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Anokiwave揭示5G毫米波陣列天線設計的技術關鍵

  • 李佳玲

Anokiwave日前舉辦的「5G毫米波陣列天線設計技術研討會」,會中揭示5G毫米波陣列天線設計的技術關鍵,現場吸引超過三百位產業學員共襄盛舉,獲得熱烈回響。

隨著5G時代的來臨,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)頻譜已獲得了超乎預期的加速部署。為了實現全新的使用案例與大規模應用,mmW陣列天線的設計將扮演著至關重要的角色。

在日前由Anokiwave舉辦的「5G毫米波陣列天線設計技術研討會」中,除了詳細說明Anokiwave的天線解決方案與設計技術,以及最新mmW服務部署可望帶動的CPE(用戶端設備)商機之外,還邀請到合作夥伴分享其開發經驗與成果,獲得了現場學員的熱烈回響。

Anokiwave亞太區銷售總監Alan Chang

Anokiwave首席系統架構師David Corman

Anokiwave應用工程經理Assaf Toledano

Ball太公司先進系統資深經理Bryce Unruh

耀登科技技術長周瑞宏

工研院資通所副組長陳文江

專注於矽晶mmW天線晶片開發 

Anokiwave亞太區銷售總監Alan Chang在開場致詞時表示,成立於1999年的Anokiwave原是一間專精於mmW技術的設計服務公司,擁有豐富的mmW技術經驗。有鑑於市場漸趨成熟,於7年前轉型為產品公司,以為相控陣列天線提供全矽晶mmW IC產品。公司總部位於美國聖地牙哥,並已在波士頓、奧斯汀、英國和台灣設有據點。

他強調,Anokiwave是市場上唯一一家可為24/26/28/37/39 GHz等所有mmW頻段提供完整毫米波天線解決方案的業者,該公司的第二代產品已進入量產,並於日前推出效能更佳的第三代產品。

自2018年底Verizon和AT&T分別在美國推出5G mmW服務之後,龐大的投入資金充分展現出兩家電信業者大規模落實mmW應用的決心,將能為FWA(固定無線存取)的相關裝置帶來可觀商機,這也是台灣業者的絕佳機會。

Alan Chang指出,未來5G mmW服務將會像Wi-Fi熱點一樣的普及,可以想見CPE市場的龐大需求。Anokiwave將以完備的產品組合協助業者掌握商機,而且Anokiwave的26/28/39 GHz晶片產品均是接腳相容,業者能夠以相同的電路圖設計,僅需更換晶片,便能開發出適用於日本、美國、中國大陸、歐洲等不同頻段的產品,加速上市時程。

主動陣列天線介紹

Anokiwave首席系統架構師David Corman表示,根據定義,主動天線,亦稱為相控陣列天線是由多個靜態的天線單元所組成,其中每個單元都利用不同的相位或時間延遲控制器,來掃描空間中特定角度的束波。因此,主動天線是利用電子掃描,不需要傳統馬達移動天線方向的方式來對準目標物,而束波操控(steering)便是靠安裝在天線輻射單元中的晶片來執行。此外,在mmW頻段,由於波長短,容易受到阻擋物干擾,束波成形更顯重要。

因此,主動天線具備了多項優勢,包括:沒有移動元件,可靠性較高;可實現快速束波操控;具擴充性以符合所需的EIRP(有效全向輻射功率)。此外,由於mmW頻段的波長較短,可讓許多天線單元放置在小巧、高度指向性的孔隙(aperture)中,以抵銷mmW的高路徑損失。同時,它還具備軟失效(soft failure)機制,如果部分天線單元故障,整體系統仍能正常運作。對5G mmW來說,高頻寬、高容量是其重要的訴求,而指向性束波可實現頻譜的空間重複使用,提升系統傳輸容量。

雖然mmW主動天線有許多優點,但設計時有許多挑戰需克服。首先,由於波長較短,使得天線單元的間距,亦即半個波長,也變得很小。舉例來說,在Ku頻段(15GHz)的間隔為10mm,但到28GHz與38GHz頻段,將分別縮小至5.4mm和3.9mm。

