天線
貿澤供貨Molex 5G/LTE高效增益外部天線
貿澤電子(Mouser)即日起供貨電子解決方案製造商Molex立即可用的LTE和5G天線。這些轉軸天線能夠快速、輕鬆地整合到2G、3G、4G和5G模組與裝置之中,具有優異的涵蓋範圍和可靠度,同時具備高效率與峰值增益。
貿澤電子所供應的Molex LTE和5G天線提供多重通訊協定的解決方案,可支援GSM、CDMA、UMTS、LTE、5G NR,以及其他行動通訊頻段。這些天線產品可選用SMA-J或RP-SMA-J連接器、插頭或插座端子,以及黑色或白色的外觀,能提供靈活的天線設計。天線尺寸為171.5mm×19.4mm(展開時)或151.0mm×19.4mm(收折時),最高增益為5.5dBi(5G)或3.5dBi(LTE)。
此天線很適合用於聯網家電,例如保全和監控設備、家庭自動化、娛樂裝置和公用設施,另外還有物聯網(IoT)、電信及網路設計。
如需進一步瞭解,請瀏覽https://www.mouser.com/new/molex/molex-lte-5g-cellular-external-antennas/。
專訪羅德史瓦茲業務協理程世豪 高頻訊號測試加速5G手機量產
5G市場已經布建一段時間,許多手機廠今年開始量產毫米波裝置,雖然受疫情影響而延緩,但羅德史瓦茲業務協理程世豪表示,仍預期未來三年其CAGR會成長超過30%。手機與網通的發展受到5G推動,終端產品在Sub 6GHz及毫米波(mmWave)兩種頻段的訊號測試需求應運而生。程世豪指出,其中Sub 6GHz的測試方式與傳統方式大同小異,技術上並不困難。然而高頻的毫米波測試難度與成本皆高於Sub 6GHz,因此需要採用非訊令(non-signal)測試,便能縮短測試時間並且降低成本。
羅德史瓦茲業務協理程世豪表示,5G市場已經布建一段時間,許多手機廠今年開始量產毫米波的相關裝置
為了提升訊號的測試效率並降低成本,羅德史瓦茲針對5G訊號測試提出的CMPQ解決方案,藉由硬體設計與軟體操作執行一對多的測試,一台測試儀器可以同步測量4個待測物,大幅減少測試時間。一般而言,一個裝置的訊號測試時間是70~73秒,而此方案測試4個裝置只需86~89秒,即可產出符合3GPP規範且可追溯的測試報告,使得5G手機的生產線運作更加流暢。
CMPQ方案的設備包括測試主機、訊號隔離箱、相關硬體配件,以及可搭配使用的測試軟體,期望提供廠商5G訊號測試所需的一站式服務。測試主機整合中頻訊號及高頻訊號的測試功能,執行高頻測試時,使用短距離的RF cabling以降低量測風險,且考量到手機設計時為了提升訊號覆蓋率,一支手機最多可能使用三組天線陣列,因此此款測試主機能同時連接三個無線寬頻頭端設備(Remote Radio Head, RRH)進行訊號測量。透過快速精準及成本較低的方案,可達到加快5G手機量產的目標。
TE推出支援WLAN Wi-Fi 6E天線
TE Connectivity(TE)宣布推出用於Wi-Fi 6E的全新天線產品組合,覆蓋三個頻段,包括全新開放的6GHz頻段。TE的天線解決方案和專業整合技術能夠支援Wi-Fi 6E所需的寬廣頻譜,進而實現新應用開發、為客戶提供新服務,在提升網路速度及靈活性的同時,縮短終端裝置和應用方面的延遲。
