帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
手機晶片大廠毫米波技術專利分析
從技術到專利布局

【作者: 蘇偉綱】   2020年09月23日 星期三

瀏覽人次:【461】
  

隨著全球5G商用,市場對頻寬與傳輸速率的需求持續提升。Sub-6頻段頻譜資源有限,而毫米波易取得乾淨的頻譜資源。因此毫米波成為5G時代另一大發展重點。


3GPP以6GHz頻段為界,將5G分為2個大頻段,首先是範圍在450MHz至6GHz之間的「6G以下(Sub-6)」,及屬於高頻段、範圍在24GHz至52GHz之間的「毫米波(Millimeter Wave)」頻段。


由於Sub-6的部分因產業技術已經相當成熟,可藉延伸現有4G技術進行發展、有較大的覆蓋範圍、較容易部署基地台等優點,故成為全球各地營運商在5G發展初期優先使用的頻段。然而,在全球各地Sub-6所涵蓋的頻段多已為其他用途所占用,故在發展Sub-6的5G網路前,各國政府通常都要進行頻譜整備與挪移等動作,以確保有足夠且完整的Sub-6頻段可供5G網路使用。


隨著全球5G商用,市場對頻寬與傳輸速率的需求持續提升,Sub-6頻段在多種不同用途占用下、頻譜資源有限,而毫米波則是使用率很低的頻段,較易取得完整且乾淨的頻譜資源,因此毫米波成為5G時代另一大發展重點。


雖毫米波相對於Sub-6具有頻寬大、頻譜資源完整等優點,然而因毫米波屬高頻、就物理特性而言具有波長短,高穿透能力、低繞射能力、高訊號指向性等特質,因此毫米波訊號易因穿透障礙物而大幅衰減,導致訊號覆蓋範圍小、需佈建大量基站來填補訊號覆蓋範圍,但大量佈建卻又會導致佈建難度與成本上升,為解決此問題,營運商、通訊設備商與通訊晶片廠皆投入於提升毫米波訊號傳輸距離與傳輸效率之技術上。


射頻與天線封裝

就5G手機而言,因需要支援多樣的5G頻段,如Sub-6便有低於1GHz、1.8GHz、3.5GHz等不同頻段,再加上對毫米波與4G的支援,使得5G手機需要更多的天線數量與射頻元件數量。然而手機內部可再放入大量射頻元件與天線的空間已很少,因此手機晶片廠商開始藉由將射頻元件與天線封裝在一起,製作出整合性的射頻模組,而無須在PCB板設計射頻元件的線路,進而縮減所需之面積,以解決此問題。


目前的發展方向乃是透過天線封裝(Antenna in Package)將多個毫米波通訊使用之微型天線,及功率放大器、濾波器、電源管理晶片、收發器等多種射頻元件封裝為一個整合式的射頻模組。


相位陣列天線

天線的長度與電磁波的波長成正比,故毫米波的天線長度非常短,也因天線長度短,每個天線能接收到的電磁訊號能量便很低,訊號衰減與缺損狀況較為嚴重,並導致傳輸距離短。為解決此問題,5G高頻技術下會使用相位陣列天線(Phased Array Antenna),藉由使用大量小型天線元件來設計出訊號高增益的指向型天線,以使訊號傳送距離得以延長。


大規模多輸入輸出

多輸入多輸出系統(Multiple-Input Multiple-Output;MIMO)係指在單一天線頻寬有限下,在發射端使用多個天線各自獨立發送訊號,於接收端也用多個天線獨立接收信號,訊號接收回來經解調後便可恢復原訊號內容。透過將訊號切分、由不同天線傳送、再結合為原內容,可使同一個天線頻寬可因多個天線同時進行訊號傳輸,而使總體傳輸頻寬倍增。


由於毫米波天線的尺寸小,故可將更多的天線放進手機或基地台中,成為大規模多輸入輸出(Massive MIMO),並藉由天線數量的進一步增加,產生出比一般MIMO更高的整體網速,並提升基地台的傳輸容量。


波束成型

電磁波發送訊號時是向四周進行散射,然而接收端只需接收到自某特定方向而來的訊號,即可完成訊號的傳遞,故以散射方式傳送訊號的效率較差。而毫米波因訊號衰減率高,若訊號採用散射方式傳遞,其傳遞效率將更為低落。因此,在毫米波技術上便思考如何將無線電訊號整合、並以具方向性之方式傳送至特定方向的接收端,藉此提升無線電訊號傳送之效率與傳遞距離,這種技術就是波束成型(Beamforming)。


波束成型是在天線陣列上通過調節各天線收發單位的幅度與相位,使天線陣列對特定方向的發射與接收訊號進行疊加而產生訊號增益;對其他方向的訊號則互相抵銷、進而降低干擾。藉由增強有指向性的訊號、並降低其他方向的干擾訊號,可使毫米波訊號的傳送距離增加,然此傳送方式將使在波束方向以外的用戶難以接收到訊號,因此波束成型技術中還牽涉了如何最有效率的搜尋到各個用戶、定位其方向並發射最佳訊號傳遞波束等技術。此外,因用戶可能處於移動狀態,如何追蹤用戶位置,並不斷切換最佳訊號波束以傳送訊號給用戶,也是波束成型技術上的重點。


毫米波專利現況

毫米波技術前20大專利權人國家,以美國居冠,擁有2,882項專利,占比66%;其次為日本,擁有308項專利,占7.1%;而德國、以色列及中國大陸則分別為163項、155項與128項。臺灣在毫米波技術專利申請數量達104項,排名全世界第八、主要申請者為台積電與工研院;歐洲列名毫米波技術專利前10大申請國的國家只有德國與英國。



