應用於5G之28GHz相位陣列模組

應用於5G之28GHz相位陣列模組

工研院資通所 紀鈞翔 郭芳銚 顏世杰 陳翔昱

第五代行動通訊系統(5th generation wireless system)簡稱5G,相較於4G能夠提供更高的傳輸速率,更低的延遲與更大量的互聯裝置。近年來,高畫質影音服務與新型終端裝置的出現,如4K/8K影片、虛擬實境(Virtual Reality, VR)或擴增實境(Augmented Reality, AR)等服務都需要更高的傳輸速率來支援。由於6GHz以下的頻譜相當擁擠,而毫米波頻段頻譜非常充裕,因此5G其中之一的發展重點技術是使用毫米波技術來達到更高的傳輸速率。本文將簡介目前通訊系統提升傳輸速率技術與毫米波陣列天線模組,並介紹工研院資通所開發的28GHz相位陣列天線模組。


精彩內容

1. 毫米波技術兩大優勢  可達5G要求傳輸速率
2. 毫米波陣列天線模組設計關鍵技術-Beamforming
3. 工研院資通所MIMO 28GHz相位陣列天線模組介紹
4. 毫米波技術漸成熟  成本與功耗方面仍有大挑戰


毫米波技術大寬頻優勢 可達5G要求傳輸速率
增加使用頻寬:

提升傳輸速率最直覺的方式就是增加傳輸頻寬,目前通訊系統增加傳輸頻寬有兩種技術:
(1)載波聚合(carrier aggregation)技術,將數個零星的連續或不連續小頻寬聚合成更大的頻寬,以獲得更高的傳輸速率,也是目前4G用來獲得更大頻寬的主要方法。
(2)毫米波技術,由於在6GHz以下的頻譜非常擁擠,而毫米波頻率的頻寬相當充裕,在毫米波頻帶能夠取得更大的單一載波頻寬。4G系統單一個載波頻寬最大為20MHz,理論上,20MHz的頻寬,採用64QAM調變方式,基地台與終端各只有一個天線(SISO)的前提下,其傳輸速率最高可達約為100Mbps。在5G系統6GHz以下單一個載波頻寬最大為100MHz,而5G系統毫米波頻帶單一個載波頻寬最大為400MHz。頻寬跟傳輸速率成正比,因此,採用毫米波技術將可利用大頻寬的優勢達到高傳輸速率。


提升頻譜效率:

頻寬是通訊系統最重要也是最有限的資源,台灣各家電信商為了提供消費者更好的通訊服務品質,花費好幾百億台幣的資金在頻譜的競標,亦更顯頻寬的珍貴。因此,在固定的頻寬下,如何提升頻譜使用效率是相當重要的,目前有幾種可以提升頻譜效率的技術:
(1)高階調變技術:目前3GPP規範6GHz以下需達256-QAM,而毫米波需達64-QAM,越高階調變技術表示收發機的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)需要越小,意味硬體的設計挑戰越大。比如收發機的本地震盪訊號(Local oscillator, LO)的品質,功率放大器(power amplifier, PA)的非線性失真相關議題,類比數位轉換器與數位類比轉換器(ADC/DAC)的動態範圍等影響訊號品質的硬體。因此,目前毫米波尚未要求達到256-QAM的訊號品質。
(2)同時同頻全雙工技術[1]:發射機和接收機使用相同的頻率同時進行工作,使得通訊雙方在上傳與下載時,可以在相同時間使用相同的頻率,對比於現有的頻分雙工(FDD)上行、下行不同的頻率(兩倍頻寬)和時分雙工(TDD)上、下行不同的時間(兩倍時間)。因此,可以提升近一倍的頻譜使用效率,但也因為同頻同時全雙工技術於同一頻率、同一時間、同時收送,發射端的訊號,會對自身接收端產生嚴重的自干擾,已有不少研究自干擾消除技術,但在毫米波因為使用頻段高且大頻寬,因此挑戰更大。
(3)多重輸入多重輸出(multi-input multi-output; MIMO):利用多根天線的發射與多根天線的接收,使用空間多工(spatial multiplexing)時,系統能在一個頻率上同時傳輸一個以上的空間數據串流,進而改善頻譜效率,以提升傳輸速率並改善通訊品質。前面已經提到,目前4G系統在20MHz的頻寬,採用64QAM調變方式,SISO前提下,其傳輸速率最高可達約為100Mbps,若在加上2×2 MIMO技術,其傳輸速率可以加倍,也就是為200Mbps。