2.4GHz和5GHz是目前廣泛使用的Wi-Fi頻段,但隨著連接設備日益增多,現有Wi-Fi頻段已不堪重負,新開放的6GHz頻段可額外容納14個80MHz通道或7個160MHz通道,為無線區域網路(WLAN)通訊提供更廣泛、連續、乾淨的頻譜,以滿足日常需求。新款天線可覆蓋三個頻段:2400-2483.5MHz、5150-5875MHz及5925-7125MHz。
本次新品可用於PCB、接線型PCB和接線型FPC,同時也支援多種無線標準,並能夠依據線纜長度和連接器類型進行客製化,縮短產品上市時間,為系統設計提供靈活性。此外,TE的射頻技術中心能夠創建高效的Wi-Fi 6E MIMO天線配置,優化傳輸量。
TE數據與終端設備事業部產品經理Han Sang Cheol表示,無線網路在各方面影響著我們的生活,無論在家中或工作中,行動連接無所不在,像是安全應用、智慧家居、智慧城市、智慧工廠、智慧醫療與健康設備等領域,各種新興物聯網裝置的創新都離不開無線網路技術。TE的天線設計和整合能力能賦予無線網路優秀的性能和傳輸量;Wi-Fi 6E新增的頻譜和更大的通道頻寬,可緩解壅塞、提升傳輸速度、縮短延遲,有助於下一代應用開發並提升用戶體驗。
加速高頻訊號測試 R&S發表一站式5G測試方案
針對5G手機的量產需求,羅德史瓦茲(R&S)推出5G手機訊號測試的一站式解決方案,客戶可一次採購隔離箱、測試儀器、相關配件及軟體介面。5G訊號測試必須提供高頻率,如毫米波(mmWave)的測試技術,並盡可能降低成本。
R&S的5 CMPQ 5G 無線通訊測試方案由R&S CMP200無線通訊測試儀、R&S CMPHEAD30升降頻器、R&S CMQ200隔離箱、量測天線與切換矩陣組成,能夠支援5G FR2毫米波主要頻段 (24.25~31.80 GHz/37.00~43.50 GHz),並且能夠進行一對多的平行量測與驗證。通訊測試儀器最多可以連接6支天線,同時一台機器能可支援最多3個RRH,滿足市場上旗艦機種為提升訊號覆蓋率,一支手機常見設計3組天線陣列的訊號測量需求。
R&S的5 CMPQ 5G 無線通訊測試方案由R&S CMP200無線通訊測試儀、R&S CMPHEAD30升降頻器、R&S CMQ200隔離箱、量測天線與切換矩陣組成
相比低頻的Sub-6GHz,高頻的毫米波訊號測試難度及成本皆高,而R&S的測試儀器融合中頻訊號跟高頻訊號,整合兩種測試頻段,同時產出符合3GPP規範且可追溯的測試結果。測試時間方面,一個裝置的檢測時間是70~73秒,而R&S透過CMSquares 系統軟體介面軟管理並控制檢測儀,4個裝置只需要86~89秒的檢測時間,外型設計與檢測速度皆適合放入客戶的產線中,提供快速精準且成本較低的測試方案,加速產品的驗證,進而達到快速量產的目的。
工研院攜手廣達開發多天線筆電 助攻5G布局「薄」得滿堂彩
新冠肺炎疫情改變生活習慣,帶動遠距辦公、線上教學、網路購物與娛樂的成長動能,人們對5G的需求更迫切,疫情將加速5G布局高速展開。在行動社會下,智慧手機、筆電、穿戴式裝置日趨輕薄短小,輕薄化3C產品需塞入更多天線和電子零組件,才能滿足5G世代下消費電子「高速率」、「多功能」的需求。工研院發表全球首創的「積層式3D線路技術」,此一技術並已導入全球筆記型電腦設計製造大廠廣達電腦,運用在玻璃、陶瓷、金屬等多材質上製作立體多層、並且線寬僅15µm(微米)的電路,有助3C產品達到5G高速率的要求。為助產業搶攻5G商機,工研院與廣達合作,運用此技術成功開發出「超薄多天線(Massive MIMO)高屏占比窄邊框筆電」,此技術筆電屏占比(Screen-to-body Ratio)可提高至90%、提高傳輸速度達1Gbps以上,預估每年將帶動產值達1千億元,有益催化5G發展,協助台灣產業進軍國際,在5G時代大放異彩。
