毫米波

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。

多射頻系統共存及抗干擾設計面臨新挑戰 從射頻的角度來看，5G技術先進性的原因之一是因為5G通訊設備工作在更高的頻率，擁有更多頻寬。根據3GPP的定義，5G包括了如下圖所示的兩個頻譜範圍，分別是Sub-6GHz和毫米波(mmWave)頻段，在每個範圍內又細分了數十個頻段號，分配給不同國家的不同電信運營商使用。 以中國為例，中國移動得到了2515MHz~2675MHz和4899MHz~4900MHz兩個頻段，中國電信得到了3400MHz~3500MHz頻段，而中國聯通則被分配到了3500MHz~3600MHz頻段，放眼全球則各個電信運營商頻段的分配就更加複雜。 不同頻段在5G通訊設備裡，都對應著特定的射頻前端系統的硬體支援，對於5G通訊設備而言，如何在擁擠而複雜的頻譜環境中讓自己不被其他頻段設備干擾就成為了設計師必須要考慮的問題。 此外，5G移動終端設備除了支持5G通訊制式以外，還必須向下相容老的移動通訊制式，比如2G GSM、3G WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA、4G TD-LTE/FD-LTE等在未來相當長時間內仍然會繼續提供服務，所以隨著通訊技術的不斷發展，通訊設備上務必會搭載越來越多種類的通訊系統(圖1)。 圖1　典型5G手機的手機模擬模型 比如華為推出的Mate 30 Pro 5G手機，便採用了最先進的5G天線設計，機身共有21根天線，搭載了包括5G、4G、3G、2G、Wi-Fi、BT、GPS、NFC等在內，多達8種無線通訊系統，這些系統在單獨工作的時候不會產生干擾問題，但當不同的通訊系統同時工作的情況下，產生的互調/交調頻譜分量或者雜訊信號很可能被抬高，導致某些極度敏感的無線系統(比如GPS)被嚴重干擾到無法正常工作。 5G通訊技術下，物聯網應用場景大量爆發，除了移動通訊設備外，在汽車、工業設備，國防設備等平台上也會搭載包括5G通訊在內的導航、探測、通訊、測控、數傳等眾多射頻系統，豐富多樣的系統特性包括了複雜的調製類型、超寬的頻率範圍、豐富的功率電平等。 這些平台上往往包含數十個射頻發射設備，這些發射設備中的倍頻器、混頻器、功率放大器等由於諧波洩漏、雜散輻射等會產生大量的交調產物，而擴頻調製、調頻工作等使雜散輻射頻譜大量增加。 同時這些平台上還包括了相當數量的射頻接收設備，這些接收設備的工作頻段各有不同，其敏感頻率(如鏡像頻率、諧波頻率等)也各有不同，隨著軟體無線電、數位化中頻、寬頻接收等技術的採用，使這些接收系統受到干擾的潛在風險大大增加，這些複雜的電磁干擾以及與電磁頻譜相關的軍事力量、設備、系統和平台的影響，成為決定整體系統和平台效能至關重要的因素。 射頻系統抗干擾模擬方案需具備五大要素 ANSYS射頻系統抗干擾模擬方案提供了一個複雜射頻環境中電磁干擾模擬的資料管理與分析的整體框架，將尖端的模擬引擎與多保真參數化模型相結合，實現對任何環境下共址干擾的準確預測，如運載平台、通訊基地台以及個人電子設備的共存和靈敏度降低等。並且針對不同傳真度登記的已知數據，可以進行不同層級的模擬分析。 這套模擬解決方案的設計理念是允許設計師在設計早期階段就開始模擬，直至整個系統設計完成後的維護階段。在設計和整合的早期就可定位出共址干擾問題，當定位出干擾問題，在對設備或系統進行否認和修改之前，便可以在軟體中進行改善策略的探索對比，從而說明客戶節省大量成本。 射頻系統共址及抗干擾模擬解決方案，所需要注重的能力包括以下幾個方面。 內建無線電模型庫和RF部件庫 多通訊系統共存情況下的射頻抗干擾模擬的第一步是對射頻系統的建模，射頻系統包含了收發機、濾波器、雙工器、放大器、混頻器、天線等諸多元件，能夠支援用戶方便快捷地實現射頻系統建模成為抗干擾模擬工具的重要技術要求。 ANSYS EMIT內置了多種通用的無線電模型庫(圖2)，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、Wi-Fi、藍牙、VHF/UHF通訊、SINCGARS、CDL等許多通用的無線電模型，使用者可以直接調出使用。對於實現特殊功能的定制化無線電模型，客戶也可以通過參數化輸入對其發射頻譜和接收頻譜進行定義，也可通過導入測試資料的方式實現對未知無線電模型的建模。 圖2　EMIT內建的無線電模型庫以及可擴充的無線電模型 EMIT軟體中的無線電模型(Radio)可以是收發信機(Tranceiver)、發射機(Transmitter)或接收機(Receiver)，一個無線電模型中可以定義多個頻段(Band)，EMIT可對每個頻段配置相應的頻率、功率電平、調製方式等無線系統參數。對於發射機頻譜可以配置頻譜類別、發射功率、近端相位雜訊、遠端相位雜訊、諧波、雜散等指標，對於接收機頻譜則可以配置帶內敏感度閾值、混頻器產物、帶外雜散、飽和電平等參數。 ANSYS EMIT是用於複雜環境中射頻干擾(RFI)模擬的軟體。EMIT與ANSYS HFSS緊密配合，將射頻系統干擾分析與產業領先的電磁模擬相結合，能夠對天線到天線耦合進行建模，能夠可靠地預測多天線環境(具有多個發射器和接收器)中的RFI影響。眾所周知，在測試環境中診斷複雜環境內的RFI非常困難而且成本高昂，但是，利用EMIT的動態連結結果視圖，就可以通過圖形化信號跟蹤和診斷總結功能顯示干擾信號的源頭以及其到達接收器的路徑，從而快速確定任何干擾的根源。一旦找到干擾原因，EMIT就能快速評估各種RFI緩解措施，從而實現解決方案優化。 