上述三大5G應用場景中的eMBB 場景主要提升以「人」為中心的娛樂、社交等個人消費業務的使用體驗，「高速率、大頻寬、低時延」正是提高個人用戶消費體驗的關鍵。而手機終端作為使用者體驗5G的重要載體，在5G時代下面臨著新的通訊架構與設計挑戰。
5G終端天線研發面臨多重挑戰
5G已於2019年底正式進入商用，這將帶來大量資料通訊、萬物互聯、即時交互、工業物聯網等新型業務的快速發展。因此，5G儼然已經成為當前移動通訊產業的關注焦點。未來的5G系統將著眼于全頻段，即不僅局限於低頻段(6GHz及以下頻段)，也將考慮毫米波頻段。而天線作為移動通訊的重要組成部分，其研究與設計對移動通訊起著至關重要的作用。
5G帶來的最大改變就是用戶體驗的革新：華為Mate30系列手機內部整合了21根天線，不僅支援5G，還要支援4G、3G、NFC、GPS、Wi-Fi、藍牙等無線技術。在這21跟天線中，5G使用了14根，這也揭示了5G新的通訊架構下，手機終端天線發展真正的技術需求。在終端設備中信號品質的優劣直接影響著用戶體驗，所以，5G終端天線的設計必將成為5G部署的重要環節之一。
3GPP把5G頻段分為FR1頻段和FR2頻段(圖1)，其中FR1的頻段通常被稱為Sub-6G頻段，範圍為450MHz~6GHz，FR2頻段為24.25GHz~52.6GHz，通常被稱為毫米波頻段。毫米波頻段的優勢是具備大量的可用頻譜頻寬、波束窄、方向性好、頻段許可獲取成本低。借助于先進的毫米波自我調整波束賦型和波束跟蹤技術，可以確保在真實環境中毫米波終端與基地台實現穩健的行動寬頻通訊。
採用5G初級階段的NSA組網方式，5G網路與4G網路並存，而5G 設備要達到更高速、穩定、低時延等要求則依賴於以下幾個因素：
．更多頻段
．多個頻段之間的載波聚合技術
．大規模MIMO等技術
當前手機終端天線淨空普遍壓縮至2mm左右，而終端天線設計中既要兼顧sub6G與毫米波頻段的多頻段需求，又要支援MIMO天線技術，多頻帶CA技術實現場景需求，這些技術的引入都對5G手機終端設計研發提出了高難度的挑戰。
在NSA組網模式下，4G頻段天線與5G頻段天線並存；3GPP中，4×4 MIMO天線作為強制入網要求。5G終端產品內的天線數目激增，面對這麼多天線，天線效率、天線共存、天線佈局等問題亟待研究解決，天線設計面臨著重大挑戰。
其次，在5G通訊中，低頻的頻譜資源終歸是有限的，毫米波應用的潛力巨大，毫米波具有極寬的絕對頻寬，提高通道容量和資料傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G通訊關鍵技術之一。但毫米波信號介質和輻射損耗較大，如何減少毫米波在終端內的損耗，確保毫米波更好的傳輸特性是工程師要面臨的一個挑戰。
最後，5G手機中集成多種晶片模組，CPU、射頻模組、基帶晶片、螢幕都是功耗與發熱的大戶，而5G晶片的計算能力要比現有的4G晶片高至少5倍，功耗大約高出2.5倍。並且手機的散熱好壞不僅僅影響用戶體驗，同時影響手機內部器件工作狀態，這使得5G手機的散熱技術研究面臨重大挑戰。
六大關鍵技術應對5G天線設計挑戰
為了滿足5G下行峰速20 Gbps，需要提供最大100 MHz的傳輸頻寬，為了滿足大頻寬連續頻譜的稀缺，在5G通訊中採用載波聚合(CA)來解決。但是如果發送和接收路徑之間的隔離度或者交叉隔離不足，多個頻段的無線RF信號可能會相互干擾，則CA應用中會出現靈敏度降低(Desense)問題。
所以，5G手機終端的Desense問題會比之前更為複雜，需要對Sub6G頻段與毫米波頻段共存狀態下對Desense問題根因分析，提前應對信號干擾問題。以下將介紹六種應對5G手機天線設計挑戰的關鍵技術。
模型處理與前處理
目前市面上5G手機大多採用NSA組網架構，相容4G通訊與5G通訊。相對於毫米波頻段，sub 6G頻段集中在2.5GHz—6GHz，sub 6G頻段天線和4G頻段天線調試方法類似，在當前流行的金屬邊框、全面屏手機內容易實現，天線設計形式採用PIFA天線＋寄生形式，傳統的FPC天線(圖2)或者LDS天線都可以勝任。
