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工博会
Automation2019

Anokiwave揭示5G毫米波阵列天线设计的技术关键

  • 李佳玲

Anokiwave日前举办的「5G毫米波阵列天线设计技术研讨会」,会中揭示5G毫米波阵列天线设计的技术关键,现场吸引超过三百位产业学员共襄盛举,获得热烈回响。

随著5G时代的来临,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)频谱已获得了超乎预期的加速部署。为了实现全新的使用案例与大规模应用,mmW阵列天线的设计将扮演著至关重要的角色。

在日前由Anokiwave举办的「5G毫米波阵列天线设计技术研讨会」中,除了详细说明Anokiwave的天线解决方案与设计技术,以及最新mmW服务部署可望带动的CPE(用户端设备)商机之外,还邀请到合作伙伴分享其开发经验与成果,获得了现场学员的热烈回响。

Anokiwave亚太区销售总监Alan Chang

Anokiwave首席系统架构师David Corman

Anokiwave应用工程经理Assaf Toledano

Ball太公司先进系统资深经理Bryce Unruh

耀登科技技术长周瑞宏

工研院资通所副组长陈文江

专注于矽晶mmW天线芯片开发 

Anokiwave亚太区销售总监Alan Chang在开场致词时表示,成立于1999年的Anokiwave原是一间专精于mmW技术的设计服务公司,拥有丰富的mmW技术经验。有监于市场渐趋成熟,于7年前转型为产品公司,以为相控阵列天线提供全矽晶mmW IC产品。公司总部位于美国圣地牙哥,并已在波士顿、奥斯汀、英国和台湾设有据点。

他强调,Anokiwave是市场上唯一一家可为24/26/28/37/39 GHz等所有mmW频段提供完整毫米波天线解决方案的业者,该公司的第二代产品已进入量产,并于日前推出效能更佳的第三代产品。

自2018年底Verizon和AT&T分别在美国推出5G mmW服务之后,庞大的投入资金充分展现出两家电信业者大规模落实mmW应用的决心,将能为FWA(固定无线存取)的相关装置带来可观商机,这也是台湾业者的绝佳机会。

Alan Chang指出,未来5G mmW服务将会像Wi-Fi热点一样的普及,可以想见CPE市场的庞大需求。Anokiwave将以完备的产品组合协助业者掌握商机,而且Anokiwave的26/28/39 GHz芯片产品均是接脚兼容,业者能够以相同的电路图设计,仅需更换芯片,便能开发出适用于日本、美国、中国大陆、欧洲等不同频段的产品,加速上市时程。

主动阵列天线介绍

Anokiwave首席系统架构师David Corman表示,根据定义,主动天线,亦称为相控阵列天线是由多个静态的天线单元所组成,其中每个单元都利用不同的相位或时间延迟控制器,来扫描空间中特定角度的束波。因此,主动天线是利用电子扫描,不需要传统马达移动天线方向的方式来对准目标物,而束波操控(steering)便是靠安装在天线辐射单元中的芯片来执行。此外,在mmW频段,由于波长短,容易受到阻挡物干扰,束波成形更显重要。

因此,主动天线具备了多项优势,包括:没有移动元件,可靠性较高;可实现快速束波操控;具扩充性以符合所需的EIRP(有效全向辐射功率)。此外,由于mmW频段的波长较短,可让许多天线单元放置在小巧、高度指向性的孔隙(aperture)中,以抵销mmW的高路径损失。同时,它还具备软失效(soft failure)机制,如果部分天线单元故障,整体系统仍能正常运行。对5G mmW来说,高带宽、高容量是其重要的诉求,而指向性束波可实现频谱的空间重复使用,提升系统传输容量。

虽然mmW主动天线有许多优点,但设计时有许多挑战需克服。首先,由于波长较短,使得天线单元的间距,亦即半个波长,也变得很小。举例来说,在Ku频段(15GHz)的间隔为10mm,但到28GHz与38GHz频段,将分别缩小至5.4mm和3.9mm。

因此,在开发mmW频段用的平面天线时,只能采用高度集成的矽晶ASIC才能满足这么小的天线单元间距需求,以把所有相关的主动天线功能,包括发射器、适配器、相位/增益控制集成在单一芯片中,砷化镓等三五族芯片的集成度是无法满足此需求的。

矽晶天线芯片的优势

Anokiwave已开发了完备的矽晶mmW天线芯片产品。矽晶制造的最显著优势在于,可实现低成本的大量生产,而且集成度高,能把类比和数码电路集成在单一芯片中,而且每颗芯片可支持多个辐射单元,以实现多个RF通道。

同时,由于IC的尺寸小,可直接放在天线单元背面,这意味著最低的馈入损失,除了能带来最佳的发射功率效率与接收噪音因素(NF)之外,还可实现AZ和EL方位的2D束波操控。此外,矽晶天线芯片能以单一正电压操作,与三五族芯片不同,系统设计较为简单。

Anokiwave的晶圆代工伙伴是GlobalFoundries,采用12寸晶圆制造,产品已进入量产。公司已在日前发表首款第三代mmW 5G IC系列产品,这是一款28 GHz四通道IC,可作为双极化四通道束波成形IC,或是单极化8通道束波成形IC。Anokiwave将针对每一个频段建构完整的产品组合,今年稍晚,第三代的24/39/42 GHz产品即将就绪。全系列产品均具备扩充性,能以相同的架构,符合从大型基地台(macrocell)、小型基地台(small cell)等基础建设到,到CPE的设计需求。

mmW 5G市场区隔与CPE设计需求

David Corman介绍说,mmW 5G市场包括大型基地台、小型基地台、户外CPE、室内CPE、以及行动热点等多项产品。其中,大型基地台和 小型基地台要求较高的EIPR,50 dBmi以上,并具备64~256个天线单元,须采用适合户外环境的强固型设计,通常是由服务供应商拥有并维护的。

至于消费性市场的产品则有户外CPE、室内CPE、以及行动热点,它们要求的EIPR约43 dBmi,具16~64个天线单元,功率约25W。他强调,采用Anokiwave最新的第三代产品,可开发出最佳的CPE设计,比目前市场上三星CPE装置公布的36 dBmi效能更佳。

由于电信业者积极推动FWA服务,可望带动庞大的CPE装置需求。针对无散热片的室内CPE,其市场规模约千万台,价格在100~200美元,而需采散热片设计的户外CPE,市场规模约数百万台,锁定高阶消费市场,价格为500~1,000美元。

就CPE的设计需求来看,首先其直流电源需能透过以太网络供电(PoE),功率最大为25W,其中假设有50%会用来执行束波操控功能;发射EIRP 应接近或超过40dBmi,接收NF应较低;AZ与EL的扫描角度分别为正负60度与20度。至于成本,当然应尽量降低,所以需要采用简单、最少数量的IC元件,能够大量制造,尺寸则是要求精巧紧凑。

基于这样的设计需求,David Corman表示,与拥有坚强电子制造实力的台湾业者合作至关重要。在美国,5G CPE市场有超过3,000万台的商机,亚洲和欧洲则超过一亿台。Anokiwave除了具备完整的mmW主动天线IC解决方案,还能提供包括系统级分析、应用支持与PCB指引的紧密客户支持。结合Anokiwave的技术方案与台湾的制造实力,将能加速5G mmW应用的实现。

合作开发 实现最佳化的阵列设计

Anokiwave应用工程经理Assaf Toledano亦指出,在设计CPE产品时,除了考虑芯片之外,系统效能的需求也非常重要。Anokiwave已开发多款芯片方案,并了解市场需求,能以最佳的设计方案来满足客户需求。

