毫米波

是德科技(Keysight)新推出的調變失真分析測試套件，成功助Qorvo一臂之力，使其能夠在製造測試階段，準確分析5G毫米波前端模組效能。 Qorvo是射頻解決方案供應商，主打無線基礎設施和國防應用，該公司近來選擇使用是德科技全新的調變失真分析測試套件來量測寬頻調變信號，讓頻寬最高可達43GHz的前端科技，能夠通過第三代合作夥伴計劃(3GPP)指定的5G NR測試。這次新增的製造測試功能，可以提高客戶在整個產品生命週期的系統產量。 為了確保穩定且有效率的5G毫米波通訊，工程師必須在設計、驗證和製造的一貫流程中，嚴格測試積體電路(IC)元件在線性和非線性條件下的效能。是德科技新推出的調變失真應用軟體，可與旗下的PNA-X向量網路分析儀緊密整合。如此一來，5G IC和FEM設計人員就可透過調變寬頻信號激發，準確、可重複並快速地進行元件特性分析。 是德科技無線測試事業群副總裁Kailash Narayanan表示，是德科技與Qorvo共同合作開發先進的5G量測技術，以推動新測試方法的發展，讓工程師能評估主動元件受到標準激發的響應。是德科技的IC測試解決方案套件，搭配全新的調變失真分析應用軟體，締造了業界最大的動態範圍，可準確量測各種參數，例如誤差向量振幅(EVM)和鄰近通道洩漏比(ACLR)，它們全都攸關5G網路通訊服務的效率和穩定。 Qorvo高效能解決方案總經理Roger Hall表示，我們很高興能與是德科技協力合作，是德科技擁有專業技術和全方位解決方案套件，可以準確分析我們全新的 5G 毫米波前端模組。是德科技的 IC 測試能力讓我們能順利達成策略目標，以提供客戶最優質的產品。

NI年度技術和用戶大會NI Week日前於德州奧斯丁落幕。對台灣的讀者而言，本次大會期間最重要的展出重點在於該公司正式發表其針對5G毫米波測試需求所設計的向量訊號收發器(VST)，並已與半導體測試設備大廠東京威力科創(Tokyo Electron)、探針卡大廠FormFactor及機械手業者Reid Ashman合作推出適合5G毫米波元件量產使用的晶圓測試系統(圖1)。 圖1　NI和東京威力科創、Reid Ashman及FormFactor攜手推出的5G毫米波晶圓ATE系統。 毫米波晶圓測試挑戰有解 隨著晶片製造商競相將5G毫米波技術商用化，相關晶片的開發商面臨艱鉅挑戰。不僅要加速產品開發時程，更要對晶片進行完整測試，找出KGD，否則在封裝時可能會在Bad Die上浪費大量成本。因為毫米波RF IC將會採用AiP封裝，把天線整合到晶片封裝內，使得AiP封裝的單價比目前RF晶片所使用的封裝高昂許多。 NI發表的新一代VST可同時適用在研發實驗室跟量產生產線上，簡化了量測跟自動化作業的負擔。該VST整合了RF訊號產生器、訊號分析器，可在高達44GHz的頻段上提供1GHz瞬間頻寬。這些特性使得該款VST非常適合量測5G毫米波訊號。 此外，新的VST原生整合於NI的半導體測試系統(STS)，因此可以和其他半導體測試設備輕鬆結合，構成完整的自動化測試系統。在NIWeek期間，NI便發表了一套與東京威力科創、FormFactor、Reid Ashman共同推出的毫米波RFIC自動化測試系統。 由於NI的毫米波VST具備整合式切換功能，最高可支援32個通道，不僅可以精準測量波束成型、相位陣列等5G毫米波通訊的必要功能，量測速度也遠比一般專為實驗室研發設計的解決方案來得快，因而使NI能夠拔得業界頭籌，與合作夥伴推出可應用在量產上的5G毫米波測試方案。 值得注意的是，雖然業界一直傳出，5G毫米波的量測將從傳統接觸式量測走向OTA非接觸式量測，但在晶圓級測試端，OTA技術與其配套的發展並不順遂。反倒是傳統接觸式量測，能取得更好的量測結果。NI這次與其他半導體設備廠共同推出的方案，就是採用接觸式量測。 NI半導體測試研發總監Joel Sumner表示，由於業界的5G毫米波方案面臨相當緊迫的上市時程壓力，在晶圓測試階段，恐怕已經等不及OTA技術成熟，因此接觸式量測方案還是比較實際的技術選項。採用毫米波VST的自動化晶圓級測試系統，將鎖定晶圓代工廠與IC封測廠作為主要客戶。 NI/蔚華結盟　共拓ATE市場 另一方面，NI與台灣半導體測試解決方案專業品牌蔚華科技也在NIWeek 2019年期間宣布結盟，未來蔚華將負責NI大中華區的半導體測試系統STS經銷，搭配蔚華科技現有之分類機、針測機、探針卡等產品，提供客戶更多元的半導體測試解決方案及服務。 NI半導體事業首席行銷David Hall(圖2右)表示，蔚華科技在大中華區擁有廣泛的通路，並且有相當深厚的技術累積，有能力協助IC設計業者與專業封測廠(OSAT)打造完整的測試解決方案。中國半導體市場擁有雄厚的發展潛力，蔚華在此市場深耕多年，不僅有完整的通路布局，亦有一流的技術支援服務能力。因此，與蔚華合作，將對STS業務在大中華區的推動產生相當大的助益。 圖2　NI與蔚華宣布結盟，共同在大中華區拓展半導體ATE市場。圖左為蔚華總經理陳志德，右為NI半導體事業首席行銷David Hall。 蔚華科技總經理陳志德(圖2左)則表示，NI在RF相關測試領域在業界居於領先地位，因此雙方的合作將由射頻測試作為起點，逐步擴大到MEMS、PMIC等其他類比/混合訊號IC測試上。至於在推廣策略方面，將先以IC設計業者為起點，再逐漸擴展到專業封測廠(OSAT)。 陳志德解釋，IC設計業者在完成晶片設計，並從晶圓代工廠取得工程樣品後，也會有內部的晶圓測試需求，故通常會購置少量測試機台。而OSAT業者的測試機台採購，通常是跟著IC設計客戶走的，若IC設計業者使用某家晶圓測試設備供應商的產品，OSAT往往也會跟著使用同樣的測試設備。因此，協助IC設計業者導入NI的STS，將是蔚華現階段的主要目標。 大型IC設計業者通常會有一小組專門人力，負責某些比較機密的測試程式撰寫，其他較不具敏感性的部分，則交給像蔚華這種具有測試程式開發能力的晶圓測試解決方案供應商接手；如果是比較小型的IC設計業者，則往往是完全外包給解決方案供應商來撰寫。因此，晶圓測試解決方案供應商，不管是設備原廠或代理商，都必須具備相當的技術服務能力，才能滿足客戶需求。 Hall則指出，NI與蔚華的技術團隊將密切合作，以確保大中華區的用戶能獲得最完善的技術支援，並期待雙方的合作範圍能擴展到RF以外的其他晶片測試領域，且在地理區上能進一步擴展到大中華區以外的市場，例如東南亞市場。不過，中國的5G RF測試市場潛在規模可觀，目前雙方最重要的工作，是確保STS能夠抓緊5G RF測試需求的熱潮，在市場上取得一席之地。 進軍專用測試市場　NI追求營運更上層樓　 NI的PXI量測設備和LabVIEW軟體向來以配置靈活和簡單易學為其最大特色，並廣泛應用在科學研究與各種工程領域。