除了對無線電模型的快速參數化建模外，EMIT還內置包含濾波器、多工器、環形器、隔離器、功分器、放大器、線纜等在內的全面RF部件庫，這些寬頻部件模型可以生成搭建射頻系統所用的模組，這些部件模型可以利用EMIT內置參數化模型指定指標，或者通過其他模擬工具或測量獲得的特性資料生成模型。射頻系統模型中用到的無線電模型、RF部件和天線等模型的定義可保存在EMIT部件庫中以供將來使用，也可以共用給其他用戶使用。 支援多種傳真度的天線耦合模型 射頻系統的干擾路徑主要基於各系統天線之間的空間耦合，所以天線耦合資料成為決定射頻系統抗干擾模擬準確性的重要組成部分。對於設計初期的系統共存模擬驗證工作而言，該階段一般尚不具備搭載通訊系統的平台設備模型以及各系統天線的具體設計模型，所以此時並不能通過傳統電磁場模擬工具得到天線耦合資料。 而EMIT有多種天線耦合資料的定義方式，提供包括恒定耦合、路徑損耗、路徑損耗+增益、以及S參數等在內的多傳真度天線耦合資料供使用者選擇，耦合資料的精度隨之增加。 定耦合是指天線耦合量為使用者設定的與頻率無關的常數，用於系統設計初期的天線耦合度指標分配。路徑損耗天線模型的耦合量為基於自由空間內天線之間的路徑損耗，用於在設計初期考慮天線放置的不同位置對干擾程度的影響。 EMIT還可以考慮自由空間內天線之間路徑損耗以及相對方向上的增益計算得到的耦合量，用於獲悉天線設計類型之後的更準確的天線耦合資料提取，最準確的方法則是通過測試或電磁場模擬得到的寬頻S參數資料用於表徵耦合量，此資料充分考慮搭載通訊系統平台和天線的相互影響，適合用於系統設計完成後的最終抗干擾性能模擬驗證(圖3)。 圖3　EMIT多傳真度的天線耦合數據模型 EMIT內置了多種近似天線耦合模型，用於在具備更精確的天線隔離資料之前進行系統共址的抗干擾分析，在缺乏特定耦合資料的情況下，EMIT也可以用來計算避免產生干擾所需的天線間的耦合量。 快速準確的天線耦合模擬演算法 為了實現更準確的系統抗干擾模擬，使用者需要用到更準確的天線耦合資料來實現對射頻系統的建模，EMIT能夠導入天線測試資料作為耦合模型，支援使用工業標準Touchstone檔案格式描述的寬頻多埠隔離資料，而無需將所有的資料容納在單個Touchstone檔中，因為EMIT會將所有待考慮天線間的多組資料自動整合在一起。 EMIT還可以與ANSYS高頻電磁場模擬工具HFSS聯合工作，使用其商業化的電磁求解器對多天線、大尺寸的問題進行快速準確求解得到天線耦合資料。 HFSS具有的增強彈跳射線法(SBR+)求解器，利用射線追蹤技術求解天線在載入到大型平台上以後的輻射性能和耦合資料，而且SBR+在傳統的彈跳射線法基礎上添加了多種改良演算法，可以計算以前SBR演算法無法求解的邊緣電流修正、入射波衍射、陰暗區電流分佈、以及平台表面爬行波等各方面的影響，是業界最精準的射線法求解工具，可以輕鬆得到多副天線的互耦資料。 除了演算法層面，HFSS作為專業的電磁場模擬軟體還具有其他方面的巨大優勢，整合了天線設計庫，包含有數十種實際工程中常見的天線種類，使用者可以直接方便快捷地調用各種天線形式，還具備其他射線追蹤工具所不具備的物理模型，擁有與業界主流三維MCAD軟體的介面，準確高效地實現大型平台模型的導入匯出。 軟體具有強大的圖形介面，可以直觀地瞭解天線在大型平台上的輻射場圖，以及表面電流的分佈情況等。絕大多數任務都在不超過8G記憶體下完成求解，再配合HPC，利用硬體多核CPU和GPU加速，實現快速模擬得到結果。 考慮多射頻系統所有干擾因素 EMIT的1對1收發系統模擬對一對單獨Tx/Rx通道進行模擬，同時包括了收發系統相關的元件(如濾波器、電纜、放大器等)和天線的耦合度(ATA)，最後計算出接收機Rx的射頻干擾冗餘度(圖4)。 圖4　以EMIT功率流分析模擬射頻系統干擾 EMIT寬頻射頻干擾冗餘度模擬結果如圖5所示，上面的線條為接收機的敏感度閾值，該線條代表了接收機的寬頻敏感度指標。 圖5　接收通道寬頻射頻干擾冗餘度模擬結果 由於接收通道上混頻器的非線性效應，所以不僅接收帶內的干擾信號會影響靈敏度，在帶外某些頻點的干擾信號與接收混頻器進行高階互調，產生的互調產物也可能落在接收帶內，從而引起接收機敏感度惡化，所以接收通道需要同時考慮頻道內和頻道外干擾信號對靈敏度的影響。 圖5下面的線條是從發射系統耦合至接收埠的頻譜分量，低於上方敏感度閾值的頻點表示不會對接收機靈敏度造成干擾，而對超過閾值的頻點則是引起接收通道性能惡化的來源。 EMIT還能計算帶內的峰值射頻干擾餘量。由於混頻器、放大器等通道上的多個非線性器件，導致經過多次複雜交調互調後可能落在接收帶內的干擾信號譜非常豐富，如果分別考慮這些信號對接收敏感度的影響，從上面的寬頻射頻冗餘度結果來看都不會對接收系統靈敏度造成干擾。 但是，這些信號疊加起來產生的頻道內雜訊電平就很有可能超過接收機敏感度閾值，造成靈敏度惡化。所以如圖6所示，EMIT的頻道內峰值射頻干擾餘量則把多個落在接收帶內的干擾信號疊加起來，觀察是否超越了接收機閾值。 圖6　頻道內峰值射頻干擾餘量  EMIT還可以模擬當多個發射系統同時工作時，在多通道之間產生的有源互調交調產物，這些產物主要來源於兩個方面。 第一是多發射機同時工作，產生的發射頻譜耦合到接收機後與接收通道上的射頻前端非線性器件(如低雜訊放大器、混頻器等)產生的交叉調試。 第二是不同發射通道之間的互調，發射頻譜耦合到其他發射通道中，與其他通道內的非線性元件(如功率放大器、隔離器等)發生互調，得到的互調產物會由該發射通道往外二次耦合至接收通道，從而影響接收機靈敏度。 