高頻相列多波束發威　毫米波天線傳輸率達標5G

未來的行動通訊必將面臨更多的挑戰，以服務品質來說，行動通訊系統必須支援多種用戶速率。在特定情況下提供數Gbit/s資料傳輸速率。然而，隨著第四代(4G)行動通訊的演進，頻譜使用效益已提升至接近極限，為了提升系統容量(Traffic Capacity)，增加頻寬已成為未來發展的趨勢。 

此外，由於微波頻段的擁擠，使得毫米波(Millimeterwaves)頻段成為第五代(5G)行動通訊的關鍵技術候選人之一，但是毫米波頻段在戶外通訊具有高路徑損失和高傳輸損耗問題，在提供極大的頻寬能力下，也因毫米波通道傳遞特性限制了其應用的範圍。為了克服毫米波高能量衰減，天線須搭配高天線增益來增加應用的彈性。 

本文主要為中科院實作5G技術概略介紹，眾多的技術中包含相控陣列天線(Phased Array Antennas)、反射器天線(Reflector)和反射器陣列天線(Reflect Array Antennas)。應用情境包含動態波束控制(Dynamic Beam Steering)、波束切換(Beam-switching)和多波束範圍囊括(Multi-beam Coverage)。相關的技術包含陣列天線的校正、量測的技術、天線場型的最佳化和與射頻(RF)系統整合的特性考量，目標是建立必要的技術並且滿足工業應用上對於5G的需求。 

毫米波天線架構研究 相列通訊系統問題排解 

傳統單輸入單輸出系統(Single Input Single Output, SISO)發射與接收皆為單一天線，天線輻射場型可設計全向性，或對單一方向使電波集中。當電波指向性越高時，可增加天線的增益(Gain)能提高其訊號收、發的能力，但是也會因此而縮小涵蓋範圍或角度。圖1(a)為典型平板輻射場型態樣，當指向Z軸為最大訊號增益處約為9dB，則其他角度訊號增益較低。 

圖1 (a)平板天線輻射場型；(b)相列通訊系統運作示意

單一指向天線其輻射場型指向性是固定的，若要改變輻射波束須倚靠機械架構，例如衛星碟形天線，利用底座改變仰角與水平角，完成衛星對準作業，但相列通訊系統可藉由多組天線組成陣列天線，分別改變天線接收後之訊號相位，進而改變輻射波束。 

圖1(b)為一相列通訊系統運作示意圖，個別天線距離在操作頻率的半個波長距離內，構裝組合成為陣列天線系統，藉由各天線路徑的相移器改變輸入、輸出的相位移，進而改變天線輻射場型，其簡易數學描述如公式1，M個陣元所構成的線性陣列，陣元間距為d、波長為λ以及欲接收入射角度為θ，則陣列因子(Array Factor, AF)可以描述為： 

 

公式1 

對5G通訊系統而言，毫米波頻帶的使用有利亦有弊，高頻電波短波長特性導致單一天線的孔徑小於低頻的天線孔徑，同樣面積內允許配置更多天線，因此有利於大規模多天線系統的應用以及得到更高的波束增益來克服環境的路徑衰減。毫米波頻段不只可以避免現今行動通訊壅塞的2GHz頻段，且快速衰減的特性，剛好符合密集都會區頻率複用的需求，可以布建得更為密集來解決傳統基地台邊緣訊號不佳問題，然而未來的毫米波相列通訊系統也須克服以下幾項的挑戰： 

 毫米波通道特性問題

眾多學者致力於毫米波不同場景的通道測量，藉由量測結果也得到些許結論，相較於過去世代無線通訊系統的低頻(2GHz附近)通道特性，毫米波通訊與過往不太一樣。 

首先，假定PR與PT分別代表接收與傳送功率，GT與GR分別為傳送與接收天線增益，λ=c/fc為射頻頻率fc對應的載波波長，可藉由光速c=3×108求得，d代表傳送端與接收端的距離，L為系統損失因子，自由空間傳導模型則可表達為公式2： 

