RFFE 5G 5G NR 3GPP Beam Forming 天線陣列

5G通訊系統與射頻天線開發論壇特別報導

迎戰次世代通訊發展 5G系統/射頻天線設計有訣竅

2019-08-27
5G商用步伐不斷加快,從2019年已陸續有5G手機面世,同時各國也相繼發布5G頻譜執照,可望帶動龐大5G網路與裝置發展商機;基於此本文將從5G通訊系統與射頻天線設計為出發,探討如何克服5G終端產品設計挑戰。

5G堪稱當紅炸子雞。根據愛立信(Ericsson)2019年行動趨勢報告指出,2018年推出第一波5G裝置是口袋型路由器。隨著首批商用5G服務推出,首批5G智慧型手機已於2019年第二季初期在亞太地區、北美及歐洲上市。儘管5G部署時間緊湊、業務繁重,但裝置供應商預計將在2019年間提供支援不同頻段及架構系列的裝置。例如,由於在全網路部署5G的意願增加,首批低頻段(低於1GHz)裝置預計將在2019年年底上市。因此,到2019年底,全球將有超過1,000萬5G用戶。從2020年開始,各頻段中的5G裝置數量預計將會出現大幅度成長(圖1)。

圖1 5G裝置上市時程

為滿足消費者和垂直產業所需的不同使用案例,商用5G技術部署的步伐正不斷加快。然而,5G產品開發有著各種新的挑戰,特別是毫米波(mmWave)等射頻相關設計,如主動式天線陣列、波束成形(Beam Forming)、功耗與路徑損耗、OTA(Over-the-air)測試挑戰,都是令人頭痛的問題。

高速/大容量/廣覆蓋需求5G頻段直奔毫米波

工研院資通所新興無線應用技術組副組長陳文江(圖2)表示,根據研究機構預估2020年將會有500億個聯網裝置,此時就需要高達1,000倍的容量,加上3GPP定義100倍以上的傳輸速度,以及更廣覆蓋範圍的需求,就需仰賴高頻毫米波予以協助。

圖2 工研院資通所新興無線應用技術組副組長陳文江認為,毫米波技術的導入有助提升更快的傳輸速率與容量。

事實上,早於2015年業界就有聲浪探討毫米波應用的可行性,不過由於毫米波挑戰大、成本高,這項技術在當時在討論過後就石沉大海;但發展至今,5G時代終究還是需要毫米波應用,其最大的因素在於毫米波可提供非常大的可用頻寬,舉例來說,28GHz頻段本身就有800MHz頻寬,而37~40GHz則是能提供3,000MHz頻寬。

陳文江談到,早期3GPP在制定5G標準過程中,探討很多改善頻譜效率的方法,也提出很多可行的調變技術,但最終發現從4G發展到5G的歷程中,調變技術所改善的頻譜效率最多只有20~40%左右,改善幅度不大,也因此3GPP開始擬定將5G用於毫米波頻段。此方法即使不改變調變技術,只要頻寬越大,傳輸速度、容量也就會自動提升,藉此滿足5G高傳輸速度、高容量的目標。

英飛凌(Infineon)資深應用工程師許哲維(圖3)指出,大數據需要更高吞吐量,此時的使用大頻寬需求油然而生,於Sub-6GHz英飛凌現在可以提供100MHz頻寬,而毫米波28GHz、39GHz則可以提供到800MHz,為了就是要因應在大量頻寬上面傳輸。整體而言,新的頻段將帶來大量頻寬,同時也會伴隨不同的新技術導入,如4G時代有MIMO技術加入,而毫米波則是引進波束成形技術,當然在整個系統上面,因為頻段變多,所需要的功耗也會是另一個挑戰。

圖3 英飛凌資深應用工程師許哲維表示,如何克服物理限制提升資料吞吐量是晶片商積極追求的目標。

覆蓋率/穩固性/裝置尺寸 5G行動裝置三大挑戰

台灣檢驗科技無線通訊實驗室全球OTA技術主管廖兆祥(圖4)表示,在5G手機設計上有三大挑戰有待克服,包含傳輸距離涵蓋範圍、穩固性(Robustness),以及裝置尺寸和功耗問題。以涵蓋範圍來說,由於毫米波傳輸距離有限,因此小基地台(Small Cell)的角色重要,扮演承接訊號的關鍵元素,不過一般語音通話仍以Sub-6GHz頻段為主(圖5)。

圖4 台灣檢驗科技無線通訊實驗室全球OTA技術主管廖兆祥指出,涵蓋範圍、穩固性,以及裝置尺寸和功耗是行動裝置最大挑戰。
圖5 三大5G手機設計挑戰

陳文江補充,毫米波波長非常很短,短到接近粒子等級,因此毫米波波長接觸到水蒸汽、氧分子會影響到其傳輸。換言之,毫米波從基地台發出的功率,很不容易可以傳達到手機端,這就是所謂的損耗問題,毫米波容易被路徑當中的任何東西影響其穿透,同時衰減快速,故能量到達手機端寥寥無幾。也因此毫米波戶外主要考量的因素,遠比在室內還多。

其次,在穩固性方面,通常手機出廠之前要驗證手對於手機本身干擾問題。因為電磁波很容易受到手的吸引,因此天線擺放位置就變得很重要,如果天線擺放的地方是手握住的範圍則無法傳輸,量測的訊號非常差。