但隨著應用變得越來越複雜，加上客戶的開發時程壓力與日俱增，使得NI在最近幾年，逐漸開始針對特定垂直產業的需求，推出完整測試系統。半導體測試、汽車測試與航太國防系統測試，是目前NI最重視的三個垂直產業。 NI執行長Alex Davern(圖3)指出，該公司作為一家研發投資占公司營收19%的企業，對於兩大核心產品--PXI量測模組與LabVIEW軟體的新技術投資，一直不遺餘力。而這種軟硬兼顧的經營策略，也使得NI的產品組合構成一個完整的平台，並擁有廣泛的使用者社群，從基礎科學研究、學校教育到工業自動化、電子系統設計/製造等各種產業，都有穩定的客戶族群。 圖3　NI執行長Alex Davern表示，除了通用儀器之外，NI將在半導體、汽車與航太領域以專用測試系統尋求突破跟成長。 但從許多產業界客戶提供的意見回饋，NI發現這種只提供核心儀器和軟體開發環境，讓用戶或系統整合商再依照自己的需求進行二次開發的作法，在某些垂直產業已經無法滿足客戶需求。這些客戶通常需要進行高度複雜的量測作業，而且對量測的速度有一定的要求，這使得NI無法光靠提供通用型儀器，就能滿足其工作需求。 有鑑於此，NI在最近幾年開始在半導體測試、汽車測試與航太國防系統測試領域，和其他合作夥伴一起攜手合作，共同推出完整的測試系統。這些完成度很高的測試系統，還是以NI現有的軟硬體產品為測試核心，但因為有完整且針對性的周邊配套，使其特別適合應用在某一個垂直產業上。 當然，這種策略也會使NI與原本針對這些垂直產業提供完整測試系統的業者，變成潛在競爭對手。因此在策略上，NI會慎選題目，只做目前的解決方案供應商無法有效滿足客戶需求，但NI的測試平台有發揮空間的題目。例如RF晶片測試、光通訊/矽光晶片測試等混合了類比訊號、光、電的多物理測試。至於純數位的處理器或記憶體測試，則是NI不會跨入的領域，因為現有的ATE設備，已經能有效滿足這類測試需求。

ADI今日針對毫米波(mmWave) 5G基礎設施推出新解決方案，透過目前最高的整合度可降低下一代蜂巢式網路基礎設施的設計需求和複雜性。該方案整合了ADI的先進波束成形IC、上/下變頻(UDC)和其它混合訊號電路。優化的「波束至位元」(Beams to Bits) 訊號鏈更展現了ADI的獨特能力。 ADI微波通訊部總經理Karim Hamed表示，毫米波 5G 是一項蘊含巨大潛力的新興技術。從頭開始設計這些系統極其困難，需要平衡性能、標準和成本方面的系統級挑戰。新型解決方案運用ADI的技術和在RF、微波和毫米波通訊基礎設施方面的悠久傳承、及於RF領域的深厚專業知識簡化客戶設計過程、減少總零組件數，並加速5G部署。 新型毫米波5G晶片組包括16通道ADMV4821雙/單極化波束成形IC、16通道 ADMV4801單極化波束成形IC和ADMV1017毫米波UDC。24~30 GHz波束成形 +UDC解決方案構成符合3GPP 5G NR標準的毫米波前端，可支援n261、n257 和n258頻段。高通道密度，加上支援單極化和雙極化部署的能力，使其大幅增強了針對多種5G用例的系統彈性和可重構性，而最佳的等效全向輻射功率(EIRP)則擴展了無線電覆蓋範圍和密度。ADI在毫米波技術領域的傳統優勢使客戶能利用頂尖的應用及系統設計，以針對熱、RF、功耗和佈線等考慮優化完整的產品線。

比利時奈米電子和數位科技研究與創新中心imec，發布以28奈米CMOS技術打造的140GHz MIMO雷達單晶片，能在兼顧小尺寸、低成本、低功耗前提下，實現更高解析度與靈敏度，可望進一步擴展毫米波雷達在手勢辨識、生命體徵監測與細微運動偵測等領域的應用版圖。 隨著5G與自駕車發展日益升溫，毫米波技術的應用潛力逐漸受到產業界重視，相關研發活動與投資也不斷增加，除了聚焦在5G高頻通訊與汽車駕駛輔助系統(ADAS)的雷達應用外，利用毫米波雷達實現更多元的感測應用，亦是另一個重要發展方向。 針對非汽車ADAS的雷達感測應用，目前市場上以60GHz毫米波雷達方案為主，而imec此次所發表的140GHz毫米波雷達單晶片，則是另一突破性的技術進展。 imec研發團隊負責人Andy Dewilde說明，imec長久以來在CMOS技術的開發與多天線整合設計上擁有相當厚實的能力與經驗，因此能在一個外觀尺寸只有幾平方公分的完整MIMO雷達系統下，實現1.5公分的精準解析度。而更好的距離解析度性能，可開啟更多新的應用機會，這是該公司140GHz雷達系統單晶片重要的差異化特色之一。 Dewilde進一步談到，使用140GHz頻段的另一個明顯好處是，電磁波波長更小，僅2.1毫米，換言之，天線也就可以做得很小，因而imec僅透過28奈米Bulk CMOS製程技術，即可將天線直接整合至單晶片中，毋須使用昂貴的天線模組或外部天線，達到更高整合度與小尺寸設計，且未來也可輕易藉由大量量產來達到降低成本目標。 不僅如此，高頻毫米波波長小的特性，也可偵測到更小的位移變異，如細微的臉部表情變化與皮膚運動，能顯著提升位移靈敏度，有助於生命體徵偵測等應用，因此該雷達是實現車內生命體徵監測系統極佳的方案，可促成非接觸式駕駛狀況追蹤，例如偵測駕駛有沒有打瞌睡、壓力狀況是否異常，或者預防因急性健康危害如心臟疾病或癲癇發作。另一個可能應用，是利用動作和生命體徵偵測來監測小孩狀況，例如當兒童不小心被留在車內時發出警報，即使當下是嬰兒蓋著毯子睡覺，該雷達感測器也可發揮作用。 除了140GHz高頻毫米波頻段所帶來的技術優勢外，imec也在該款雷達晶片中，加入MIMO多天線配置與機器學習能力，從而打造直覺簡單的人機互動介面。imec荷蘭雷達專案研發經理Barend van Liempd指出，藉由加入機器學習能力，imec已證明雷達基於都卜勒(Doppler)訊息來偵測和分類細微動作的可行性，這將開啟新的應用機會，如實現直覺的手勢辨識人機互動。以擴增實境/虛擬實境(AR/VR)應用來說，新的雷達方案就可支援與虛擬物件的直覺式互動，手勢辨識還可以實現直覺的裝置控制，與現今語音控制或智慧觸控螢幕的人機介面相輔相成。 據了解，imec所研發的140GHz雷達晶片方案主要適用於室內的應用，操作範圍可達10公尺，且尺寸極為小巧，單一晶片大小僅1.5x4.5mm，可在幾乎各種裝置中被無形地整合，諸如筆電、智慧手機或螢幕邊框。 為了增加數據的豐富性和空間資訊，imec已著手開發下一代採用4x4的MIMO雷達系統，以及新的雷達晶片。Dewilde指出，目前的140GHz雷達系統原型，採用的是2x2 MIMO設計，所以只能做一個方向的角度偵測，下一個系統，會使用新版晶片，預計研發4x4 MIMO，有更多天線，以達到3D偵測。 imec研發團隊負責人Andy Dewilde利用imec 140GHz雷達系統原型，展示手勢辨識應用。  

