第五代行動通訊系統，自2018年6月13日3GPP會議訂下第一個國際5G標準後，各個國家正致力於發展相關技術以及其商業化的應用，由ITU提出的5G藍圖定義了三大應用場景，分別為eMBB (enhanced Mobile Broadband，增強行動寬頻)、URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications，超高可靠超低時延通信)、mMTC (massive Machine Type Communications，大連接物聯網)。我們期望台灣在5G相關產業能夠有引領之效應，但在技術面與應用面仍有許多挑戰需要面對。因此這次台灣電磁產學聯盟於2018年10月5日在台灣大學博理館所舉辦的研發半年報暨5G天線與射頻前端關鍵技術挑戰與發展趨勢研討會，便是為了讓國內於5G天線與射頻前端領域耕耘已久的各方產學界菁英能藉此互相交流，討論產品開發與未來的可能方向。此次半年報除了由教育部5G天線與射頻技術聯盟中心與台灣電磁產學聯盟共同主辦外，並獲得台科大電子系、台大電機系、台大電信所、科技部5G射頻產業技術聯盟、台科大無線通訊與電磁相容技術研發中心、台大國際產學聯盟、台大高速射頻與毫米波技術中心、IEEE EMC Taipei Chapter與科技部「5G/B5G無線通訊網路技術研發專案計畫」推動辦公室等相關單位的協辦與支持。
此盛會中，主辦單位邀請了台灣大學周錫增教授、蘇炫榮教授以及吳宗霖教授，聯發科技傅宜康經理、耀登科技周瑞宏技術長以及交通大學唐震寰教授來和與會者分享他們在5G天線領域與射頻前端研究的經驗。內容將從系統、射頻電路和產業的角度切入討論，包含相關的毫米波天線設計、工程上的問題、量測上的需求以及實務上的應用，十分精彩。

研討會首先由台灣大學電信所吳瑞北教授開場致詞掀開序幕，吳教授分享了兩段5G有關的新聞報導，並提出值得探討的議題：其一為行政院將於2020年完成我國第一階段的5G頻譜市場，各個通訊商由於商業利益考量紛紛提出不同意見，自2013年4G發展以來台灣的電信產業拿獲得了什麼？其二為張忠謀在APEC提出一個議題，在全世界邁入數位經濟的時代，中國美國以外的國家包含台灣究竟扮演著什麼角色？

5G時代各類技術發展五花八門，大致包含五個重要的應用：三高二低（分別為高容量、高裝置連結數目、高頻譜使用效率、低延遲以及低能耗）。期望透過此次5G發展趨勢、現況和未來展望的交流，讓台灣可提早規劃佈局，進而獲得很好的發展。

接下來開始為一系列的專題演講。首先由擔任台灣大學的周錫增教授分享有關Massive MIMO暨智慧型天線技術發展與應用的經驗，周教授首先展示去年和中科院合作一個測量天線系統。Massive MIMO 是達到5G欲達成高資料傳輸的主要核心技術，除了資料傳輸率也需要增加頻寬，未來5G會發展往毫米波頻段操作的行動通訊網路，目前手機大廠如華為等關注的頻段在28/39GHz，可以使用的頻寬加起來超過10GHz，Massive MIMO也會往這個頻段研究。

周教授提出毫米波Massive MIMO有許多挑戰，包括基地站天線數量從16-64擴增到100-1000，UE端天線數量從1-4擴增到2-8甚至16，尺寸問題無法在應用上實現；以64 單元為例，需要16瓦之功率，損耗太大問題；由於多天線而有較複雜的訊號處理問題，不易實現與所需傳輸的資料流。
接著周教授介紹自己的研究包括Massive MIMO實驗系統，從天線的角度切入一路到後端系統的研究、智慧型天線系統模組搭配Massive MIMO、天線校正系統等。另外他發展出beam-steering, beam-switching等技術提升指向性，利用類比和數位波束成型技術增加覆蓋性，將資料同時傳給不同方向的使用者。
在5G的頻帶上，將從sub-6GHz為基礎發展，發展到毫米波的頻帶，周教授在每一個環節都有佈局，並且希望三年後可以建構一套完整系統，讓台灣可以自己做5G行動通訊系統之發展。

