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5G NR通訊的測試新觀點
28GHz的美麗與哀愁

【作者: 王岫晨】   2018年11月27日 星期二

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在高通推出了首顆支援5G的Snapdragon X50晶片之後,似乎也正式吹響了5G市場的號角。由於這顆X50晶片支援的是28GHz的毫米波頻段,由大廠帶頭做起,某種意義上也象徵著28GHz非常可能成為未來5G毫米波的標準頻段。


在5G的頻段使用上,分為低於6GHz以下的Sub 6GHz,以及高於6GHz以上的毫米波頻段。在高於6GHz的毫米波頻段中,儘管有許多頻段都已經在進行測試,然而最確定的仍是目前已有大廠推出晶片支援的28GHz頻段。至於39GHz,現階段也都有相關系統正在開發中,相信不久的未來也都會有解決方案問世。


毫米波頻段

先回頭來看一下毫米波。事實上,這些目前較為熱門的包括28GHz、39GHz等波段,在過去都不算是真的毫米波的範圍,它充其量只是較為高頻的波段罷了。那為什麼這些波段現在被歸為毫米波呢,這是因為不管是28GHz、39GHz等,取個整數值的話,大約都是圍繞在30GHz左右,而30GHz的波長約為一公分,也就是10毫米。在現階段毫米波十分熱門的狀況之下,就將這附近的波段也併入毫米波的範疇之中。



圖1 : 5G NR的基地台訊號發送測試。
圖1 : 5G NR的基地台訊號發送測試。

事實上在過去,毫米波指的都是高於60GHz的波段,且都是ISM頻段,也就是民用頻段。儘管是民用,但設計上卻也有其困難度。高於60GHz的頻段,常見者如60 GHz或77GHz等,這與現階段5G所廣泛採用圍繞於30GHz周圍的頻段(如28GHz、39GHz等),都同屬於毫米波。儘管頻段相差數倍,但其所需的測試驗證過程其實大同小異,例如需要察看傳輸線特性、以及天線特性,而由於天線陣列是毫米波通訊一定會存在的一種天線型態,因此最後還必須再測試其天線陣列等項目。


此外,對於毫米波來說,頻率越高,其open space與free space的損失也會增大,因此必須確保其有足夠的增益,才能夠不影響其無線訊號的發送。在毫米波的系統設計上,不論新舊廠商,要進入這個領域,都必須要符合這些標準程序。


毫米波驗證挑戰

毫米波領域的測試驗證,許多細節都無法忽略,例如材料就是另一個重點。適合用於毫米波頻段的材料其實不多,特別是在PCB的板材在高頻頻段只有幾種可以選擇。儘管高頻的驗證過程與低頻類似,但驗證上會多了所選用材料的考慮。


當頻率再逐漸拉高到更高頻段,就會需要用到公板或者驗證板來進行可靠性驗證,目的是在於測試高頻與傳輸線的特性是否妥善。而某些設計上可能還會需要用到探針,例如沒有連接線,就得透過探針來進行測試。這些都是隨著頻率增高,在驗證上所會增加的成本,這也成為了高頻測試的門檻。特別是一旦需要用到探針,成本就會大幅提高,因為這會產生探針的消耗,以及探針材的改裝,以及環境的重新建置等問題。客戶在設計與驗證的過程中,就必須針對這些可能增加的成本來進行取捨。


總的來說,對於RF的測試而言,不論頻率如何,從傳輸線、到天線特性、再到OTA的量測基本上都大同小異,只不過到了毫米波頻段,會更在意材料的特性,這點是針對毫米波測試驗證必須注意的關鍵。


第三方合作伙伴的關鍵角色

5G波段從Sub 6GHz延伸到毫米波,多數廠商對於Sub 6GHz有較為充足的設計經驗,但到了高於6GHz的領域,例如28、39甚至60GHZ的開發經驗則較為不足。因此,在設計概念上如果還是採用傳統Sub 6GHz的思維來做設計,就會很容易遭遇到瓶頸。


對於測試儀器廠商來說,端看客戶是希望能夠設計毫米波天線、功率放大器或者PCB板,再針對客戶的需求,搭配所需要的測試儀器之外,還要與第三方設備廠商合作來打造更切合需要的測試解決方案,才能相得益彰。


從測試的角度來看,高頻只不過就是頻段升高了。而對應不同頻段的測試應用,測試廠商最重要的就是能夠提供對應不同頻段的測試儀器。5G NR由於搭配了很多新的技術,例如在毫米波的天線測試上,就會有束波成型的問題產生,測試過程中通常都會搭配第三方合作伙伴的解決方案,才能打造出真正可以解決問題的測試工具。


全球毫米波發展態勢

在高通推出了支援28GHz毫米波頻段的5G晶片之後,是否市場都會跟隨這個頻段,也成為觀察重點。目前以北美地區、日本與南韓跟著美國大廠腳步走的態勢較為明顯,南韓廠商的毫米波相關產品基本上都走28GHz頻段,也看不出任何可能改變的跡象。而中國在5G的發展上,則非獨尊一家之言。中國廠商在許多方面都想要發展自有規格,儘管許多晶片廠商目前都跟隨28GHz的腳步,但仍有許多不同頻段同時發展中,未來都有可能會成為中國市場的5G商用頻段。


至於歐洲市場則比較特別,歐洲目前並不急於跟隨28GHz的腳步。這是因為歐洲地區幅員遼闊,且使用情境也較為複雜,因此他們在5G的發展上,鍾情於Sub 6GHz的頻段更勝於毫米波。


原因只有一個,Sub 6GHz頻段的覆蓋範圍更為廣泛,因此適合歐洲這種幅員遼闊的區域來使用。這是因為Sub 6GHz的低頻訊號由於波長較長,因此訊號覆蓋範圍可以達到更廣的範圍。因此要讓通訊品質沒有死角,無縫接軌的話,通常還是得以Sub 6GHz的頻段為主力。毫米波會在5G應用中逐步佈建,但佈建速度相對就會不同於Sub 6GHz那麼快。


另一個考量點則是成本。毫米波的基礎設施佈建成本高,但由於訊號隨著距離衰減快速,因此多半用於人口密集的都會區,以及複雜的應用情境,例如體育賽會現場或者人群急湧的車站等。且這還必須要搭配手機的天線與基地台設施都到位的情況下才能實現。



圖2 : Cheerwave公司所設計的5G NR毫米波天線。
圖2 : Cheerwave公司所設計的5G NR毫米波天線。

目前歐洲市場不急於快速發展毫米波,反而傾向於穩紮穩打採用3.5GHz的頻段,在使用特性上可以滿足更廣泛的應用層面。因此,若要觀察各區域的普及速度,因此,28GHz依據普及的速度,最快的會是北美,再來是東北亞、日韓等地,歐洲應該是會最晚普及的區域。


結語

毫米波是未來5G通訊一個十分令人著迷與期待的技術。其願景就在於:隨時有天線對準使用者的手機,因此不會有收訊不良的問題。當然,以目前的發展進度來看,這仍是稍微遙遠的目標,有國家在5G的發展上,傾向於採用Sub 6GHz加上點對點微波的通訊模式,補強所有可能的通訊死角。


5G發展腳步近年來都如火如荼,俗話說,成本就是發展腳步的關鍵。隨著解決方案的成熟,應用裝置的增多,一旦能夠有效壓低生產成本,毫米波通訊在全球的推動速度勢必也將會增加,其願景非常值得令人期待。


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