毫米波 mmWave 5G 802.11ay

新式小碟CATR取代SGH 毫米波天線遠場測試輕鬆搞定

2018-07-31
毫米波(Millimeter Wave)為30GHz至300GHz(波長10mm至1mm)頻帶內的無線電傳輸,在此段頻帶,頻譜的取得相對於傳統的高頻(Very High Frequency, VHF)和特高頻(Utlra High Frequency, UHF)用於廣播、電視及行動通訊的頻帶較為容易,而且有許多頻帶是保留而未使用的。因此在毫米波的頻帶內每一個無線傳輸的頻道(Channel)可以有更大的頻寬(Band Width)支援更高速的資料傳輸。

毫米波頻帶自由空間損失(Free Space Loss, FSL)以及穿透障礙均比目前使用在6GHz以下的無線電產品大,使得使用者之間的互相干擾獲得改善,同時毫米波的波長為目前使用在6GHz以下無線電產品的波長二十分之一到三十分之一,這使得複雜的相位陣列天線(Phase Array Antenna)可以整合在晶圓(Antenna On Chip, AOC)、晶片封裝(Antenna In Packaging, AIP)或者將晶片與天線整合在產品的電路板上,相位陣列天線以及晶片所提供的波束成形(Beam Forming)和波束掃描(Beam Steering)使毫米波無線產品的天線增益與指向性較6GHz以下的無線電產品提高至少10dB以上,這不但提高了訊號品質,同時也降低高頻道(High Channel)或相鄰頻道(Adjacent Channel)的互相干擾,加上前述毫米波的物理特性,使頻道可重複使用,增加通訊網路的容量。

2018年年初3GPP公布了第5代行動通訊(5th Generation Mobile Networks, 5G)的暫定標準,其中,第二段頻率範圍(Frequency Range, FR2)24.25~52.6GHz,順帶一提,中國5G毫米波頻段為24.25~29.5GHz以及37~43.5GHz,同時,在2018年年初,IEEE也通過了57~64GHz的頻段內的802.11ay版本1.1標準,傳輸距離由原先的10公尺增加到100公尺,吞吐率(Throughput)提高到至少20Gbps以上,預計2019年下半年將有許多新的晶片出現在市場上。

英國與歐盟訂立2021年為24GHz極寬頻(Ultrawide Band, UWB)車用雷達的日落日期,其中,在21.65~26.65GHz剛好與第五代行動通訊所規範的頻帶相衝突。並且還新增了76~77GHz的長距雷達(Long Range Radar, LRR)以及77~81GHz的短距雷達(Short Range Radar, SRR),加上電動車和自駕車、無人機的蓬勃發展,市場對於防撞感知器的需求日益漸增,使更多的廠商投入車用雷達的發展。

相位陣列天線設計成關鍵 毫米波滿足多元應用

綜合上述各項毫米波無線產品之間的共同特點都是使用相位陣列天線(如圖1),而每一組天線的相位中心會隨著它在相位陣列天線中所在的位置,周遭的條件(螺絲、塑膠蓋、顯示器、電池、隔離罩,以及產品外殼噴漆等)而不同。不論天線的形式為何(如圖2),天線周遭環境的這些變數對於Beam FormingBeam Steering的效能有極大的影響,有的甚至會造成軟體控制移相器(Phase Shifter)無法使Beam Steering達到指定的方向。

圖1 由各單一天線所組成的相位陣列天線

 

圖2 毫米波產品的各種形式的相位陣列天線

為了說明這些相位陣列的周遭條件對於設計以及生產變異的影響,以3GPP R4-1800889(如圖3)這份技術文件模擬5G手機的塑膠蓋及顯示器對4×1線性塊狀陣列天線的影響。

由(圖3)可以得知顯示器及塑膠蓋使天線增益(Antenna Gain)增加2dB,這是假設顯示器的24.25~29.5GHz時,介電常數為7,真實的顯示器在這頻段內的偏差是多少?以及如何量測5G手機的Antenna Gain?這些將會是廠商在生產時所面臨到的問題。

圖3 線性塊狀陣列天線

5G 802.11zd以及雷達等毫米波產品空中接口量測依現行的各種標準規定均須遠場量測,使用標準增益號角天線(Standard Gain Horn, SGH)(如圖4)做為量測天線時,則量測天線與毫米波產品之間的距離必須大於2D2/λ(這項公式的由來是以全向性點源天線做為量測天線,計算遠場所須的測試距離。高指向性的號角天線必須依照其指向性而增加距離),以這公式頻評7cm(最長邊)大小的雷達模組(操作在80GHz)需要長達5公尺的量測距離。

