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全矽晶毫米波天线阵列加速5G应用的实现

  • 李佳玲

5G时代已经来临,由于具备更高的传输容量、较低延迟、以及可提供更多样服务的能力,毫米波(mmW)频谱正获得电信与卫星网络业者的采用,透过倍增的资料传输速度,将推动全新使用案例的兴起,同时也将使主动mmW天线在未来数年内以前所未有的数量获得广泛的部署。

与早期军事用相控阵列天线采用的离散式元器件所作的收发器模块不同,现在,多通道矽晶束波成形(beam forming) IC已被视为能够降低阵列天线成本,并实现商业化相控阵列天线的重要关键。凭借著结合高效能矽晶制程以及先进的类比与数码设计,全矽晶mmW天线阵列将能加速各种5G应用的实现,让5G无所不在成为可能。

5G将带动许多新的使用案例

图1:ZERO-CAL技术可显著提升天线增益

电信业者展开部署 mmW市场成长可期

无线电通讯系统的爆炸性成长,已使频谱成为稀有的珍贵资源。对于更多带宽的需求,已使700 MHz到5.8 GHz的频段趋于饱和,要满足未来更高的带宽需求,只能朝更高频段发展 ─ 亦即15~70GHz的毫米波。

在美国,Verizon已在四个主要城市推出固定无线存取(FWA)服务「5G Home」。AT&T亦计画在今年于美国19个城市推出5G服务。该公司日前宣布,已在十多个城市开启5G行动网络,可透过可携式热点来连结。此外,T-Mobile宣布,已与OEM制造商签署数十亿美元的协议,将于今年展开5G部署。这些都只是开始,由于能够增加十倍以上的资料传输率,还有更多的使用案例将一一浮现,例如高功率gNodeB 天线、固定无线存取(FWA)、小型基地台存取装置、室内/室外CPE(用户端设备)。此外,汽车也将是5G广泛应用的重要使用案例。

与此同时,技术进展是另外一个重要的推动力量。现在,业界已经能够开发出远比传统系统更轻量的平面式相控阵列天线,也使毫米波能够突破传统的航天与国防市场,创造可观的商机。更轻、更精巧的阵列天线意味著,雷达能被更容易、更具成本效益地部署,并带动新应用的成长。

mmW主动天线设计的主要考量
5G NR的开始部署,将为科技产业的下一个十年展开新页。为了让众所期待的5G市场能实现其庞大潜能,OEM业者和包括Anokiwave在内的RF元件供应商不仅应克服技术挑战,更应考虑经济因素,才能确保5G的成功。

主动天线空中接口便是须兼顾技术与经济因素的一个例子,因为链接效能会决定使用者体验与服务质量。除了须考虑天线的效能,如灵敏度与辐射功率之外,效率也是关键,因为过多的功耗不仅会使营运成本增加,还会增加系统的尺寸与重量、降低可靠度,为装置部署带来更多的限制,这些都会使增加电信业者的整体拥有成本(TCO)。

此外,随著业界加速推动主动天线的商业化进展,如何降低成本便也成为重要议题。Anokiwave的目标是开发最具成本效益的天线阵列,以协助业者改善其整体拥有成本。举例来说,我们开发的ZERO-CAL技术,能够免除天线阵列校正,以及昂贵、不必要的工厂测试,还能提升效能的可预测性。图1所示为利用ZERO-CAL技术改善旁办电平(sidelobe level)的实例,可以看出,它带来的效能提升是非常显著的。

同时,为了降低电信业者的网络营运成本(OPEX),让5G NR服务顺利推行,Anokiwave正积极解决系统的功率需求问题。利用矽晶制程优异的集成能力,Anokiwave在mmW IC中嵌入了省电功能,能显著降低天线的运行功耗。我们相信,利用Anokiwave的KINETIC-GREEN功能,将能节省高达33%的整体电力。

Anokiwave最新的第三代5G矽晶IC系列产品还增加了新的增强功能,不仅能轻松遵循3GPP要求的先进效能,而且功能强大的主动天线能缩小至手掌的大小。透过采用12寸晶圆矽晶制程,我们将在两年内降低90%的成本结构,使5G基地台能像Wi-Fi存取装置一样地普及。

总结

mmW矽晶IC已正式商业化,并进入量产。对于5G可望带动的各种新兴使用案例来说,采用全矽晶、高效率、平面天线阵列将是必然的发展趋势,而且此技术早已超越了概念验证与学术研究,迈向实际应用。

未来几年,全矽晶mmW IC将成为大量生产的商品。我们预期,到2020年,mmW主动天线技术将无所不在,网络营运商、OEM业者、以及终端装置制造商都将广泛采用。结合低成本矽晶制程、嵌入式ZERO-CAL和KINETIC-GREEN功能、远程监控,以及持续推升更高的功率效率,Anokiwave正引领天线阵列的成本与技术改良,为5G应用的成功奠定基础。

上述毫米波主动天线技术的进一步介绍,4月10日举办Anokiwave「5G毫米波阵列天线设计技术研讨会」,Anokiwave专家将揭晓领先业界5G毫米波阵列天线设计技术。对于台湾所有网通业者,包括路由器、基地台和终端行动装置制造商,以及电信业者来说,蓄势待发的5G商机绝对不容错过。活动报名请至Anokiwave活动官网查询。(本文由Anokiwave提供,李佳玲整理报导)