最後,現今手機內建各種不同無線網路技術,包含藍牙、GPS、Wi-Fi、NFC,甚至是無線充電技術,加上蜂巢式聯網本身的天線,手機本身既有的天線數量少說有十支天線以上,而5G毫米波技術的導入,更是進一步墊高手機天線數量的界限,故功耗、天線擺放的位置及尺寸都非常重要。

許哲維補充,當一個5G的UE裝置內,需要以既有空間擠進更多元件,而天線端的整合也是很大的挑戰因素,因為天線基本上跟λ(Lambda)有關係,天線所使用的空間息息相關,當一支手機裡面需要使用更多天線,天線設計會是很大困難點。

另一方面,功耗部分也一直是手機開發的心頭大患。要透過MIMO技術進行資料吞吐與下載,同時應用於更高頻段(代表損耗高)難度很高,如要在一個有限的天線空間內,要擠進更多天線與更多頻段,以元件設計的角度來看,想當然爾就需要LNA做雜訊的濾波,這時須強調更高的增益。

從4G到5G 基地台設計兩樣情

許哲維分析,從4G過渡到5G標準,在傳輸端設計的差異可分為四大種類,包含高輸出功率、探測參考訊號(Sounding Reference Signal, SRS)、高線性(High Linearity)與寬頻率操作範圍(Wide Frequency Operation Range)的差異。相較於4G,在5G傳輸需要更高的功率,其所需的功率高達26dBm,可說是4G時代的兩倍之多。

此外,另一個比較特別的就是SRS功能,當5G NR頻段在Sub-6GHz打出一個TX訊號,就須要利用MIMO 4根天線偵側一個比較強的訊號,再用那個訊號做TX傳輸。例如3GPP要求元件供應商的SRS要在10ms(或5ms)以內。

值得一提的是,當TX訊號傳送到RX訊號時,所有RX鏈路不會是單純的RX(pure RX)鏈路,設計者必須要考慮可能會有強大訊號回灌進來,故在元件選擇或設計上需要再三思量。

許哲維表示,英飛凌Sub-6GHz可提供低插入損失(Insertion Loss)方案。據了解,插入損失是由於元件插入傳輸線或光纖而導致的訊號功率損失,尤其在高頻更是如此,故低插入損失方案有其必要存在價值。此外,若要將SRS或複雜4G、5G鏈路串聯,之中必須要有很多前端交叉開關(Switch),及不同分門別類的Switch、元件,以實現複雜系統設計。再者,由於不同的平台供應商、電信商會有不同Switch-time需求,因此任何元件也需要滿足這樣服務。

5G天線設計挑戰大 CST模擬縮短測試時間

如同上述所言,5G天線設計面臨極大挑戰,包含Beam Forming、天線陣列與干擾問題,因此在設計時需要高效率的設備在毫米波頻段進行模擬。士盟科技資深工程師陳瀚潮(圖6)表示,透過CST模擬工具流程,可平順轉移從微型陣列到大型陣列的設計;此外,Antenna Magus模組提供天線與陣列合成,用於快速設計探索,讓想法在初始概念萌芽時就可以有工具能實現概念在性能上的評估。對CST而言,整體的系統模擬評估對天線的性能來說是至關重要。

圖6 士盟科技資深工程師陳瀚潮表示,CST模擬將有助於簡化5G天線設計挑戰。

就模擬的層面來看,最主要必須考慮到複雜的電磁環境和多物理場協同設計,更多的挑戰在於這個5G天線加上終端產品,再加上其他天線後,整體設計的難度。5G毫米波陣列天線有個問題是多波束掃描,有大量的掃描角度;這也是為什麼5G終端的計算效率要求很高,功耗也很高。

在設計這種具有大量掃描角度的複雜天線陣列的時候,如果能夠藉由軟體幫助設計人員輕鬆建立這些天線單元模型,得心應手地設定激勵訊號的振幅(Amplitude)和相位(Phase),並輕鬆掃描大量的激勵排列組合,可提升5G天線的設計效率。

電磁模擬軟體CST STUDIO SUITE中,具有設計天線矩陣的功能,包括天線的單元設計、相控陣的生成、激勵訊號的自動參數化掃描,皆可輕鬆勝任。

各國5G頻譜畫分大致底定

5G頻譜可分為Sub-6GHz與毫米波兩大類型。低頻考慮重點在於涵蓋範圍,陳文江認為,5G需要先將大部分區域都覆蓋之後,才會開始快速普及。尤其現在慢慢會看到5G手機的出現,若無基地台支援仍無法通訊,故首當其衝是滿足更廣涵蓋範圍,而Sub-6GHz將是首波採用的頻段。在毫米波部分,日、美、韓等國基本上以28GHz為主,而中國則是比較偏向採用26GHz(圖7)。

圖7 各國5G頻譜畫分比照表
資料來源:士盟科技

陳文江提到,台灣則由NCC採取多階段動態頻譜釋照策略,待行政院公布修正的頻譜一覽表後,預估於2019年第4季、最遲2020年初NCC將進行首波的5G釋照,預計3.5GHz中頻段釋出270MHz、28GHz高頻段釋出2,500MHz,1.8GHz頻段釋出20MHz。

整體看來,5G商用發展已經勢在必行,在相關供應鏈的積極推動下,相信將更進一步加速5G普及的步伐,可望帶動消費型與垂直應用領域的服務,為相關供應鏈業者未來的營收成長注入一劑強心針。

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