5G毫米波前端模組技術面臨之挑戰

5G毫米波前端模組技術面臨之挑戰

109-03-17

工研院資通所 陳文江

毫米波較大可用頻寬 加快5G發展速度

為滿足手機用戶對頻寬與傳輸速率愈來愈大的需求,能提供較大可用頻寬的毫米波頻段成為第五代行動通訊的主要關鍵技術之一。3GPP已在2018年六月完成Release-15涵蓋至52.6GHz毫米波頻段;預計2020年第一季完成Release-16涵蓋至100GHz毫米波頻段的第五代無線行動通訊標準的制定。

要達到增強型行動寬頻通訊最高峰值傳輸速率與行動數據容量的目標,須具備幾種主要技術:增加可用頻寬、增加頻譜效率、更高網路密度等(詳圖1),其中「增加可用頻寬」是提升傳輸速率與數據容量最直接、也最容易的方式。目前在「小於6 GHz」頻段已有許多標準與應用,如第二代無線、第三代無線行動通訊與第四代無線行動的通訊、藍芽、無線區域網路等應用,要另尋可用頻譜愈來愈不容易,所釋出的頻譜頻寬也較有限。也因此,第五代行動通訊除了定義6GHz以下頻段(sub-6GHz),也定義了另一條使用毫米波頻段技術發展的道路(詳圖3)。

圖1 增加傳輸容量的方法。(Source:Ericsson , 2013, Future forum, Beijing)
圖1 增加傳輸容量的方法。(Source:Ericsson , 2013, Future forum, Beijing)
眼觀各國現況 陸續釋出5G毫米波頻譜

目前,世界各國也陸續釋出第五代無線行動通訊頻譜,以加速第五代無線行動通訊毫米波通訊系統的商用與布建。小於6GHz以下的頻段主要是2.6GHz、3.5GHz與4.8GHz頻段而毫米波頻段,中國與歐洲是在26GHz,美國、日本、韓國和台灣則是28GHz頻段。另外,37GHz~40GHz則是全球共通頻段。

邁開下一步 毫米波通訊的挑戰

毫米波頻段在戶外通訊的發展上,有幾項主要高頻無線接取的挑戰,包括毫米波通道量測、通道特性與通道模型、毫米波相位天線陣列與波束成形、波束追蹤、阻擋與多用戶傳輸支援。

1.毫米波相位天線陣列:

相位陣列天線是毫米波通訊的關鍵技術
要解決毫米波在戶外通訊較大耗損的高頻無線接取問題,其解決方案為設計大量或巨量的天線陣列,透過適當設計天線陣列,將每個天線單元的輻射場型同相,並產生正向耦合。此時,正向耦合後的陣列天線輻射場型會成為細的輻射波束,同時具有很大的天線增益,此即為「波束形成技術」。

天線陣列所形成的波束,其波束的半功率波束寬度會隨天線陣列中天線單元的個數愈多而愈窄,其陣列天線的增益也愈大。天線陣列中天線單元的個數每增加1倍,其陣列天線的增益增加3dB。透過大量或巨量的天線陣列的設計,提供很大的陣列增益,來補償戶外高頻通訊的各項傳輸損失,便可以達成傳輸涵蓋區域100~200米毫米波小型基站的涵蓋目標。

2.相位天線陣列設計的挑戰:

散熱與整合問題待解決
在3GPP所完成的Release-15新第五代行動通訊標準,仍持續延用第四代行動通訊(4G)標準的正交頻分多重接取技術。而正交頻分多重接取技術最大的缺點就是相對於平均功率有很大峰值比率,在搭配高階調變技術64-QAM時,需要在發射功率上從功率放大器的1dB功率(P1dB)點後退(Back-off)約10dB才能達到滿意的解調變性能,這使得功率放大器的功率附加效率變得很差。

這個問題在毫米波高頻頻段更加嚴重。以功率放大器在36GHz頻段為例,原本使用砷化鎵製成設計的功率放大器在1dB功率(P1dB)點的功率附加效率約為18%,但後退10dB後,功率附加效率就只剩下2~3%,這意味著97~98%的直流功率只有2~3%轉換成傳送信號功率,其餘97~98%的直流功率則是轉換成熱能散逸,造成嚴重的散熱問題。

