5G通訊的關鍵技術:相位陣列
/文 許承澤
/編 陳庭亞
隨著科技的進步，幾乎每個人的身上都有一隻智慧型手機，它不僅能夠用來搭建人與人之間溝通的橋樑，還能協助我們得知世界各地最新發生的消息，然而當越來越多人開始使用無線通訊時，每個人所能分配到的資料傳輸率(Data Rate)就會開始下降，通訊品質也就跟著降低，其中決定傳輸量的因素就是「頻寬(bandwidth)」。
頻寬類似於道路的寬度，一條窄的道路一次只能給少數人通過，相反的，一條寬的道路一次能夠給多數人通過，因此學界和業界不斷地在提升頻寬和傳輸量方面做努力，從最開始的0G(前行動通訊時代)演進到到現在普遍大家都在使用的4G(第四代行動通訊技術)。而為了滿足更多人們對於通訊的需求，5G通訊的發展也如火如荼的展開了。
最早的0G通訊是無線通訊技術的拓荒時代，直到研發出類比調變技術後進入到1G時代，一開始無線通訊的發展是用來協助戰爭時觀察員能快速的傳遞資訊給我方陣營，但當時通訊技術的訊號相當不穩定且保密性差，因此人們開始致力研發新型通訊技術，
在1980年代後，由於大規模的整合電路等技術問世，使行動通訊進入2G時代。其中在2G時代美國首先推出單通道能夠多人使用的技術，因此使傳輸量大幅的提升。由於通訊產業為國家戰略產業，因此各國開始互不相讓的不斷追求更好的技術與突破，發展的速度甚至連當時最新的3G無線通訊的技術都已經研發完成，卻因為沒有好的行動設備應用到3G通訊技術，而使3G通訊技術無法普及。直到iPhone推出智慧型手機，使得3G的技術得以應用於每個人的生活，才讓3G的用戶突然暴增，但同時也讓人們對於通訊的需求越來越高，進而迎來4G更高速的上網時代。
2019年開始，各家通訊業者紛紛宣布進入5G通訊的時代。由於過去通訊技術的發展已經將毫米波(Millimeter wave)以下的頻寬占滿，為了提升傳輸量，我們必須開發更高的頻段。一般而言，越高的頻段比較可能會擁有高頻寬，進而提升傳輸量，但更高頻段下的電磁波在空氣中傳輸時會有很大的損耗，意思是更高頻段下的電磁波無法傳遞很遠，因此在多方面考量下，各國政府和國際化組織將5G通訊所使用的頻段定在毫米波波段。如同上面所提到的，毫米波波段在空氣中有很高的損耗，所以我們必須設計具有高指向性的天線來解決這個問題
高指向性天線
不同於4G通訊，其使用的天線能夠同時朝四面八方產生電磁波輻射，高指向性天線能夠將所有的能量聚集起來往某一個方向產生電磁波輻射，由於能量匯集於某個方向，因此能夠提高傳輸的距離，雖然高指向性天線能夠解決傳輸距離不夠的問題，但卻無法有效的運用於現實生活中，因為天線本身只會往某個方向產生輻射，而你絕對不會希望你今天要使用手機上網時一定要站在某個位置才能夠使用，所以這個時候，「相位陣列」成為了5G通訊的關鍵技術。
相位陣列
相位陣列(Phased array)是由很多天線(Antenna)與控制相位(Phase)的設備組合而成，藉由給予每個天線不同的相位，能夠讓相位陣列中不同位置的天線在不同的時間產生輻射，不同位置的天線所產生的輻射在空間中若重疊會產生建設性干涉(Constructive interference)或破壞性干涉(Destructive interference)，因此若給予一組特殊的相位到相位陣列中，將能夠產生在特定方向上的輻射強度比較強，如圖三。相位陣列具有可控制輻射方向與強度的功能，這個技術解決了5G通訊中傳輸距離與方向的限制
相位陣列最初是由諾貝爾獎獲得者Karl Ferdinand Braun在1905年所提出的，他證實了透過相位陣列的技術能夠使無線電波在一個方向上的傳輸得到增強，而該技術可應用的範圍還包括: 追蹤、鎖定目標、物品尋找。
其實在很早以前，相位陣列這個技術就已經有被使用過，例如過去有許多地方的電台都會使用相位陣列去限定廣播的範圍，這不但可以使訊號集中於某一區，也能夠減少該電台對於其他地區所產生的訊號干擾。
相位陣列的應用
相位陣列可以有物品尋找的功能，想像前方有一個物體，若施加給相位陣列不同的相位，相位陣列所產生的輻射會朝不同的方向傳播，藉由量測反射訊號的方式，能測到在不同方向上有不同強度的反射訊號，進而推算出物體在什麼方向且得知物體有多大、多高、多厚和多遠。
這種方式與過去用於掃描的雷達相差很多，過去是用機械馬達去旋轉天線來達到物品尋找的功能，而相位陣列是利用施加不同相位的方式來達到控制方向。兩者相比較下，相位陣列能夠有 (1)較好的精細度 (2)切換方向的速度非常快 (3)避免因為機械掃描驅動器發生故障的可能性。
傳統掃描雷達因為機械馬達的旋轉會產生機械延遲，因此切換輻射方向的速度不夠快。而馬達旋轉的每一個間隔精細度無法達到很高，但卻有非常高的穩定度。除此之外，傳統掃描雷達還有一個最大的優勢就是具有非常廣的掃瞄範圍，而相位陣列卻無法探測到非常廣的範圍，為了提升掃描精細度、速度和範圍，有人也開始將相位陣列與傳統用於掃描雷達的馬達結合去達到具有快速且範圍大的物品尋找功能，比如俄國現代級、英國45型等防空驅逐艦都有裝此種設備。
利用控制輻射方向的相同概念，相位陣列將能夠輕易達到具有追蹤以及鎖定目標的功能，在相位陣列領域中，目前主要有三種常見的方式來達到控制輻射的方向，這三種分別是:液晶光學相位陣列(Liquid crystal optical phased array)、光波導相位陣列 (Optical waveguide phased array)和微機電系統相位陣列(Micro Electro Mechanical Systems phased array)。
相位陣列也能用在6G通訊
相位陣列不僅在5G通訊中扮演重要的腳色，對於預計在2030年左右實現商業化的6G通訊也是一項關鍵性的技術，因為6G通訊將會遇到跟5G通訊一樣相似的問題。目前世界各地對於6G通訊的預期指標是: 6G通訊的傳輸能力將比5G通訊提升100倍，延遲的部分將從毫秒等級降到微秒等級。
雖然5G通訊目前仍然在發展階段，但許多國家已經開始投入大量的資金去開發6G通訊，其目的是希望在6G通訊真正到來以前，能夠通過全球合作來發展真正能夠滿足未來通訊需求的6G通訊技術[5]。透過6G通訊的技術，將得以實現由虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、混合現實(MR)合併為一的延展現實(XR，Extended Reality)服務，未來的手機很可能變成輕量的眼鏡。除此之外，由於6G通訊產生了各式各樣用戶者的資料，為了保護使用者的隱私，未來也需要新的加密技術，例如:無線電指紋(RF fingerprinting)。我們可以期待未來的6G的到來，改變的可能是整個世界。
參考資料
[2]王岫晨，CTIMES
[4]亂侃數碼，每日頭條
作者/許承澤這世界充滿著許多奇妙的事情，例如我從來沒有看過我父母說我小時候很白的我