因此,在開發mmW頻段用的平面天線時,只能採用高度整合的矽晶ASIC才能滿足這麼小的天線單元間距需求,以把所有相關的主動天線功能,包括發射器、接收器、相位/增益控制整合在單一晶片中,砷化鎵等三五族晶片的整合度是無法滿足此需求的。

矽晶天線晶片的優勢

Anokiwave已開發了完備的矽晶mmW天線晶片產品。矽晶製造的最顯著優勢在於,可實現低成本的大量生產,而且整合度高,能把類比和數位電路整合在單一晶片中,而且每顆晶片可支援多個輻射單元,以實現多個RF通道。

同時,由於IC的尺寸小,可直接放在天線單元背面,這意味著最低的饋入損失,除了能帶來最佳的發射功率效率與接收噪音因素(NF)之外,還可實現AZ和EL方位的2D束波操控。此外,矽晶天線晶片能以單一正電壓操作,與三五族晶片不同,系統設計較為簡單。

Anokiwave的晶圓代工夥伴是GlobalFoundries,採用12吋晶圓製造,產品已進入量產。公司已在日前發表首款第三代mmW 5G IC系列產品,這是一款28 GHz四通道IC,可作為雙極化四通道束波成形IC,或是單極化8通道束波成形IC。Anokiwave將針對每一個頻段建構完整的產品組合,今年稍晚,第三代的24/39/42 GHz產品即將就緒。全系列產品均具備擴充性,能以相同的架構,符合從大型基地台(macrocell)、小型基地台(small cell)等基礎建設到,到CPE的設計需求。

mmW 5G市場區隔與CPE設計需求

David Corman介紹說,mmW 5G市場包括大型基地台、小型基地台、戶外CPE、室內CPE、以及行動熱點等多項產品。其中,大型基地台和 小型基地台要求較高的EIPR,50 dBmi以上,並具備64~256個天線單元,須採用適合戶外環境的強固型設計,通常是由服務供應商擁有並維護的。

至於消費性市場的產品則有戶外CPE、室內CPE、以及行動熱點,它們要求的EIPR約43 dBmi,具16~64個天線單元,功率約25W。他強調,採用Anokiwave最新的第三代產品,可開發出最佳的CPE設計,比目前市場上三星CPE裝置公布的36 dBmi效能更佳。

由於電信業者積極推動FWA服務,可望帶動龐大的CPE裝置需求。針對無散熱片的室內CPE,其市場規模約千萬台,價格在100~200美元,而需採散熱片設計的戶外CPE,市場規模約數百萬台,鎖定高階消費市場,價格為500~1,000美元。

就CPE的設計需求來看,首先其直流電源需能透過乙太網路供電(PoE),功率最大為25W,其中假設有50%會用來執行束波操控功能;發射EIRP 應接近或超過40dBmi,接收NF應較低;AZ與EL的掃描角度分別為正負60度與20度。至於成本,當然應盡量降低,所以需要採用簡單、最少數量的IC元件,能夠大量製造,尺寸則是要求精巧緊湊。

基於這樣的設計需求,David Corman表示,與擁有堅強電子製造實力的台灣業者合作至關重要。在美國,5G CPE市場有超過3,000萬台的商機,亞洲和歐洲則超過一億台。Anokiwave除了具備完整的mmW主動天線IC解決方案,還能提供包括系統級分析、應用支援與PCB指引的緊密客戶支援。結合Anokiwave的技術方案與台灣的製造實力,將能加速5G mmW應用的實現。

合作開發 實現最佳化的陣列設計

Anokiwave應用工程經理Assaf Toledano亦指出,在設計CPE產品時,除了考慮晶片之外,系統效能的需求也非常重要。Anokiwave已開發多款晶片方案,並了解市場需求,能以最佳的設計方案來滿足客戶需求。

