5G應用於2019年啟動，在6GHz以下頻段成功商用之後，電信商、半導體業者也紛紛加快毫米波(mmWave)頻段的應用開發。不過，由於毫米波頻段偏高，加上導入波束成形(Beamforming)技術，5G毫米波天線與產品的整合難度因而大幅上揚，為加快整合時程並降低成本，不僅模擬工具重要性隨之增加，與此同時模擬工具供應商也進而衍生出新的服務模式。
毫米波應用挑戰在於天線/設備整合
安矽思(ANSYS)資深應用工程師林鳴志(圖1)表示，5G毫米波設計目前最主要的挑戰在於，如何找出「激發相位(Excitation Phase)」。由於5G導入了多重天線(MU-MIMO)設計，使得天線的數量大幅增加，例如2×4的規格就有8根天線，為了使天線獲得最好的共振效果，天線在產品中擺放的位置也比以往更加講究，不同的相位，天線的增益效果也會不同。
林鳴志指出，因此，目前5G毫米波產品最大的設計挑戰在於「摸清」相位的排列組合，不同的設備、材料或是擺放位置，都有可能會影響訊號的穩定性和性能。所以，在進行5G模組與產品整合時，就必須重新尋找一次相位，由於相位的擺放沒有固定位置，只要換個終端設備、材料等，相位的排列組合就會改變，設計人員就因而須再花時間找尋最合適的相位。
另外，5G也導入了波束成形的技術，對於系統廠商而言，在進行天線與裝置的整合測試時，必須要分析這些波束(Beams)的功率密度，以及如何組合才能達到最好的效果，這可能須經過數十遍的測試。而不論是找尋相位或是分析波束組合，都需花上許多人力、物力還有時間，為了改善此一狀況，模擬工具的重要性也與日俱增。
達梭系統(Dassault Systèmes)大中華區通路技術總監馮升華(圖2)則說明，毫米波相關裝置電磁高，機器的精密程度、製程要求高，驅使天線與裝置間的整合要求更高；而天線也從單天線轉變為天線陣列，因而催生了許多設計挑戰。
馮升華指出，在毫米波通訊系統中，因毫米波訊號的傳播損耗較高，使得RF元件對微弱訊號具有較高的靈敏度，同時，為保證RF元件對微弱的毫米波訊號能快速回應，還須增大工作電流，因而使得RF元件功耗增加。另外，毫米波訊號波長接近或小於裝置導線的長度，可能出現線路阻抗不匹配時的「傳輸線效應」，發生訊號反射、干涉、衰減、疊加等各種訊號畸變，因而影響訊號的傳播。
另外，從整個RF模組來看，模組化程度日益複雜；而從產品整合角度來看，毫米波RF元件主要的關卡有電磁干擾、散熱、功耗等等，這和5G的工作模式有關，所以設計人員需要從電磁、散熱、外觀、材料等等這些方面共同努力突破關卡。
克服天線整合挑戰 模擬工具扮要角
5G所使用的頻段偏高，加上導入波束成形技術，增添了產品設計工程師在整合天線時的複雜度，也因此，如何善用模擬工具遂成為加快設計時程的關鍵要素，模擬工具業者也積極推動旗下5G模擬解決方案。
例如安矽思旗下的ANSYS HFSS軟體，提供三維全波精度的模擬技術，從而實現RF和高速設計，透過高級電磁場求解器和高效諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態連結，進而加快反覆運算和物理原型製作的時程，滿足工程團隊於天線、RF微波元件、高速互連、連接器、IC封裝和PCB等設計需求。
馮升華指出，5G時代的天線設計有諸多挑戰，比如在IoT智慧終端機，智慧型手機和車載智慧系統中，天線需要在更狹小的空間和更複雜的電磁環境中保持高性能。模擬工具須具備足夠的深度，也就是在演算法和專業上要滿足5G毫米波設計模擬的要求；第二個是廣度，模擬解決方案應該涵蓋多物理場，不僅要在電磁解決方案上有完整度，也要在結構、重力、碰撞、疲勞、熱學、聲學、流體、多體等各個學科，甚至在材料、城市級部署、工藝、系統工程、控制等領域，實現模擬自動化和總體最佳化。
為此，達梭致力提供端到端的數位連續解決方案，例如BIOVIA提供原子級新材料研發和模擬能力，SIMULIA提供系統級的電磁3D模擬、結構類比、熱類比、流體模擬等等，CATIA System Engineering提供系統工程設計與模擬。
簡化整合/設計難度 模擬業者催生新服務
林鳴志表示，上述提到，5G毫米波設計挑戰在於與裝置間的整合，而模擬工具供應業者除了提供相關模擬解決方案，加快系統廠整合速度外，如何協助系統業者進行模擬後的分析處理，是另一個重點。
林鳴志說明，進行5G天線與裝置的整合測試，在有了模擬工具之後，其實不用花費太多的時間，至多一天就會有結果。然而，要分析模擬出來的數據並製作成分析報告卻是個繁瑣的過程，例如模擬結果可能有數種可能，因而有數千張圖，截圖、分析然後製作成報告也須花費許多人力和時間。
也因此，為了不讓分析報告成為系統業者開發5G產品的瓶頸，安矽思目前也在研發專門處理分析報告的自動化程式(基於HFSS模擬工具)，也就是在獲得模擬數據後，能自動進行分析，篩選出最佳或最糟的結論，使得系統業者不僅能順利進行5G天線與設備的整合，並且加快其分析報告製作時間。
馮升華則表示，隨著產品的複雜程度不斷提升，產品反覆運算速度越來越快，對軟體的性能要求越來越高，尤其對於5G RF元件的研發，涉及到的電磁場、溫度場、流體對高性能計算的要求非常高，也因此，即買即用的雲端軟體為產品的研發提供了很大的便利。
馮升華進一步解釋，5G RF元件研發設計和類比軟體的雲端化，降低了企業IT營運維護的成本，提升了IP資料的安全性，集中了高性能計算。因此，達梭系統推出支援產品研發設計、類比、製造的端到端3D體驗平台，並同時支援雲端部署和企業部署；從購買到使用，只需一個小時的下載安裝時間，即可使用，一站式解決5G RF元件的設計和模擬需求。
總結來說，5G毫米波應用的實現關鍵在於天線與設備的整合難度，雖說仍有許多挑戰待克服，但也非無法逾越的高牆。馮升華指出，5G的應用依賴於整個5G生態的發展。通常會經歷5G裝置測試、3GPP標準制定、國家發放5G牌照、行動網路營運商建立5G基地台並建構網路技術、行動終端應用、車聯網暨物聯網應用等環節。在Sub-6GHz下營運的5G網路覆蓋率是毫米波5倍以上，同時Sub-6GHz只需要在原有4G基地台上加裝5G基地台即可，大大節省了部署成本。
馮升華進一步說明，由於從覆蓋到成本，Sub-6GHz頻段遠勝於毫米波頻段，因此Sub-6GHz成為5G早期優勢頻段，產業鏈相對更成熟。因此支援sub-6GHz頻段的商用5G智慧型手機上市先於毫米波頻段的手機。比如HUAWEI Mate 20 X等。然而，毫米波頻段的手機發展進度也並沒有落後太多，比如三星Galaxy S10 5G就支援6GHz以下、28/39GHz毫米波頻段，而相容Sub-6GHz頻段和毫米波頻段的手機也將會在明年出現。