圖一 : 毫米波技術前二十大專利申請人(資料來源:USPTO、Innography,資策會MIC整理,2020年6月)
圖一 : 毫米波技術前二十大專利申請人(資料來源:USPTO、Innography,資策會MIC整理,2020年6月)

毫米波技術專利申請前三大專利權人為:AT&T(佔總專利數6.6%)、Intel(佔總專利數3.5%)及Qualcomm(佔總專利數3.3%)。從前20大申請人看,主要是以半導體業者、如Intel、Qualcomm、Broadcom、Qorvo、NXP、Sony等晶片或射頻元件廠商為主。通訊設備廠如華為、三星(以上同時為晶片廠與手機品牌商)及Ericsson等也是相關技術主要投入者。


值得注意的是,Apple一直有要自主發展基頻晶片的傳言,從專利數來看、或許代表Apple在毫米波技術上已有一定程度之進展,且在2019年7月收購Intel基頻晶片部門後,應會取得部分來自Intel的毫米波技術專利,預期將使Apple在毫米波技術專利數量上進一步提升、重要性也隨之提高。此外,生產飛彈、戰機雷達與飛彈防禦系統等武器裝備的軍事承包商雷神(Raytheon),也為毫米波技術專利主要申請人,顯示了過去毫米波過去以軍事武器應用為主之事實。


以Intel、Qualcomm、華為、Samsung四間手機晶片大廠進行分析,其毫米波專利屬於「毫米波效率改善技術」及「傳輸模式與架構」兩大類別者皆超過一半,分別是Intel 60%、Qualcomm 62%、華為 58%、Samsung 72%,而天線與射頻專利則約佔各廠商的3成左右。


專利布局之戰

毫米波的專利布局重點在解決傳遞範圍小的問題,技術上透過發展訊號傳遞、傳遞架構、傳送效率等方式,使毫米波更有商用化的可能。

從主要專利類別的分布來看,各廠商在毫米波的專利布局重點在於解決毫米波傳遞範圍小的問題,在技術上試圖透過發展訊號傳遞方式、傳遞架構、提升訊號傳送效率等方式,使毫米波更有商用化的可能;此外,也投入於毫米波射頻元件與天線的開發上。



圖二 : 毫米波天線尺寸小,故可將更多的天線放進手機或基地台中,成為大規模多輸入輸出。(source: nokia.com)。
圖二 : 毫米波天線尺寸小,故可將更多的天線放進手機或基地台中,成為大規模多輸入輸出。(source: nokia.com)。

就毫米波傳輸方式與效率提升這兩大類的專利而言,華為與Samsung除為晶片廠外,也為基地台設備大廠,故專利內容便有部分提及是用於基地台訊號傳輸之技術;而Qualcomm則以終端設備與小基站之晶片為主要產品,專利內容則大多說明是用於基站到終端設備的訊號傳送技術;Intel因非基地台設備商,也已退出行動裝置晶片市場,故專利內容便未特別指出是供基地台或終端設備之用。


而在射頻、天線、載波聚合等項目的專利上,也反應了廠商間在產品與市場之差異,如Qualcomm為第一個將毫米波射頻模組進行整合並商用化的公司,其在毫米波天線與射頻之專利也多為射頻元件整合及封裝技術。Samsung因有推出整合性射頻模組產品,且具備高階封裝能力,故也有較多元件整合與封裝相關專利。華為則因其行動裝置與基地台設備的主要市場為中國大陸與歐洲,皆非積極推動毫米波商用之區域,可能因此在毫米波射頻與天線的整合與封裝上的投入較少,相關專利項目多涉及單一射頻元件。Intel因已退出行動終端裝置市場,故相關專利則較強調於筆記型電腦天線之技術,固守其原有電腦市場。


結語

雖以毫米波為關鍵字,然而依然可以發現華為與Samsung兩家具有晶片、基地台設備與終端產品的廠商已有太赫茲技術之相關專利。因預期未來通訊技術會持續朝更高頻率進行發展,故從毫米波技術出發,朝更高頻的太赫茲技術投入研發並不令人感到意外,但從部分廠商已有毫米波加太赫茲的專利來看,往更高頻技術發展似乎不單只是預期,而已是進行式了。


(本文作者為資策會MIC產業分析師)


相關文章
前端射頻大廠財務與專利分析
以人為本的智慧空間開發
現況正在改變 5G NR開啟毫米波應用新契機
5G非規則陣列天線模擬的全新突破
解決5G複雜性挑戰 需從根本最佳化平台
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
Pad(MID) SiP Turnkey Solution
原廠/品牌:鉅景
供應商:鉅景
產品類別:RF
  相關新聞
» 迎向5G元年 凌群AI數位轉型打前鋒
» 5G智慧應用搶先布局 仁寶與思科攜手打造企業網路生態圈
» AIoT商機爆發 資策會攜手國際大廠布局潛力股
» 後疫情時代搶先布局 智慧醫療趨勢帶動跨域合作新風潮
» 產研合作成效高 工研院攜手產業實現AI落地創新商機
  相關產品
» 資策會攜手30家產學研共組聯盟 搶運動產業轉型商機
» 資策會知識圖譜標記工具服務上線 資料標記節省80%時間
» 宸曜推出新款IGT-30系列工業等級物聯網閘道器
» 經濟部偕微軟與Google 培育高中職生AI職能
» Digi-Key宣佈推出供應商主導的KiCad資料庫

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw