毫米波通訊的未來仰仗天線技術

高畫質的影音，讓數位裝置讓目前的無線傳輸已經開始力有未逮，毫米波傳輸則可以解決這個問題，然而天線是毫米波傳輸是否能實用化的關鍵。劉家任攝

前言：在無線訊號佔用頻段越來越密集的情況下，0.3-30GHz的傳統微波頻段幾乎已經被佔用殆盡，在微波頻段之上的30-300GHz，則越來越受到重視，能夠提供較高的頻寬與抗衰竭特性。不過毫米波技術普及化的最關鍵的核心，則為天線技術的持續發展。

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目前主流的無線通訊技術，例如WiFi、藍牙，甚至AM、FM無線廣播等，會佔用30GHz以下的微波頻段，加上UWB等技術受限，因此頻段移動幾乎已經確定是大勢所趨，否則不但頻段擁擠，未來傳輸速率也跟不上實際的需求，例如現今的無線區域網路傳輸Full HD規格的影片即已經開始力有未逮。

隨著資訊量高速增長，傳遞資料的流通量也將日益增加，造就了高頻率高乘載無線通訊市場的興起；另外，因應60GHz以下的開放通訊頻段已不敷使用，眾多IC設計公司轉向提供更高頻段通訊的解決方案。

以物理上的定義，毫米波(millimeterwave)是介於微波與光波之間的電磁波，但通常毫米波頻段是指30~300GHz，相應波長為1~10mm。毫米波本身為免授權、免付費、及未被大量採用的頻段，換句話說，不需耗費申請時間及費用，即可取得使用頻段。WirelessHD及IEEE802.15.3c皆屬毫米波無線傳輸技術，工作頻段為60GHz。而各國所開放的毫米波頻段略有不同，以日本而言為59~66GHz、北美/加拿大為57~64GHz、歐洲是57~66GHz、澳洲則為59.4~62.9GHz。

毫米波頻寬大為最大優勢

毫米波有一特徵，就是傳送的「直進性」特別好，當電波穿透障礙物時，會因反射現象而減弱訊號。但是60GHz電波直進方向展開的距離，若是與目前的2.4GHz無線網路比較，僅有其五分之一，抗衰竭性佳。且在實際上，目前2.4GHz頻帶與微波爐有互相干擾的問題，但是毫米波目前則無。以實際特性比較，60GHz毫米波可用頻寬7GHz左右，最高傳送功率8000mW，最高原生資料傳輸速率達25000Mbits，遠遠領先目前802.11n規格的600Mbits。

這樣的傳輸頻寬，如果能夠普及化，將可大幅消除目前無線網路實際傳輸達不到理論值的問題，而且能夠追上目前影音多媒體的格式，例如以60GHz的毫米波傳輸，即使採用低階調變方式，也能夠確保3Gbps~5Gbps的傳輸速率。對於WirelessHD來說，使用這樣的頻寬就可以實現非壓縮高畫質視訊的傳輸，甚至可以取代HDMI的線纜，成為Wireless HDMI。

毫米波發展仰賴天線技術

毫米波應用的優點相當多，不過要將其普及化，最關鍵的因素是天線，因為毫米波的直向性特別強，相對的，接收範圍就相當狹小，因此天線的接收能力，就左右了毫米波普及的成敗。

例如開發毫米波傳輸技術相當投入的Intel即指出，在LOS(line of sight)條件下利用毫米波時，只要使用一般無指向性的天線即可。然而，在無線影像(Wireless Display)的應用中，且必需在NLOS(non line of sight)的環境下工作時，毫米波的波束形成(Beam forming)之類的天線技術就變得相當重要。

因此，目前的研發方向，最主要就是可即時調整的波束成形(Adaptive Beam Forming)與天線端的微陣列天線(Micro Array Antenna)技術，來解決指向性與天線封裝問題。而毫米波天線模組另一個成本高昂的原因，是過去只能採用費用高昂的矽鍺(SiGe)或砷化鎵(GaAs)製程製造，業者的研發方向也是努力突破此限制，並利用標準CMOS製程進行生產，達到低成本、小尺寸的要求，不過必須克服CMOS製程傳播損耗較大的問題。

在實務上設計上，有廠商在平板天線(Patch Antenna)上，配置透鏡天線(Lens Antenna)，利用放射角度拉大，避免障礙物的影響，即提高天線的增益，例如原本正負4度放射角度在20公尺的接受直徑為2.8公尺，利用此技術將放射角度拉大到正負12度時，則接收範圍的直徑可以拉大到8公尺以上。

天線陣列的研發，則是因為利用60GHz毫米波的波長僅5mm的特性，將多個天線整合到單一封裝內，形成天線陣列，此種天線陣列可以在毫米波遇到障礙物時，彈性的改變波束形狀以避開障礙物。這種設計甚至可以將訊號IC與天線封裝在同一個陶瓷封裝裡，由於兩單元間的佈線縮短，信號損耗小，佔用的面積亦少。

故毫米波雖然看似前途相當光明，甚至被一致看好是下一代的重要無線傳輸基礎，但是唯有天線技術突破與降低成本，才能讓此一願景真正的實現。