5G 5G NR 5G NR RFIC 基頻晶片 RF前端

迎戰5G商用化 天線/晶片設計有對策

2018-10-16
2018年是5G標準、技術研發以及產業成熟關鍵的一年,也是5G走出實驗室,大舉面向商業運轉的起點。5G R15規範逐步走向完善,如何強化端到端傳輸效能成為產業熱門議題。而為克服5G新無線電(New Radio, NR)所帶來的技術難題,晶片與天線設計大廠也紛紛推出解決方案應戰。

5G R15規格底定後,5G也朝正式商用化更邁進一步。而在各國陸續展開頻譜拍賣、指配後,電信商也紛紛喊出2019年或2020年5G行動服務商用化的願景。不過,5G不論是在組網方式還是使用的頻段,都比歷代行動通訊來得複雜。其中,5G NR高頻毫米波(mmWave)的技術特性,更為基地台與行動裝置設計帶來許多挑戰。為此,設備與晶片廠商也持續推出解決方案,希望能加速促成5G商用行動服務開通。

現階段5G焦點主要集中在增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)應用情境討論,希望能朝更高網路容量與更高傳輸速率發展。而要增加蜂巢式基地台容量可透過三大措施實現,包括獲得新頻譜、提高基地台密度和改善頻譜效率。對此,ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇(圖1)表示,雖然可見新的頻譜持續增加、網路密度不斷提高,但提升頻譜效率仍相當重要。

圖1 ADI通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇表示,雖然可見新的頻譜持續增加、網路密度不斷提高,但提升頻譜效率仍相當重要。

目前大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)已被證實能夠使行動資料傳輸量提高3至5倍,且未來有望持續提升。而各國電信營運商也紛紛展開5G Massive MIMO測試,預計在2019年至2020年開始在部分地區進行5G商業部署。而在eMBB逐漸完備後,解勇認為,高頻毫米波技術及超高可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)應用情境將成為下一波產業聚焦熱點。

波束成形/主動式天線克服毫米波物理限制

毫米波為極短波長且極高頻率的載波通訊,是除了多天線、多工調變方法之外,另一個能直接大幅提升資料傳輸速率的途徑。然而,毫米波技術也面臨到傳輸路徑損耗(Path Loss)、集膚效應(Skin Effect)等物理特性所帶來的限制,造成通訊距離短、覆蓋範圍小、易受干擾且易被人體及建築遮蔽等問題,因此必須透過波束成形(Beam Forming)、Massive MIMO陣列天線等技術加以解決(圖2)。

圖2 毫米波技術使5G天線朝大規模、主動式天線發展。

波束成形技術可將多個訊號集中並指向特定方向,以克服毫米波耗損的問題並提升訊號傳遞的距離。而波束成形的運作還必須藉由相位陣列天線(Phased Array Antenna)來控制、調整波束的方向,才能形成指向性波束。

而為避免方向偏差影響用戶端的訊號接收,基地台天線還須加入波束追蹤(Beam Tracking)技術,快速移動、掃描以隨時偵測用戶位置。而為支援此技術,未來5G基地台天線將採主動式、智慧型天線設計。

諾基亞(Nokia)台港澳業務銷售總監鄭志中進一步說明,主動式陣列天線能確保訊號的穩定性,但以5G時代一個基地台至少須處理64個發射機(TRx)的情況而言,可預見主動式陣列天線將會為基地台帶來龐大的運算負載,使得基地台的處理效能與功耗成為重要的課題。為此,Nokia也著手進行實驗,希望能將人工智慧(AI)導入基地台,利用機器學習演算法提升運算效能,並進一步預測用戶移動的路徑,藉之分擔主動式天線所帶來的運算負載,提升基地台的運作效能。

而在終端裝置的天線設計上,毫米波波束也可能受到手握手機的方式、系統的材質(如玻璃、陶瓷、金屬元件、機構件)影響,被物質吸收、反射或是偏移本來應該輻射的角度。對此,Qorvo產品行銷經理陳慶鴻(圖3)指出,目前業界常見的解決方案包括導入多根毫米波天線陣列模組,或透過擺放方式、多極化多頻段設計,來降低這些外在影響。

圖3 Qorvo產品行銷經理陳慶鴻指出,目前擬導入多根天線陣列模組,或透過擺放方式、多極化多頻段設計降低干擾。

5G RF前端朝模組/IC發展

5G Massive MIMO陣列天線系統,使之對於射頻元件的整合度、頻寬與成本具更高的要求。此外,5G頻段包含6GHz以下的低頻頻段與高頻毫米波頻段,支援的頻段比4G LTE多且複雜,因此,若要達到5G RF性能指標要求,將為相關RF元件製程與電路設計帶來更大的挑戰。