直觀的結果顯示和干擾診斷功能 EMIT提供不同層級的直觀結果顯示，通過場景矩陣結果可快速查看平台上哪個射頻系統受到了干擾，而通過電磁干擾邊限圖(圖7)，則可以完整的獲得收發通道的寬頻干擾情況，並能夠自動識別每種類型干擾的根源。 圖7　多射頻系統干擾模擬結果的可視化呈現 利用結果分組篩檢程式，用戶很容易從結果中排除特定類型的干擾(如共通道干擾)，這樣便可以看到最關心問題的結果，從結果的角度快速定位出干擾因素，從而可建議採取合適的改善措施。 EMIT的快速“what if”分析功能可以快速評估可用的干擾改善措施。例如，在調頻系統干擾分析中，可以從庫中快速拖放一個可調濾波器加入接收機通道，從而可以立即評估該濾波器的干擾改善效果。 在EMIT先進的介面下，通過高層級和低層級的分析匯總，以及內置的自動化診斷功能，用戶可以輕而易舉地把射頻系統間的干擾情況顯現出來。 常見的射頻系統抗干擾模擬案例介紹 汽車 如今，汽車總體通常搭載多個無線通訊系統，這些通訊系統的天線往往被放置得比較靠近，天線之間的相互耦合會帶來共址干擾問題，惡化部分敏感系統的接收性能，甚至使其功能徹底喪失，這就使得在汽車上的多通訊系統共址干擾影響的研究十分必要。 使用HFSS對各個天線進行三維空間輻射場性能模擬，將通過模擬得到的各天線輻射場結果搭載在汽車的相應位置上，使用HFSS的增強彈跳射線法求解器計算得到考慮汽車平台效應的各天線之間的寬頻耦合S參數結果。 圖8是汽車天線模擬結果的可視化結果。左側矩陣圖的最右側一列則反映了三個發射通道同時工作時的受干擾情況，對GPS接收設備而言，每個發射系統單獨工作時都不會影響其敏感度，但是三個發射系統同時打開後，矩陣中的深色單元框表示GPS接收設備受到干擾了。而右圖顯示出影響GPS頻道內敏感度的雜散頻譜以及其來源。 圖8　EMIT軟體多射頻系統抗干擾分析結果 為了消除受擾影響，在VHF收發機和FM接收系統通道都加上帶通濾波器，可以濾除帶外雜散的影響，也可以減小不同發射通道間的互調產物，改善GPS接收帶內敏感度。 圖9為使用抗干擾方案後的抗干擾分析結果，所有矩陣單元都變回淺色，這表明所有干擾效應都已被消除。 圖9　添加抗干擾方案後的分析結果，干擾問題不復存在 無人機與基地台 5G時代，萬物互聯，無人機的使用將會越來越普及，在給人們生活帶來便利的同時，無人機作為工作在複雜電磁環境裡的設備可能對其他設備產生干擾，也可能被其他高功率發射的設備(如同通訊基地台)干擾，設計師需要知道無人機和基地台需要至少保持多遠的距離，才能確保無人機能夠正常工作而不被基地台干擾。 EMIT可以對基地台和無人機兩個系統的所有發射和接收通道進行建模，通過功率流的分析方法對接收系統是否受擾進行模擬，生成如圖10所示的豐富的結果報告。 圖10右上方的矩陣圖清晰地顯示LTE基地台的發射信號對C2接收通道產生了干擾，而且當LTE基地台和無人機視頻下載系統兩個發射通道同時工作時會使GPS接收通道的靈敏度冗餘量不足(矩陣中用粗線框起的儲存格所示)。 圖10　EMIT對無人機和基地台共存時的射頻系統干擾模擬結果 在圖10的正上方的系統交互框圖中，EMIT用線條明確指出了干擾的源頭和產生的路徑，對C2接收機造成的干擾來源於900MHz的LTE基地台發射系統，基地台的發射功率經過基地台與無人機之間的天線耦合進入了C2接收機的接收通道，直接惡化了接收機的靈敏度。 圖10正下方的頻譜曲線則顯示了造成干擾的所有頻點，以及造成干擾的雜訊類型，此案例中對C2接收機的干擾是因為LTE基地台的發射功率超過了接收機的頻道外飽和電平。 為解決該干擾問題，直接在系統原理圖裡通過簡單拖曳的方式，在C2接收機通道前端添加帶通濾波器，元件的頻道內損耗、頻道外抑制度等指標都可參數化定義，也可通過導入實際濾波器S參數的形式對其進行配置，重新模擬即可在矩陣中觀察到，C2接收機通道的干擾問題已被解決(圖11)。 圖11　快速實施抗干擾對策，以解決干擾問題 以上案例展示了利用模擬的必要性，在日益互聯的世界中，無線系統的數量激增，其發生干擾和性能劣化的可能性也隨之增加。工程師可以在設計過程的早期階段評估盡可能多的備選方案，然後評估設計空間以優化關鍵設計參數。通過利用專業模擬軟體在研發早期階段確定有可能發生干擾的位置，企業能夠避免干擾問題，減少後期修復問題的成本和降低風險。 (本文作者任職於Ansys)

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。

安立知(Anritsu)擴大其W1(1.0mm)元件產品線，推出T型偏壓器、直流阻隔器及半剛電纜等工作頻率達到110GHz的元件，並在高頻設備特性及各種光學網路應用提供寬頻頻率的可擴展性。新增的W1元件為安立知提供廣泛的毫米波(mmWave)同軸元件產品組合，且能夠被整合到測試系統中，因此使工程師對其開發新興的高速設計更有信心。 藉由推出W1元件，使得安立知鞏固了在mmWave頻率領域元件技術的地位，不論是用於頻域及時域方面的110 GHz元件應用皆相當完整。 全新W1元件可在110GHz的直流工作頻率下，產生高重複性量測品質結果。這些新元件不僅能夠進一步確保客戶測試的靈活性，同時能夠在如波導等常規設備不存在的情況下提供元件解決方案。W1同軸介面可直接連接儀器測試端，既節省時間又能簡化系統設置。 這些新元件可用於110GHz向量網絡分析儀(VNA)、示波器及誤碼率測試儀(BERT)組成的測試系統的一部分，還可用於光收發器、雷射二極體、光電二極體與光調變器。除此之外，其還可應用於使用56Gbps及112Gbps的數據傳輸率搭配NRZ及PAM4調變方案所開發的交換器與路由器，以及各種800G技術應用。

