Anokiwave揭示5G毫米波阵列天线设计的技术关键
- 李佳玲／台北
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随着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着至关重要的角色。
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，还邀请到合作夥伴分享其开发经验与成果，获得了现场学员的热烈回响。
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运营商大规模落实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、国内大陆、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作。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，只能采用高度整合的矽晶ASIC才能满足这麽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、接收器、相位/增益控制整合在单一芯片中，砷化镓等三五族芯片的整合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。矽晶制造的最显着优势在于，可实现低成本的大量生产，而且整合度高，能把类比和数码电路整合在单一芯片中，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，这意味着最低的馈入损失，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的晶圆代工夥伴是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，符合从大型基站(macrocell)、小型基站(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市场包括大型基站、小型基站、户外CPE、室内CPE、以及移动热点等多项产品。其中，大型基站和 小型基站要求较高的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、以及移动热点，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。
由于运营商积极推动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，锁定高端消费市场，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)，可为业者带来显着效益，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。
合作夥伴经验分享与成果展示
在研讨会中，Anokiwave亦邀请来自美国Ball航太公司，以及国内的耀登科技、工研院资通所等合作夥伴共同分享其开发成果。
Ball航太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，但主要都用航太、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联盟的夥伴共同开发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，对于运营商来说，这些都攸关其营运成本与资本支出。Ball航太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太市场，为因应5G mmW消费性市场的需求，正寻求合作夥伴，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，而不是移动终端，从量来看是数千万台的规模，而且2020年可望是5G元年，随着全球各地展开部署，mmW小型基站也会有需求，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、演算法等来维持良好的通讯品质，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小型基站与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双极化小型基站的开发。
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，但面临尺寸大与整合度挑战。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、整合度与散热设计，小型基站与CPE装置必须采用矽晶方案，三五族芯片在大型基站才有应用的可能。
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