6GHz以下的5G服務已準備進入商轉，5G用戶端裝置與微型基地台的市場需求很快就會到來，但由於5G導入了MU-MIMO與波束成型等技術，使得天線的數量大幅增加，且為了使天線獲得最好的共振效果，天線在產品中擺放的位置比以往更加講究。這些因素都使得5G用戶端裝置與微型基地台的設計，比過去受到更多條件限制。 另一方面，採用毫米波頻段的下一波5G通訊，將為射頻子系統設計帶來更大的考驗。由於頻率太高，其訊號在電路板上傳輸的損失太大，因此射頻元件供應商紛紛投入開發天線整合封裝技術，但這也使得封裝測試必須面臨新的考驗，因為封裝完成的元件成品，萬一效能表現不如預期，要依靠量測數據找出根因會變得相當困難。 在這個情況下，電磁模擬工具的重要性大增。透過模擬工具的輔助，不管是終端產品的整合設計，或是RF元件廠在進行封裝設計時，都可以在虛擬環境中藉由參數設定，預先得知實體產品原型出爐後大致上的性能表現，進而省下大量開發時間跟成本。 散熱/損耗為5G天線設計兩大難題 安矽思(Ansys)HFSS產品經理Matt Commens(圖1)指出，跟現有的通訊技術相比，5G通訊所使用的頻段明顯高出許多，而且採用了波束成型、MU-MIMO等先進射頻技術，對天線的設計跟配置帶來很大的挑戰。高頻意味著訊號會有更大的損耗，複雜的MIMO技術則使得裝置必須內建更多天線，這些因素都使得5G設備的設計，變得遠比4G產品更為困難。 圖1　安矽思HFSS產品經理Matt Commens指出，在5G應用開發跟部署的過程中，模擬工具的重要性更勝以往。 也因為5G產品在設計過程中需要考量的因素更多，模擬工具在產品開發的過程中，重要性更勝以往。設計工程師必須在模擬工具所建構的虛擬環境中，針對各種可能的設計參數進行模擬，才能加快產品設計速度，提高產品設計符合預期的機率。 以高頻電磁場的應用設計來說，工程師最關心的議題有二，一是訊號損失跟其所衍生的副作用--熱的分布情況；二則是天線配置對電磁波場型的影響。Ansys的高頻電磁場模擬工具HFSS是一款可以求解任意三維結構電磁場的模擬工具，無須掌握身號的電磁場知識和反覆嘗試不同的網格剖分，就能取得高精度的模擬結果。 舉例來說，天線罩跟天線本體的距離、天線罩的材質等，都會影響到天線的性能表現；天線的位置、使用者手持的方式，也會影響天線的訊號收發，這些變數都可以在HFSS裡面完成模擬。另外，結合Ansys的熱模擬跟應力模擬工具，設計人員也可以輕鬆掌握由訊號損失轉變而成的熱，在系統中會如何分布，又會對天線造成何種影響。 除了5G終端設備的開發者之外，對IC設計跟電信業者來說，模擬工具的重要性也比以往更為重要。在IC設計端，由於高頻訊號的衰減太大，因此天線跟射頻前端(RF)在印刷電路板上的繞線距離要越短越好，或是直接讓訊號跳過PCB走線；如果是毫米波通訊，則基本上天線都必須整合到晶片封裝裡，這使得IC設計者也必須開始關注跟射頻電磁場有關的問題。至於電信業者，則可以在進行網路布建跟規劃的時候，利用電磁場模擬工具搭配城市的3D地圖，進行基地台訊號涵蓋的模擬，提升網路覆蓋的品質。 此外，材料供應商在發展新材料時，也可以把模擬工具反過來利用，得知新材料的特性。5G射頻會使用到許多新的材料，但材料供應商在開發新材料時，必須對材料進行大量量測作業，才能掌握新材料的特性。藉由模擬工具輔助，材料開發商只要設定好對應的材料測試環境，量測某幾項關鍵參數，再把資料餵回模擬工具，模擬工具就能藉由已知的資料反推出許多沒有量測，甚至難以靠量測取得的材料特性參數。這對於材料廠商發展新材料，縮短研發時程，也能帶來很大的幫助。 Commens總結稱，隨著5G時代的到來，模擬工具的使用客群一定會比以往更為廣泛。從最上游的材料、晶片供應商到中間的系統設計/整合，再到電信商的網路布建，模擬工具能幫得上忙的地方非常多。因此，未來電磁模擬工具的應用普及率，勢必將節節高升。 搶食5G商機　達梭系統不缺席 5G跟車用雷達的興起，在射頻技術領域掀起革命。由於這兩種應用所使用的頻段都比以往來得高，因此其波長均已達到毫米波水準，與以往的射頻訊號在物理特性上有著極大差異。硬體開發者為了克服毫米波所帶來的挑戰，紛紛導入新的設計架構與材料，例如將天線整合到晶片封裝，或是在PCB板上使用導波材料，但這也使得硬體設計變得更加複雜，設計開發時將面臨更多不確定性。 達梭系統(Dassult Systems) Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐(圖2)表示，目前5G主要發展頻段有二，一是6GHz以下，二是24GHz以上的毫米波頻段。這兩個頻段的天線設計各面臨新的設計挑戰。與4G比較都是更高的頻段，電磁波長更小，天線尺寸跟隨波長變得更小，小到5G天線更多是一個含晶片的模組。當然在天線結構種類上也與4G不同，5G天線需要用到相位陣列天線，這種天線還是有一些關卡要突破。 圖2　達梭系統Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐認為，高頻跟多天線共存，是未來行動裝置設計上最大的兩個考驗。 談到5G天線的設計挑戰，無論是手機還是任何5G電子設備，假設實際尺寸不變，在更高頻率條件下的電尺寸相對於4G時代產品更大。所以在毫米波28GHz頻段，天線實際尺寸和手機尺寸，甚至人體尺寸，基站尺寸，差別更大，這種尺寸上的差異對天線安裝後的整合性能分析增加相當大的難度。 除此之外，在這兩個頻段上的天線設計要求更寬的頻寬，寬頻帶才能得到高速率。單就這電尺寸和頻寬兩方面的難題來講，5G天線對電磁類比的演算法選擇就提出了挑戰。傳統的有限元頻域演算法在寬頻類比和電大尺寸的計算上會顯得更吃力，時域演算法更適合寬頻類比。所以三維模擬工具是否能夠結合時域頻域演算法，場源激勵法，高頻近似演算法，硬體加速以及支援多種天線結構的設計流程，是5G新天線設計和產品設計的關鍵。 因為5G本身就有兩個頻段的天線，智慧終端機除了5G，還要支持Wi-Fi、GPS、藍牙、3G、4G等功能，所以伴隨著多天線共存而來的干擾，以及硬體設計要如何布局等長久以來智慧終端機研發避免不了的問題，在5G時代會變得更有挑戰性。 車載系統亦為必爭之地 除了行動通訊裝置或小型基地台之外，汽車亦為模擬工具業者非常重視的市場。除了5G帶動汽車聯網風潮所創造的車載無線通訊需求之外，毫米波雷達也是促使車廠跟相關子系統供應商開始在設計流程中採用更多模擬工具的原因。事實上，毫米波雷達所使用的頻段比5G預定使用的頻段還高，最高可達77~79GHz，因此訊號衰減、散熱等問題，同樣困擾著相關業者。除此之外，車載系統的工作環境跟行動通訊設備截然不同，因此相關設計者不只需要高頻電磁場模擬工具，還需要結合其他物理模擬工具，才能準確而完整地模擬毫米波雷達在真實世界的運作狀態。 這也使得Ansys跟達梭系統等產品線涵蓋面廣，能執行多重物理模擬的工具供應商，在這個領域有相對顯著的競爭優勢。例如Ansys除了HFSS之外，還有RF和SI Option工具，可以應用在毫米波雷達設計上，同樣的，達梭除了SIMULIA CST之外，還有原本就專為汽車設計模擬所開發的CATIA。趙桐透露，CST已經開始與達梭的其他汽車設計解決方案合作、整合，不斷的推出車載系統的完整解決方案。