而在終端天線設計過程中，經常會出現跨領域協作的問題，不同領域的模型側重點和建模演算法不一致，外界導入的模型通常有面破損、線段不連續等問題，天線工程師經常耗費大量精力來對導入的結構件進行模型修復以及天線pattern建模。由於對建模要求不同，天線工程師拿到的結構模型通常無法滿足需求，需要多次跨部門多次溝通才能滿足需求，影響終端天線的設計進度。所以天線工程師迫切需要一種能快速對導入模型快速修復、建模等操作，並且不需要花太多精力去學習的軟體。
應對這種情況，ANSYS提供了前處理模組SpaceClaim來進行模型修復、修改等功能，大大提高天線工程師的開發效率。
ANSYS SpaceClaim是非常強大的幾何建模和修復處理軟體，並且提供了非常易用的中文交互介面。它基於直接建模思想，提供一種全新的CAD幾何模型的交交互操作模式，在集成工作環境中使設計人員能夠以最直觀的方式進行工作，可以輕鬆地對模型進行操作，無須考慮錯綜複雜的幾何關聯關係，並且提供了高級的實體建模、特徵編輯、裝配、分組功能。介面方面可以直接讀取主流CAD軟體模型，並支援Parasolid，ACIS、STEP、IGES等中間格式模型檔。
對於模型處理和修復，SpaceClaim能夠快速的完成對細小特徵的自動檢查、刪除、模型中面的自動抽取等，並具有一鍵式的檢查和修復功能。另外，提供的布耳運算、倒角、印痕、抽殼、抽中面以及參數化建模等功能，可以快速的説明工程師完成複雜模型向有限元模型的轉化工作。
毫米波天線設計
5G行動通訊技術中，低頻的頻譜資源終歸是有限的，毫米波應用的潛力巨大，未來運營商可以利用5G低、中、高頻段三層組網，1GHz以下頻段做覆蓋層，Sub 6G做容量層，毫米波做熱點覆蓋的高容量層，建成一張全國性的廣覆蓋、大容量的5G網路。毫米波相比於Sub 6GHz的時延更短，是Sub 6G頻段的四分之一。由於具有極寬的絕對頻寬，可在很大程度上提高通道容量和資料傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G移動通訊關鍵技術之一。
相比於4G無線網路的寬範圍覆蓋，5G無線網路的特點是天線波束實現波束指向性，波束成型可以限制波束在很小的範圍內，因此可以降低干擾從而有效降低發射功率。多天線技術帶來了更多的空間自由度，因此使通道的反應更加精准，從而降低了各種隨機突發情況通道性能的降低。
要實現波束指向性與波束跟蹤能力，需要使用相位控制陣列技術。通過相位控制陣列可用于生成輻射方向圖及用以控制輸入信號，進而解決毫米波覆蓋問題。所以，相控陣技術，包含相位控制陣列波束成型(圖3)與相位控制陣列波束切換(圖4)，對於在終端設備中採用毫米波天線的重要性不言而喻。
而為了將毫米波相控陣天線裝進手機終端產品中，毫米波天線實現形式也有了突破。目前毫米波天線陣列的實現的方式可分為AoC(Antenna on Chip)、AiP(Antenna in Package)兩種(圖5)。其中AoC天線將輻射單元直接整合到射頻晶片的後端，該方案的優點在於，在一個面積僅幾平方毫米的單一模組上，沒有任何射頻互連和射頻與基頻功能的相互整合。考慮到成本和性能，AoC技術更適用於較毫米波頻段更高頻率的太赫茲頻段(300GHz~3000GHz)。
而AiP是基於封裝材料與工藝，將天線與晶片集成在封裝內，實現系統級無線功能的技術。AiP技術利用矽基半導體工藝整合度提高，兼顧了天線性能、成本及體積，是近年來天線技術的重大成就及5G毫米波頻段終端天線的技術升級方向。
目前毫米波天線在手機終端產品中的應用，面臨著天線性能與製程技術的挑戰。相位控制陣列天線需要進行波束掃描，天線各通道處於不同相位的狀態，高頻率毫米波經歷較高的介質、材料損耗和衰減，一系列天線元件協同工作後，通過幅相加權技術來實現波束掃描功能，通過將信號聚合形成波束，以擴展其覆蓋範圍。而相位控制陣列天線中所整合的元件，增加了終端內部的占用空間，如何保證相控陣天線性能是毫米波天線的關鍵技術。