另一個使雪上加霜的因素則是,因為要克服毫米波在戶外高頻通訊的路徑損失與傳輸耗損,必須使用相位陣列天線,整合多個功率放大器與天線,以陣列增益來補償路徑損失與傳輸耗損,個數甚至最多可能高達256個!以工研院在38 GHz的5G毫米波驗證平台設計為例,基站端射頻前端的相位陣列天線是由64個天線單元所組成,根據熱模擬的結果,將產生近700瓦的熱,導致高達將近200oC的高溫!這也是在第五代行動通訊使用毫米波高頻傳輸亟需克服的技術挑戰議題之一。

另外,使用大增益、大輸出功率的功率放大器與低雜訊放大器,其大小就已經比天線大,對於天線單元大小與天線單元間距僅半波長的要求,每個天線單元卻必須整合包括:功率放大器、低雜訊放大器、相移器、衰減器與切換器等元件,否則將使得功率放大器與低雜訊放大器距離天線更遠、傳輸線損耗更大,也是整合上的一大挑戰。

3.相位天線陣列散熱問題的解決方案:

增加天線單元個數
等效全向輻射功率是衡量無線通訊傳輸傳送端輸出功率對應涵蓋範圍的衡量參數。等效全向輻射功率(EIRP)的計算公式如下式所示:

EIRP(dBm) = Pt (dBm) + Gt(dB)

Pt是指功率放大器的輸出功率,包括單一功率放大器的輸出功率加上多少個功率放大器的陣列增益。Gt則是單一天線單元的增益加上多少個天線單元的陣列增益。由圖2可以看出,可透過降低單一功率放大器的輸出功率,增加天線單元的個數,而同步增加的個數,可達到一樣的全向輻射功率,產生的熱卻能大幅降低至可處理的範圍,這是目前以系統方式解決散熱問題最重要且最有效的解決方法。

圖2 解決5G毫米波波前端模組散熱的系統方法。
圖2 解決5G毫米波波前端模組散熱的系統方法。

工研院技術發展 多年設計經驗

工研院自2014年開始投入5G高頻段接取技術的開發,陸續於2014年完成台灣第一個11GHz以載波聚合技術頻寬達250MHz、峰值傳輸速率可達1Gbps之5G軟硬體驗證平台。並於2014年12月赴美國德州參加IEEE GlobeCom-2014的國際展示。更在2015年與2016年與台灣手機晶片大廠聯發科合作,簽署新台幣1,000萬元的技術授權,同時投入人力與工研院團隊制訂設計規格、並共同開發驗證,實現全世界第一套38GH毫米波基站與用戶端產品原型,包括上行/下形、8×8 64天線單元之基站端相位天線陣列、8×4 32天線單元之用戶終端相位天線陣列、混合型波束形成架構的射頻前端、波束追蹤演算法設計、峰值傳輸速率可達1Gbps並支援大於60Km/hr移動傳輸與200米涵蓋範圍的5G毫米波軟硬體驗證平台。工研院與聯發科並共同於2016年2月赴西班牙巴塞隆納參加MWC-2016的國際展示。

2016年持續與聯發科進行毫米波室內與戶外各種實際場域測試的計畫合作,結合了工研院5G毫米波平台與聯發科4G手機,共同開發4G與5G毫米波雙聯結系統,並於2017年2月共同於西班牙巴塞隆納參加MWC-2017的國際展示。

工研院團隊所開發的軟體定義開發驗證平台是一高彈性無線通訊開發與驗證平台,提供Matlab或C++開發環境,可支援5G小於6GHz或 Wi-Fi系統,開發系統建置與演算法,以及系統的驗證與展示。搭配工研院團隊開發的28GHz毫米波雙極化前端模組,則可進一步支援5G毫米波頻段的系統建置與演算法開發,以及毫米波空中傳輸的系統驗證與展示(詳見圖3)。

圖3 工研院軟體定義平台與28GHz毫米波前端模組。
圖3 工研院軟體定義平台與28GHz毫米波前端模組。

綜觀而言,雖然毫米波頻段能提供相當大的可用頻寬,但也包含許多毫米波在戶外通訊無線接取的挑戰,需要藉由巨量相位天線陣列,來提供足夠的等效全向辐射功率,以達到足夠的涵蓋範圍。但利用巨量相位天線陣列卻會造成毫米波前端模組設計上,散熱與整合的問題與挑戰。

工研院與聯發科攜手合作,在國際舞台展示了我國在第五代無線行動通訊毫米波的研發成果。同時也提供台灣學界與業界在高彈性軟體定義平台與28GHz毫米波前端模組上的支援,加速台灣在5G小於6GHz及5G毫米波技術的布局與開發。

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