隨著聯網裝置與數位服務的爆炸性成長產生了巨量的資料傳輸需求，如自駕車、機器人，皆有大量的、低時間延遲的、不失真的高速傳輸需求，因此帶動了第五代行動通訊系統(5G)快速的成長，而以相位陣列技術組成之巨量天線即是達成上述需求的關鍵。但在毫米波段，5G巨量天線之相位陣列系統設計上將面臨兩個主要問題： 其一，為增加波束整合天線的隔離度以及避免柵波瓣(Grating Lobe)問題，天線之間需有一定的空間距離(如40GHz需要0.375cm的距離，3.5GHz需要4.3cm的距離)。在相同空間下選用越高的頻率，擺放的天線數量越多(以長寬皆為20cm的範圍為例：毫米波段40GHz可放約2,900根天線；3.5GHz可放約25根天線)，連帶相同面積下主被動元件需求量劇增，在毫米波段下單一天線射頻單元容許之置放空間將極為狹小。 其二，儘管可以透過波束成形(Beamforming)將電磁波能量集中在特定方向，增加訊號發射強度，有效降低訊號在高頻傳輸損耗過大的影響(可讓訊號傳更遠)，然而波束成形技術使用的天線數量與波束整合的角度成反比，在相同的傳輸距離之下(即相同的輸出功率)，使用的天線越多則目標因為波束整合的角度越小而不容易被搜索。 因此，必須提高功率放大器的線性功率來緩解此問題，使得相位陣列的天線數量可以被減少而增加波束整合的角度。綜合上述兩個議題，設計一個高線性功率、高效率及面積精簡符合5G的功率放大器是不可或缺的。 為設計能符合5G毫米波段之巨量相位陣列需求之功率放大器，其高線性功率、高整合度等特性是必要的。如圖1為5G天線射頻單元之前端高整合度IC架構示意圖，包含功率放大器、低雜訊放大器、開關及相移器等元件。 圖1　天線單位元5G 高整合積體電路示意圖 解決訊號失真　線性化技術持續精進 為了使頻譜有效地被使用，使用較為複雜的數位調變機制是必要的。然而，複雜的數位調變機制伴隨著較高的波峰及平均值比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，這會造成訊號經過高功率放大器後扭曲失真，使訊號不容易被解調。為了解決訊號失真問題，各種線性化技術如下： ．自動偏壓調整式(Adaptive Bias) 將功率放大器操作在中低功率區來維持訊號的正確性，稱為功率退回(Power Back-off, PBO)。以文獻、為例，儘管它們有著傑出的最大輸出功率，但是功率退回後之最大效率與最大輸出功率下的效率有著很大的落差。自動偏壓調整式功率放大器可以改善功率退回後，功率放大器效率不佳的情況，其機制為低功率操作時將電路偏壓在AB類放大器，可以降低靜態電流並且降低功耗，當操作功率增加時，可以調整偏壓至A類放大器使功率放大器正常操作，因此，這個技術可以增加功率放大器的整體效率。 ．訊號前授(Feed-forward) 訊號前授的技術主要是將訊號分成主路徑及副路徑，主路徑為訊號主要操作的路徑，副路徑則是用來消除主路徑的非線性訊號，像是三階交互調變項來增加線性度。適當的調整副路徑的相位即可有效消除三階交互調變訊號以增加線性度。以文獻為例，能有效消除三階交互調變失真藉由輸入反射訊號來當作副路徑的前授訊號。 ．預失真技術(Pre-distortion) 預失真技術能補償功率放大器之增益壓縮(Gain Compression)特性，使最大輸出功率提升進而提升效率及線性度。然而，預失真線性化技術實現上較為複雜，容易受製程、偏壓以及溫度(PVT)變異的影響而使特性不如預期。同時因為需占用較大面積，運用在5G毫米波相位陣列中相對困難。 ．相位補償(Amplitude Margin to Phase Margin Compensation) 為了符合面積及高線性輸出功率需求，相位補償技術是一個有效增加線性輸出功率的方法。文獻利用P-type電晶體相位增加的特性來補償N-type電晶體相位壓縮的問題，達到相位補償以增加線性輸出功率，此技術具低複雜度與占用面積小之優勢。因此，適用於高線性功率、高效率及面積精簡的5G功率放大器。 砷化鎵製程之相位補償技術 採用砷化鎵(Gallium Arsenide, GaAs)製程優點為崩潰電壓高(高電壓擺幅)及基板損耗小，有利於高功率放大器的設計。然而砷化鎵製程僅有N-type的高電子遷移率電晶體，所以上述的線性化補償技術並不適合於此製程。有鑑於此，工研院資通所提出一個適用砷化鎵製程的相位補償技術，可用於毫米波頻段的高功率放大器。 一般而言，相位失真源自於電晶體的閘極至源極的寄生電容Cgs，隨著功率放大器輸入訊號增加，會使寄生電容產生變化。當高頻訊號路徑上的電容產生變化，會使輸出訊號產生相位差異，進而導致輸入調變訊號時，輸出訊號的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)會隨之增加，造成解調訊號失真。 為了緩解此問題，工研院資通所團隊提出使用反向變化的電容元件來補償此寄生電容效應。圖2模擬砷化鎵製程電晶體操作在截止區(VGS偏壓<-1.5V)時，寄生電容Cgs隨輸入功率增加呈現反向的電容性變化，可用來補償操作在飽和區(VGS偏壓=-0.5V)的功率電晶體。又5G由圖3可觀察到電晶體尺寸變化時，寄生電容Cgs之變化與電晶體尺寸大小呈正比。因此適當調整砷化鎵製程電晶體尺寸及工作偏壓，其相位差異可以被補償進而改善EVM。 圖2　砷化鎵製程電晶體在偏壓(VGS)從-0.5變化至-2V時，寄生電容Cgs隨輸入功率的變化(電晶體尺寸為μm)。 圖3　砷化鎵製程電晶體尺寸從μm變大至μm時，寄生電容Cgs隨輸入功率的變化。 工研院資通所團隊已成功製作一示範晶片(圖4)，面積為0.7×1.2mm2，其中包含所有的電路測試接點。圖5為此晶片經電腦模擬與實際量測的小訊號參數比較圖，量測到的小訊號增益在40GHz頻率下為15.7dB。 圖6為此晶片之大訊號功率特性圖，量測到之OP1dB及PAE參數分別為17.5dBm及17%。圖7顯示在OFDM 64-QAM500 MHz的調變訊號測試下，EVM小於-25dBc之高線性度測試條件下，此晶片具有13.7dBm的最大輸出功率及7.4%之功率轉換效率。 圖4　實現之砷化鎵晶片圖 圖5　量測之小訊號參數 圖6　量測之大訊號功率特性 圖7　OFDM...