LTE技術演進掀起RF前端模組市場第一波熱潮,不過市調機構Yole指出,2017年底5G NR非獨立(Non-Standalone, NSA)標準出現,才是驅動RF前端市場大幅成長的主因。5G NR NSA在架構上採用4G/5G聯合組網,並引入雙連結(Dual Connectivity)技術確保設備能同時使用兩個基地台的無線資源,也促使RF前端設計複雜度以及元件需求向上提升。根據Yole發布的報告,RF前端模組市場2023年產值達352億美元,2017~2023年複合成長率(CAGR)為14%。

以往RF前端多採用離散式元件(Discrete Components),透過印刷電路板(PCB)上的RF走線(Trace)連接收發器、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)及濾波器(Filter)等主被動元件。不過,隨著RF元件用量的提升,陳慶鴻表示,目前4G高階手機RF元件模組化已是必然的趨勢,而5G將更進一步加速元件整合的趨勢。其中,模組的型式包括封裝、低損耗板材SMT、軟板SMT等,但不論採用何種方式都必須解決IC熱集中、高功率消耗的問題。

Anokiwave亞太地區銷售總監張肇強(圖4)進一步說明,5G毫米波訊號易耗損、受干擾,為降低訊號在PCB傳遞過程中的耗損,須將RF元件與天線整合以縮短RF走線,理想的做法是將RF元件置於天線基板的背面。然而,除了面臨到RF元件用量大幅增加的問題,隨著訊號頻率變高、波長變短,天線尺寸及每個天線間的距離都會大幅縮小,而離散式RF元件的尺寸較大,因此難以直接將之整合在天線基板上。

圖4 Anokiwave亞太地區銷售總監張肇強進一步說明,5G毫米波訊號易耗損、受干擾,為降低訊號在PCB傳遞過程中的耗損須縮短RF走線。

由於上述問題,也使得5G毫米波RF元件整合成為必然的趨勢,而目前市面也已有業者利用IC或模組的形式將RF元件整合在同一封裝。對此,張肇強表示,該公司看好CMOS製程的成熟度、高整合性以及生產成本等優勢,因此採用矽基的CMOS製程來生產毫米波RF前端IC,並將之與天線整合成模組,以解決訊號傳輸耗損問題。

RF模組封裝須考量散熱問題

Massive MIMO技術的導入使得5G基地台與終端裝置的天線數量皆增加,散熱問題因而成為RF元件與天線設計上的另一項挑戰,業者須在確保RF性能的同時,兼顧熱管理與成本問題。對此,張肇強解釋,雖然過去毫米波雷達與波束成形技術已被運用在軍事國防,但對於軍事應用來說,尺寸與成本都並非設計上的首要考量,因此若要運用相關技術實現商用基地台,除了要克服尺寸問題,基地台散熱所帶來的龐大成本也是一大挑戰。

為此,Anokiwave嘗試從封裝來改善散熱問題,其第一代毫米波RF前端IC採用QFN封裝技術,但考量塑膠封裝散熱效果較差,因此第二代產品改採晶圓級晶粒尺寸封裝(WLCSP),在改善散熱問題的同時也能進一步縮小封裝體積。

同樣考量到塑膠封裝所產生的散熱問題,Qorvo日前推出39GHz的雙通道RF前端模組也針對塑膠封裝提出相關對策。Qorvo指出,由於該款RF前端模組採用GaN製程,而GaN功率密度比GaAs高出2至3倍,因此在封裝設計上面臨更棘手的散熱問題。為此,該公司在GaN RF前端模組封裝基座內加置均熱器,在確保產品成本競爭力的前提下,提升塑膠封裝的熱管理效能。

天線隔離度/線性度克服IMD干擾問題

5G組網方式分為獨立(Standalone, SA)與NSA兩種,其中,NSA主要是透過LTE發送控制訊號,而SA則是透過5G NR發送控制訊號。就目前各國電信商布局看來,除了中國移動有意直接部署5G SA網路,多數國家在初期仍會以NSA網路部署為主,因此兼容各標準、架構的解決方案也更顯重要。

針對組網方式對於天線設計的影響,陳慶鴻進一步說明,NSA的組網架構,無論是在1T4R或是2T4R的設計上,整體核心網路仍需要4G LTE做為控制通道,5G NR只提供高速的數據傳輸,因此NSA的架構下,會發生4G LTE與5G NR同時發射的應用場景,在RF前端設計須留意互調失真(IMD)產生的干擾問題。而SA組網架構,雖然不需要4G LTE做為控制通道,但在2T4R的設計上,仍須注意IMD帶來的干擾問題。

面對NSA的架構下會發生4G LTE與5G NR同時發射的應用場景,陳慶鴻建議裝置端的天線採分天線的設計方式,即4G LTE與5G NR的發射分別位於不同的天線上,利用天線間的隔離度,加上選用線性度較好的元件,來減少IMD對於系統干擾的影響。而他也指出,SA在1T4R的設計底下,除了可以節省一套RF發射元件之外,也無須面對IMD的干擾問題,對於終端裝置的RF前端成本考量是一大優勢,搭配成熟的天線調諧開關元件,可突破多頻且寬頻的天線在全面屏行動終端產品上的挑戰。