2020年跨入5G元年,5G市場蓄勢待發。依據研究機構Yole報告顯示,由於5G商機,全球手機射頻和天線組件市場產值將從2017年150億美元攀升到2023年350億美元。因應5G時代的來臨,刺激天線和電路板需求走旺,同時未來天線和電路板必須導入更高頻高速和低訊號損失的設計,才能滿足5G終端應用高速率、低延遲的需求。有鑑於此,工研院積極投入前瞻的天線和電路板技術研發,以協助產業搶攻5G市場。
工研院機械與機電系統研究所所長胡竹生表示,工研院已擘畫2030技術策略與藍圖,協助產業導入高科技布局5G,升級智慧裝置與服務,以利迎向智慧生活。工研院研發全球首創的「積層式3D線路技術」,此技術具備三大特色,一、「細線寬」:電路線寬僅15µm,突破過去3D線寬最細為100μm的瓶頸,可在微小電路板畫出更細、更多的電路,符合5G產品輕薄的需求;二、「立體多層」:能在3D曲面製作立體多層電路,解決機殼背蓋內的電路布局面積不夠的問題,成功讓電路從平面單層往立體多層發展,滿足3D元件的需求;三、「多材質應用」:能在玻璃、陶瓷、金屬等材質製作電路,改善過往僅能在塑膠材質製作的窘境,以提升產業競爭力,協助產業掌握5G商機。
廣達電腦研發中心副總經理許家榮表示,如何讓多天線應用於全金屬且具高屏占比的筆電是目前業界一大挑戰,廣達透過天線技術,材料與製程技術結合產學研發能量,共同開發全球首創的結合金屬機殼的5G多天線通訊系統,此系統可運用在筆電與平板等產品,讓產品能在滿足消費者對於金屬質感外觀與窄邊框全螢幕視覺要求的前提下,同時符合高性能的無線通訊品質,突破台灣代工產業傳統的價格戰,創造產品價值與提升產業的競爭力。
工研院研發的「積層式3D線路技術」,透過創新的材料配方和製程,將電路線寬變細,能在多種材質製作立體多層電路,大幅縮小天線面積逾60%,讓3C產品容納更多天線,譬如以前筆電只能放2隻天線,但這次工研院與廣達合作的筆電,內部可放12隻天線,可助筆電實現多天線、高速率的需求,工研院透過前瞻技術協助業界開發革新產品,搶攻市場新藍海。
當前,工研院與國際品牌廠、系統廠、零組件廠合作,導入「積層式3D線路技術」至3C(天線、連接器、傳輸線)、汽車電子、工業感測器等應用領域,並進行產研合作,結合國內機械、材料、資通等跨領域,促成「積層式雷射誘發3D天線製程與設備聯盟」成軍,整合上下游材料、設備、元件,建立完整自主的台灣3D電路產業供應鏈,強化我國產業競爭力。此外,由工研院、廣達、宏葉新技、連展、霖昱、盛聚等成立的「Gbps高屏占比高速傳輸終端裝置」聯盟,建立台灣B4G/5G高頻通訊產業鏈,率先發展B4G/5G高速傳輸終端產品,可望為台灣廠商在5G市場搶得先機,並已獲得經濟部技術處企業創新研發淬鍊計畫支持,發展次世代高屏占比高速傳輸筆電,每年可望帶動產業創造新臺幣1千億元以上產值。
5G手機成長動能佳 高成本恐成絆腳石