毫米波陣列天線模組設計關鍵技術-Beamforming

毫米波於空氣中傳輸時,隨著距離的增加,能量衰減的相當快。因此必須採用天線陣列方式將能量集中於某個角度,也就是波束成形(Beamforming)技術,如圖1所示,來克服訊號急遽衰減問題並傳輸訊號。設計天線陣列時,天線單元與天線單元間的距離是決定波束掃描角度相當重要的參數,因為不同的天線單元與天線單元間的距離會造成柵波瓣(grating lobe)在不同的角度產生,根據下列公式

可得知最大的波束掃描角度θmax與天線單元與天線單元間的距離d的關係,λ0為自由空間中的波長。柵波瓣會造成天線陣列的能量分散與干擾,一般而言,d會選擇0.5λ0以避免柵波瓣的產生,不同的操作頻率會有不同的λ0,頻率越高λ0越短,也就表示天線單元與天線單元之間的距離越來越小。

不同於6GHz以下頻段,天線與功率放大器可使用同軸纜線相互連接。由於毫米波頻段的同軸纜線損耗相當的大,因此,天線陣列與波束成形晶片會整合在同一個載板上[2]-[6],如圖2所示,通常晶片會放置在天線陣列正下方,波束成形晶片透過貫孔(via)的方式直接將訊號饋入天線或是使用耦合方式將訊號饋入天線,這樣可以減少功率放大器至天線間的走線長度,減少能量損耗,亦能縮減模組的面積。


圖1 天線陣列
圖1 天線陣列

圖2 毫米波波束成形模組
圖2 毫米波波束成形模組


相位陣列天線依據移相器所處的位置可分成四種架構(1)射頻(RF)路徑波束成形、(2)本地震盪器(LO)路徑波束成形、(3)中頻(IF)路徑波束成形、(4)數位波束成形。在[7]中有比較四種架構的優缺點,其中RF路徑波束成形架構由於架構比較簡單,因此目前最為常見。圖3左方為毫米波相位陣列模組架構圖,使用RF路徑波束成形架構,其中波束成形模組以4×4陣列天線為例,使用四顆2×2波束成形晶片,2×2波束成形晶片詳細架構如圖3右邊所示,每路包含移相器與衰減器,用來調整每路天線的訊號相位與能量大小。

圖3 毫米波相位陣列模組架構圖(左方),2×2波束成形晶片架構圖(右方)


 

工研院資通所MIMO 28GHz相位陣列天線模組介紹

28 GHz(27.5 GHz~28.35 GHz)為目前全球5G在毫米波最可能先商轉的頻帶。因此,工研院資通所於去年6月開發完成28 GHz天線陣列模組。表1為8×8與4×4陣列天線的下行(downlink)鏈路預算分析,其中直視性(Light of Sight, LOS)與非直視性(Non-Light of Sight, NLOS)的傳輸損耗是依據[8]所計算。先以4×4陣列天線模組為開發目標,後續將會以可擴充式的天線模組,發展至8×8陣列天線,甚至於256個天線單元的陣列天線,依據不同的情境應用,可以彈性的增減擴充式天線模組。此外,在此模組中利用極化多工的方式實現2×2 MIMO,提升傳輸速率。


表1 28GHz天線陣列模組鏈路運算
表1 28GHz天線陣列模組鏈路運算

 

極化多工(polarization multiplexing):電磁波可以在空間中以波的形式傳遞能量,在傳播過程中,電場和磁場在空間中相互垂直,且都垂直於傳播方向。圖4為兩個平板天線(patch antenna)分別從水平與垂直方向饋入訊號,假如從水平方向饋入訊號,則天線的極化方向為水平方向,若從垂直方向饋入,則天線的極化方向為垂直方向,因此可利用天線的水平與垂直極化實現2×2 MIMO,進而增加兩倍的信號傳輸量。圖5為工研院陣列天線模組採用的天線架構,由於共用同一個天線,故可以減少一半的天線面積,但需注意水平與垂直極化的正交性與隔離度。


圖4 垂直極化天線與水平極化天線電場傳播示意圖
圖4 垂直極化天線與水平極化天線電場傳播示意圖

圖5 單一雙極化天線電場傳播示意圖
圖5 單一雙極化天線電場傳播示意圖

 