是德科技(Keysight)宣布與全球行動裝置領導廠商摩托羅拉(Motorola)合作，協助其開發首款在毫米波頻譜上運作的5G NR智慧手機。 Motorola即將推出的新款智慧手機象徵著業界的重要里程碑。藉由採用是德科技5G網路模擬解決方案建立早期5G裝置原型並進行設計驗證，Motorola 奠定其在5G領域的影響力。Motorola moto z3智慧型手機配備5G moto modTM，它充分發揮了高通Snapdragon X50數據機和5G NR毫米波技術的優勢，提供比現今無線技術更快的峰值下載速率。 本次合作使得Motorola裝置能夠符合3GPP標準規範並滿足電信客戶的需求。是德科技5G網路模擬解決方案善用UXM 5G無線測試平台的優勢，可對在6 GHz以下和毫米波頻譜上運作，跨不同協定的各種裝置進行驗證，並提供射頻(RF)、無線電資源管理(RRM)。 是德科技無線裝置解決方案副總裁Scott Bryden表示，是德科技很高興能夠在行動產業第一波5G智慧型手機發布浪潮中扮演關鍵角色，協助業者推出可在毫米波頻譜上運作的裝置。摩托羅拉等領先無線裝置製造商深知與備受肯定的5G合作夥伴合作裨益良多，可為他們提供所需的技術深度、解決方案和完整支援，進而加速並強化開發流程。 是德科技與同業在行動生態系統和業界首套5G解決方案上密切合作，使得製造商能在空中傳輸(OTA)測試環境中，驗證毫米波行動裝置，並解決波束成形和整合式射頻前端設計應用帶來的新挑戰。

目前業界在發展5G側重的焦點，主要包括強化行動頻寬，以及在中頻和高頻段頻譜運用各種波束成形技巧，來持續推升至更高的網路容量與吞吐量。另外，我們也開始觀察到像是工業自動化在內使用情境的陸續浮現，其充分發揮著5G網路架構的低傳輸延遲之優勢。 在幾年前，業界都還在爭論著行動通訊採用毫米波頻譜的可行性，以及無線電設計者眼前所面臨的各種挑戰。其中，大部分難題都很快地就被理出了頭緒，業界也迅速開發出初步的原型方案，成功地通過實地測試，如今，業界即將展開第一波5G毫米波網路的商轉。 許多初期部署都屬於固網或漫遊無線應用，但在不久的未來，我們還會看到採用毫米波頻率的真正行動連網應用。首波技術標準已制定完成，相關技術也迅速地演進，大多數學習都圍繞在毫米波系統的部署上。雖然我們已累積相當的進展，但眼前還有許多挑戰正等待著無線電設計者。本文即將為射頻元件設計者探研幾項技術挑戰。 本文分成三大主題。第一部分討論毫米波通訊的主要使用情境，以及為後續的分析預作鋪陳。第二以及第三部分則深入探討毫米波基地台系統的架構與技術。在第二部分中，探討波束成形元件，以及系統要求的傳輸功率如何影響為系統前端元件選用的技術。媒體探討的焦點大多集中在波束成形元件，然而，無線電中同樣重要的工作還包括將位元轉換成毫米波頻率的部分。文中將介紹系統中訊號鏈路的例子，供無線電設計業者參考。 5G設計開發須考量部署情境/傳播兩大因素 在開發技術階段，必須瞭解技術會如何部署。在所有工程實務上，必須做許多取捨，日後也會浮現許多額外增加的創新技術。如(圖1)所示，本文介紹兩種常見情境，包括目前使用的28GHz與39GHz頻譜。 圖1　5G毫米波部署情境 圖1a是一個定置式無線存取(FWA)使用情境，主要是在郊區環境住家提供高頻寬資料傳輸。在這樣的情境中，基地台設於電線桿或電塔，其訊號必須覆蓋大面積的範圍才能支撐網路商轉的需要。在初期部署階段，我們設定覆蓋範圍為戶外到戶外，其中客戶端設備(CPE)裝設在戶外，並進行妥善規畫以確保最佳的空中傳輸(Over-the-air)連結。由於天線指向朝下且用戶位置固定，因此不需要太大的垂直掃瞄(Vertical Steering)範圍，但傳輸功率必須夠高，必須超過65dBm EIRP以達到最大的覆蓋率，以及能利用現有的基礎設施。 圖1b顯示一個高密度都會情境，其中基地台設置於低於建築物屋頂地板處或牆面，日後還可能設置在街燈或其他街道設施上。不論設置在何處，這類基地台都需要垂直掃瞄能力，其訊號才能覆蓋到整棟建築物，以及日後發展出的新型行動裝置時還能覆蓋到行動或街道上的漫遊使用者(行人與車輛)。 在這種情境中，傳輸功率不必像郊區那麼高，不過隔熱用的低幅射玻璃(Low E Glass)可能影響戶外到室內的訊號穿透。如圖所示，在波束掃瞄距離方面需要更多的彈性，包括水平與垂直方向。這裡的重點在於業界目前還沒發展出一體通用的解決方案。由部署情境來決定波束成形架構，而架構則會影響選用的射頻技術。 這裡介紹一個實際例子，我們用一個簡單的鏈路預算來說明毫米波基地台的傳輸功率需求，如表1所示。相較於手機網路頻率，傳統的路徑耗損成為毫米波頻率必須克服的一大挑戰，而另外一項必須考慮的因素則是障礙物(建築物、樹葉、人等)。近年來，各界對毫米波頻率的傳播進行眾多的研究，其中一個例子就是「第5代(5G)無線網路毫米波通訊概述：探討各種傳輸模式。 文中討論與比較許多模式，並詳列它們與環境中路徑耗損的相關性，以及比較可直視性(LOS)情境與非直視性(NLOS)。這裡本文並不詳加探討，整體來說，考量要達到的傳輸距離與地形地物等因素後，定置式無線部署系統應考量NLOS情境。在本文的例子中，考量設置在郊區環境的基地台，其目標是要達成200公尺的傳輸距離。本文設定在NLOS戶外對戶外鏈路的基礎上，路徑耗損為135dB；若我們嘗試讓訊號從戶外穿越障礙物傳到室內，那麼路徑耗損可能最多增加30dB，如果採用LOS模式，則路徑耗損可能達到110dB左右。 在這個例子中，設定基地台有256個天線模組(Element)，而客戶端設備則有64個。在兩種設備中，都可透過矽晶片達到要求的輸出功率。鏈路屬於非對稱式，可稍微紓解上鏈預算的壓力。在這個例子中，平均鏈路品質允許下鏈進行64 QAM調變，上鏈則為16QAM。在有需要時，在不超過主管機關的規範下，提高CPE的傳輸功率即可改進上鏈的效能。若是將鏈路傳輸距離延長到500公尺，路徑耗損就會增加約150dB，雖然這可收到加倍的效果，但這麼做不僅讓上鏈與下鏈的無線電變得更複雜，功耗也會大幅增加。 毫米波波束成形方式多樣須全面考量 文中考量各種波束成形的方式：類比、數位，以及混合，如圖2所示。大家都熟悉類比波束成形的概念，近幾年來大量技術文章都討論過這方面的議題。目前許多資料轉換器能在數位、寬頻基頻、或中頻(IF)等格式的訊號來回轉譯，還可連結無線電收發器，執行升頻轉換與降頻轉換等程序。 