5G開台商轉風風火火,根據GSA統計,2019年全球已有296個電信業者投入5G網路建置,其中56個電信業者已經推出5G商用服務;工研院產科國際所日前舉辦「2020產業發展趨勢研討會」,會中提到截至2019年9月,市場已推出129款5G終端,包括41款5G手機、37款5G CPE/Hotspot、28款5G模組等,以最重要的5G手機為例,2020將有更多機種問世,進一步刺激5G手機的出貨量,但5G手機由於規格全面提升,關鍵零組件的成本居高不下,可能變成市場推展的一大阻力。
Samsung Galaxy S10 5G是最早上市的5G手機之一
智慧手機發展進入成熟階段,創新動能逐漸疲軟,2019年智慧手機市場受到美中貿易戰延燒及華為禁售令影響,工研院產科國際所產業分析師呂珮如表示,預期全球智慧手機出貨量約14.9億支,年成長下滑1.6%。全球智慧手機供應鏈面臨生產及銷售管理的風險,產品消費買氣受影響。另一方面,5G智慧手機動能較年初預期更樂觀,預期2019年5G智慧型手機比重上修至0.6%(原預估為0.2%),全年出貨量可達930萬支,主要購機動能湧現於南韓之特定市場。
5G通訊升級不僅顯現在行動電信與應用服務上,對智慧手機硬體也帶來改變,包含處理通訊訊號的基頻晶片、射頻前端、天線等零組件,以及在考量抗高頻傳輸損耗、降低電磁屏蔽、散熱等議題,衍生對印刷電路軟板的材質要求、對手機機殼材質的挑選限制及散熱技術的精進,種種都將隨5G導入迎來產業鏈關鍵元件的新變革,同時也將刺激新一波的零件商機。
而從目前市面上的5G手機來觀察,大部分都是各廠商的旗艦機種,許多機種產品售價超過千元美金,以平均單價而言,呂珮如指出,2019年5G手機約687美元,2020~2021年還維持在675與638美元的高檔,超過新台幣2萬元,隨著出貨量提升,2022年可望降低到534美元,2023年會進一步降低到482美元的水準。由於大部分關鍵零組件成本提升,造成5G手機單價高不可攀,是否影響接下來幾年的市場推廣,值得持續關注。
深入觀察關鍵零組件的成本,呂珮如提到,4G高階手機的射頻模組成本約19.3美元,5G的射頻模組成本約34.4美元,成本提升80%左右,尤其是濾波器從SAW濾波器換成成本較高的BAW濾波器;基頻晶片部分,5G解決方案約150美元,相較之下目前的4G解決方案都不到100美元,也有50%~100%的價差;5G手機天線數量也會大幅提升,從4G手機的4~6根增加到6~10根,同樣墊高成本;另外,5G手機散熱問題更加嚴重,散熱模組的成本將從3~5美元,增加到8~10美元。
展望未來三年,全球智慧手機市場可望因5G新機帶動出貨2~3%之年成長,而5G智慧手機預期在2020年有明顯拉貨,一則預期來自全球5G頻譜資源配置大致底定,二則從上游晶片端來看,主要手機晶片業者規劃5G SoC量產期落於2020上半年。因此,預估2020年將藉由品牌商5G新機以及電信商5G購機服務的補貼方案,可望帶來智慧手機的新動能。同時零組件與品牌業者也將持續致力5G手機成本的降低,以吸引消費者青睞。
維持車用雷達訊號穩定 測試/驗證重要性與日俱增
感測器位居自動駕駛核心
自動駕駛需要大量周圍環境訊息,這些訊息通常由人眼捕獲並由人大腦處理。技術層面的對應物是感測器,它們是實現自動駕駛的關鍵零組件,目前市面上已有數百萬部汽車雷達投入使用。汽車雷達是高階車輛的標準配置,配合高級駕駛輔助系統使用,用於預防事故發生並提高駕駛舒適性。