此外，毫米波波長短，天線單元結構複雜、疊層結構、垂直對位元精度影響，就會導致較大的相位差，這就給天線毫米波元件、饋線的設計和加工帶來巨大的困難。因此，毫米波天線的關鍵技術還包括保證天線單元及相關器件的加工精度。
HFSS是功能強大的任意三維結構電磁場全波模擬設計工具，是公認的業界標準軟體，它採用有限元法對任意三維結構進行電磁場模擬，模擬精度高，可用於精確的電磁場模擬和建模，國內有廣泛的應用，它擁有功能強大的三維建模工具，能夠方便地建立任意的三維結構，支援所有射頻和微波材料，實現元件的快速精確模擬(圖6)。
HFSS採用了自動匹配網格剖分及加密、切線向向量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)等先進技術，使工程師們可以非常方便地利用有限元素法(FEM)對任意形狀的三維結構進行電磁場模擬，而不必精通電磁場數值演算法。HFSS自動計算多個自我調整的解決方案，直到滿足用戶指定的收斂要求值。其基於麥克斯韋方程的場求解方案能精確模擬所有高頻性能。
HFSS中可實現天線布局設計中的參數掃描，參數優化，敏感度分析，統計分析等精細化設計的設計空間探索功能，結合高效能運算技術，能對毫米波天線進行天線性能快速優化、關鍵尺寸敏感度分析。通過敏感度分析可以分析天線性能的關鍵尺寸影響，在製造中對關鍵尺寸進行精度把控，是提高產品良率，保證產品性能的有效手段。
場路協同模擬
終端5G毫米波天線採用了AiP技術進行天線設計，整個天線內部需要將天線、射頻前端模組以及相位控制陣列結構整合封裝，封裝中天線與射頻模組的結合需要精確模擬分析阻抗匹配。
在5G毫米波的研究過程中，後端電路與天線匹配以及堆疊影響，是毫米波天線開發的關鍵技術。針對AiP天線設計，我們可以使用ANSYS HFSS + Circuit Design來進行有源天線模擬。在Circuit Design中對射頻電路進行原理圖搭建與模擬。其中，軟體中內置有全面的RF器件並且支援對HFSS中求解的3D模型的動態連結，從而能建立準確、完善的RF電路。在Circuit Design中求解的RF電路結果可以採用激勵推送方式推送到陣列天線埠，通過HFSS後處理計算，就可以得到即時調節的天線方向圖。
Circuit Design為元件和電路及系統的設計，提供了一個完全整合的設計環境，實現了系統模擬、電路設計和優化、版圖生成和平面及三維電磁場模擬完全無縫整合，亦即所謂的廠路協同模擬(圖7)。以Circuit Design為設計平台，可以動態連接HFSS，實現與任意三維結構電磁場工具及複雜的大型積體電路的協同模擬和優化設計，方便地建立和各種無源結構的模型，計算複雜三維結構電參數，實現虛擬原型，為一次設計成功提供了可能。
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ECAD + MCAD全模型網格裝配
5G入網標準中規定5G手機支援4×4 MIMO為強制標準，這樣的話終端內置的天線以從之前的十幾根增至幾十根天線，尤其加入毫米波天線模組後，對於整機無線性能提出更高的要求。所以需要工程師在產品前期堆疊時利用模擬軟體對整體天線佈局、天線形式、天線性能進行精確評估。
在傳統整機模擬中，電路板影響通常等效為一塊金屬板，不曾考慮PCB板上的過孔的寄生電感、「地」的空腔效應，多數用來定性分析。但隨著手機外觀的工業設計走向極致化，瀏海螢幕、全面螢幕、瀑布螢幕這些設計，都會擠佔手機淨空，加上內置天線數量增多，傳統的評估調試方法將耗費工程師大量時間與精力。
而且，5G毫米波天線對周邊元件的影響、毫米波天線在整機布放考慮、高頻電磁波對整機的射頻干擾等問題，工程師也需要進行審慎評估，這使得採用傳統方法來定性判斷，是遠遠不夠的。為了保證5G移動產品的無線性能指標，工程師提前對整機精細化模擬的結果可以用作無線性能評估依據。