圖4 各毫米波頻帶的號角天線

為了符合各種毫米波(ACCAIP、晶片及天線整合在電路板上)在遠場距離的量測需求,碩訊科技提供三種尺寸(6英吋、9英吋以及12英吋)的小型緊縮場(Compact Antenna Testing Rage, CATR)(如圖5)取代號角天線(Corrugated Horn)

圖5 小型緊縮場

CATR是以皺褶式電波均勻發射至捲邊式的反射盤(Rolled Edge Reflector),在距離反射盤幾數十公分處(距離依反射盤的大小而定)反射出平面波符合遠場的條件。

比較CATRSGH(Standard Gain Horn)這兩種不同的量測設備各自有不同的特性(如表1)所示,且在表中分析這些差異點對AOCAIC或晶片及天線整合在電路板的毫米波產品其開發及製造生產等量測影響如下:

(表1)所示的角度辨識(Angular Recognition)這項參數對毫米波相位陣列天線的Beam Steering極為重要,尤其是長程雷達(Long Rang Radar, LRR)其指向的角度及波束寬度(Beam Width)均需要1度的準確。

表1 CATR及SGH的差異

從表中可知,比較CATRSGH的遠場場形,SGH 1dB Beam Width10度,則CATR2.7度,且下降至低於峰值增益20dB的角度SGH60度,則CATR4度。意即在待測物Beam Steering歪斜時,SGH所提供的辨識率是差的。這點對生產線的GO&NO測試中的GO尤其重要。

另外,將晶片及陣列天線結合在電路板上的毫米波產品,在生產組裝時,晶片的發射多功率放大器或接收低頻放大器,當它們的接腳連接到陣列天線的單元,有可能會焊接不良,或者陣列天線單元本身有問題,在表1的最右欄為5組陣列天線單元任一組的失效辨識,使用SGH測到振幅大小的差異為0.4~3dB,而且會隨著陣列天線單元的指向性及其位置而改變。另一方面,若使用CATR量測,當任一組天線發生不良而導致指向不在預測的角度上且偏差大於4度時,CATR收到的訊號會比正常小20dB;當天線單元發生不良而產生的偏差角度極小時,CATR會收到小於正常訊號1.82.1dB

5G用戶終端設備(如手機、平板電腦、微形基地台等)發射時除了主波之外的雜訊要測到87GHz,還需要長距離的屏蔽遠場測試空間,但利用CATR可在短距離進行5G的遠場量測,不僅如此,CATR的天線增益高且量測不確定度低,依照表1的天線增益及FSL在同樣的條件下,CATRSGH多了28dB的訊噪比,把頻譜分析儀在解析頻寬(Resolution Bandwidth, RBW) RBW=1MHz時的雜訊位準代入此接收系統,得到(圖6)的測試結果,使用SGH其系統雜訊位準已受法規的限制,不過若使用CATR仍有28dB的餘裕空間。

圖6 輻射雜訊

科技日異月新,各大科技業者逐漸重視無線通訊的毫米波技術,例如IC設計業者、天線晶片廠商、天線晶圓封裝廠、77GHz的車用雷達業者等,紛紛對此投入相當大的心血,為了讓自家產品符合目前新的規範3GPP TR38.810/802.11ad/802.11ay以及第五代行動通訊等,不斷嘗試各種量測方法。

毫米波測試手法中有兩個非常重要的因素,一是「合成波束成形」;二是「合成波束掃描」,而這兩者都會影響到待測物的相位陣列。一般毫米波的測試是以喇叭天線的全向輻射感度來執行,但是,使用這類測試手法會讓待測物在合成波束成形時以1mm偏差了96度,這是非常大的誤差,也是各廠一直以來煩惱的問題。

為了協助廠商改善測試上的誤差,已有量測業者不斷嘗試開發,如碩訊科技研發出了讓待測物不動的測試手法,其命名為「TRC飛行緊縮場(TRC Flying CATR)」,經過環境架設與驗證後,將以前的大碟子縮小成6英吋、9英吋、15英吋的小碟子,結合饋元天線與機械手臂,實踐了在空中接口時可以讓合成波束成形直接對應到待測物的相位中心,不僅去除掉許多干擾因素,也幫助廠商大幅節省了實際測試的空間。

除此之外,小碟子CATR還可以安裝在隔離箱內,為77GHz車用雷達廠商設計一種隔離箱式的毫米波系統,其命名為「TRC雷達產線版隔離箱,mmW Box」,同樣利用CATR和饋元天線來量測,能幫助產線人員方便、快速、準確偵測產品,進而讓產品能快速大量生產,而這嶄新的毫米波CATR目前應為全台灣唯一僅有。

(本文作者任職於碩訊科技)

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