满足5G高频发展需求 主动式相位数组天线露头角

满足5G高频发展需求主动式相位数组天线露头角随着多媒体进步与联机装置日益增加，带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，近年来各国开始着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计划成立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数据量要有1,000倍以上的提升。根据Shannon-Hartley理论(方程式1)，其中C代表信道容量，B代表带宽，S代表接收到的讯号功率，N代表噪声或是干扰功率，若要提升信道容量，其一就是改善讯号对噪声比，其二就是提高使用带宽；再者，利用多输入多输出(MIMO)技术，亦可以提升信道容量。方程式1波束成形/毫米波/MIMO提升5G传输速率

波束成形(Beamforming)技术是目前用来改善讯号对噪声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，进而改善讯号对噪声比。在提升使用带宽的部分，目前商用频段的使用大部分在6GHz以下，在拥挤的频谱下，有限带宽当中，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(CarrierAggregation)来增加使用带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，且宽带带取得容易。相较于目前常使用低于6GHz的商用频段，当无线讯号于毫米波频段传播时，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，也就是相位数组(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，由于毫米波波长短，单位天线小，即使实现相位数组天线，尺寸亦不大，因此以尺寸而言，毫米波适合发展数组天线。故未来5G通讯系统将可能采用波束成形、毫米波技术与MIMO技术提升传输速率。图1为2015年三星(Samsung)在5G白皮书中表示，MIMO、波束成形与毫米波技术，为该公司未来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数组天线实现波束成形功能

要实现波束成形功能须利用相位数组天线，调整相位数组天线中移相器的参数，则能够调整天线波束的方向。以发射端为例，根据移相器所处的位置可分为四种架构：．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，缺点是移相器因为操作在高频，损耗较大，因此主讯号路径损耗大，且高频移相器相位分辨率较低(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分配网络，当天线数目越多时，LO分配网络实现难度越高(图3)。图3LO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分辨率高，缺点是混频器数目多，且需要LO分配网络(图4)。图4中频路径波束成形架构．数字波束成形架构

移相器在数字处理，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