ANSYS的3D layout可以導入PCB文檔，在3D layout中生成三維電路板模型，並且在3D layout中將MCAD與ECAD進行全模型裝配(圖8)。以3D layout實現PCB三維建模，可以將MCAD模型以元件形式安裝到三維PCB上，在3D Layout設計中，現在可以通過整個裝配體識別和選擇物理連接的網路。3D layout能夠完成自我調整網格劃分，計算完整網路的S參數，並且計算過孔影響、「地」的空腔效應、走線耦合影響等。整機裝配模型也可以直接生成HFSS模型，在HFSS中進行整機模擬，但在HFSS中需要消耗的計算資源相對較多。
電—熱耦合
在整機設計過程通過實體原型往往難以對一些物理效應(如溫度變化影響、結構變形和化學反應)進行評估和施加，然而模擬卻能勝任。例如當手機的電熱模擬中包含了溫度相關的材料屬性，結果中會預測到嚴重的衰減。熱效應可能會讓設備失諧，且過熱具有風險性，因為過熱會給手機的各個元件以及射頻/天線性能造成負面影響。
此外，PCB元件的溫升也會影響射頻/天線的性能。手機長時間使用不僅會耗盡電池電量，手機本身也會變熱，導致連接中斷。對這些系統開展詳細的多物理場分析，可以發現潛在問題，並協助工程師開發可靠的高性能設備。
手機天線的電磁損耗與射頻放大器電路可以進行動態連結分析，以預測綜合模型的回波損耗並確定失諧程度。損耗可以映射到電子桌面強大的散熱解決方案——ANSYS Icepak 的統一設計中。例如，PCB上的元器件、天線和射頻放大器中不同的電磁損耗源可映射到ANSYS Icepak 的手機模型中，用於開展電熱分析。模擬可預測單個PCB元件、RF放大器和天線的安全工作溫度。
通過模擬分析，工程師可以全面掌握手機的熱分布。通過這些解決方案，能夠模擬熱效應對天線性能以及溫度相關的放大器的影響，在設計中考慮了材料的溫度相關屬性後發生失諧的程度。
針對功率電子產品的設計，包括大電流供電，高負荷工作模式，多負載結果的電路設計，通常由於傳輸路徑上電流密度過大而超過導體所能承受的大小，從而引起溫度急劇上升，導致器件燒毀，脫焊以及載體電路板發生形變等現象。而溫度的上升與分佈情況同樣會影響電流分佈情況。包括晶片器件正常工作的電源電壓也會受到一定損耗。通過ANSYS多物理耦合來評估驗證產品虛擬設計的可靠性問題，提出及時而有效的解決方案(圖9)。
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5G、W-Fi、藍牙等技術的推陳出新，頻率拓展速度越來越快，頻段利用率越來越高，無線信號干擾的問題卻是日漸嚴重。無線信號干擾源不勝枚舉，而在終端設備中，最容易遇到的無線干擾有同頻干擾(Co-Channel Interference)、臨頻干擾(Adjacent Channel Interference)與射頻干擾(RF Interference)三種。
5G手機內建多個頻帶的無線系統(Cellular、Wi-Fi、GPS)，在有限空間內並存有多個射頻器件同時工作時，接收機輸入端出現干擾時會出現接收靈敏度TIS下降問題。如果在接收器輸入端出現帶外信號或雜波時，會導致其靈敏度下降。當多個射頻器件並存於一個充滿數位信號的緊湊空間內，問題變得更加複雜，這些數位信號本身會產生射頻輻射，造成接收器靈敏度降低。
模擬將成5G應用設計成功關鍵
隨著5G行動通訊技術的發展，MIMO技術及毫米波天線在終端產品中的應用，終端產品中的天線數量相比於4G終端中成倍增加，如何利用越來越緊湊的空間進行天線設計是天線工程師面臨的難題，如何利用模擬軟體進行精確的天線設計與天線布放從而評估無線性能，也越來越受到產品設計的重視。
未來5G技術將會在終端，網路，無線接入等方面進行融合及創新， 5G網路能夠為我們提供高速率，高可靠性，低時延的服務，提供極佳的交互體驗，為使用者帶來身臨其境的資訊盛宴；「零」時延的使用體驗，千億設備的連接能力，超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務，使用者感知的智慧優化，同時將為網路帶來超百倍的能源效率提升和超過百倍的位元傳輸成本降低，最終實現「資訊隨心至，萬物觸手及」的總體願景。
