迎戰 6G 中頻段新戰場：FR3 雙極化相位陣列天線與雙串流 MIMO 測試應用全解析
6G 關鍵頻段 FR3 的技術定位與挑戰
隨著行動通訊技術持續演進，全球產官學界已全面展開 6G（第六代行動通訊）標準制定與先期技術驗證，在頻譜規劃中，介於 7 GHz 至 24 GHz 之間的「FR3 頻段（Frequency Range 3，又常被稱為 upper mid-band 或厘米波 Centimeter Wave）」被視為 6G 無線接取網路（RAN）以及次世代衛星通訊最重要的關鍵頻段。
相較於現行 5G 所使用的 FR1（Sub-6 GHz）頻段，FR3 能提供更寬廣且未被充分佔用的連續頻寬，有效紓解全球頻譜擁塞問題；而相較於高頻毫米波的 FR2 頻段，FR3 又保有相對優異的電波傳播距離與繞射能力，具備兼顧「廣域覆蓋」與「超高資料傳輸率」的戰略特性；因此，包含國際電信聯盟（ITU）與美國聯邦通訊委員會（FCC）在內的監管機構，皆重點關注 7 GHz、8 GHz、13 GHz 以及 15 GHz 等指標性頻譜。
然而，要將通訊頻率推升至 13 GHz 與 15 GHz，無線系統必須克服顯著增加的自由空間路徑損耗與大氣衰減；為此，導入「大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）」與「主動式相位陣列天線（Phased Array Antenna）」成為不可或缺的核心架構；特別是在多天線系統中整合水平（H）與垂直（V）「雙線性極化（Dual-linear Polarization）」波束成形技術，能藉由極化正交特性在同一頻率資源上實現雙串流（Dual Stream）MIMO 傳輸，使空間多工效率與傳輸容量成倍增加。
將高度整合的波束成形晶片（BFIC）、射頻前端模組（RF Frontend）與雙極化微型天線陣列封裝於一體，為射頻工程師帶來了嚴峻的量測挑戰。如何精準驗證天線陣列在多路發射與接收狀態下的相位同調性、極化隔離度、波束成形品質與寬頻調變失真？Rohde & Schwarz（羅德史瓦茲）與電子代工巨擘 Pegatron（和碩聯合科技）展開深度技術合作，針對 13 GHz 與 15 GHz FR3 雙極化相位陣列天線，建構出新世代 MIMO 驗證架構，為業界樹立了 6G 測試應用的重要標竿。
FR3 相位陣列天線與雙串流 MIMO 測試重點剖析
在針對 13 GHz 與 15 GHz FR3 頻段進行先進天線系統與雙串流 MIMO 驗證時，測試重點已從傳統的單通道靜態頻譜量測，全面轉向高度動態的多維度、多通道同調性評估。工程團隊在規劃測試驗證架構時，必須聚焦於以下核心關鍵：
多通道時間與相位完全同調性（Multi-Channel Phase & Time Coherence）
在多串流 MIMO 與主動波束成形架構中，發射端與接收端各路訊號間的相位平衡至關重要。任何由儀器或線路引起的通道間相位漂移（Phase Drift）與時序抖動（Timing Jitter），都會被誤判為被測物（DUT）的波束偏轉或極化串音（Polarization Crosstalk）。因此，測試系統必須具備硬體級的跨通道完全同步架構，消除通道間的非同調誤差，才能真實呈現天線陣列在水平與垂直極化下的波束成形精度。
極化隔離度與交互干擾評估（Cross-Polarization Isolation）
雙極化相位陣列天線透過空間正交性傳輸兩組獨立的資料串流。然而在真實微波環境下，天線結構公差、饋入網路耦合效應以及反射環境均可能導致交叉極化鑑別度（XPD）劣化，引發嚴重的訊號洩漏與干擾。測試架構必須能同時擷取雙極化路徑的訊號，並即時運算雙路間的交互影響與互相關係，以確保極化多工機制的運作穩定。
超寬頻寬下的高階調變 EVM 極限驗證
為實現 6G 世代的超高速資料吞吐量，FR3 系統勢必搭配 100 MHz 甚至數百 MHz 的連續調變頻寬，並採用 1024 QAM 乃至 4096 QAM 等極高階數位調變架構；調變階數越高，對系統的誤差向量幅度（EVM）要求就越嚴格；訊號產生端與分析端本身的底噪（Noise Floor）、相位雜訊（Phase Noise）與線性動態範圍，必須遠優於被測目標，方能避免儀器自身的調變失真掩蓋了被測相位陣列天線與射頻前端的真實性能。
傳統量測痛點的全面突破：多通道並行分析取代分步切換
過往量測雙極化或多天線射頻系統時，常受限於傳統頻譜分析儀僅具備單一輸入埠的架構，工程師必須仰賴外接射頻開關（RF Switch）或分次手動調整水平與垂直通道的控制訊號，分別進行量測。這種「非即時、分步量測」的方式存在嚴重盲點：
