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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

386期2024年07月號

出版日期:2024/07/15

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以軟帶硬跨國推動 毫米波技術產業化

撰文/賴宛靖

毫米波技術應用在海、陸、空等領域,搭配低軌衛星通訊後形成無線寬頻覆蓋網絡。
毫米波技術應用在海、陸、空等領域,搭配低軌衛星通訊後形成無線寬頻覆蓋網絡。

5G網路及低軌衛星發展暢旺,使毫米波技術需求旺盛,進而帶動市場發展。工研院研發「軟硬整合毫米波技術」,協助臺灣產業從晶片、模組到系統全面布局,擴大產業競爭力,榮獲工研院產業化貢獻獎金牌獎。

網路是現今社會人與人溝通及訊息傳遞的重要媒介,而毫米波(Millimeter Wave;mmWave)是應用於無線通信和雷達技術的射頻頻段,範圍約略介於30GHz到300GHz之間,具有高頻率、大頻寬與低延遲的特性,適合串聯大量的聯網裝置,在未來高通量(Broadband)地面與衛星通訊中享有巨大優勢,因此5G網路仰賴毫米波來傳輸,其系統、模組和晶片技術的整合相形重要。

「毫米波技術的應用需求有兩方面,其一是來自於地面的5G通訊網路,市場上稱之為開放式無線接取網路(Open RAN),可在其中開發系統、模組或軟體,該領域也是許多臺商希望打入的市場;其二是在天空中的衛星通訊,尤其是SpaceX、Eutelsat OneWeb等低軌衛星通訊,因為低軌衛星通訊的頻率主要是Ku頻段(12-18GHz)和Ka頻段(26.5-40GHz),其中Ka頻段與5G毫米波行動通訊頻段(24.25至71 GHz)部分重疊,因此很仰賴毫米波頻段中會用到的元件、軟硬體。」工研院資訊與通訊研究所組長許仁源表示。

從地面到太空  毫米波技術引領未來通訊

現有通訊系統主要覆蓋範圍為地面廣域或都市、郊區,而毫米波技術則應用在海、陸、空等領域,搭配低軌衛星通訊後形成無線寬頻覆蓋網絡,而5G毫米波基地台正是「固定無線接取」(FWA)的最後一哩路,也是未來物聯網、智慧製造與雲端運算等產業發展的重要應用領域。

毫米波技術需求的暢旺也帶動相關市場蓬勃發展,現有的無線通訊系統對應的小型無線通訊基地台,多使用6GHz以下的頻段,而毫米波的大頻寬和高頻率特性,需使用大量的天線陣列技術,搭配讓射頻從低頻段升到高頻段的升降頻收發器及波束控制技術(Beamforming),以便基地台或衛星能與其連結地面終端進行定向通訊。許仁源點出,過去臺灣通訊產業的核心晶片、模組甚至自主系統整合都需仰賴進口,關鍵技術均掌握在他人手上,為鞏固產業發展的根基,工研院「以軟帶硬跨國推動毫米波技術產業化」,協助臺灣產業從最前端的晶片、模組到系統,進行全面布局,擘劃進入毫米波和衛星通訊市場的商機。

許仁源分析,在5G通訊系統中有些獨特需求是產業必須注意的,其一是射頻元件,舉凡射頻天線、射頻晶片、射頻模組或整個通訊系統,在法規和通訊協定上都須達到一定的品質與要求,並符合頻道功率洩漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio;ACLR)規定,以滿足全球行動通訊標準組織3GPP規範;其二是訊號指向性的精確度,這與天線模組和天線陣列(Antenna Array)的設計息息相關。此外,因應毫米波朝衛星通訊的發展態勢,歐美日等國都已制定衛星通訊標準和規範,臺灣通訊業者想切入市場就必須了解相關規範。

通訊技術持續進化  技術平台引領產業進軍市場

由於通訊產業涉及的軟硬體層面廣,為了加速產業發展,迅速掌握市場脈動,工研院協助有意投入通訊市場的企業「打通任督二脈」。許仁源說,研究團隊從早期的2G、3G,到後來的4G LTE、WiMAX,再到5G及部分6G技術,根據不同通訊世代持續進行相關科專計畫,迄今已近20年。早年聚焦於低頻段通訊技術,隨著毫米波技術興起、天線陣列等技術應用多元,晶片需求也大幅增加。

過去,臺灣產業在通訊零組件的ODM和OEM發展甚久,未來可持續提供天線模組和地面設備系統(UT)等服務;但於毫米波相關通訊晶片上,臺灣尚缺乏生產設計能力,因此運用自身強大的半導體優勢,強化通訊關鍵晶片和模組開發能力是必要的;另外,企業也應熟知衛星通訊協定與標準,除了解歐美日等國特規系統外,3GPP行動通訊標準也大力推動與衛星相關的開放式標準,如5G NTN和6G NTN等,如此一來,臺灣產業不僅可以生產衛星通訊系統的零組件,也能進入端到端系統的開發。

透過「軟硬整合毫米波技術」平台,協助關鍵零組件和模組業者一起進入市場,從已具基礎的射頻控制軟體、接取軟體到通訊協定軟體,進入關鍵射頻元件和天線陣列模組等以往較少涉足的領域,甚至是衛星通訊系統的建置,如衛星到地面終端的高移動速度傳輸、延遲時間和角度調整等,皆投入研究,透過該技術平台,強化國內關鍵元件、模組到系統的技術整備,以便落地實現垂直應用系統的開發,像是臺灣已有射頻晶片的IP與製程,可整合發展射頻晶片和天線陣列模組供業界運用,逐步協助臺灣打造毫米波產業鏈,走向高附加價值的5G毫米波通訊產業,確保臺灣在全球通訊市場中的競爭力,實現產業升級與轉型。

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