圖2　波束成形的各種途徑 在射頻方面(像是28GHz)，我們把射頻路徑分成數個路徑，並藉由控制每個路徑的相位來執行波束成形，使得遠方的波束朝著目標使用者所處的方位生成。這種作法讓特定波束能對每個資料路徑進行導向(Steer)，因此理論上，在這種架構中同一時間只能服務一位使用者。 反觀數位波束成形器正如其名，其相移(Phase Shift)功能完全建置在數位電路，之後透過收發器陣列傳送到天線陣列。簡單的說，每個無線電收發器連結到一個天線模組(Element)，但實際上，依據目標分段形狀的不同，每個無線電可能會連結到多個天線。 數位方法除了能達到最高的容量與彈性之外，日後還能升級，以利用毫米波頻率支援多使用者MIMO，這類似中頻波段系統。由於其複雜度極高，因此在使用現有的技術下，包括射頻與數位電路都會耗用大量的直流電力。然而，隨著未來技術的不斷演進，數位波束成形技術將逐漸運用在各種毫米波無線電中。 就近期而言，最務實且有效的波束成形方法當屬混合式數位至類比波束成形器，它基本上結合數位預編碼(Precoding)以及類比波束成形，在一個空間內同時構成多個波束(空間多工)。透過窄波束將訊號導向目標使用者，基地台可藉此重複利用相同頻譜，在一個時槽內同時服務超過一位使用者。 在許多技術文獻中提及許多不同的混合波束成形器運行方法，不過本文介紹的次陣列(Subarray)方法是最廣泛建置的一種，它基本上是一種分步重複處理(Step and Repeat)的類比波束成形器。目前的系統在實務上能支援2至8個數位串流，可用來同時支援多位使用者，或是為數量較少的使用者提供2個或更多層的MIMO。 這裡，我們將稍微深入探討一下類比波束成形器的技術選擇，圖3顯示建構混合式波束成形器採用的元件。將類比式波束成形系統分成三個模組：數位、位元至毫米波，以及波束成形器。實際的系統並不會真的以這種方式進行分割，亦不會把所有毫米波元件配置在相近的位置以減少損耗，但從後面的說明，就可以很容易地瞭解為何要這樣區分。 圖3　類比波束成形系統模組圖 有多項因素驅動波束成形器功能，其中包括分段(Segment)形狀與傳輸距離、功率、路徑耗損、發熱限制等，隨著業界逐漸學習與成熟，各界都體認到毫米波系統在這方面需要一定程度的彈性。日後包括從小型到大型基地台等各種部署情境將需要達到各種不同的傳輸功率。 另一方面，基地台的位元到毫米波無線電要求的彈性就低了許多，大致上從目前的Release 15規範衍生而來。設計者可重複使用相同的無線電元件搭配各種波束成形器組態。這點和目前的手機網路無線電系統沒有差別，手機網路的小型訊號分段(Section)大多能跨平台，而前端元件則是針對每種使用情境量身設計。 從訊號鏈路中的數位轉移到天線，我們一路描述了各種可能技術的演進。數位與混合訊號元件都是採用細線(Fine Line)量產型CMOS製程生產。依據基地台的需求，整個訊號鏈路可能利用CMOS技術進行研發，或更有可能混用多種技術，為訊號鏈提供最佳的效能。 舉例來說，使用組態來採用CMOS資料轉換器搭配高效能矽鍺BiCMOS中頻至毫米波轉換元件。其中，波束成形器可視系統需求採用多種技術，這點在後面會討論。根據選用的天線尺寸以及傳輸功率的需求，可能建置成高整合度晶片，或是結合波束成形晶片與分立式功率放大器與低雜訊放大器(LNA)。 先前，我們分析了傳輸器功率以及選用技術之間的關係，而在此處將要更深入討論，圖4已歸納出分析的結論。功率放大器技術的選擇是統合考量要求的傳輸功率、天線的增益(天線模組的數量)，以及選用技術產生射頻功率的能力。 圖4　60dBm EIRP功率天線的傳輸功率、天線尺寸以及選用半導體技術之間的關係 如圖所示，可利用III-V族元素製成的前端元件(低整合度)，做成數量較少的天線模組；或是使用矽晶片的高整合度方法來達到要求的EIRP功率。兩種方法各有其優缺點，務實的作法是在尺寸、重量、直流功耗，以及成本等因素之間進行取捨。 表1的例子為要達到60dBm的EIRP功率，所需的分析方法如「5G毫米波無線電架構與技術」所述，該文指出最佳的天線尺寸在128至256個模組之間，採用砷化鎵功率放大器可以減少天線模組數，若採用全矽型波束成形器射頻IC技術，天線模組數量就會比較多。 接著從不同角度來討論問題。固定無線接取(FWA)的EIRP目標通常為60dBm，但根據基地台要求的傳輸距離以及周圍環境，這個目標值會更高或更低。由於部署情境變異甚大，可能是遍布樹木、高樓大廈，或是開闊空地等截然不同的環境，因此，其路徑耗損的落差範圍會變得極大。舉例來說，在可直視性(LOS)的高密度都會部署環境，EIRP目標可能低到只有50dBm。 美國聯邦通訊委員會(FCC)針對不同類別設備的傳輸功率極限做出明確的定義與規範，這裡我們所參照的是3GPP之基地台技術詞彙。如圖5所示，設備的類別或多或少決定了功率放大器所選用的技術。我們觀察到行動用戶設備(手機)較適合採用CMOS技術，天線數量相對較少，但仍能達到要求的傳輸功率。這類無線電必須是高度整合且具功率效率，才能滿足可攜式設備的各項要求。本地端基地台(小型基地台)以及消費型用戶端設備(可移動式電池供電)其要求類似，從較低傳輸功率要求採用的CMOS，一直涵蓋到較高階產品採用的矽鍺BiCMOS技術。 圖5　根據傳輸器的功率，各種毫米波無線電適合採用的技術 中階基地台一般適合採用矽鍺BiCMOS技術，藉以縮小產品體積。在高階部分的廣域網路基地台，可選用的技術甚多，主要在天線尺寸與技術成本之間做取捨。矽鍺BiCMOS的EIRP範圍大多在60dBm左右，而砷化鎵或氮化鎵功率放大器則較適合更高功率的產品。 圖5顯示的是現有的技術，不過業界至今累積相當的進展，且日後技術也會持續改進。正如「5G毫米波無線電的架構與技術」所述，設計者面臨的其中一項關鍵挑戰就是改進毫米波功率放大器的直流功率效率。 隨著各種新技術與功率放大器架構陸續浮現，上圖的曲線將會偏移，業界也會針對高功率基地台開發出整合度更高的架構。在「近期高效率釐米波5G線性功率放大器設計」中就對功率放大器技術的發展有詳盡的介紹。總結波束成形的發展，目前還沒有一體通用的方案，因此業者必須設計不同的前端元件來因應小型到大型基地台的不同使用情境。 頻寬為毫米波無線電主要挑戰 這裡我們要詳細討論位元至毫米波無線電，以及介紹系統這部分所面臨的挑戰。系統必須以高傳真度將位元轉譯成毫米波訊號，然後再把訊號還原成位元格式的資料，如此才能支援像64QAM這類較高階的調變技巧，甚至是未來系統採用的256 QAM。 這些新無線電面臨的其中一項主要挑戰就是頻寬。