雷達感測器主要使用調頻連續波(FMCW)訊號,由於傳送延遲和多普勒頻移,感測器能夠量測和解析多個目標的距離和徑向速度;根據天線陣列特性,還可量測和解析方位角甚至是仰角。在訊號處理期間,感測器電子裝置生成目標列表,其中包含量測得到的目標位置和速度以及目標類型資料(行人、汽車等)。該列表被發送到車輛電子控制單元(ECU),ECU用該列表對操控車輛即時做出決策,這些資料的準確性和可靠性對於車輛、乘客和其他道路使用者的安全極為重要(圖1)。
圖1 由於方位量測誤差,檢測到錯誤的目標位置,自動駕駛車輛控制系統有可能會做出致命的錯誤操控。
確保雷達訊號 天線罩測試挑戰油然而生
出於美觀考慮,雷達系統一般不是安裝在車輛顯眼處。通常,它們隱藏在散熱器格柵上品牌徽標後面以及前、後塑料保險桿後面,這些徽標和保險桿就成了雷達天線罩。
作為天線罩,必須對它們的射頻性能進行評估,因為它們會影響隱藏在其後面的雷達偵測性能和準確度。鑑於訊號必須在到達目標的去程和從目標返回途中穿過天線罩,其材料的射頻傳輸損耗會使訊號衰減兩次。根據訊號傳送定律,發送訊號的功率與每個方向距離r的平方成反比,這意味著發送訊號在經過來回傳送後功率減小了r4倍。
例如,對於具備3W輸出功率和25dBi天線增益的77GHz雷達,要偵測雷達截面為10m且最低可檢測訊號電平為-90dBm之目標,在沒有雷達天線罩時,最大雷達可偵測距離為109.4m。如果天線罩的雙向衰減為3dB,雷達偵測距離將減少16%,僅為92.1m。
除了材料衰減外,天線罩材料反射率和均勻度對雷達性能也有重要影響。例如,塗料中金屬顆粒的反射和基材的射頻失配都會在天線罩內(即靠近感測器)產生干擾雜訊。這些干擾雜訊在接收鏈路中被接收並且變頻,這能降低雷達的檢測靈敏度。
許多車輛製造商試圖透過在特定角度安裝天線罩來減輕這種影響,以便發送的雷達訊號不會直接反射回接收器前端,但這種方法受到設計限制,且不能消除導致射頻能量損失的寄生反射。另一個問題是材料不均勻度(如夾帶雜物、密度變化和三維品牌標識中的不同材料厚度)會干擾輸出和輸入波陣面。材料不均會產生材料變形,導致角度量測不準確。因此,雷達感測器校準可在一定限度內將這種影響降至最低,但不能使之完全消除,因為被校準雷達可能安裝在不同製造商生產的天線罩後面。
確保可靠性 雷達校準/驗證不可缺
為確保雷達可靠性,保證輔助駕駛系統和自動駕駛之安全性,必須驗證雷達天線罩及其性能表現。材料校正非常耗時且昂貴,對於汽車製造商來說難以承受,且隨著車輛變得越來越自主獨立,需要高質量的天線罩,其衰減特性不僅要最小,而且要恆定不變,還要在細節上一清二楚。由於時間限制,汽車製造商希望盡可能縮短測試時間,因此能夠提供已經過測試,且具有這些性能和訊息的天線罩供應商具備明顯競爭優勢。
為此,供應商需要做可靠而詳盡的產品測試。天線罩製造商通常使用參考雷達(黃金裝置)來測試他們的產品(圖2),用多個雷達反射器組成的固定裝置,在有和無天線罩兩種狀態下,在各種距離和角度下進行對比量測。當某個值保持在規定的公差範圍內時,天線罩測試合格;而隨著感測器和傳動裝置承擔更多功能以及天線罩本身的複雜度增加,這種選擇性測試已明顯難以滿足需求。
圖2 使用黃金裝置的典型測試裝置。
僅使用一個反射器和放置在轉盤上的雷達和天線罩的測試方法更準確。以各種角度重複量測,並將量測結果與轉盤上指示的角度進行對照。轉盤的定位越精確,測試的角度越大,結果越有效。但是,這種方法需要耗費很多時間,因此不適合於進行生產測試。
