5G發展動能將在2019年迎接新的高峰，無論是通訊晶片廠、電信商；或是希冀利用5G技術實現創新應用的各垂直領域業者，無不加緊腳步投入研發與部署工作。然而，5G的傳輸速率、覆蓋範圍及網路密度效能規格，比4G技術大幅躍升，且將運用到過去行動通訊領域較少碰觸的毫米波(mmWave)頻段，因而引發許多射頻系統與天線設計挑戰。
對此，工研院資通所工程師郭芳銚(圖1)表示，5G時代逐漸到來，而產業之所以會積極推動5G，最主要原因在於原本3G、4G的使用頻譜已經十分擁擠，要再找出更大的頻寬因應未來大量資料傳輸、因應創新應用已不太可能，因此產業紛紛往5G毫米波頻段發展。
不過，雖說毫米波有著足夠的頻寬可因應未來資訊傳輸需求，但其主要缺點便是波長較短，若要進行遠距離無線傳輸，會面臨到高路徑損失和高傳輸損耗問題。舉例來說，3Gpbs和30Gbps的傳輸速度相比，其損耗就相差了20dB，而要補足這20dB的損耗，在天線設計上，究竟是要靠功率放大器(PA)或是天線本身補足，是一大考量。
若採用PA補足，會面臨到輸出功率大增，例如輸出功率從原本的1瓦(1W)大幅提升至100W；若10W的話就會變成1,000瓦，因而提升設計成本。為此，目前多採用相位陣列天線的設計方式，搭配波束成形，克服上述挑戰。
總而言之，為實現5G標準所設定的技術性能目標，新技術的引進勢在必行，包括Massive MIMO，以及新的波形調變，但這些新技術不僅實作難度極高，亦將造成5G射頻系統變得更複雜。因此，如何在兼顧成本、尺寸與能源效率的前提下，實現高性能5G通訊系統，遂成為當今業界最迫切要解決的課題；因應此一趨勢，相關量測、模擬解決方案也紛紛出爐。
實現高效5G前端設計模擬工具扮要角
為實現5G標準所設定的技術性能目標，新技術的引進勢在必行，以打造更高效能的射頻系統。安矽思(ANSYS)資深應用工程師吳俊昆(圖2)指出，5G有望在2019開始蓬勃發展；不過，進入5G時代後，許多關於毫米波的應用和技術也應運而生，因而會出現眾多新挑戰。
像是需要較小的物理尺寸、較短的波長及更高的設計靈敏度；更多新的材料需進行測試；頻率越高帶來越多的損耗，因此必須有效避免；以及溫度影響變得越來越顯著，像是由於熱漲冷縮影響，有可能出現中午能夠收到5G訊號，但到夜晚卻無法的情形，這些都是邁入5G毫米波設計時需要面臨的挑戰。
國家儀器(NI)大中華暨東南亞區域技術經理連俊憲(圖3)說明，5G潛在商機十分龐大，像是車聯網、智慧路燈、智慧城市等應用未來都將以5G為基礎；然而，要實現這些應用，重點在於5G元件的設計須符合3GPP等標準組織所訂出的規範，帶給消費者良好的使用體驗。
連俊憲進一步說明，不過，6GHz以上的5G毫米波應用，最主要的挑戰便是損耗，而要補足損耗，實現5G應用，前端須添加更多濾波器、功率放大器等，不僅會帶來更多的設計挑戰，也勢將會增加設計成本和時間，這是目前5G射頻系統(RF和毫米波)須解決的困境。
因此，要克服上述挑戰，進而設計出能因應高頻應用的5G射頻系統，於實體設計時便需要有完善的模擬工具從旁輔助，以便先行驗證。為此，安矽思和國家儀器都備有相關模擬方案，進而簡化設計難度與成本。
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。
至於NI則是備有Visual System Simulator，Visual System Simulator(VSS)，為當今複雜的通訊系統提供了一個完整的軟體設計環境。該產品使工程師們能夠在通訊設計中為每個底層元件設計合適的系統架構，制定適當的規範。與AWR的旗艦射頻/微波設計套件Microwave Office一樣，VSS也建立在AWR獨特的統一資料模型之上，實現了系統和電路的協同模擬。
5G測試方案齊出 滿足射頻系統設計
5G商用全面啟動，為打造更高效能的射頻系統，除了需模擬工具從旁輔助外，量測驗證也是設計過程中不可或缺的要素。安立知(Anritsu)業務暨技術支援部門資深應用工程師李冠佑(圖4)表示，目前5G應用共分三個面向，分別為增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)將針對大流量行動寬頻；大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)將針對物聯網應用；而超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)涵蓋了車聯網、智慧醫療等對於低延遲具有高要求的特殊應用。目前在第一階段的規範確定了之後，產業開始積極布局eMBB，期能讓消費者立刻感受到5G的特別之處。
邁科立(Microlease)東亞區產品經理鄭聯泉(圖5)則說明，大眾對於5G的期望包含更快的速度、更好的使用體驗與更佳的應用服務；更多行動數據的傳輸、連接；以及更低的延遲。然而，上述提到，5G毫米波設計最大的挑戰在於克服損耗，因而增加設計複雜度，如此一來在量測驗證上也出現了新的需求。像是對於測試設備的頻率要求更高，以及Massive MIMO的測量通道增加等。為此，量測儀器業者針對5G測試需求，旗下的解決方案也不斷推陳出新。
例如安立知便推出全新支援5G產品開發的無線通訊綜合測試平台「MT8000A」，此款多功能的全新桌上型儀器設計採用先進架構，內建支援超快速寬頻5G通訊所要求的寬頻訊號處理與波束成形技術，可支援sub-6GHz與毫米波頻段的RF與協議測試。
鄭聯泉則表示，邁科立的商業模式為量測儀器租賃，因此針對目前5G所需的測試需求，該公司可以提供各種不同的解決方案，像是羅德史瓦茲的FSW Signal & Spectrum Analyzer和SMW200A PSG Vector Signal Generator；是德科技的M8195A Arbitrary Waveform Generator、E8267D PSG Vector Signal Generator等。之所以採用這種商業模式，其主要原因便在於希望可降低業者的測試成本和時間；降低其設備購買錯誤風險；提升靈活性，設備可隨時返還進行升級、更新等；且租賃的方式也非常適合只需進行短期測試或有緊急測試需求的業者。