上述三大5G應用場景中的eMBB 場景主要提升以「人」為中心的娛樂、社交等個人消費業務的使用體驗，「高速率、大頻寬、低時延」正是提高個人用戶消費體驗的關鍵。而手機終端作為使用者體驗5G的重要載體，在5G時代下面臨著新的通訊架構與設計挑戰。 5G終端天線研發面臨多重挑戰 5G已於2019年底正式進入商用，這將帶來大量資料通訊、萬物互聯、即時交互、工業物聯網等新型業務的快速發展。因此，5G儼然已經成為當前移動通訊產業的關注焦點。未來的5G系統將著眼于全頻段，即不僅局限於低頻段(6GHz及以下頻段)，也將考慮毫米波頻段。而天線作為移動通訊的重要組成部分，其研究與設計對移動通訊起著至關重要的作用。 5G帶來的最大改變就是用戶體驗的革新：華為Mate30系列手機內部整合了21根天線，不僅支援5G，還要支援4G、3G、NFC、GPS、Wi-Fi、藍牙等無線技術。在這21跟天線中，5G使用了14根，這也揭示了5G新的通訊架構下，手機終端天線發展真正的技術需求。在終端設備中信號品質的優劣直接影響著用戶體驗，所以，5G終端天線的設計必將成為5G部署的重要環節之一。 3GPP把5G頻段分為FR1頻段和FR2頻段(圖1)，其中FR1的頻段通常被稱為Sub-6G頻段，範圍為450MHz~6GHz，FR2頻段為24.25GHz~52.6GHz，通常被稱為毫米波頻段。毫米波頻段的優勢是具備大量的可用頻譜頻寬、波束窄、方向性好、頻段許可獲取成本低。借助于先進的毫米波自我調整波束賦型和波束跟蹤技術，可以確保在真實環境中毫米波終端與基地台實現穩健的行動寬頻通訊。 圖1　5G頻段分成Sub-6GHz與毫米波兩個群組 採用5G初級階段的NSA組網方式，5G網路與4G網路並存，而5G 設備要達到更高速、穩定、低時延等要求則依賴於以下幾個因素： ．更多頻段 ．多個頻段之間的載波聚合技術 ．大規模MIMO等技術 當前手機終端天線淨空普遍壓縮至2mm左右，而終端天線設計中既要兼顧sub6G與毫米波頻段的多頻段需求，又要支援MIMO天線技術，多頻帶CA技術實現場景需求，這些技術的引入都對5G手機終端設計研發提出了高難度的挑戰。 在NSA組網模式下，4G頻段天線與5G頻段天線並存；3GPP中，4×4 MIMO天線作為強制入網要求。5G終端產品內的天線數目激增，面對這麼多天線，天線效率、天線共存、天線佈局等問題亟待研究解決，天線設計面臨著重大挑戰。 其次，在5G通訊中，低頻的頻譜資源終歸是有限的，毫米波應用的潛力巨大，毫米波具有極寬的絕對頻寬，提高通道容量和資料傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G通訊關鍵技術之一。但毫米波信號介質和輻射損耗較大，如何減少毫米波在終端內的損耗，確保毫米波更好的傳輸特性是工程師要面臨的一個挑戰。 最後，5G手機中集成多種晶片模組，CPU、射頻模組、基帶晶片、螢幕都是功耗與發熱的大戶，而5G晶片的計算能力要比現有的4G晶片高至少5倍，功耗大約高出2.5倍。並且手機的散熱好壞不僅僅影響用戶體驗，同時影響手機內部器件工作狀態，這使得5G手機的散熱技術研究面臨重大挑戰。 六大關鍵技術應對5G天線設計挑戰 為了滿足5G下行峰速20 Gbps，需要提供最大100 MHz的傳輸頻寬，為了滿足大頻寬連續頻譜的稀缺，在5G通訊中採用載波聚合(CA)來解決。但是如果發送和接收路徑之間的隔離度或者交叉隔離不足，多個頻段的無線RF信號可能會相互干擾，則CA應用中會出現靈敏度降低(Desense)問題。 所以，5G手機終端的Desense問題會比之前更為複雜，需要對Sub6G頻段與毫米波頻段共存狀態下對Desense問題根因分析，提前應對信號干擾問題。以下將介紹六種應對5G手機天線設計挑戰的關鍵技術。 模型處理與前處理 目前市面上5G手機大多採用NSA組網架構，相容4G通訊與5G通訊。相對於毫米波頻段，sub 6G頻段集中在2.5GHz—6GHz，sub 6G頻段天線和4G頻段天線調試方法類似，在當前流行的金屬邊框、全面屏手機內容易實現，天線設計形式採用PIFA天線＋寄生形式，傳統的FPC天線(圖2)或者LDS天線都可以勝任。 圖2　FPC天線和支架 而在終端天線設計過程中，經常會出現跨領域協作的問題，不同領域的模型側重點和建模演算法不一致，外界導入的模型通常有面破損、線段不連續等問題，天線工程師經常耗費大量精力來對導入的結構件進行模型修復以及天線pattern建模。由於對建模要求不同，天線工程師拿到的結構模型通常無法滿足需求，需要多次跨部門多次溝通才能滿足需求，影響終端天線的設計進度。所以天線工程師迫切需要一種能快速對導入模型快速修復、建模等操作，並且不需要花太多精力去學習的軟體。 應對這種情況，ANSYS提供了前處理模組SpaceClaim來進行模型修復、修改等功能，大大提高天線工程師的開發效率。 ANSYS SpaceClaim是非常強大的幾何建模和修復處理軟體，並且提供了非常易用的中文交互介面。它基於直接建模思想，提供一種全新的CAD幾何模型的交交互操作模式，在集成工作環境中使設計人員能夠以最直觀的方式進行工作，可以輕鬆地對模型進行操作，無須考慮錯綜複雜的幾何關聯關係，並且提供了高級的實體建模、特徵編輯、裝配、分組功能。介面方面可以直接讀取主流CAD軟體模型，並支援Parasolid，ACIS、STEP、IGES等中間格式模型檔。 