公式2 

因此藉由等式(2)知道，當使用毫米波段時，較小的波長使得毫米波通訊面臨更大的路徑損失。此外，短波長也會導致物理波動性質繞射效應較為微弱，在LoS(Line of Sight)環境時，可視為路徑損失因子(Path Loss Factor)接近2的自由傳導；相反地，於NLoS(Non-line of Sight)環境下，較弱的繞射效應使得傳輸訊號只能藉由反射路徑來得到，因此訊號將有更大的損失，亦即路徑損失因子將大於2。 

實際場景應用仍須考慮障礙物遮蔽情形，毫米波通道特性另一個即是擁有極大的穿透損失，因此戶外的傳送訊號很難藉由室外基地台傳給室內用戶，解決的方法可能為室內另建基地台或是分散式天線系統。 

高資料傳輸及追蹤使用者問題 

在毫米波相列通訊系統中，下行需求20Gbit/s的資料量傳輸，4G和5G關鍵效能指標(KPI)比較可以參考表1，在現有低頻段而言是無法達到的，所以規畫上載波頻率提升為毫米波。 

表1 4G和5G KPI比較

在頻寬為2GHz、64-QAM的調變方式和基地台同時具有3-Stream的方式下，不加編碼的最大傳輸速率可以藉由公式3算出： 

公式3 

另外，在追蹤使用者方面，可以搭配毫米波相控陣列的技術，利用相移器及衰減器的切換，來達到將波束掃描隨著使用者的移動而跟著變化的目的。 

陣列天線構裝問題 

在毫米波相列通訊系統中，由於個別天線排列距離受限於訊號波長限制，使天線排列需要相當緊密，且連接各元件路徑損失大，將影響接收系統的雜訊指數，或者發射系統的等效輻射功率問題，天線與後端收發機模組需要特殊機構考量，才能實現毫米波相列通訊系統性能。 

波束最佳化問題 

即便在毫米波操作的相同電路架構下，個別天線增益與路徑上亦具有微幅差距，隨不同環境或者溫度而改變，皆會影響系統的穩定性，因此須藉由訊號振幅及相位校正解決，如何利用相位與振幅的補償機制，進行最佳化波束成型，使波束覆蓋達到最大的優化將是一大挑戰。 

尤其是動態的校正機制，須要每一天線具有個別獨立的收發系統，利用演算機制獲得最佳化參數，再進行微調每一路徑進行最佳化波束成型，當單一路徑故障或誤差過大時，將影響系統效能。 

直流轉換效率問題

在毫米波射頻前端電路，為實現更廣的操作頻寬與更高頻段，對前端電路的線性度更是一大挑戰。為求更好的調變效率，以目前互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程技術仍很難取得突破，即便III-V族化合物半導體砷化鎵(GaAs)電晶體，所設計的功率放大器(PA)其附加功率效率(Power Added Efficiency, PAE)，在線性度考量下約僅在10%以下，將影響發射系統的等效輻射功率，又考量上述在毫米波陣列構裝問題，如何在有限空間內容納多組收發系統，並且解決散熱問題，將是影響毫米波相列通訊系統建構之關鍵。 

射頻系統設計　毫米波寬頻接取 

在系統架構設計上，研發具可沿用性與擴充性之系統性能與設計。主要是展示在多個使用者設備(UE)端的場景下，38GHz下行傳輸的峰值速率，系統的挑戰包括了毫米波的寬頻接取技術、毫米波的射頻收發模組及毫米波升降頻模組、毫米波校正電路及毫米波天線陣列設計等都是一個大挑戰，高頻段接取技術系統方塊圖如圖2所示。 

圖2 類比波束合成系統架構圖

射頻前端模組包括終端開口導波管(Open-ended Waveguide)天線、訊號轉換電路(Transform Circuit)、毫米波收發模組(T/R Module)、功率分配器(Power Divider)、數位控制模組(BSC1)、升降頻收發模組(RF Transceiver Module)、升降頻校正收發模組(BVSP2)及機電整合散熱系統等，配合毫米波頻段類比波束成形系統所需陣列天線之系統需求，進行Ka頻段印刷電路板、開槽導波管、反射面陣列或號角等各種型式天線設計，並選擇最佳型式，以滿足系統之規格所需。試以射頻子系統的連結預算來說，相關系統示意圖如圖3所示，至於射頻各模組則可參考圖4。 

