【5G】手機頻寬 : Sub-6GHz(厘米波) VS. mmWave(毫米波)

■手機天線基本原理

■5G 關鍵技術

1.毫米波(mmWave)

2.QAM 四象限振幅調變 (又稱正交振幅調變)

3. 毫米波(mmWave)波束成形(Beamforming)天線技術

5G手機通訊使用頻寬分兩大派別:Sub-6GHz與mmWave,其主要差異如下表

基地台覆蓋區大小可圖是如下:

【視頻】How does an Antenna work? | ICT #4

■毫米波 (mmWave)

5G NR (New Radio) 波段

毫米波頻率並非僅僅稍高一點，其頻率甚至超過 24GHz。

優點 : 毫米波有很大的頻寬, 5G 毫米波的頻寬是 24.5GHz 到 28.35GHz，

所以頻寬接近 4GHz，容量是 4G 的 10 倍。

缺點 : 毫米波實在太容易受到影響而產生衰減。對毫米波產生影響的事物很多，

其中尤以毫米波無法在建築物外給建築物內部提供服務。

在設計手機時，因為手持方式，還要耗去不少天線。不僅如此，

空氣（實際上是氧氣）對毫米波產生的衰減作用也非常大，

以至於毫米波的傳播範圍受限於 200-300 米（約 700-1000ft）。

所以，每隔 200m 左右就需要修建基地台小型基地台。

■QAM 四象限振幅調變(又稱正交振幅調變)

●電磁波調變種類

● QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

是一種在兩個正交載波上進行振幅調變的調變方式。

這兩個載波通常是相位差為90度（π/2）的正弦波，因此被稱作正交載波。

QAM可以有4QAM、16QAM(4bit/symbol)、64QAM(6bit/symbol)、256QAM(8bit/symbol)、1024QAM(10bit/symbol)等調變方式

【視頻】電磁波調變原理

●16 QAM 調變技術的基本原理

16 QPSK是利用 PSK 和 ASK 混合調變技術，下圖 (a) 為每一筆訊號之向量圖，如果以零角度為 cos 座標，900 度為 sin 座標，各筆訊號的四象限位置如 下圖(b) 所示。

但 QAM 的調變技術在製作上與 QPSK 有點不同，它是以反方向製作，原理如下說明：依照三角函數計算，PSK 和 ASK 混合調變後訊號，都可以轉換成 sin 和 cos 的函數訊號的合成：（A 和θ 是變化性的）

Acos(2πfCt + θ) = A1cos(2πfCt) + A2 sin(2πfCt)

因此，在 QAM 的調變技術之中，我們可以取某些位元由 A1cos(2πfCt) 來表示，以變化不同的 A1 表示位元資料，另一方面，某些位元由 A2 sin(2πfCt) 表示，也是變化不同的 A2 表示各種資料。再將兩序列的訊號混合起來（A1cos(2πfCt) + A2 sin(2πfCt)），就成為 QAM 調變訊號。製作方式如下圖 (a) 所示，首先將輸入之位元分為 X、Y 兩群，X 值用 cosine 波形調變，成為 I（In-phase）分支訊號；而 Y 值用 sine 波形調變，成為 Q（Quadrature）分支訊號，兩分支訊號再混合而成，也因此稱之為『四象限振幅調變』（QAM）。下圖 (b) 為 16-QAM 之四象限座標圖。

●QAM 調變技術與 WiFi 的演進

■毫米波波束成形(Beamforming)天線種類

1.全像式波束成形(Holographic Beamforming, HBF)天線

2. 相位陣列天線

3. MIMO/massive MIMO天線

【TIPS】MIMO = Multiple-input Multiple-output 多輸入多輸出

●大規模多輸入多輸出(massive MIMO)天線

5G手機和基地台（Femtocell）都需要大量波束成形(Beamforming)的MIMO天線

Massive MIMO天線採用貼方式製作,是一種微帶貼片天線（ Microstrip Patch Antenna）

●MIMO貼片天線構造

5G 毫米波天線陣列一般是基於相控陣的方式，具體實現方式又可以分爲 AoB （Antenna on Board，天線陣列位於系統主板上）、AiP （Antenna in Package，天線陣列位於芯片的封裝內），與 AiM （Antenna in Module，天線陣列與 RFIC 形成一模組）三種。目前 AiM 方式爲業界普遍接受。

典型MIMO天線,由64個RFIC、256個雙極化天線組成,如下圖

■手機的毫米波天線

多個mmWave天線模塊（如QTM052和QTM525）位於不同的位置，

如下圖所示。基帶調製解調器根據最強信號的來源在天線模塊之間切換。

所有這些都是在一毫秒的時間內實時發生的。

【TIPS】手機天線使用的製程雷刻成型有LCT及LDS兩種

LDS (Laser Direct Structuring) ,LCT ((Laser Circuit Technology)

每個毫米波子陣列目前使用四個雙極化貼片天線，每個天線都有一個發射/接收

開關、低雜訊放大器（LNA）和功率放大器（PA），使用RF-SOI緊密集成。

每個放大器只能輸出大約15 dBm的線性功率，因此可以使用多達8個天線

來達到20 dBm以上的EIRP水準

■基地台密度與手機輻射之關係

手機的輻射強度與基地台信號強度密切相關。

【基地台輻射計算例】

假設基地台的發射功率是40W，天線增益15dBi，你站在距離基地台50米遠處，

基地台高約30米，那麼受到的輻射大約是多少？

因mW = 10^(dBm/10) ,所以 15 dBm = 10^(15/10) = 31 mW

距離基地台50米遠時， 功率密度=(40*31)/(4*3.14*50^2)=0.04 W/m2。

距離基地台10米遠時，功率密度=(40*31)/(4*3.14*10^2)=1 W/m2。

如果你再往塔下走，雖然距離近了，輻射較小，但是你可能落入天線副瓣，。

●基地台的密度越大、功率越小、輻射越低 ;

離基地台越遠，基地台信號就越弱，手機發射的功率會越大。

就好比兩個人說話，距離越遠，越要大聲叫喊；距離越近，越能小聲說話。

所以，基地台的密度越大，手機接收的信號越強，手機的輻射也相應減少。