雷達天線罩測試裝置滿足實用定性與量化測試
為此,量測儀器業者,如羅德史瓦茲(Rohde&Schwarz)公司便開發出汽車雷達天線罩測試裝置,不僅可給出測試流程,提供可靠的資料,且就成本和量測速度而論也十分實用。
舉例而言,該公司旗下的R&S QAR測試裝置(圖3),其使用大型面板,而不是黃金裝置,面板上有幾百個發送天線和接收天線,運作頻率範圍與汽車雷達相同。同時該裝置的天線能夠發現汽車雷達看到的東西,且由於具有大口徑,能以更高的解析度(mm範圍)量測距離、方位角和仰角。
圖3 R&S QAR汽車雷達天線罩測試裝置,測試對象安裝在運作台的前緣,包含用於發送量測的毫米波發送器。
這種高解析度能夠將反射率可視化為一種X射線影像,即使不是專家亦能立即進行質量評估。在第二個分析步驟中,可透過X射線影像計算質量參數,這意味著先前的生產測試可由簡單的合格/失敗測試替代。使用許多發送天線和接收天線可以在幾秒鐘內一次性(一次性方法)詳細測試整個天線罩,完全不需要耗時的量測序列。
另外,該產品可量測空間各點的反射率和被測零組件的透射率。反射率是透過量測由天線罩材料反射的能量,這會降低雷達的性能表現。某些區域由於多種原因會有較高的反射率,例如,材料缺陷,空氣夾雜物,不同材料層間有害的相互作用或過量的某些材料成分。該量測方法透過對所有反射訊號幅度和相位的相干處理,來提供空間各點的量測結果。此結果可視化能夠得到其內在、定性和可靠的合格/失敗評估,以及產生對被測零組件反射行為的量化評估。
高解析度雷達影像(圖4)顯示了由這個圓頂蓋天線罩(圖5)遮蓋的雷達感測器能夠看到什麼。亮度水平代表反射率。某個區域越亮,表面反射的雷達訊號越多。金屬物體顯示為白色(四角位置的螺釘)。徽標的清晰可見輪廓表明高反射率和非常不均的整體影像。
圖4 反射率的高解析度毫米波影像(左),所選分析區域,以及R&S天線罩的傳送量測/單向衰減(右)。由於在76GHz到77GHz範圍內不匹配,此天線罩不適合這個頻率範圍內的雷達。
圖5 帶有羅德史瓦茲公司徽標的圓頂蓋天線罩,在天線罩基座表面上方突出僅0.5mm。即使這種微小厚度增加亦會導致在77GHz頻率上不匹配。
透過對傳送訊號的量測可以確定天線罩材料的頻率匹配和衰減,這是天線罩材料是否適用的基礎。位於被測零組件後面經校準的發送單元掃描選定的頻率範圍,接收陣列接收訊號,能夠精確評估天線罩的發送頻率響應。此頻率響應提供被測零組件是否適合這個頻段。這些訊息與雷達單元使用的實際訊號波形無關,因此適用於能夠安裝在天線罩後面的所有類型雷達。
因應雷達可靠性測試 量測儀器推陳出新
自動駕駛需要可靠雷達以正確地偵測周圍區域內的物體,這取決於雷達質量和安裝位置。用作雷達天線罩的車身零組件會使訊號產生損耗,或導致目標位置誤判。當下,這些零組件不僅要承擔原有的機械件功能,還需要有特定的射頻特性。要靠準確和實用的量測方法來驗證這些特性。為此,量測儀器商提供了一種創新、獨特的方法,可在極短時間內給出空間各點射頻反射率和透射量測,並提供更加詳盡的量測結果。
對於汽車製造商而言,更多的測試意味著更高的成本和更低的生產率。但對於供應商來說,這些則代表了機會。他們可以自己測試需要的零組件。這不僅提高了自己的質量標準,還使他們能夠透過提供具有量測資料的特定附加服務來提高客戶忠誠度。
(本文作者皆任職於羅德史瓦茲)