例如,在其最新的第三代天线芯片中,提供了多项增强功能,包括降低直流功率、噪音因素,并增加双极化以及ZERO-CAL(零校正)功能,使其非常适用于CPE开发。同时,Anokiwave是唯一可提供24/26/28/37/39全频段芯片方案的业者,这些芯片均为接脚兼容,业者无须重新设计,便能开发出适用于不同市场的产品。

针对ZERO-CAL技术,Assaf Toledano表示,它能够免除天线阵列校正,以及昂贵、不必要的工厂测试,而且能够改善旁办电平(sidelobe level),可为业者带来显著效益,这是Anokiwave独具的优势。

由于不同的使用情境,会对CPE有不同的规格要求,设计的弹性与扩充性特别重要。透过采用Anokiwave芯片搭配不同数量天线单元的架构设计,可设计出具备不同DC功率、扫描角度、EIPR、和NF规格的CPE。他强调,没有单一种设计方式能够满足所有的应用需求。因此,Anokiwave需与业者合作,共同开发,以实现最佳化的阵列设计,并达成效能需求。此外,Anokiwave亦可提供开发板,可加速客户的开发周期。

合作伙伴经验分享与成果展示

在研讨会中,Anokiwave亦邀请来自美国Ball航天公司,以及国内的耀登科技、工研院资通所等合作伙伴共同分享其开发成果。

Ball航天公司先进系统资深经理Bryce Unruh介绍说,该公司拥有长期开发相控阵列天线的经验,从低频应用开始,已累积丰富经验,近来跨入mmW频段,但主要都用航天、军用市场。

而与Anokiwave的合作是从2016年,该公司推出第一代芯片产品开始,并于2017年在MWC大会上率先展示28GHz、64单元的阵列天线。之后,于2018年展示256单元、26/28GHz产品,目前正与O-RAN联盟的伙伴共同开发128单元、39GHz的产品。

他强调,阵列天线的设计好坏会影响覆盖范围、传输容量及效率,对于电信业者来说,这些都攸关其营运成本与资本支出。Ball航天公司虽然拥有丰富的阵列天线设计经验,但由于过去仅专注于航天市场,为因应5G mmW消费性市场的需求,正寻求合作伙伴,以共同将其已开发好的参考设计与原型平台朝大量生产迈进。

耀登科技技术长周瑞宏亦表示,mmW第一波的建置商机在CPE,而不是行动终端,从量来看是数千万台的规模,而且2020年可望是5G元年,随著全球各地展开部署,mmW小型基地台也会有需求,虽然初期出货量不大,但成长潜力惊人。

不过mmW主动阵列天线的设计与以往低频的经验完全不同,业者须克服如遮蔽效应的技术挑战,如何透过补偿、校正技术、算法等来维持良好的通讯质量,将会是mmW商转的最重要问题。

耀登自前年起与Anokiwave合作,目前已开发28/39 GHz小型基地台与CPE模块,已在今年的MWC进行展示,此外,预计今年五月完成测试建置,并于年底完成28/39 GHz双极化小型基地台的开发。

工研院资通所副组长陈文江表示,资通所从2014年起投入mmW系统开发,于2015年和台湾芯片厂合作,采用离散元件开发第一代阵列天线,但面临尺寸大与集成度挑战。之后与Anokiwave合作,采用其矽晶芯片,并在今年的MWC上展示最新产品。他表示,考虑尺寸、集成度与散热设计,小型基地台与CPE装置必须采用矽晶方案,三五族芯片在大型基地台才有应用的可能。

在阵列天线的设计上,必须考虑系统效能,包括通道特性、路径损失、束波追踪等,而且由于不同应用对于扫描角度、覆盖率需求各自不同,需要弹性、具扩充性的模块,无法一体适用。目前,资通所已建立mmW软硬件验证平台,未来将持续开发AiP(封装天线)与前端模块。如有兴趣Anokiwave产品技术,欢迎造访Anokiwave官网