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手机晶片大厂毫米波技术专利分析
从技术到专利布局

【作者: 蘇偉綱】2020年09月23日 星期三

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随着全球5G商用,市场对频宽与传输速率的需求持续提升。Sub-6频段频谱资源有限,而毫米波易取得乾净的频谱资源。因此毫米波成为5G时代另一大发展重点。


3GPP以6GHz频段为界,将5G分为2个大频段,首先是范围在450MHz至6GHz之间的「6G以下(Sub-6)」,及属於高频段、范围在24GHz至52GHz之间的「毫米波(Millimeter Wave)」频段。


由於Sub-6的部分因产业技术已经相当成熟,可藉延伸现有4G技术进行发展、有较大的覆盖范围、较容易部署基地台等优点,故成为全球各地营运商在5G发展初期优先使用的频段。然而,在全球各地Sub-6所涵盖的频段多已为其他用途所占用,故在发展Sub-6的5G网路前,各国政府通常都要进行频谱整备与挪移等动作,以确保有足够且完整的Sub-6频段可供5G网路使用。


随着全球5G商用,市场对频宽与传输速率的需求持续提升,Sub-6频段在多种不同用途占用下、频谱资源有限,而毫米波则是使用率很低的频段,较易取得完整且乾净的频谱资源,因此毫米波成为5G时代另一大发展重点。


虽毫米波相对於Sub-6具有频宽大、频谱资源完整等优点,然而因毫米波属高频、就物理特性而言具有波长短,高穿透能力、低绕射能力、高讯号指向性等特质,因此毫米波讯号易因穿透障碍物而大幅衰减,导致讯号覆盖范围小、需布建大量基站来填补讯号覆盖范围,但大量布建却又会导致布建难度与成本上升,为解决此问题,营运商、通讯设备商与通讯晶片厂皆投入於提升毫米波讯号传输距离与传输效率之技术上。


射频与天线封装

就5G手机而言,因需要支援多样的5G频段,如Sub-6便有低於1GHz、1.8GHz、3.5GHz等不同频段,再加上对毫米波与4G的支援,使得5G手机需要更多的天线数量与射频元件数量。然而手机内部可再放入大量射频元件与天线的空间已很少,因此手机晶片厂商开始藉由将射频元件与天线封装在一起,制作出整合性的射频模组,而无须在PCB板设计射频元件的线路,进而缩减所需之面积,以解决此问题。


目前的发展方向乃是透过天线封装(Antenna in Package)将多个毫米波通讯使用之微型天线,及功率放大器、滤波器、电源管理晶片、收发器等多种射频元件封装为一个整合式的射频模组。


相位阵列天线

天线的长度与电磁波的波长成正比,故毫米波的天线长度非常短,也因天线长度短,每个天线能接收到的电磁讯号能量便很低,讯号衰减与缺损状况较为严重,并导致传输距离短。为解决此问题,5G高频技术下会使用相位阵列天线(Phased Array Antenna),藉由使用大量小型天线元件来设计出讯号高增益的指向型天线,以使讯号传送距离得以延长。


大规模多输入输出

多输入多输出系统(Multiple-Input Multiple-Output;MIMO)系指在单一天线频宽有限下,在发射端使用多个天线各自独立发送讯号,於接收端也用多个天线独立接收信号,讯号接收回来经解调後便可恢复原讯号内容。透过将讯号切分、由不同天线传送、再结合为原内容,可使同一个天线频宽可因多个天线同时进行讯号传输,而使总体传输频宽倍增。


由於毫米波天线的尺寸小,故可将更多的天线放进手机或基地台中,成为大规模多输入输出(Massive MIMO),并藉由天线数量的进一步增加,产生出比一般MIMO更高的整体网速,并提升基地台的传输容量。


波束成型

电磁波发送讯号时是向四周进行散射,然而接收端只需接收到自某特定方向而来的讯号,即可完成讯号的传递,故以散射方式传送讯号的效率较差。而毫米波因讯号衰减率高,若讯号采用散射方式传递,其传递效率将更为低落。因此,在毫米波技术上便思考如何将无线电讯号整合、并以具方向性之方式传送至特定方向的接收端,藉此提升无线电讯号传送之效率与传递距离,这种技术就是波束成型(Beamforming)。


波束成型是在天线阵列上通过调节各天线收发单位的幅度与相位,使天线阵列对特定方向的发射与接收讯号进行叠加而产生讯号增益;对其他方向的讯号则互相抵销、进而降低干扰。藉由增强有指向性的讯号、并降低其他方向的干扰讯号,可使毫米波讯号的传送距离增加,然此传送方式将使在波束方向以外的用户难以接收到讯号,因此波束成型技术中还牵涉了如何最有效率的搜寻到各个用户、定位其方向并发射最隹讯号传递波束等技术。此外,因用户可能处於移动状态,如何追踪用户位置,并不断切换最隹讯号波束以传送讯号给用户,也是波束成型技术上的重点。