第二個演講則是請蘇炫榮教授分享應用於未來工廠之5G通訊技術，專注在未來工廠的需求。德國提出工業4.0的概念，目標將工廠利用cyber physical network構築，將原來的工廠加上一些網路連線，把範圍擴展到超過原本工廠的領域。最後生產者可提供不只是製造產品本身，還可以提供售後服務，根據不同的需求不定時更新以增加產品整體產值。
未來工廠有幾個特性，第一是必須機動性調整，可以隨時改變並且客製化；第二為隨時監控工廠的產線，以達到零缺陷的目標；第三為能源有效率的運用；第四為機械手臂必須具低延時性之特性；第五為汙染物的處理如雜音震動等。符合這些應用最好的方式為，產品與產線設計出一個通訊模組，以隨時知道他們的狀況。目前大部分工廠之產線仍是有線的，少數使用Wi-Fi但因傳遞損失太大而僅做少數應用。有線的方式的問題是每年連接器的折舊成本過高，以及連接器相互纏繞之問題，能夠發展無線是最好的。
蘇教授整理出5G需求應用情境，包括監控系統、無縫接軌的通訊、遠端遙控等。為了應付未來的需求，智慧工廠需要的技術有無線、延時性、可靠性、能源效率等。然而目前還有許多問題，像是毫米波應用成本高，目前時程上往後延；為達到低延時而造成較多能耗，須倚靠後端電腦技術做到更好的服務；頻譜之間的區隔之安全性問題，必須建立自己的系統，若使用很多感應器並彼此建立通訊連線，則需耗費很多時間等。為了因應這些問題，蘇教授提出智慧工廠的通訊計畫，期望在2020年克服這些議題。

第三個演講邀請了聯發科技的傅宜康經理來分享公司從5G的系統設計到商業化的成果。從產業的角度看，符合使用者的需求和應用情境才是最重要的。5G和4G最大的差別在於數據的差異化，除了以往每個世代演進都會追求之更高的頻譜效率和傳輸速率以外，還提出較以往不同的革新技術，像是URLLC 和mMTC之應用。然而對於企業來說，不可能將所有的研發都投資在新技術上，必須先了解市場需求，才會決定投入多少成本分別布建。在聯發科的觀察下，目前手機市場依舊是最主要的市場，手機總量持續成長，因此在選擇5G標準化策略時，eMBB仍是其最關切的技術。在新技術的發展上，聯發科採取的策略為先以目前4G發展的技術為基底，嘗試開發5G的應用產品。
行動通訊的標準在於5G系統的設計，設計前必須先研究頻譜策略，因為頻譜決定了基本架構。之後再劃分波型的調變方式，若是子載波間距較短，意味著覆蓋性較強，可做為物聯網的應用；若是子載波間距較長，意味著低延時性，可做為控制及汽車雷達的應用。如此形成可擴增的波型，形成5G NR(新空中介面)。維持著原本LTE的架構，在載波上支援5G不同波型的應用，達成有效率有彈性並錯綜性的系統。由上述的規畫可知，波束成型技術在5G NR扮演關鍵性的腳色，可以藉由匯集較強波束彌補物理上覆蓋性不足之缺點。
最後提到，5G第一波事實上有些倉促，有太多的願望。對於新的服務如URLLC等應用並沒有周延的考慮到。另外5G系統設計如何最佳化是值得繼續研究的議題，聯發科希望透過他們摸索的經驗，提供大家在此方面的想法。

用完午餐後，緊接著是下午的演講。第四個演講邀請到耀登科技的周瑞宏技術長，給各位分享5G毫米波天線模組之技術與挑戰。有鑑於工研院整理出毫米波5G應用情境上，亟需發展之技術有五項，今天的講題將著重在其中一項：主動式陣列天線(active antenna array)之設計。
首先對於挑戰，周技術長列出的議題，其中重要的包括遮蔽效應、天線與主被動元件設計、毫米波校正技術、beamforming & beam-tracking技術、毫米波IC設計。遮蔽效應主要發生在被建築物與人體的阻擋，造成通訊品質下降。解決方案為布建基地台密度提高，但成本較高。高通提出增加手機天線數目至四支等，目前仍在研究階段；陣列天線為達到波束指向時，最重要的指標為控制相位，藉由相位延遲達成beamforming技術，如何適當設計亦是關鍵；由於相位會受到振幅或主動電路的影響，必須要發展毫米波校正技術，使傳送端和接收端匹配，將會是影響效能的關鍵；beamforming技術分為類比和數位，從類比轉數位可節省相移器和衰減器，但到達一定數量後，訊號處理成本會超過類比的元件配置，因此需發展類比和數位共同使用，形成混合型之beamforming技術。
此外，周技術長提到耀登科技目前提供的模組，包含4×4主動式天線陣列模組、28/39GHz 8×8天線陣列模組，包括單極化、雙極化、多通道等不同規格，以符合不同的應用情境等，希望藉此帶領台灣5G產業發展。

第五個演講則是邀請了交通大學唐震寰教授來談他毫米波相位陣列之技術發展與應用。首先談5G的應用情境，從頻率來看，頻段為28GHz/37-42GHz/60GHz。通訊面來看，他認為5G有兩種應用的情境，一個為點對點的通訊，60GHz之頻帶；另一個為點對多點的通訊，提供給下世代的Wi-Fi。毫米波感測和通訊方面，自動駕駛、影像感測和雷達的應用也被引進，但雷達亦受天候影響，維護成本高，如何把這三個整合在一個感應器，做資料融合以及後續的影像處理是個值得研究的議題。他認為毫米波的應用，可以從車子的需求出發，而雷達扮演一個重要的角色。
毫米波穿透損失大，也因遮避效應導致傳送距離短容易斷鍊。為解決此問題，唐教授團隊不但使用陣列天線來增加天線增益，也需從系統面來看，一路從基頻串穿至高頻，做陣列信號處理，做波束成型以及通道量測之評估，做整體的設計。
在相位陣列天線設計方面，從被動走向主動，差異在於把主動元件直接接在天線上，好處在於訊號發送時會被強化而不會衰減。由主動走向數位，差異在於把波束成型器拉到後端，把每一路降到基頻，再做訊號處理，好處在於容易控制波束的方向，雖然需要採樣的資料量大，但由於現在訊號處理速度夠快，足以應付此問題。
整個在毫米波基地台相位陣列天線來看，主要有兩個應用，第一個為5G網路中搭載64或128 單元之基地台天線，從基地站直接傳送訊號至其周圍的室內環境而不受遮蔽效應干擾之可能性，以及室內量測系統之建置與評估；第二個為雷達系統之演進，由於晶片之精進微小化，從固定大型雷達系統慢慢縮小到晶片大小之尺寸，之後慢慢增加雷達系統之單元，交大團隊會持續往這個方向努力。

最後一個演講邀請了台灣大學吳宗霖教授提出毫米波RF前端電路和屏蔽技術在5G通訊的應用。吳教授提出一個Hype cycle，每個技術都有他的週期，從成長期，衰退期，再回溯成長期，最後到達飽和的趨勢，而5G目前還在第一階段的成長期。
毫米波的使用可以從Shannon-Hartley定理可知，頻率越高擁有較高頻寬，但訊號雜訊比會隨之下降，彼此形成取捨關係，毫米波應用大約在幾百公尺的範圍，因此毫米波運用的頻帶就落在20~50GHz。
台大團隊在這方面做了許多研究，包括毫米波量測、波束成型電路以及波束成形天線、38GHz RF傳輸系統等，搭配RF電路驗證、陣列天線量測、系統評估等。期望可以把這些研究最終整合成一個晶片，將這些經驗與產業界相互分享。
再來談到EMC的問題，未來的system in package (SIP)是重要的技術，然而在整合的過程中，由於電源線、訊號線與接地線彼此很靠近，會有彼此耦合現象造成雜訊干擾，亦有訊號線漏電至前端元件與其耦合的問題，因此如何抑制這些雜訊是重要的議題。目前的SIP有遮蔽技術的使用，然而進入商用時，目前體積仍然很大，因此微小化技術的研究是重要的。吳教授團隊目前有發展頻率選擇表面(FSS)技術，其具有抑制雜訊又達到微小化的功能，具研發價值及應用可行性，期望未來可以在因應5G的趨勢，在台灣生根。