破壞時域動態關聯： 環境衰減、溫度變化與元件發熱隨時間動態改變，非同步量測無法捕捉到兩路極化訊號在同一瞬間的真實互動。
測試週期大幅延長： 每次更換頻點或天線波束角度，皆需重複多次切換與手動校正，嚴重拖慢研發與驗證迭代時程。
引入額外校準誤差： 外接開關矩陣與複雜接線會引入額外的插入損耗、相移與駐波比（VSWR）不匹配。
唯有導入原生支援多通道並行輸入、具備硬體級互相關（Cross-Correlation）分析能力的新架構，才能真正還原多串流傳輸在真實空間中的實際系統行為。
跨越從實驗室到真實場域的驗證連續性
測試重點不能僅侷限於電波暗室（Anechoic Chamber）內的理想無反射環境，更必須將驗證延伸至標準室內辦公空間等真實佈建場景。在存在牆面反射、人體走動及多路徑衰落的複雜非視距（NLOS）與視距（LOS）混合環境下，透過標準通訊協定架構驗證天線陣列於長距離傳播後的波束追蹤能力與演算法強韌度，是天線邁向商用化前不可或缺的實證階段。
核心測試儀器系統技術優勢與方案配置
為了滿足上述嚴苛的測試要求，在此次 FR3 雙串流 MIMO 驗證架構中，採用了來自 Rohde & Schwarz 的旗艦級量測設備組合，藉由革命性的射頻架構與先進基頻技術，為多天線陣列研發提供兼具超高精度與極致效率的完整測試平台。
R&S®SMW200A 向量訊號產生器： 彈性靈活的高階訊號模擬樞紐
在發射端，R&S®SMW200A 向量訊號產生器 (100 kHz ~ 67 GHz) 扮演了核心激勵訊號源的關鍵角色。
單機雙路射頻架構，原生支援 MIMO 訊號生成
R&S®SMW200A 具備高度模組化的單機雙通道設計，可於單一機箱內配置兩組完全獨立、最高頻率直達高頻微波與毫米波範圍的射頻訊號產生路徑。此一特點使其能夠在完全無須外接第二台訊號源的情況下，原生輸出兩路嚴密同步的微波載波，完美對應雙極化天線的水平（H）與垂直（V）輸入端。
超低相位雜訊與優異的 EVM 基準底限
在高階調變（如 1024 QAM、4096 QAM）驗證中，訊號源的純淨度決定了量測結果的可靠性。R&S®SMW200A 擁有極佳的近端與遠端相位雜訊指標，結合先進的內部基頻產生器，具備平坦寬廣的頻率響應與極低的內部寬頻殘留 EVM，確保產生的測試訊號純淨無瑕，使被測物的調變失真得以被真實、客觀地量測。
內建即時衰落模擬（Fading Simulation）能力
針對室內真實場景評估，R&S®SMW200A 能選配整合式數位衰落模擬模組，可直接在內部數位基頻端對各串流訊號載入動態多路徑傳播模型、都卜勒位移（Doppler Shift）以及天線空間相關性模型，讓工程師在實驗室階段即可先行模擬真實空間中的電波傳播衰減，大幅降低外場驗證的往返除錯成本。
R&S®FSWX 系列訊號與頻譜分析儀： 次世代多通道並行分析旗艦
在接收與分析端，本次技術驗證所採用的核心主角為 R&S®FSWX 系列訊號與頻譜分析儀 (2 Hz ~ 44 GHz)。其顛覆性的創新架構徹底改變了以往微波多天線系統的驗證邏輯。
突破性的多輸入通道原生架構（Multi-Channel Architecture）
傳統頻譜分析儀多為單埠設計，而 R&S®FSWX 導入了劃時代的多輸入通道配置，能在單一儀器內實現多路高頻射頻訊號的同步採樣與並行處理。在雙極化天線量測中，水平與垂直兩組訊號可分別直連不同的輸入埠，實現完全同步、無延遲差異的多通道即時頻譜與解調分析，徹底告別傳統外接射頻切換開關所帶來的繁瑣流程與時間差誤差。
先進硬體級互相關運算與濾波器組（Cross-Correlation & Filter Banks）
R&S®FSWX 內部搭載先進的硬體濾波器組（Advanced Filter Banks）與寬頻超高速類比數位轉換器（Broadband ADC），支援強大的跨通道互相關（Cross-Correlation）分析演算法。透過互相關技術，系統不僅能有效消除各通道內部不相關的儀器固有熱雜訊，大幅壓低有效雜訊底平（DANL），更能精準提取出隱藏於雜訊之下的通道間相位差、幅度平衡度與極化正交串聯參數。
超寬分析頻寬與領先的動態範圍
面臨次世代無線通訊對於大頻寬的極致追求，R&S®FSWX 提供了超寬的調變分析頻寬，並在整個微波頻段內展現優異的線性動態範圍。即便在極大訊號與極微弱鄰道洩漏並存的嚴苛條件下，依然能維持極佳的無混疊動態範圍（SFDR），精準執行超高階 QAM 訊號解調、頻道功率與雜散輻射量測。
整合測試架構設計與驗證實踐
結合上述前沿量測設備，Pegatron 與 Rohde & Schwarz 所建構的 FR3 雙串流 MIMO 測試平台，具體體現了從元件級射頻特性到系統級端到端通訊的完整測試方法學。