毫米波专利现况

毫米波技术前20大专利权人国家,以美国居冠,拥有2,882项专利,占比66%;其次为日本,拥有308项专利,占7.1%;而德国、以色列及中国大陆则分别为163项、155项与128项。台湾在毫米波技术专利申请数量达104项,排名全世界第八、主要申请者为台积电与工研院;欧洲列名毫米波技术专利前10大申请国的国家只有德国与英国。



图一 : 毫米波技术前二十大专利申请人(资料来源:USPTO、Innography,资策会MIC整理,2020年6月)
图一 : 毫米波技术前二十大专利申请人(资料来源:USPTO、Innography,资策会MIC整理,2020年6月)

毫米波技术专利申请前三大专利权人为:AT&T(占总专利数6.6%)、Intel(占总专利数3.5%)及Qualcomm(占总专利数3.3%)。从前20大申请人看,主要是以半导体业者、如Intel、Qualcomm、Broadcom、Qorvo、NXP、Sony等晶片或射频元件厂商为主。通讯设备厂如华为、三星(以上同时为晶片厂与手机品牌商)及Ericsson等也是相关技术主要投入者。


值得注意的是,Apple一直有要自主发展基频晶片的传言,从专利数来看、或许代表Apple在毫米波技术上已有一定程度之进展,且在2019年7月收购Intel基频晶片部门後,应会取得部分来自Intel的毫米波技术专利,预期将使Apple在毫米波技术专利数量上进一步提升、重要性也随之提高。此外,生产飞弹、战机雷达与飞弹防御系统等武器装备的军事承包商雷神(Raytheon),也为毫米波技术专利主要申请人,显示了过去毫米波过去以军事武器应用为主之事实。


以Intel、Qualcomm、华为、Samsung四间手机晶片大厂进行分析,其毫米波专利属於「毫米波效率改善技术」及「传输模式与架构」两大类别者皆超过一半,分别是Intel 60%、Qualcomm 62%、华为 58%、Samsung 72%,而天线与射频专利则约占各厂商的3成左右。


专利布局之战

毫米波的专利布局重点在解决传递范围小的问题,技术上透过发展讯号传递、传递架构、传送效率等方式,使毫米波更有商用化的可能。

从主要专利类别的分布来看,各厂商在毫米波的专利布局重点在於解决毫米波传递范围小的问题,在技术上试图透过发展讯号传递方式、传递架构、提升讯号传送效率等方式,使毫米波更有商用化的可能;此外,也投入於毫米波射频元件与天线的开发上。



图二 : 毫米波天线尺寸小,故可将更多的天线放进手机或基地台中,成为大规模多输入输出。(source: nokia.com)。
图二 : 毫米波天线尺寸小,故可将更多的天线放进手机或基地台中,成为大规模多输入输出。(source: nokia.com)。

就毫米波传输方式与效率提升这两大类的专利而言,华为与Samsung除为晶片厂外,也为基地台设备大厂,故专利内容便有部分提及是用於基地台讯号传输之技术;而Qualcomm则以终端设备与小基站之晶片为主要产品,专利内容则大多说明是用於基站到终端设备的讯号传送技术;Intel因非基地台设备商,也已退出行动装置晶片市场,故专利内容便未特别指出是供基地台或终端设备之用。


而在射频、天线、载波聚合等项目的专利上,也反应了厂商间在产品与市场之差异,如Qualcomm为第一个将毫米波射频模组进行整合并商用化的公司,其在毫米波天线与射频之专利也多为射频元件整合及封装技术。Samsung因有推出整合性射频模组产品,且具备高阶封装能力,故也有较多元件整合与封装相关专利。华为则因其行动装置与基地台设备的主要市场为中国大陆与欧洲,皆非积极推动毫米波商用之区域,可能因此在毫米波射频与天线的整合与封装上的投入较少,相关专利项目多涉及单一射频元件。Intel因已退出行动终端装置市场,故相关专利则较强调於笔记型电脑天线之技术,固守其原有电脑市场。


结语

虽以毫米波为关键字,然而依然可以发现华为与Samsung两家具有晶片、基地台设备与终端产品的厂商已有太赫兹技术之相关专利。因预期未来通讯技术会持续朝更高频率进行发展,故从毫米波技术出发,朝更高频的太赫兹技术投入研发并不令人感到意外,但从部分厂商已有毫米波加太赫兹的专利来看,往更高频技术发展似??不单只是预期,而已是进行式了。


(本文作者为资策会MIC产业分析师)


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