5G毫米波無線電元件必須處理1GHz的頻寬，或甚至更高，端視實際頻譜配置的狀況而定。對比28GHz的1GHz相對來說是較低(3.5%)的頻寬，但若是對比像3GHz的中頻，在設計上挑戰性就更高，需要用到一些尖端技術才能做出高效能的設計。 圖6顯示一個高效能位元至毫米波無線電的模組圖，該元件採用Analog Devices的板卡射頻以及混合訊號產品系列。圖中顯示的訊號鏈路能在28GHz支援8個100MHz NR連續載波，並達到優異的誤差向量幅度(EVM)效能。 圖6　寬頻位元至毫米波無線電的模組圖 接著，我們來看資料轉換器。在圖6所示的例子中，運用直接高中頻傳輸器以及高中頻接收器取樣，其中多個資料中心在中頻上發送一接收訊號。若中頻必須達到合理的高頻率以避免在射頻元件上執行映像濾波，那麼中頻的頻率就必須調至3GHz，甚至更高。 幸運的是，許多尖端資料轉換器都能在這樣的高頻率下運作，例如ADI旗下產品AD9172。這款高效能雙元件組態16位元DAC能支援到12.6 GSPS的取樣率；並具備一個8通道15Gbps JESD204B的資料輸入埠，以及一個高效能晶片內建DAC倍頻器及各種數位訊號處理功能，其可支援寬頻與多頻訊號直接轉換至射頻訊號，最高能產生6GHz的訊號。 至於在接收器方面，本文以ADI旗下的AD9208雙元件為例，該產品為組態14位元的3 GSPS ADC。這款元件擁有晶片內建緩衝區，以及一個取樣與保存電路，設計用來支援低功率、小尺寸及易用等特色，用來支援各種通訊應用，能直接取樣高頻寬的類比訊號，最高支援到5GHz。在傳送與接收中頻方面，則建議採用數位增益放大器，能在單模與平衡模式之間來回轉換，省去使用換衡器(Balun)。 另外在中頻與毫米波之間進行升頻與降頻轉換方面，則是以ADI旗下的矽質寬頻升頻器ADMV1013，以及降頻器 ADMV1014為例。這些寬頻轉換元件能在24.5GHz至43.5GHz的頻率下運作。極寬的頻率覆蓋率讓設計者只須利用一套若是建置成單一邊頻轉換，如圖6所示，元件能提供25dB的邊頻抑制能力。ADMV1014除了能從射頻轉換成基頻I/Q，還能從映像拒斥降頻轉換至中頻。其提供20dB的轉換增益，雜訊指數為3.5 dB，輸入IP3為–4dBm。映像拒斥模式下的邊頻抑制為28dB。 射頻鏈的最後元件為ADRF5020寬頻矽質SPDT切換器。ADRF5020除了提供2dB的低插入耗損，還能在30GHz下達到60dB的高隔離效果。最後，讓我們來討論頻率來源。由於本地振盪器可能是EVM預算的主要項目，因此在毫米波本地振盪器的產生方面，採用的來源必須具備極低的相位雜訊。 ADF4372是一款寬頻微波合成器，擁有整合式PLL以及超低相位雜訊VCO，能輸出62.5MHz至16GHz的訊號。它能用來建置分數倍分頻(Fractional-N)或整數倍分頻(Integer-N)鎖相迴路(PLL)頻率合成器，搭配外部迴路濾波器以及一個外部參考頻率。8GHz下的VCO相位雜訊相當可觀。在-111dBc/Hz有100kHz的偏移，而在-134dBc/Hz則有1MHz的偏移。圖6顯示的模組圖是一個很好的起點，在28GHz與39GHz頻帶的毫米波設計提供參考，並適合用在各種要求高效能寬頻無線電的波束成形前端元件。 毫米波無線電近幾年來已獲得了長足的進展，從實驗室轉至實地測試，許多項商業部署即將在未來幾個月陸續進行。持續演化的生態體系以及新浮現的使用情境，促使波束成形前端元件必須具備一定的彈性，如先前所述，在天線設計方面有多種適合的技術與方法可供選擇。 無線電的寬頻特性(位元至毫米波)需要運用尖端技術，不過矽晶技術經過快速演化後，也已能滿足混合訊號以及小傳訊範圍(Small Signal Domains)方面的要求。另外，業界也已可運用現成的元件製作出一款高效能無線電設計成品範例。 (本文作者為ADI無線技術總監)

5G發展動能將在2019年迎接新的高峰，無論是通訊晶片廠、電信商；或是希冀利用5G技術實現創新應用的各垂直領域業者，無不加緊腳步投入研發與部署工作。然而，5G的傳輸速率、覆蓋範圍及網路密度效能規格，比4G技術大幅躍升，且將運用到過去行動通訊領域較少碰觸的毫米波(mmWave)頻段，因而引發許多射頻系統與天線設計挑戰。 對此，工研院資通所工程師郭芳銚(圖1)表示，5G時代逐漸到來，而產業之所以會積極推動5G，最主要原因在於原本3G、4G的使用頻譜已經十分擁擠，要再找出更大的頻寬因應未來大量資料傳輸、因應創新應用已不太可能，因此產業紛紛往5G毫米波頻段發展。 圖1　工研院資通所工程師郭芳銚表示，3G、4G的使用頻譜已經十分擁擠，無法負荷更多資料傳輸或創新應用，產業因而積極朝5G發展。 不過，雖說毫米波有著足夠的頻寬可因應未來資訊傳輸需求，但其主要缺點便是波長較短，若要進行遠距離無線傳輸，會面臨到高路徑損失和高傳輸損耗問題。舉例來說，3Gpbs和30Gbps的傳輸速度相比，其損耗就相差了20dB，而要補足這20dB的損耗，在天線設計上，究竟是要靠功率放大器(PA)或是天線本身補足，是一大考量。 若採用PA補足，會面臨到輸出功率大增，例如輸出功率從原本的1瓦(1W)大幅提升至100W；若10W的話就會變成1,000瓦，因而提升設計成本。為此，目前多採用相位陣列天線的設計方式，搭配波束成形，克服上述挑戰。 總而言之，為實現5G標準所設定的技術性能目標，新技術的引進勢在必行，包括Massive MIMO，以及新的波形調變，但這些新技術不僅實作難度極高，亦將造成5G射頻系統變得更複雜。因此，如何在兼顧成本、尺寸與能源效率的前提下，實現高性能5G通訊系統，遂成為當今業界最迫切要解決的課題；因應此一趨勢，相關量測、模擬解決方案也紛紛出爐。 實現高效5G前端設計模擬工具扮要角 為實現5G標準所設定的技術性能目標，新技術的引進勢在必行，以打造更高效能的射頻系統。安矽思(ANSYS)資深應用工程師吳俊昆(圖2)指出，5G有望在2019開始蓬勃發展；不過，進入5G時代後，許多關於毫米波的應用和技術也應運而生，因而會出現眾多新挑戰。 圖2　安矽思資深應用工程師吳俊昆指出，5G有望在2019開始蓬勃發展，但須先克服毫米波技術挑戰。 像是需要較小的物理尺寸、較短的波長及更高的設計靈敏度；更多新的材料需進行測試；頻率越高帶來越多的損耗，因此必須有效避免；以及溫度影響變得越來越顯著，像是由於熱漲冷縮影響，有可能出現中午能夠收到5G訊號，但到夜晚卻無法的情形，這些都是邁入5G毫米波設計時需要面臨的挑戰。 