測試平台拓撲與同調激勵配置
在系統發射端，由 R&S®SMW200A 向量訊號產生器負責生成具有精確時鐘同步與相位鎖定的兩路調變基頻訊號，經由機內獨立的射頻上變頻路徑，直接調變至 13 GHz（FCC 規劃頻段）與 15 GHz（ITU 規劃頻段）。兩路高頻射頻訊號分別饋入被測物——由和碩所研發的主動式相位陣列模組。該模組內部高度集成了波束成形晶片（BFIC）、射頻前端與天線陣列，藉由數位控制介面精準調控天線各單元的微幅相位與振幅，進而在空間中激發出水平與垂直兩種極化波束。
空間發射與接收多通道即時擷取
在空間接收端，設置相應的雙極化微波接收天線，將接收到的兩路空間訊號同時饋入 R&S®FSWX 訊號與頻譜分析儀的多個輸入埠。得益於 R&S®FSWX 的多通道架構，系統在擷取訊號時無須中斷或切換，而是同時對兩路串流進行高速並行 IQ 資料擷取。
多維度平行解調與訊號關聯性分析
擷取到的多路數位 IQ 訊號在 R&S®FSWX 內部同步進行平行處理：
獨立解調運算： 同時針對水平極化串流與垂直極化串流進行載波同步、符元時序復原、等化補償以及高階 QAM 解調，分別計算兩路的 EVM 指標。
跨極化空間相關性解析： 藉由內部強大的互相關處理引擎，即時評估兩路串流間的極化隔離度與串擾狀況，驗證天線陣列在特定空間波束指向下的正交維持能力。
實體環境長距離傳播強韌度驗證
除電波環境受控的實驗性量測外，該驗證架構亦被完整移植至標準辦公室環境中進行實地實測。在此一實體環境下，被測相位陣列天線依循標準無線傳輸協定框架，在數十公尺的室內跨度下進行跨空間雙串流傳送。工程團隊藉由測試系統觀察波束在穿越隔間、遭受牆面多路徑反射後，系統演算法對於都卜勒延遲擴展的自適應補償能力，成功驗證了 FR3 頻段在真實室內熱點與企業專網情境中實現穩定大容量覆蓋的可行性。
未來演進趨勢：邁向 7 GHz / 8 GHz 與巨量天線（Massive MIMO）
本次在 13 GHz 與 15 GHz 頻段所取得的成功驗證，僅是 6G FR3 頻譜開發的序幕，隨著全球頻譜主管機關將焦點進一步擴展至 7 GHz 與 8 GHz 頻段，天線陣列與量測技術亦正朝向下一個關鍵里程碑邁進：
更低頻率與更大陣列規模的權衡
在 7 GHz 與 8 GHz 頻段，雖然電波路徑損耗較 13 GHz / 15 GHz 更低、穿透力更強，但其相對應的電磁波長較長，意味著天線單元尺寸將隨之放大。為達到高增益與精細波束成形，必須導入陣列規模更龐大、單元數更多的 Massive MIMO 架構，這對天線內部散熱設計、饋入網路損耗抑制與 BFIC 高密度整合提出了全新考驗。
空中傳輸（OTA）量測技術的普及化
隨著頻率提升與天線高度整合，射頻接頭（RF Connector）在許多模組上已被徹底取消，轉為「天線封裝（Antenna-in-Package, AiP）」或直接與晶片整合的架構。未來的 FR3 測試將全面轉向無接頭的空中傳輸（OTA, Over-The-Air）量測。如何在微型緊湊型電波暗室（CATR）內實現多探針、多極化與多通道同調的 OTA 驗證，是儀器系統演進的必然方向。
跨領域應用的融合：從地面通訊延伸至非地面網路（NTN）
FR3 頻段不僅是未來 6G 地面蜂巢式架構的核心，其高頻特性與全球頻譜共用潛力，亦使其成為低軌衛星（LEO）、無人機（UAV）及高空平台（HAPS）等非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN）的理想候選頻譜。未來的天線測試架構將更廣泛地納入大範圍都卜勒頻移追蹤、高速波束切換與動態空間姿態補償等複合測試需求。
結語
6G 時代的腳步已然臨近，FR3 頻段作為兼顧覆蓋率與容量的戰略高地，其技術成熟度直接決定了未來無線通訊基礎設施的發展進程；Rohde & Schwarz 與 Pegatron 針對 13 GHz 與 15 GHz 雙極化相位陣列天線的成功驗證，展示了主動波束成形與雙串流 MIMO 在該頻段的優異傳輸潛力。
更重要的是，此次驗證確立了以多通道並行分析取代傳統分步量測的全新測試範式，透過 R&S®SMW200A 向量訊號產生器 的純淨同調激勵與 R&S®FSWX 系列訊號與頻譜分析儀 的多通道硬體互相關架構，射頻工程師得以以前所未有的速度與真實度洞察天線系統的空間行為。這一領先的測試解決方案，無疑將成為全球通訊產業在突破 FR3 與 6G 研發瓶頸時最堅實的後盾。
關於宥億企業
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