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5G NR通讯的测试新观点
28GHz的美丽与哀愁

【作者: 王岫晨】2018年11月27日 星期二

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在高通推出了首颗支援5G的Snapdragon X50晶片之後,似??也正式吹响了5G市场的号角。由於这颗X50晶片支援的是28GHz的毫米波频段,由大厂带头做起,某种意义上也象徵着28GHz非常可能成为未来5G毫米波的标准频段。


在5G的频段使用上,分为低於6GHz以下的Sub 6GHz,以及高於6GHz以上的毫米波频段。在高於6GHz的毫米波频段中,尽管有许多频段都已经在进行测试,然而最确定的仍是目前已有大厂推出晶片支援的28GHz频段。至於39GHz,现阶段也都有相关系统正在开发中,相信不久的未来也都会有解决方案问世。


毫米波频段

先回头来看一下毫米波。事实上,这些目前较为热门的包括28GHz、39GHz等波段,在过去都不算是真的毫米波的范围,它充其量只是较为高频的波段罢了。那为什麽这些波段现在被归为毫米波呢,这是因为不管是28GHz、39GHz等,取个整数值的话,大约都是围绕在30GHz左右,而30GHz的波长约为一公分,也就是10毫米。在现阶段毫米波十分热门的状况之下,就将这附近的波段也并入毫米波的范畴之中。



图1 : 5G NR的基地台讯号发送测试。
图1 : 5G NR的基地台讯号发送测试。

事实上在过去,毫米波指的都是高於60GHz的波段,且都是ISM频段,也就是民用频段。尽管是民用,但设计上却也有其困难度。高於60GHz的频段,常见者如60 GHz或77GHz等,这与现阶段5G所广泛采用围绕於30GHz周围的频段(如28GHz、39GHz等),都同属於毫米波。尽管频段相差数倍,但其所需的测试验证过程其实大同小异,例如需要察看传输线特性、以及天线特性,而由於天线阵列是毫米波通讯一定会存在的一种天线型态,因此最後还必须再测试其天线阵列等项目。


此外,对於毫米波来说,频率越高,其open space与free space的损失也会增大,因此必须确保其有足够的增益,才能够不影响其无线讯号的发送。在毫米波的系统设计上,不论新旧厂商,要进入这个领域,都必须要符合这些标准程序。


毫米波验证挑战

毫米波领域的测试验证,许多细节都无法忽略,例如材料就是另一个重点。适合用於毫米波频段的材料其实不多,特别是在PCB的板材在高频频段只有几种可以选择。尽管高频的验证过程与低频类似,但验证上会多了所选用材料的考虑。


当频率再逐渐拉高到更高频段,就会需要用到公板或者验证板来进行可靠性验证,目的是在於测试高频与传输线的特性是否妥善。而某些设计上可能还会需要用到探针,例如没有连接线,就得透过探针来进行测试。这些都是随着频率增高,在验证上所会增加的成本,这也成为了高频测试的门槛。特别是一旦需要用到探针,成本就会大幅提高,因为这会产生探针的消耗,以及探针材的改装,以及环境的重新建置等问题。客户在设计与验证的过程中,就必须针对这些可能增加的成本来进行取舍。


总的来说,对於RF的测试而言,不论频率如何,从传输线、到天线特性、再到OTA的量测基本上都大同小异,只不过到了毫米波频段,会更在意材料的特性,这点是针对毫米波测试验证必须注意的关键。


第三方合作伙伴的关键角色

5G波段从Sub 6GHz延伸到毫米波,多数厂商对於Sub 6GHz有较为充足的设计经验,但到了高於6GHz的领域,例如28、39甚至60GHZ的开发经验则较为不足。因此,在设计概念上如果还是采用传统Sub 6GHz的思维来做设计,就会很容易遭遇到瓶颈。


对於测试仪器厂商来说,端看客户是希??能够设计毫米波天线、功率放大器或者PCB板,再针对客户的需求,搭配所需要的测试仪器之外,还要与第三方设备厂商合作来打造更切合需要的测试解决方案,才能相得益彰。


从测试的角度来看,高频只不过就是频段升高了。而对应不同频段的测试应用,测试厂商最重要的就是能够提供对应不同频段的测试仪器。5G NR由於搭配了很多新的技术,例如在毫米波的天线测试上,就会有束波成型的问题产生,测试过程中通常都会搭配第三方合作伙伴的解决方案,才能打造出真正可以解决问题的测试工具。


全球毫米波发展态势

在高通推出了支援28GHz毫米波频段的5G晶片之後,是否市场都会跟随这个频段,也成为观察重点。目前以北美地区、日本与南韩跟着美国大厂脚步走的态势较为明显,南韩厂商的毫米波相关产品基本上都走28GHz频段,也看不出任何可能改变的迹象。而中国在5G的发展上,则非独尊一家之言。中国厂商在许多方面都想要发展自有规格,尽管许多晶片厂商目前都跟随28GHz的脚步,但仍有许多不同频段同时发展中,未来都有可能会成为中国市场的5G商用频段。


至於欧洲市场则比较特别,欧洲目前并不急於跟随28GHz的脚步。这是因为欧洲地区幅员辽阔,且使用情境也较为复杂,因此他们在5G的发展上,锺情於Sub 6GHz的频段更胜於毫米波。


原因只有一个,Sub 6GHz频段的覆盖范围更为广泛,因此适合欧洲这种幅员辽阔的区域来使用。这是因为Sub 6GHz的低频讯号由於波长较长,因此讯号覆盖范围可以达到更广的范围。因此要让通讯品质没有死角,无缝接轨的话,通常还是得以Sub 6GHz的频段为主力。毫米波会在5G应用中逐步布建,但布建速度相对就会不同於Sub 6GHz那麽快。


另一个考量点则是成本。毫米波的基础设施布建成本高,但由於讯号随着距离衰减快速,因此多半用於人囗密集的都会区,以及复杂的应用情境,例如体育赛会现场或者人群急涌的车站等。且这还必须要搭配手机的天线与基地台设施都到位的情况下才能实现。



图2 : Cheerwave公司所设计的5G NR毫米波天线。
图2 : Cheerwave公司所设计的5G NR毫米波天线。

目前欧洲市场不急於快速发展毫米波,反而倾向於稳扎稳打采用3.5GHz的频段,在使用特性上可以满足更广泛的应用层面。因此,若要观察各区域的普及速度,因此,28GHz依据普及的速度,最快的会是北美,再来是东北亚、日韩等地,欧洲应该是会最晚普及的区域。


结语

毫米波是未来5G通讯一个十分令人着迷与期待的技术。其愿景就在於:随时有天线对准使用者的手机,因此不会有收讯不良的问题。当然,以目前的发展进度来看,这仍是稍微遥远的目标,有国家在5G的发展上,倾向於采用Sub 6GHz加上点对点微波的通讯模式,补强所有可能的通讯死角。


5G发展脚步近年来都如火如荼,俗话说,成本就是发展脚步的关键。随着解决方案的成熟,应用装置的增多,一旦能够有效压低生产成本,毫米波通讯在全球的推动速度势必也将会增加,其愿景非常值得令人期待。


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