15. 5G毫米波- 聊聊毫米波波束成形

之前雖然已有像WiFi使用60 GHz，雷達偵測使用77-81 GHz的毫米波頻段商用的例子， 但5G將毫米波頻段使用於商用戶外移動寬頻通訊的市場應用，則是無線通訊設計上的第一次。

雖然5G採用毫米波頻段，主要的優勢是可以獲取較大可用頻寬，使得5G可以比4G網路提供100倍傳輸速率與1000倍通訊容量的目標。但是對於這包括高頻無線接取的挑戰，也包括毫米波頻段天線陣列設計與相位天線陣列散熱需求所引致設計、性能、材料與成本上的許多權衡。

毫米波頻段使用在戶外通訊有幾個主要高頻無線接取的挑戰，包括會有較大的路徑傳輸損失(Path Loss)、無法穿牆所造成的耗損、下雨所造成雨衰(Rain Fading)、甚至因為水氣與氧氣吸收也會導致傳輸上的衰減(Propagation Loss)。

要補償毫米波在戶外通訊上這些傳輸衰減，主要是透過使用包含很多天線單元的天線陣列(Antenna Array)，透過適當設計這個天線陣列上的每個天線單元，使每個天線單元的輻射場型(Antenna Pattern)都是同相(In Phase)來產生正向藕合(Positively Coupling)。所謂同相，指的是每個天線單元的輸出，相位都是一樣的。數學上，相位=2*phi*頻率*延遲，毫米波的頻率非常高，每個天線單元輸出的相位都要是一樣，意謂著從升頻器輸出到每個天線單元的輸出，延遲都必須要一樣，對於這麼高的頻率，需要非常精密的設計。

當每個天線單元輸出的相位都是一樣，每個天線單元的輻射場型就會產生正向耦合，不僅陣列天線的輻射場型會成為細的輻射波束，同時也具有較大的天線增益，此即所謂波束成形技術(Beam Forming) ，5G毫米波主要就是透過波束成形技術來補償毫米波高頻在戶外通訊較大的損耗。