對於模型處理和修復，SpaceClaim能夠快速的完成對細小特徵的自動檢查、刪除、模型中面的自動抽取等，並具有一鍵式的檢查和修復功能。另外，提供的布耳運算、倒角、印痕、抽殼、抽中面以及參數化建模等功能，可以快速的説明工程師完成複雜模型向有限元模型的轉化工作。 毫米波天線設計 5G行動通訊技術中，低頻的頻譜資源終歸是有限的，毫米波應用的潛力巨大，未來運營商可以利用5G低、中、高頻段三層組網，1GHz以下頻段做覆蓋層，Sub 6G做容量層，毫米波做熱點覆蓋的高容量層，建成一張全國性的廣覆蓋、大容量的5G網路。毫米波相比於Sub 6GHz的時延更短，是Sub 6G頻段的四分之一。由於具有極寬的絕對頻寬，可在很大程度上提高通道容量和資料傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G移動通訊關鍵技術之一。 相比於4G無線網路的寬範圍覆蓋，5G無線網路的特點是天線波束實現波束指向性，波束成型可以限制波束在很小的範圍內，因此可以降低干擾從而有效降低發射功率。多天線技術帶來了更多的空間自由度，因此使通道的反應更加精准，從而降低了各種隨機突發情況通道性能的降低。 要實現波束指向性與波束跟蹤能力，需要使用相位控制陣列技術。通過相位控制陣列可用于生成輻射方向圖及用以控制輸入信號，進而解決毫米波覆蓋問題。所以，相控陣技術，包含相位控制陣列波束成型(圖3)與相位控制陣列波束切換(圖4)，對於在終端設備中採用毫米波天線的重要性不言而喻。 圖3　相位控制陣列波束成形 圖4　以相位控制陣列技術實現波束切換 而為了將毫米波相控陣天線裝進手機終端產品中，毫米波天線實現形式也有了突破。目前毫米波天線陣列的實現的方式可分為AoC(Antenna on Chip)、AiP(Antenna in Package)兩種(圖5)。其中AoC天線將輻射單元直接整合到射頻晶片的後端，該方案的優點在於，在一個面積僅幾平方毫米的單一模組上，沒有任何射頻互連和射頻與基頻功能的相互整合。考慮到成本和性能，AoC技術更適用於較毫米波頻段更高頻率的太赫茲頻段(300GHz~3000GHz)。 圖5　AoC天線與AiP天線 而AiP是基於封裝材料與工藝，將天線與晶片集成在封裝內，實現系統級無線功能的技術。AiP技術利用矽基半導體工藝整合度提高，兼顧了天線性能、成本及體積，是近年來天線技術的重大成就及5G毫米波頻段終端天線的技術升級方向。 目前毫米波天線在手機終端產品中的應用，面臨著天線性能與製程技術的挑戰。相位控制陣列天線需要進行波束掃描，天線各通道處於不同相位的狀態，高頻率毫米波經歷較高的介質、材料損耗和衰減，一系列天線元件協同工作後，通過幅相加權技術來實現波束掃描功能，通過將信號聚合形成波束，以擴展其覆蓋範圍。而相位控制陣列天線中所整合的元件，增加了終端內部的占用空間，如何保證相控陣天線性能是毫米波天線的關鍵技術。 此外，毫米波波長短，天線單元結構複雜、疊層結構、垂直對位元精度影響，就會導致較大的相位差，這就給天線毫米波元件、饋線的設計和加工帶來巨大的困難。因此，毫米波天線的關鍵技術還包括保證天線單元及相關器件的加工精度。 HFSS是功能強大的任意三維結構電磁場全波模擬設計工具，是公認的業界標準軟體，它採用有限元法對任意三維結構進行電磁場模擬，模擬精度高，可用於精確的電磁場模擬和建模，國內有廣泛的應用，它擁有功能強大的三維建模工具，能夠方便地建立任意的三維結構，支援所有射頻和微波材料，實現元件的快速精確模擬(圖6)。 圖6　HFSS中採用的模擬方法 HFSS採用了自動匹配網格剖分及加密、切線向向量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)等先進技術，使工程師們可以非常方便地利用有限元素法(FEM)對任意形狀的三維結構進行電磁場模擬，而不必精通電磁場數值演算法。HFSS自動計算多個自我調整的解決方案，直到滿足用戶指定的收斂要求值。其基於麥克斯韋方程的場求解方案能精確模擬所有高頻性能。 HFSS中可實現天線布局設計中的參數掃描，參數優化，敏感度分析，統計分析等精細化設計的設計空間探索功能，結合高效能運算技術，能對毫米波天線進行天線性能快速優化、關鍵尺寸敏感度分析。通過敏感度分析可以分析天線性能的關鍵尺寸影響，在製造中對關鍵尺寸進行精度把控，是提高產品良率，保證產品性能的有效手段。 場路協同模擬 終端5G毫米波天線採用了AiP技術進行天線設計，整個天線內部需要將天線、射頻前端模組以及相位控制陣列結構整合封裝，封裝中天線與射頻模組的結合需要精確模擬分析阻抗匹配。 在5G毫米波的研究過程中，後端電路與天線匹配以及堆疊影響，是毫米波天線開發的關鍵技術。針對AiP天線設計，我們可以使用ANSYS HFSS + Circuit Design來進行有源天線模擬。在Circuit Design中對射頻電路進行原理圖搭建與模擬。其中，軟體中內置有全面的RF器件並且支援對HFSS中求解的3D模型的動態連結，從而能建立準確、完善的RF電路。在Circuit...

安立知宣布台灣德國萊因(TÜV)採用安立知的MT8000A無線通訊綜合測試平台，成功為其用戶端設備 (CPE) 實現 sub-6 GHz射頻 (RF) 測試，為 5G NR產品開發提供了靈活的測試平台，並將持續合作共同推動 5G NR發展。 安立知的 MT8000A 無線通訊綜合測試平台，為使用寬頻訊號處理與波束成形的超快速、大容量 5G 通訊提供了靈活的測試平台。憑藉其尖端的非獨立式 (NSA) 及獨立式 (SA) 模式，多合一功能的 MT8000A 支援 sub-6 GHz 與毫米波...