國家儀器(NI)大中華暨東南亞區域技術經理連俊憲(圖3)說明，5G潛在商機十分龐大，像是車聯網、智慧路燈、智慧城市等應用未來都將以5G為基礎；然而，要實現這些應用，重點在於5G元件的設計須符合3GPP等標準組織所訂出的規範，帶給消費者良好的使用體驗。 圖3　國家儀器大中華暨東南亞區域技術經理連俊憲說明，5G潛在商機十分龐大，但隨之而來的技術挑戰也不少。 連俊憲進一步說明，不過，6GHz以上的5G毫米波應用，最主要的挑戰便是損耗，而要補足損耗，實現5G應用，前端須添加更多濾波器、功率放大器等，不僅會帶來更多的設計挑戰，也勢將會增加設計成本和時間，這是目前5G射頻系統(RF和毫米波)須解決的困境。 因此，要克服上述挑戰，進而設計出能因應高頻應用的5G射頻系統，於實體設計時便需要有完善的模擬工具從旁輔助，以便先行驗證。為此，安矽思和國家儀器都備有相關模擬方案，進而簡化設計難度與成本。 例如安矽思旗下的ANSYS HFSS軟體，提供三維全波精度的模擬技術，從而實現RF和高速設計，透過高級電磁場求解器和高效諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態連結，進而加快反覆運算和物理原型製作的時程，滿足工程團隊於天線、RF微波元件、高速互連、連接器、IC封裝和PCB等設計需求。 至於NI則是備有Visual System Simulator，Visual System Simulator(VSS)，為當今複雜的通訊系統提供了一個完整的軟體設計環境。該產品使工程師們能夠在通訊設計中為每個底層元件設計合適的系統架構，制定適當的規範。與AWR的旗艦射頻/微波設計套件Microwave Office一樣，VSS也建立在AWR獨特的統一資料模型之上，實現了系統和電路的協同模擬。 5G測試方案齊出　       滿足射頻系統設計 5G商用全面啟動，為打造更高效能的射頻系統，除了需模擬工具從旁輔助外，量測驗證也是設計過程中不可或缺的要素。安立知(Anritsu)業務暨技術支援部門資深應用工程師李冠佑(圖4)表示，目前5G應用共分三個面向，分別為增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)將針對大流量行動寬頻；大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)將針對物聯網應用；而超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)涵蓋了車聯網、智慧醫療等對於低延遲具有高要求的特殊應用。目前在第一階段的規範確定了之後，產業開始積極布局eMBB，期能讓消費者立刻感受到5G的特別之處。 圖4　安立知業務暨技術支援部門資深應用工程師李冠佑(圖右)表示，目前5G共分為eMBB、mMTC和URLLC三個發展方向。圖左為安立知軟體技術部門經理吳錫坤。 邁科立(Microlease)東亞區產品經理鄭聯泉(圖5)則說明，大眾對於5G的期望包含更快的速度、更好的使用體驗與更佳的應用服務；更多行動數據的傳輸、連接；以及更低的延遲。然而，上述提到，5G毫米波設計最大的挑戰在於克服損耗，因而增加設計複雜度，如此一來在量測驗證上也出現了新的需求。像是對於測試設備的頻率要求更高，以及Massive MIMO的測量通道增加等。為此，量測儀器業者針對5G測試需求，旗下的解決方案也不斷推陳出新。 圖5　邁科立東亞區產品經理鄭聯泉透露，更快的速度、更好的體驗和更佳應用，是大眾對於未來5G的期望。 例如安立知便推出全新支援5G產品開發的無線通訊綜合測試平台「MT8000A」，此款多功能的全新桌上型儀器設計採用先進架構，內建支援超快速寬頻5G通訊所要求的寬頻訊號處理與波束成形技術，可支援sub-6GHz與毫米波頻段的RF與協議測試。 鄭聯泉則表示，邁科立的商業模式為量測儀器租賃，因此針對目前5G所需的測試需求，該公司可以提供各種不同的解決方案，像是羅德史瓦茲的FSW Signal &...

為實現5G標準所設定的技術性能目標，新技術的引進勢在必行，以打造更高效能的射頻系統。對此，安矽思(ANSYS)資深應用工程師吳俊昆指出，5G有望在2019開始蓬勃發展；不過，進入5G時代後，許多關於毫米波的應用和技術也應運而生，因而會出現眾多新挑戰。 像是需要較小的物理尺寸、較短的波長及更高的設計靈敏度；更多新的材料需進行測試；頻率越高帶來越多的損耗，因此必須有效避免；以及溫度影響變得越來越顯著，像是由於熱漲冷縮影響，有可能出現中午能夠收到5G訊號，但到夜晚卻無法等狀況，這些都是邁入5G毫米波設計時需要面臨的挑戰。 國家儀器(NI)大中華暨東南亞區域技術經理連俊憲則表示，5G潛在商機十分龐大，像是車聯網、智慧路燈、智慧城市等應用都未來都將以5G為基礎；然而，要實現這些應用，重點在於5G元件的設計須符合3GPP等標準組織所訂出的規範，帶給消費者良好的使用體驗。 連俊憲進一步說明，不過，6GHz以上的5G毫米波應用，最主要的挑戰便是損耗，而要補足損耗，實現5G應用，前端須添加更多濾波器、功率放大器等，不僅會帶來更多的設計挑戰，也勢將會增加設計成本和時間。因此，這是目前5G射頻系統(RF和毫米波)須解決的困境。 因此，要克服上述挑戰，設計出能因應高頻應用的5G射頻系統，於實體設計時便需要有完善的模擬工具從旁輔助，以便先行驗證。為此，安矽思和國家儀器都備有相關模擬方案，進而簡化設計難度與成本。 例如安矽思旗下的ANSYS HFSS軟體，目的在計算各種各樣的微波、RF和高速數位化等問題。該產品提供三維全波精度的模擬技術，從而實現 RF和高速設計，透過高級電磁場求解器和高效諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態連結，進而加快反覆運算和物理原型製作的時程，滿足工程團隊於天線、RF微波元件、高速互連、連接器、IC封裝和 PCB等設計需求。 至於NI則是提供Visual System Simulator，Visual System Simulator(VSS)，為當今複雜的通訊系統提供了一個完整的軟體設計環境。該產品使工程師們能夠在通訊設計中為每個底層元件設計合適的系統架構，制定適當的規範。與AWR的旗艦射頻/微波設計套件Microwave Office一樣，VSS也建立在AWR獨特的統一資料模型之上，實現了系統和電路的協同模擬。