圖6為工研院資通所開發的28GHz相位陣列天線模組,應用頻段為27.5GHz~28.35GHz。其包含波束成形模組、升降頻電路、鎖相迴路電路、數位控制電路與電源供應電路。模組背面有四個輸出入埠,分別為垂直極化方向的中頻發射端與接收端與水平極化方向的中頻發射端與接收端,中頻頻率範圍為4GHz~2.4GHz。其中波束成形模組使用低溫共燒陶瓷(LTCC)製程製作,為4×4陣列天線,每個單元天線為雙極化平板天線。如圖5所示,只需要一個天線即可分別傳輸垂直極化與水平極化的電磁波,實現2×2 MIMO的功能。但也因為兩訊號分別於水平與垂直饋入同一天線,相對分別饋入兩個天線距離更近,因此要特別注意兩極化方向的隔離度,若隔離度不好則系統的吞吐量會降低,工研院資通所團隊開發的模組,垂直與水平極化隔離度可達約30dB。


圖6 工研院資通所28GHz相位陣列天線模組 (a)正視圖 (b)側視圖
圖6 工研院資通所28GHz相位陣列天線模組 (a)正視圖 (b)側視圖

 

圖6 工研院資通所28GHz相位陣列天線模組 (a)正視圖 (b)側視圖

圖7為所開發的4×4相位陣列天線模組垂直極化與水平極化在水平方向波束成形的場型量測圖,此模組有8組快速切換的波束。圖7顯示其中四組波束的量測場型,半功率波束寬度(HPBW)大約23度,此模組的涵蓋角度將近120度。目前5G小型基站較常見有兩種:(1)360度切分成4區,每區涵蓋90度,(2)360度切分成3區,每區涵蓋120度。圖8為此模組在2×2 MIMO的誤差向量幅度,在水平極化方向與垂直極化方向誤差向量幅度皆接近-30dB,表示此模組在極化分工2×2 MIMO下,能夠達到良好的訊號品質,相對於SISO能提升多一倍的傳輸速率。


圖7 天線模組水平方向波束成形量測場型 (a)垂直極化方向 (b)水平極化方向
圖7 天線模組水平方向波束成形量測場型 (a)垂直極化方向 (b)水平極化方向

圖8 2×2 MIMO 64-QAM誤差向量幅度量測結果 (a)垂直極化方向 (b)水平極化方向


圖8 2×2 MIMO 64-QAM誤差向量幅度量測結果 (a)垂直極化方向 (b)水平極化方向
 


毫米波技術漸成熟 成本與功耗方面仍有挑戰

毫米波技術的發展早在幾十年前開始,但近年來因為5G的應用開始蓬勃發展,而毫米波三個字大家也逐漸耳熟能詳。毫米波技術相對於6GHz以下技術挑戰更多,技術門檻也更高,工研院資通所團隊已經成功開發2×2 MIMO的28GHz相位陣列天線模組,在戶外測試50公尺亦能成功傳輸64-QAM的訊號,未來將持續開發28GHz可擴充式移相天線陣列模組,能夠依據不同的應用場景增減天線陣列模組。目前毫米波技術確實能達到大寬頻、高傳輸率的要求,但在成本還有降低功耗方面還是有很大的挑戰。


參考文獻

[1] G. R. Kenworthy, “Self-cancellating full-duplex RF communication system,” U.S. Patent 5,691,978, Nov. 25, 1997.

[2] K. Kibaroglu et al., “An ultra low-cost 32-element 28 GHz phased-arraytransceiver with 41 dBm EIRP and 1.0-1.6 Gbps 16-QAM link at 300meters,” in 2017 IEEE RFIC, June 2017, pp. 73–76.

[3] B. Sadhu et al., “A 28 GHz 32-element phased-array transceiver IC with concurrent dual polarized beams and 1.4 degree beam-steering resolution for 5G communication,” in 2017 IEEE ISSCC, Feb 2017, pp. 128–129.

[4] B. Rupakula, A. Nafe, S. Zihir, T. W. Lin, and G. M. Rebeiz, “A 64 GHz 2 Gbps transmit/receive phased-array communication link in SiGe with 300 meter coverage,” in 2017 IEEE IMS, June 2017, pp. 1599–1601.

[5] Risto Valkonen, “Compact 28-GHz phased array antenna for 5G access,“ in 2018 IEEE IMS, June 2018, pp. 1334–1337.

[6] K. Kibaroglu, M. Sayginer and G. M. Rebeiz, “A Quad-Core 28-32 GHz Transmit/Receive 5G Phased-Array IC with Flip-Chip Packaging in Si-Ge BiCMOS,” Microwave Symposium (IMS), 2017 IEEE MTT-S International,May 2017, pp. 1892-1894.

[7] A.S.Y. Poon, M. Taghivand, “Supporting and Enabling Circuits for Antenna arrays in Wireless Communications”, Proc. IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2207-2218, Jul. 2012.

[8] 3GPP TR-38.900 v14.2.0 ”Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz”, June 2017.


文章轉載自工業技術研究月電腦與通訊