基頻晶片廠搶奪商用化先機

要實現5G行動服務商用化,除了克服基地台與終端的RF前端與天線設計問題,基頻晶片亦是關鍵。為加速5G商轉,高通、三星以及Intel等晶片大廠也陸續發表5G基頻晶片,並紛紛展開通話測試。如高通日前與愛立信共同宣布,利用搭載Snapdragon X50晶片之智慧型手機尺寸的測試裝置上,在39GHz頻段完成符合3GPP R15規範的5G NR通話;而三星也表示,其已利用搭載Exynos Modem 5100的終端原型裝置以及5G基地台,完成5G NR數據通話無線傳輸(OTA)測試。

據悉,三星推出的基頻晶片在sub-6GHz頻段最高下載傳輸速率可達2Gbps,在毫米波頻段則可達6Gbps的下載傳輸速率。相較於先前的版本,Exynos Modem 5100在以上兩個頻段的傳輸速率分別是前代的1.7倍及5倍。此外,該款基頻晶片在4G網路中亦能達到1.6Gbps的下載傳輸速率。而根據高通日前演示的結果,Snapdragon X50則可在使用兩個28mm毫米波通道的情況下,達到1.2Gbps的整體傳輸速率。

除了基頻晶片,高通日前也發表可用於智慧型手機與行動終端裝置的整合式RF模組。根據其說法,QTM052毫米波天線模組可與Snapdragon X50基頻晶片協同作業,在26.5~29.5GHz(n257)、27.5~28.35GHz(n261)以及37~40GHz(n260)頻段上支援800MHz的頻寬。該模組在設計上,將無線電收發器、電源管理IC、射頻前端元件和相控天線陣列功能整合在封裝尺寸中,一支智慧型手機中最多可容納4個QTM052模組。

不過,高通也表示,材料、尺寸、工業設計、散熱以及輻射功率之監管要求,都是5G毫米波正式商轉前,會面臨到的挑戰。業者必須克服上述問題,才能加速5G毫米波行動裝置的商用化。

MIC:5G行動終端裝置2021年才會明顯成長

縱觀5G商用進程,資策會產業情報所(MIC)預測,5G終端將在2018年底陸續推出,然而,首波上市產品將以行動路由器與家用路由器為主;行動裝置與智慧型手機則會在2019年陸續問世,但要等到2020年各國5G基礎建設完備、正式商轉後,才會有較明顯的出貨成長。

資策會MIC資深產業分析師兼產品經理韓文堯表示,5G支援的頻段包含4G LTE頻段、5G NR sub-6GHz以及5G毫米波三個部分,不同的頻段所需的技術不盡相同,因此,若要同時支援三個頻段的運作,勢必會為終端裝置開發帶來成本、尺寸、電路設計以及功耗的問題。而他也透露,目前5G毫米波終端原型裝置的耗電量仍相當大。

除了技術挑戰,毫米波裝置在5G商轉初期的市場需求不足也是一大問題,業者須設法在頻段支援與成本間取得平衡。由於元件用量、天線成本與設計複雜度提升,5G毫米波RF前端成本也將大幅增加。然而,各國初期開放的頻段並不全然相同,儘管智慧型手機內含高頻元件,也只能在部分國家支援5G NR毫米波通訊,市場需求並不高。

韓文堯就各國開放的頻段進一步分析,美國與南韓電信商會率先開通5G NR高頻頻段,因此這兩國的終端裝置業者較有機會成為首波推出5G毫米波行動裝置者。而以中國而言,由於其電信商初期布建著重在sub-6GHz,因此業者在近期推出毫米波行動裝置的可能性較低。

而若以整體5G行動裝置市場來看,資策會MIC預估2019年5G智慧型手機出貨量將達420萬台,但要到2021年才會有較明顯的成長,預估2022年出貨量可達3.1億台。

資策會MIC資深產業分析師兼研究總監李建勳(圖5)表示,雖然晶片廠與多家Android手機大廠宣布在2019年推出5G行動裝置,加上全球最大電信商中國移動也將於2019年初採購5G手機,但除了美國、南韓以及中國,多數電信商皆要到2020年才會推出5G商用網路。因此,在5G技術尚未成熟、網路覆蓋率未大幅提升之前,出貨仍量不會有明顯的成長,初期推出的產品可能多屬於電信商採購機種。綜合上述,5G行動裝置市場真正起飛的時間預計會落在2021年後。

圖5 資策會MIC資深產業分析師兼研究總監李建勳表示,除了美國、南韓以及中國,多數電信商皆要到2020年才會推出5G商用網路。

 

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