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全矽晶毫米波天線陣列加速5G應用的實現

  • 李佳玲

5G時代已經來臨,由於具備更高的傳輸容量、較低延遲、以及可提供更多樣服務的能力,毫米波(mmW)頻譜正獲得電信與衛星網路業者的採用,透過倍增的資料傳輸速度,將推動全新使用案例的興起,同時也將使主動mmW天線在未來數年內以前所未有的數量獲得廣泛的部署。

與早期軍事用相控陣列天線採用的離散式元器件所作的收發器模組不同,現在,多通道矽晶束波成形(beam forming) IC已被視為能夠降低陣列天線成本,並實現商業化相控陣列天線的重要關鍵。憑藉著結合高效能矽晶製程以及先進的類比與數位設計,全矽晶mmW天線陣列將能加速各種5G應用的實現,讓5G無所不在成為可能。

5G將帶動許多新的使用案例

圖1:ZERO-CAL技術可顯著提升天線增益

電信業者展開部署 mmW市場成長可期

無線電通訊系統的爆炸性成長,已使頻譜成為稀有的珍貴資源。對於更多頻寬的需求,已使700 MHz到5.8 GHz的頻段趨於飽和,要滿足未來更高的頻寬需求,只能朝更高頻段發展 ─ 亦即15~70GHz的毫米波。

在美國,Verizon已在四個主要城市推出固定無線存取(FWA)服務「5G Home」。AT&T亦計畫在今年於美國19個城市推出5G服務。該公司日前宣布,已在十多個城市開啟5G行動網路,可透過可攜式熱點來連結。此外,T-Mobile宣布,已與OEM製造商簽署數十億美元的協議,將於今年展開5G部署。這些都只是開始,由於能夠增加十倍以上的資料傳輸率,還有更多的使用案例將一一浮現,例如高功率gNodeB 天線、固定無線存取(FWA)、小型基地台存取裝置、室內/室外CPE(用戶端設備)。此外,汽車也將是5G廣泛應用的重要使用案例。

與此同時,技術進展是另外一個重要的推動力量。現在,業界已經能夠開發出遠比傳統系統更輕量的平面式相控陣列天線,也使毫米波能夠突破傳統的航太與國防市場,創造可觀的商機。更輕、更精巧的陣列天線意味著,雷達能被更容易、更具成本效益地部署,並帶動新應用的成長。

mmW主動天線設計的主要考量
5G NR的開始部署,將為科技產業的下一個十年展開新頁。為了讓眾所期待的5G市場能實現其龐大潛能,OEM業者和包括Anokiwave在內的RF元件供應商不僅應克服技術挑戰,更應考慮經濟因素,才能確保5G的成功。

主動天線空中介面便是須兼顧技術與經濟因素的一個例子,因為鏈結效能會決定使用者體驗與服務品質。除了須考慮天線的效能,如靈敏度與輻射功率之外,效率也是關鍵,因為過多的功耗不僅會使營運成本增加,還會增加系統的尺寸與重量、降低可靠度,為裝置部署帶來更多的限制,這些都會使增加電信業者的整體擁有成本(TCO)。

此外,隨著業界加速推動主動天線的商業化進展,如何降低成本便也成為重要議題。Anokiwave的目標是開發最具成本效益的天線陣列,以協助業者改善其整體擁有成本。舉例來說,我們開發的ZERO-CAL技術,能夠免除天線陣列校正,以及昂貴、不必要的工廠測試,還能提升效能的可預測性。圖1所示為利用ZERO-CAL技術改善旁辦電平(sidelobe level)的實例,可以看出,它帶來的效能提升是非常顯著的。

同時,為了降低電信業者的網路營運成本(OPEX),讓5G NR服務順利推行,Anokiwave正積極解決系統的功率需求問題。利用矽晶製程優異的整合能力,Anokiwave在mmW IC中嵌入了省電功能,能顯著降低天線的運作功耗。我們相信,利用Anokiwave的KINETIC-GREEN功能,將能節省高達33%的整體電力。

Anokiwave最新的第三代5G矽晶IC系列產品還增加了新的增強功能,不僅能輕鬆遵循3GPP要求的先進效能,而且功能強大的主動天線能縮小至手掌的大小。透過採用12吋晶圓矽晶製程,我們將在兩年內降低90%的成本結構,使5G基地台能像Wi-Fi存取裝置一樣地普及。

總結

mmW矽晶IC已正式商業化,並進入量產。對於5G可望帶動的各種新興使用案例來說,採用全矽晶、高效率、平面天線陣列將是必然的發展趨勢,而且此技術早已超越了概念驗證與學術研究,邁向實際應用。

未來幾年,全矽晶mmW IC將成為大量生產的商品。我們預期,到2020年,mmW主動天線技術將無所不在,網路營運商、OEM業者、以及終端裝置製造商都將廣泛採用。結合低成本矽晶製程、嵌入式ZERO-CAL和KINETIC-GREEN功能、遠端監控,以及持續推升更高的功率效率,Anokiwave正引領天線陣列的成本與技術改良,為5G應用的成功奠定基礎。

上述毫米波主動天線技術的進一步介紹,4月10日舉辦Anokiwave「5G毫米波陣列天線設計技術研討會」,Anokiwave專家將揭曉領先業界5G毫米波陣列天線設計技術。對於台灣所有網通業者,包括路由器、基地台和終端行動裝置製造商,以及電信業者來說,蓄勢待發的5G商機絕對不容錯過。活動報名請至Anokiwave活動官網查詢。(本文由Anokiwave提供,李佳玲整理報導)