列天線。
故未來5G通訊系統將可能採用波束成形、毫米波技術與MIMO技術提升傳輸速率。圖1為2015年三星(Samsung)在5G白皮書中表示，MIMO、波束成形與毫米波技術，為該公司未來5G系統發展的技術重點。
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| 圖1 提升通訊系統效能技術 |
利用相位陣列天線 實現波束成形功能
要實現波束成形功能須利用相位陣列天線，調整相位陣列天線中移相器的參數，則能夠調整天線波束的方向。以發射端為例，根據移相器所處的位置可分為四種架構：
移相器操作在RF頻帶，且在主訊號的路徑上，優點是架構比較簡單，混頻器的數目少，缺點是移相器因為操作在高頻，損耗較大，因此主訊號路徑損耗大，且高頻移相器相位解析度較低(圖2)。
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| 圖2 射頻路徑波束成形架構 |
移相器操作在LO頻帶，且在LO的路徑上，因此移相器較不會影響主訊號路徑，優點是主訊號路徑損耗小，缺點是混頻器數目多，且需要LO分配網路，當天線數目越多時，LO分配網路實現難度越高(圖3)。
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| 圖3 LO路徑波束成形架構 |
移相器操作在中頻頻帶，優點是移相器操作在低頻，損耗小且低頻移相器相位解析度高，缺點是混頻器數目多，且需要LO分配網路(圖4)。
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| 圖4 中頻路徑波束成形架構 |
移相器在數位處理，優點是場型實現的自由度最高，缺點則是每一路都需要RF鏈(Chain)，另外，每一路都需要額外的數位/類比轉換器(D/A Converter)來處理訊號，因此更耗電，尤其當系統頻寬越寬的時候，更顯嚴重(圖5)。
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| 圖5 數位波束成形架構 |
上述四種架構各有其優缺點，在IC設計當中四種架構也都有人採用，設計者可視應用情境來選擇最適當的架構，然而，近期由於巨量多數入多輸出(Massive MIMO)系統的出現，也有人提出混合的架構。混合波束成形(Hybrid Beam forming)(圖6)，不同於前述四種傳統的架構，此架構為近期發展，移相器在數位及射頻路徑，結合數位與射頻波束成形架構，將波束成形在數位與射頻當中取得最佳化，且能夠彈性的支援多波束/多使用者，通常在巨量多數入多輸出系統最為常見。
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| 圖6 混合波束成形架構 |
主動式陣列天線以主動元件放大訊號
相位陣列天線可分為主動式(Active)跟被動式(Passive)相位陣列天線兩種，其架構如圖7所示，兩者架構主要差別在於主動式陣列天線會在每個移相器後再以主動元件放大訊號。
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| 圖7 (a)被動式與(b)主動式陣列天線架構 |
以發射路徑而言，在主動式相位陣列天線中，訊號經過功率分配器至每個天線單元，接著經過移相器後，最後經過功率放大器放大，再經由天線輻射出去，而被動式相位陣列天線，訊號經由功率分配器每個路徑，各路的訊號經過移相器後，直接由天線輻射出去。必須要注意的是，功率分配器與移相器通常為損耗元件。
比如，N個天線的相位陣列天線，要發射出相同功率的條件下，被動式相位陣列天線需要一顆高功率的功率放大器，才能夠補償功率分配器與移相器造成的損耗；而主動式相位陣列天線，訊號經過功率分配器與移相器後，會再經由功率放大器來補償功率分配器與移相器造成的損耗，所以每個路徑只需要N顆一般功率的功率放大器即可達到等效輸出功率。
另外，當越往高頻段陣列天線發展時，需要更多天線數，也需要更多的功率分配器，代表功率分配器損耗越大，主動式陣列天線能克服此問題；再者，如圖8所示，主動式陣列天線在利用N顆相同功率的功率放大器情況下，相對於單顆而言，能提供N×N倍的等效全向輻射功率(EIRP)，因此在未來5G陣列天線技術中，主動式相位陣列天線將是主要發展的相位陣列天線架構。
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| 圖8 主動式陣列天線等效發射功率 |
綜合上述，主動式相位陣列天線將是以後的主流，但不同種類移相器的架構則視系統應用及設計者判斷而定。目前5G的頻帶至今尚未有定論，是否應用在毫米波也是未知數，尤其毫米波在空氣中傳播損耗大，且容易受到建築物的阻擋造成訊號嚴重的衰減，故也有人持相反意見。
目前各家公司在5G系統的推展，除在高頻段發展外，在低於6GHz的部分也持續演進，三星在低於6GHz與高於6GHz並行發展(圖9)。另外，由於毫米波涵蓋範圍小，因此NTT DOCOMO亦提出高頻、低頻並行系統(圖10)，克服覆蓋範圍問題。但不論在高頻或低頻系統，MIMO與波束成形都是5G發展的重點，因此未來相位陣列天線在5G行動通訊系統將扮演非常重要的角色。
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| 圖9 三星5G技術發展時間表 |
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| 圖10 NTT DOCOMO提出高頻、低頻系統功用。 |
(本文作者任職於工研院資通所)