安立知(Anritsu)與仁寶電腦共同宣布，雙方將合作針對5G新無線電(New Radio, NR)Sub-6GHz與毫米波(mmWave)性能測試進行驗證。這些測試已經在安立知的MT8000A無線通訊綜合測試平台上，針對仁寶電腦的產品進行驗證。 安立知的MT8000A無線通訊綜合測試平台，為使用寬頻訊號處理與波束成形的超快速、大容量5G通訊提供了靈活的測試平台。憑藉其尖端的非獨立式(NSA)及獨立式(SA)模式，多合一功能的MT8000A支援Sub-6 GHz與毫米波(mmWave)射頻(RF)測試，以及用於開發先進5G技術的協議測試以提高數據速度，可以協助開發團隊共同合作以實現具成本效益的測試，並及時部署實際的5GCPE用戶端設備。 仁寶電腦PC研發中心資深副總李盛宏及研發工程本部主管潘正豪表示，安立知提供良好的測試解決方案，安立知的5G技術和解決方案協助該公司更快速發展5G推廣，並且如同在 4G 時期一樣，繼續作為推動5G進展的主要推手。 安立知台灣區總經理陳逸樺表示，很高興仁寶電腦持續信賴安立知驗證在其裝置上實施的先進功能。這次的共同合作再次展現了安立知如何提供良好技術，協助5G產品製造商縮短產品開發時間—這是在此競爭激烈的市場中取得成功的關鍵因素。

更直覺、便利的人機介面一直具有高度市場需求，手機的人機介面應用從按鍵及觸控晉升到不需接觸螢幕，非接觸式手勢隔空3D操控成為下世代的UI趨勢。新創公司開酷科技即運用毫米波(mmWave)與人工智慧(AI)，整合通訊感測、處理器與AI加速器的系統單晶片(SoC)，發表節能且即時的3D手勢辨識解決方案。相比觸控螢幕，開酷可以接收旋轉圖像等立體指令，技術潛力也獲得聯發科肯定而入股投資。 圖　開酷科技創辦人暨總經理王君弘。 技術/產品潛力獲聯發科入股 開酷科技創辦人暨總經理王君弘曾在美國科技業工作30年，期間在美國創業藍牙公司，回台後仍擔任美國老闆的顧問6年，隨後決定在台創業。開酷(KaiKu)一詞取自芬蘭文，意思是迴聲，呼應王君弘以雷達技術為主題創業。回顧創業歷程，王君弘坦言，找人才至今仍是一大挑戰。一方面其業界的人脈以美國地區為主，同時新創事業及新技術的開發皆需冒險精神，因此在台灣找尋合作對象或員工都不容易。然而近期開酷的技術在業界已受到肯定，甫完成的融資已獲聯發科入股。 毫米波/AI加速器助資料回傳穩定且即時 手機的操作不斷升級，無線的手勢辨識技術可以擴大手機操作的豐富性，增進使用者體驗。然而目前常見的手勢辨識方案透過相機鏡頭執行，但是相機本身的大功耗容易導致手機發燙，需要很強的CPU才能達到即時回饋的效果，並且若為配合鏡頭位置在螢幕正上方控制，手勢動作的範圍受限，造成使用者的不方面，尤其干擾遊戲操作。為改善傳統手勢辨識遇到的問題，王君弘便由豪米波雷達研發SoC新解方。 開酷的手勢辨識測技術核心為毫米波60GHz，開酷科技行銷總監林子超表示，基於此頻段為100GHz以下的頻段中可用頻寬最寬的選擇，硬體上可以使用57-67GHz範圍的頻段，而能清楚辨識短距離內的不同物體，如辨識出兒童手勢動作中的兩根手指。同時，60GHz的頻率傳遞距離較短，且若是訊號碰觸到其他物體時會快速衰減，因此可以避免單一手機的辨識受環境干擾。 此外，手勢辨識晶片的封裝中整合一發(Tx)三收(Rx)的天線，強化晶片的訊號接收功能，加上獨特的演算法換算成空間座標，達到3D定位的效果，因此能夠辨識手伸入螢幕中選轉影像等3D指令。除了毫米波技術，產品同時配備AI加速器與MCU電源管理功能。手勢透過AI的演算法辨識，而做為一個人機介面裝置(HID)，開酷希望可以克服能源消耗的問題，並且確保資料運算的即時性，因而選擇使用AI加速器，盡可能在本地處理資料，並且重複使用數據，便能達到低耗能且資料即時回傳的目標。 晶片擬年底量產同時布局AIoT市場 電源方面，雖然手機皆有強大的電源管理系統，但是開酷仍在產品中放入MCU來管理電源，目的是布局AIoT市場。王君弘說明，例如做一個可以調亮度的電燈開關，或是咖啡機透過手勢操作，這類架構便宜、簡單的產品不會有很強的MCU。因此若是手勢辨識產品本身已有MCU，即可應用在這些聯網產品中，並且不只做電源管理，還可以執行簡單的軟體，為以後進軍AIoT市場鋪路。 此外，手勢辨識產品設計USB外接模組，可以做為手機的外接應用，有利於進入手機售後市場。目前此產品可以用於手機遊戲或VR操作，透過不需要接觸螢幕與反應即時等特性，配合現有的觸控螢幕，提供使用者更多元且良好的遊戲體驗。王君弘表示，開酷的測試晶片從天線改良、加入AI加速器、客戶討論等多次修改後，現在已研發至第三版，預計2020年底進行量產。

2019年底至2020年1月期間，原先預期2020上半年迎來5G換機潮，未料新型冠狀病毒(COVID-19)疫情延燒，造成世界行動通訊大會(MWC 2020)取消、各國供應鏈暫停及消費市場萎縮等衝擊，消費者的購買態度疲弱，5G通訊相關供應商的布局因疫情按下暫停鍵，減少大規模的布建行動，導致換機潮延後，資策會MIC下修5G手機2020年的銷售預估至2億台，IDC研究經理高鴻翔(圖1)則提出2020年的市場觀察重點在於目前占5G手機銷售市場三分之二的中國。中國最早經歷疫情嚴重的高峰期，現階段積極復工並加速布建5G，在2020下半年5G手機的市場表現中扮演要角。 圖1　IDC研究經理高鴻翔說明，中國的內需市場是2020下半年的5G手機觀察重點 上半年買氣傾向觀望　5G建設速度趨緩 回顧5G手機發展所面臨的挑戰，可由市場供給與需求兩方面分析。供給端的生產技術方面，5G手機增加射頻零組件，同時得要滿足體積小、降低耗電等條件，收訊則須完成Sub-6GHz及毫米波兩種頻段的商用化及布建。除克服技術門檻之外，仍須考量生產成本，才能將成本與售價控制在一定的範圍之內。資策會MIC資深產業分析師韓文堯(圖2)表示，5G手機的技術與方案已經成熟，品牌/晶片/通訊設備商皆積極推動產業邁進，不只提供中階以下5G晶片，散熱、耗電與訊號等問題都已解決。在技術逐步成熟的前提下，面對COVID-19疫情，5G建設趨緩但供應鏈並未完全停滯。 圖2　MIC資深產業分析師韓文堯表示，疫情爆發後，初估5G手機銷售由2.6億台下修到2億 需求方面，4G智慧型手機的技術更新已經趨緩，難有突破性亮點吸引消費者換機，因此5G功能作為新一波的手機賣點，受到供應商大力推廣。