圖3 類比波束合成系統架構圖

陣列天線實際應用上，常透過控制各單元間訊號之相對相位(Relative Phase)，以合成一個具有特定形狀與方向的波束，進而增進空間選擇性(Spatial Diversity)並可有效防止干擾。 

圖4 射頻前端模組

將8×8相控天線實現並經過模擬與量測，圖5(a)為利用模擬軟體，給予不同相位，模擬陣列天線相位調校後，所得到的模擬接收場型圖。圖5(b)為陣列天線經過相位調校後的實際量測場型圖，由圖中來看，結果相當一致，另外利用改變振幅的方式，即調整射頻收發模組的衰減量，來達到抑制旁波瓣的效果，圖6(a)為模擬所得到的場型圖，圖6(b)利用微波暗房實際量測後所得到的場型圖。 

圖5 接收場型模擬值和量測值

圖6 接收旁波瓣抑制模擬值和量測值

這裡利用了相位控制天線及碟型天線、射頻前端系統及搭配國家儀器的基頻端，來驗證射頻前端系統的高傳輸率，驗證系統架構如圖7所示，相關參數可參照表2。 

表2 系統參數比較

進行模擬及量測　 由數據驗證成果 

本次量測方法為基地台同時打三個不同的波束(Beam)，讓三個不同的手機UE端來接收。圖8(a)為多波束相控系統5G基地台發射端，是由相列天線、射頻收發模組、射頻升降頻模組及數位控制電路模組組合而成，圖8(b)為多波束相控系統5G展示場景，由基地台發送64-QAM的訊號到三個手機UE端。 

圖7 射頻前端系統高傳輸率驗證系統架構

圖8 (a)多波束相控系統5G基地台發射端；(b)多波束相控系統5G展示場景

圖9(a)則為針對基地台端發射64-QAM的訊號，所得到的高傳輸量，傳輸量可以達到7.36Gbit/s的傳輸率，圖9(b)的量測得到的資料是將UE 1~3加總所得到的資料量，手機UE端總共可以達到21.9Gbit/s的傳輸率。藉此驗證基地台可以同時傳高資料的效果。 

圖9 (a)多波束相控系統5G量測UE端；(b)多波束相控系統5G量測UE端總和

表3為目前和各國大廠的5G傳輸量(Throughput)比較表。觀察後發現，基地台端產生三個獨立的波束，總計到達21.9Gbit/s，充分展現出高資料傳輸量之國際優勢。在實際展示時，透過攝影機(Camera)傳輸即時影像，因為有足夠的頻寬和傳輸率，影像不會延遲。 

表3 不同大廠傳輸速度比較

以傳輸2GB的檔案為例，只需2.33秒左右即可完成，4G系統則需要約409秒；另由於該系統可進行多波束的傳輸，目前技術可一次同時傳輸給三支手機。若換成4G系統，則要花上三倍的時間，才可完成，可說是相當快速。 

關鍵技術獲突破　5G發展露曙光 

國家中山科學研究院已於2017年3月桃園中科院的龍園園區舉辦軍通展示中心開幕典禮，舉辦5G成果發表會，當時展示一套整合「毫米波寬頻」與「相列式智慧多波束」技術的5G雛型系統，以及5G全系統的關鍵技術，其中在毫米波高頻段的部分，在目前業界來說實屬陌生領域，且投資設備研發成本過於昂貴，因此並無前例可循，無法觸及高頻實測研發，僅能以3G和4G的基礎技術做研究。 

國家中山科學研究院在完成上述重大技術突破時，將5G通訊的傳輸率躍進式提升至21Gbit/s，並以不到3年的時間，將門檻極高的毫米波高頻和相列天線技術從零開始到實體展示成果，以追趕國際技術水準，這些訊息所代表的意義是技術團隊從研發規畫、整合資源、技術開發至掌握產業脈動皆相當有效率及績效。 

(本文作者為國家中山科學研究院電子系統研究所副組長)