满足5G高频发展需求 主动式相位阵列天线露头角

作者:纪钧翔 ( 工研院资通所 )

随著多媒体进步与连线装置日益增加,频宽需求量将越来越大,第四代(4G)行动通讯势必面临挑战。因此,近年来各国开始著手第五代行动通讯技术的开发,预期在2020年能达到商转目标。

欧洲针对5G计画成立METIS组织,其对5G通讯系统规格有较明确定义。除使用者端的传输速率要有10∼100倍的提升外,单位面积下系统行动资料量要有1,000倍以上的提升。根据Shannon-Hartley理论(方程式1),其中C代表通道容量,B代表频宽,S代表接收到的讯号功率,N代表杂讯或是干扰功率,若要提升通道容量,其一就是改善讯号对杂讯比,其二就是提高使用频宽;再者,利用多输入多输出(MIMO)技术,亦可以提升通道容量。

方程式1

波束成形/毫米波/MIMO 提升5G传输速率

波束成形(Beam forming)技术是目前用来改善讯号对杂讯比最常见的技术之一,其利用发射能量较集中的场型覆盖目标装置,除能改善传输距离,也能降低对非目标装置干扰,进而改善讯号对杂讯比。

在提升使用频宽的部分,目前商用频段的使用大部分在6GHz以下,在拥挤的频谱下,有限频宽当中,如何取得足够的频谱增加传输速度是一大问题,利用载波聚合(Carrier Aggregation)来增加使用频宽是目前最常见的技术,但是在低频段能够取得的频谱还是有限,另外一个方式则是往更高频段发展,毕竟在高频段使用率不高,且宽频带取得容易。 相较於目前常使用低於6GHz的商用频段,当无线讯号於毫米波频段传播时,在空气中传输损耗急遽地增加,因此,毫米波系统需要高增益天线,也就是相位阵列(Phased-Array)天线来克服此问题;此外,毫米波亦容易受到阻挡物干扰,所以波束成形更显重要;另外,由於毫米波波长短,单位天线小,即使实现相位阵列天线,尺寸亦不大,因此以尺寸而言,毫米波适合发展阵列天线。

故未来5G通讯系统将可能採用波束成形、毫米波技术与MIMO技术提升传输速率。图1為2015年三星(Samsung)在5G白皮书中表示,MIMO、波束成形与毫米波技术,為该公司未来5G系统发展的技术重点。

图1 提升通讯系统效能技术

利用相位阵列天线 实现波束成形功能

要实现波束成形功能须利用相位阵列天线,调整相位阵列天线中移相器的参数,则能够调整天线波束的方向。以发射端為例,根据移相器所处的位置可分為四种架构:

.射频路径波束成形架构

移相器操作在RF频带,且在主讯号的路径上,优点是架构比较简单,混频器的数目少,缺点是移相器因為操作在高频,损耗较大,因此主讯号路径损耗大,且高频移相器相位解析度较低(图2)。

图2 射频路径波束成形架构

.LO路径波束成形架构

移相器操作在LO频带,且在LO的路径上,因此移相器较不会影响主讯号路径,优点是主讯号路径损耗小,缺点是混频器数目多,且需要LO分配网路,当天线数目越多时,LO分配网路实现难度越高(图3)。

图3 LO路径波束成形架构

.中频路径波束成形架构

移相器操作在中频频带,优点是移相器操作在低频,损耗小且低频移相器相位解析度高,缺点是混频器数目多,且需要LO分配网路(图4)。

图4 中频路径波束成形架构

.数位波束成形架构

移相器在数位处理,优点是场型实现的自由度最高,缺点则是每一路都需要RF链(Chain),另外,每一路都需要额外的数位/类比转换器(D/A Converter)来处理讯号,因此更耗电,尤其当系统频宽越宽的时候,更显严重(图5)。

图5 数位波束成形架构

上述四种架构各有其优缺点,在IC设计当中四种架构也都有人採用,设计者可视应用情境来选择最适当的架构,然而,近期由於巨量多数入多输出(Massive MIMO)系统的出现,也有人提出混合的架构。混合波束成形(Hybrid Beam forming)(图6),不同於前述四种传统的架构,此架构為近期发展,移相器在数位及射频路径,结合数位与射频波束成形架构,将波束成形在数位与射频当中取得最佳化,且能够弹性的支援多波束/多使用者,通常在巨量多数入多输出系统最為常见。

图6 混合波束成形架构

主动式阵列天线以主动元件放大讯号

相位阵列天线可分為主动式(Active)跟被动式(Passive)相位阵列天线两种,其架构如图7所示,两者架构主要差别在於主动式阵列天线会在每个移相器后再以主动元件放大讯号。

图7 (a)被动式与(b)主动式阵列天线架构

以发射路径而言,在主动式相位阵列天线中,讯号经过功率分配器至每个天线单元,接著经过移相器后,最后经过功率放大器放大,再经由天线辐射出去,而被动式相位阵列天线,讯号经由功率分配器每个路径,各路的讯号经过移相器后,直接由天线辐射出去。必须要注意的是,功率分配器与移相器通常為损耗元件。

比如,N个天线的相位阵列天线,要发射出相同功率的条件下,被动式相位阵列天线需要一颗高功率的功率放大器,才能够补偿功率分配器与移相器造成的损耗;而主动式相位阵列天线,讯号经过功率分配器与移相器后,会再经由功率放大器来补偿功率分配器与移相器造成的损耗,所以每个路径只需要N颗一般功率的功率放大器即可达到等效输出功率。

另外,当越往高频段阵列天线发展时,需要更多天线数,也需要更多的功率分配器,代表功率分配器损耗越大,主动式阵列天线能克服此问题;再者,如图8所示,主动式阵列天线在利用N颗相同功率的功率放大器情况下,相对於单颗而言,能提供N×N倍的等效全向辐射功率(EIRP),因此在未来5G阵列天线技术中,主动式相位阵列天线将是主要发展的相位阵列天线架构。

图8 主动式阵列天线等效发射功率

综合上述,主动式相位阵列天线将是以后的主流,但不同种类移相器的架构则视系统应用及设计者判断而定。目前5G的频带至今尚未有定论,是否应用在毫米波也是未知数,尤其毫米波在空气中传播损耗大,且容易受到建筑物的阻挡造成讯号严重的衰减,故也有人持相反意见。

目前各家公司在5G系统的推展,除在高频段发展外,在低於6GHz的部分也持续演进,三星在低於6GHz与高於6GHz并行发展(图9)。另外,由於毫米波涵盖范围小,因此NTT DOCOMO亦提出高频、低频并行系统(图10),克服覆盖范围问题。但不论在高频或低频系统,MIMO与波束成形都是5G发展的重点,因此未来相位阵列天线在5G行动通讯系统将扮演非常重要的角色。

图9 三星5G技术发展时间表

图10 NTT DOCOMO提出高频、低频系统功用。

来源:新通讯