然而5G手機的專屬應用尚在發展階段，消費者不一定需要5G功能，加上受COVID-19疫情影響，消費者的購買以防疫民生用品或遠距上班/上課所需的平板與筆電為主；在整體市場因經濟緊縮造成消費者購買力下降的情況下，上述的採買順序顯示必需品排擠消費者更換手機的預算，導致2020上半年5G手機的買氣處於觀望階段。 5G手機銷售遞延　生產鏈受停工影響 Gartner分析師呂俊寬(圖3)說明，5G手機銷售現面臨遞延，換機潮將延後到今年Q4。原本預期要換機的消費者仍會購買5G手機，只是購買的時間點晚於預期，因此雖然2020上半年5G手機市場的成長不如預估，但換一角度看待，換機遞延同時代表服務或App開發商擁有更多時間研發並優化相關產品，營運商也有餘裕完善基地台的布建。甚至當新機購買時程延後且更多品牌廠商推出5G手機時，上半年處於觀望的消費者可能受到吸引，在下半年換機時從原本的4G手機改為選擇當時最新的5G型號。 圖3　Gartner分析師呂俊寬認為，5G手機銷售現面臨遞延，換機潮將延後到今年Q4 韓文堯指出，COVID-19疫情爆發前預測2020年5G手機將銷售2.6億台，疫情爆發後則初步估計將下修到2億台。而COVID-19影響全球經濟，5G手機的銷售則取決於各國疫情的恢復程度。近日歐美市場的疫情嚴重，許多州封閉、半導體IDM大廠停工，可能影響5G手機的生產鏈。東南亞則是半導體封測重鎮，因此疫情尚未受到控制，為被動元件的生產帶來風險；中國則進入復甦階段，因此大部分的零組件在中國疫情緩解後，已陸續恢復生產。 整體而言，就韓文堯觀察，上半年只要能出貨，手機品牌廠商還是會持續拉貨，但是目前進到第二季尾聲，全球的疫情控制程度還不明確，所有的預估將會隨疫情調整，無法提供太明確的數字，然而若是第三季的疫情仍不樂觀，未來拉貨的需求則會大幅下降，可能導致再次下修5G手機的市場預期。 從Sub-6GHz/毫米波窺探廠商布局 觀察5G手機市場成長趨勢，能夠從支援頻譜理解近期5G晶片廠商的布局策略。Sub-6GHz成本低、覆蓋廣，是目前5G通訊設備支援主流頻段；毫米波相較之下成本較高且覆蓋率低，目前只有高通(Qualcomm)提供5G手機的毫米波晶片。從台灣今年初各家電信的頻譜標售結果，可見台灣電信商瞄準的即是Sub-6GHz的使用市場。日本及韓國原訂今年布建毫米波，但因東奧延期與需求低落而減緩布建規畫；美國也以發展毫米波為主要目標，但基於毫米波低覆蓋及高成本的特性，使得美國的5G服務昂貴且普及率低。 韓文堯認為，今年的5G手機中預計90%將支援Sub-6 GHz，僅有10%左右支援高頻毫米波。針對晶片研發，各家廠商策略不同。其中高通率先推出同時支援Sub-6GHz及毫米波的晶片，其他廠商皆以開發Sub-6GHz為主，但也未放棄發展毫米波晶片，第一波推出5G手機的廠商如三星(Samsung)，即採用高通的解決方案(圖4)。三星、海思、紫光展銳也將研發自家的毫米波晶片，且研發腳步未受COVID-19拖延，廠商將照原定計畫於今年推出毫米波產品，因此未來毫米波的使用率可能上升。毫米波的應用趨勢可以美國為觀察重點，其中又以電信廠商Verizon推動毫米波最為積極。美國的電信營運商原本規畫今年年中買下Sub-6GHz頻譜，或者使用現有的4G頻段連接5G網路，若未來Sub-6GHz的覆蓋率增加，毫米波的必要性將下降。然而對Verizon而言，毫米波的網速才能真正與4G網路區隔，因此將主力聚焦在毫米波的服務上。 圖4　第一波推出5G手機的廠商如三星，即採用高通的毫米波解決方案 疫情打亂品牌競合　中國市場為觀察重點 COVID-19打亂市場預期，也改變5G手機品牌商之間的競合關係。韓文堯認為，當前市場對華為的發展相對有利。2019年爆發中美貿易戰，受到美國禁令限制，華為無法使用Google，因而可以預期華為在歐洲的市場將衰退，由其他品牌接收華為市佔率，因此蘋果(Apple)、三星等品牌原本預估在歐洲的銷售成長。然而COVID-19爆發至今，中國最先經歷疫情巔峰，而目前恢復速度較歐美快速，提供華為競爭過程的喘息機會。 在全球手機市場皆衰退的情況下，相比疫情發生前只有華為的5G手機銷售受貿易戰影響，現在其他廠商也因疫情而成長受限，提供華為另類競爭機會。其他中國5G手機品牌，如小米、OPPO等，現階段則為了降低風險並平衡各地市場，主力開發線上銷售管道。 中國趕在歐美之前積極部署5G基礎建設，成為5G手機內需龐大的市場，許多廠商也都在中國生產5G手機所需的零組件，目前疫情逐漸受到控制並復工，緩步復甦的情況能夠降低COVID-19對5G手機供應鏈的衝擊。同時，中國政府在疫情爆發後，亟欲恢復經濟成長，5G手機即是方法之一。高鴻翔分析，現階段中國的內需市場占全球5G手機消費的三分之二，因此2020下半年的5G手機市場有三個觀察重點。一是中國政府推動的力度，包含補助與政策等；二則為中國消費者在疫情發生後的消費能力；第三個次要觀察點則是當5G手機需求增加後，零組件的供應是否足夠。 綜觀5G手機市場，呂俊寬進一步補充，雖然疫情造成5G換機潮延遲，但是2021年的5G銷量將會持續成長。目前購機風潮因疫情而趨緩，疫情反而可視為給予5G手機一個良好的起點與發展空間，讓效能及成本的考量找到更適合的平衡點，提供更符合市場需求的產品。

5G時代甫揭開序幕，行動通訊首次進入30GHz以上高頻毫米波頻段，也帶動高頻技術的研究，前瞻研究團隊紛紛著手5G下世代行動通訊的研究，其中，比毫米波頻段更高的太赫茲(THz)就是最主要的研究標的。而不僅是在通訊領域，該技術在國防、國土安全、天文、醫療、生物、計算機等領域都具備高度應用與商業價值。 太赫茲技術被美國評為「改變未來世界的十大技術」之一，被日本列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首。太赫茲頻率上高於微波，低於紅外線；能量大小則在電子和光子之間。由於此交叉過渡區，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合用微波理論來研究。所以，過去一度被人遺忘，因此也被稱為「太赫茲空白」。基於技術的進步，近年該頻段範圍被認為有高度技術價值，吸引許多團隊投入研究，本文將簡單討論太赫茲技術概況與產業應用潛力。 