例如,在其最新的第三代天線晶片中,提供了多項增強功能,包括降低直流功率、噪音因素,並增加雙極化以及ZERO-CAL(零校正)功能,使其非常適用於CPE開發。同時,Anokiwave是唯一可提供24/26/28/37/39全頻段晶片方案的業者,這些晶片均為接腳相容,業者無須重新設計,便能開發出適用於不同市場的產品。

針對ZERO-CAL技術,Assaf Toledano表示,它能夠免除天線陣列校正,以及昂貴、不必要的工廠測試,而且能夠改善旁辦電平(sidelobe level),可為業者帶來顯著效益,這是Anokiwave獨具的優勢。

由於不同的使用情境,會對CPE有不同的規格要求,設計的彈性與擴充性特別重要。透過採用Anokiwave晶片搭配不同數量天線單元的架構設計,可設計出具備不同DC功率、掃描角度、EIPR、和NF規格的CPE。他強調,沒有單一種設計方式能夠滿足所有的應用需求。因此,Anokiwave需與業者合作,共同開發,以實現最佳化的陣列設計,並達成效能需求。此外,Anokiwave亦可提供開發板,可加速客戶的開發週期。

合作夥伴經驗分享與成果展示

在研討會中,Anokiwave亦邀請來自美國Ball航太公司,以及國內的耀登科技、工研院資通所等合作夥伴共同分享其開發成果。

Ball航太公司先進系統資深經理Bryce Unruh介紹說,該公司擁有長期開發相控陣列天線的經驗,從低頻應用開始,已累積豐富經驗,近來跨入mmW頻段,但主要都用航太、軍用市場。

而與Anokiwave的合作是從2016年,該公司推出第一代晶片產品開始,並於2017年在MWC大會上率先展示28GHz、64單元的陣列天線。之後,於2018年展示256單元、26/28GHz產品,目前正與O-RAN聯盟的夥伴共同開發128單元、39GHz的產品。

他強調,陣列天線的設計好壞會影響覆蓋範圍、傳輸容量及效率,對於電信業者來說,這些都攸關其營運成本與資本支出。Ball航太公司雖然擁有豐富的陣列天線設計經驗,但由於過去僅專注於航太市場,為因應5G mmW消費性市場的需求,正尋求合作夥伴,以共同將其已開發好的參考設計與原型平台朝大量生產邁進。

耀登科技技術長周瑞宏亦表示,mmW第一波的建置商機在CPE,而不是行動終端,從量來看是數千萬台的規模,而且2020年可望是5G元年,隨著全球各地展開部署,mmW小型基地台也會有需求,雖然初期出貨量不大,但成長潛力驚人。

不過mmW主動陣列天線的設計與以往低頻的經驗完全不同,業者須克服如遮蔽效應的技術挑戰,如何透過補償、校正技術、演算法等來維持良好的通訊品質,將會是mmW商轉的最重要問題。

耀登自前年起與Anokiwave合作,目前已開發28/39 GHz小型基地台與CPE模組,已在今年的MWC進行展示,此外,預計今年五月完成測試建置,並於年底完成28/39 GHz雙極化小型基地台的開發。

工研院資通所副組長陳文江表示,資通所從2014年起投入mmW系統開發,於2015年和台灣晶片廠合作,採用離散元件開發第一代陣列天線,但面臨尺寸大與整合度挑戰。之後與Anokiwave合作,採用其矽晶晶片,並在今年的MWC上展示最新產品。他表示,考慮尺寸、整合度與散熱設計,小型基地台與CPE裝置必須採用矽晶方案,三五族晶片在大型基地台才有應用的可能。

在陣列天線的設計上,必須考慮系統效能,包括通道特性、路徑損失、束波追蹤等,而且由於不同應用對於掃描角度、覆蓋率需求各自不同,需要彈性、具擴充性的模組,無法一體適用。目前,資通所已建立mmW軟硬體驗證平台,未來將持續開發AiP(封裝天線)與前端模組。如有興趣Anokiwave產品技術,歡迎造訪Anokiwave官網