THz技術具低能量/高穿透特性 太赫茲泛指頻率在0.1~10THz (100~10,000GHz)頻段內的電磁波，與30~300GHz的毫米波頻段部分重疊，波長範圍為0.03~3mm，處於電子學與光子學的過渡區域(圖1)。具有可酬載大量訊息資料、亞皮秒(ps)量級脈衝、高時空同調性(Coherence)、低光子能量、穿透性強、使用安全性高、指向性好、頻寬高等特性。1THz電磁輻射的光子能量只有4.1meV，不及X光電磁輻射能量的百分之一，在醫學檢測上深具應用前景；另外，非極性材料在THz頻段沒有明顯的吸收，因此太赫茲對這些材料有非常強的穿透能力，可以應用在公共場所的安檢。 圖1　太赫茲THz頻段位於電子與光子之間 由於太赫茲輻射的典型時間寬度大約在皮秒或亞皮秒量級，利用其時域光譜技術，可以得到大於104的訊噪比(SNR)，遠高於傅立葉轉換紅外線光譜(FTIR)；太赫茲的同調性具有相位訊息，在成像、感測方面能提供更多厚度與距離的資訊。由於太赫茲技術深具應用潛力，根據統計目前已有超過300個前瞻技術研究單位投入相關研究，如美國的國防先進研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)、貝爾實驗室(The Bell Labs)、噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)等知名研究單位，DARPA自2004年起，已先後投入超過20億美元，確保其掌握的相關研究水準居全球領先地位。 歐洲與亞洲部分，也有包括歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)、德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所(Fraunhofer IAF)、德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)、英國拉塞福-阿普爾頓實驗室(Rutherford Appleton Laboratory)等；亞洲的NTT docomo、東京大學、京都大學、韓國太赫茲應用研究中心等。加上中國大陸也投入近百個研究團隊。 成像/先進行動寬頻應用潛力十足 在產業應用方面，除了第六代行動通訊6G可能導入太赫茲應用之外，在半導體材料、高溫超導材料的性質研究、斷層成像技術、無標記的基因檢查、細胞水準的成像、化學和生物的檢查，以及微波定向等許多領域都有廣泛的應用潛力。太赫茲頻譜能提供分子的基本結構訊息，如許多輕分子的轉動頻率、大分子或功能團震動模式的諧振頻率都處在太赫茲頻段；太赫茲頻譜也覆蓋了電子材料的低能激勵現象，凝聚態相位介質的低頻振動模式，固體材料的聲子、磁振子、電漿體激元以及液體分子震動等激勵現象。 而隨著對太赫茲特性的深入了解，THz可以成為自動光學檢查(Automated Optical Inspection, AOI)的下世代技術，利用太赫茲成像系統把目標物品的透射譜或反射譜(包括振幅與相位的二維訊息)進行處理、分析，可以得到物品的太赫茲影像，其高透性、無損性以及大多數物質在太赫茲頻段都有指紋譜的特性，使太赫茲成像比其他成像方式更具優勢。可應用於生物醫學、品質檢測、安全檢查、無損檢測等領域。 另外，太赫茲與可見光與紅外線相比，同時具有極高的方向性與較強的雲霧穿透能力，THz通訊可以極高的頻寬進行高保密衛星通訊。所以THz也將成為5G毫米波之後，6G的應用重點(圖2)。2019年3月15日，美國聯邦通訊委員會(FCC)投票通過開放95GHz~3THz頻譜，為6G應用暖身；歐盟也發起6G研究，針對前向糾錯編碼技術、高階通道編碼、通道調變技術進行研究，設定目標為6G傳輸速率超過100Gbps，使用高於275GHz的頻段；中國工信部也發動6G網路研究，目標下載速度每秒1TB，2030年投入商用。 圖2　太赫茲THz於未來無線通訊應用扮演重要角色 太赫茲產業發展如鴨子划水 根據產業研究機構統計，2018年，太赫茲技術市場規模約1.7億美元，預計2019~2024年複合成長率(CAGR)約26%。太赫茲零組件可以分為太赫茲源、太赫茲感測器，截至2014年，全球太赫茲零組件與系統的市場規模為5,600萬美元，預計2023年將成長至4.15億美元，CAGR為25.9%。以應用類型而言，成像應用2021年規模達2.48億美元，2016~2021年CAGR為26.8%；光譜應用2021年產業規模約0.22億美元，2016~2021年CAGR達7.4%，通訊領域的應用2016~2021年CAGR高達213.8%。 太赫茲的頻率很高、波長很短，具有很高的時域頻譜訊噪比，且在濃煙、沙塵環境中傳輸損耗很少，可以穿透牆體對房屋內部進行掃描，是複雜戰場環境下尋敵成像的理想技術，不過太赫茲與毫米波一樣波長短的特性讓訊號容易耗損，單就通訊距離來看，太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，訊號衰減嚴重，成像掃描需要在一定的距離範圍內。 但是，在某些情況下，有限的傳輸距離反而能成為優勢。因為大氣衰減能使訊號根本無法傳播到遠處敵人的無線電技術監聽機構，可實現隱蔽的近距離通訊。因此也傳出美國正在利用太赫茲傳輸距離相對較短、不易被截獲的優勢，研製通訊距離在5,000公尺左右的近距離戰術通訊設備，一旦成功也可能引發另一波軍備升級風潮。 正當資通訊產業還在忙於解決毫米波元件的成本、散熱、接收、整合性問題之時，6G的話題也悄悄蔓延，以過去成熟的技術為例，太赫茲儘管有許多技術優勢與應用潛力，但目前還處於研究階段，實際應用可能會從航太與軍事領域開始，待更了解技術特性之後，才會逐步導入商業化應用，此時需要開始發展標準、規範，並推動產業鏈的成形。 2030年是不是太赫茲進入商用的時間點，可能有幾個觀察指標，第一個就是5G毫米波技術的進展，現在毫米波應用還有一些瓶頸，未來幾年若能順利解決，有助於太赫茲商業化的推展；第二是太赫茲未來幾年在軍事、航太領域的發展概況，這兩個市場沒有商業考量，單純以技術的可行性為重點，若能證明前述太赫茲技術的各項優勢，對廠商而言就有更高的商業價值。新技術的發展總是令人期待，從現在開始的未來十年，「太赫茲」可能會越來越頻繁出現在人們的工作或生活周遭。