6GHz以下的5G服務已準備進入商轉，5G用戶端裝置與微型基地台的市場需求很快就會到來，但由於5G導入了MU-MIMO與波束成型等技術，使得天線的數量大幅增加，且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比以往更加講究。這些因素都使得5G用戶端裝置與微型基地台的設計，比過去受到更多條件限制。
另一方面，採用毫米波頻段的下一波5G通訊，將為射頻子系統設計帶來更大的考驗。由於頻率太高，其訊號在電路板上傳輸的損失太大，因此射頻元件供應商紛紛投入開發天線整合封裝技術，但這也使得封裝測試必須面臨新的考驗，因為封裝完成的元件成品，萬一效能表現不如預期，要依靠量測數據找出根因會變得相當困難。
在這個情況下，電磁模擬工具的重要性大增。透過模擬工具的輔助，不管是終端產品的整合設計，或是RF元件廠在進行封裝設計時，都可以在虛擬環境中藉由參數設定，預先得知實體產品原型出爐後大致上的性能表現，進而省下大量開發時間跟成本。
散熱/損耗為5G天線設計兩大難題
安矽思(Ansys)HFSS產品經理Matt Commens(圖1)指出，跟現有的通訊技術相比，5G通訊所使用的頻段明顯高出許多，而且採用了波束成型、MU-MIMO等先進射頻技術，對天線的設計跟配置帶來很大的挑戰。高頻意味著訊號會有更大的損耗，複雜的MIMO技術則使得裝置必須內建更多天線，這些因素都使得5G設備的設計，變得遠比4G產品更為困難。
也因為5G產品在設計過程中需要考量的因素更多，模擬工具在產品開發的過程中，重要性更勝以往。設計工程師必須在模擬工具所建構的虛擬環境中，針對各種可能的設計參數進行模擬，才能加快產品設計速度，提高產品設計符合預期的機率。
以高頻電磁場的應用設計來說，工程師最關心的議題有二，一是訊號損失跟其所衍生的副作用–熱的分布情況；二則是天線配置對電磁波場型的影響。Ansys的高頻電磁場模擬工具HFSS是一款可以求解任意三維結構電磁場的模擬工具，無須掌握身號的電磁場知識和反覆嘗試不同的網格剖分，就能取得高精度的模擬結果。
舉例來說，天線罩跟天線本體的距離、天線罩的材質等，都會影響到天線的性能表現；天線的位置、使用者手持的方式，也會影響天線的訊號收發，這些變數都可以在HFSS裡面完成模擬。另外，結合Ansys的熱模擬跟應力模擬工具，設計人員也可以輕鬆掌握由訊號損失轉變而成的熱，在系統中會如何分布，又會對天線造成何種影響。
除了5G終端設備的開發者之外，對IC設計跟電信業者來說，模擬工具的重要性也比以往更為重要。在IC設計端，由於高頻訊號的衰減太大，因此天線跟射頻前端(RF)在印刷電路板上的繞線距離要越短越好，或是直接讓訊號跳過PCB走線；如果是毫米波通訊，則基本上天線都必須整合到晶片封裝裡，這使得IC設計者也必須開始關注跟射頻電磁場有關的問題。至於電信業者，則可以在進行網路布建跟規劃的時候，利用電磁場模擬工具搭配城市的3D地圖，進行基地台訊號涵蓋的模擬，提升網路覆蓋的品質。
此外，材料供應商在發展新材料時，也可以把模擬工具反過來利用，得知新材料的特性。5G射頻會使用到許多新的材料，但材料供應商在開發新材料時，必須對材料進行大量量測作業，才能掌握新材料的特性。藉由模擬工具輔助，材料開發商只要設定好對應的材料測試環境，量測某幾項關鍵參數，再把資料餵回模擬工具，模擬工具就能藉由已知的資料反推出許多沒有量測，甚至難以靠量測取得的材料特性參數。這對於材料廠商發展新材料，縮短研發時程，也能帶來很大的幫助。
Commens總結稱，隨著5G時代的到來，模擬工具的使用客群一定會比以往更為廣泛。從最上游的材料、晶片供應商到中間的系統設計/整合，再到電信商的網路布建，模擬工具能幫得上忙的地方非常多。因此，未來電磁模擬工具的應用普及率，勢必將節節高升。
搶食5G商機 達梭系統不缺席
5G跟車用雷達的興起，在射頻技術領域掀起革命。由於這兩種應用所使用的頻段都比以往來得高，因此其波長均已達到毫米波水準，與以往的射頻訊號在物理特性上有著極大差異。硬體開發者為了克服毫米波所帶來的挑戰，紛紛導入新的設計架構與材料，例如將天線整合到晶片封裝，或是在PCB板上使用導波材料，但這也使得硬體設計變得更加複雜，設計開發時將面臨更多不確定性。
達梭系統(Dassult Systems) Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐(圖2)表示，目前5G主要發展頻段有二，一是6GHz以下，二是24GHz以上的毫米波頻段。這兩個頻段的天線設計各面臨新的設計挑戰。與4G比較都是更高的頻段，電磁波長更小，天線尺寸跟隨波長變得更小，小到5G天線更多是一個含晶片的模組。當然在天線結構種類上也與4G不同，5G天線需要用到相位陣列天線，這種天線還是有一些關卡要突破。
談到5G天線的設計挑戰，無論是手機還是任何5G電子設備，假設實際尺寸不變，在更高頻率條件下的電尺寸相對於4G時代產品更大。所以在毫米波28GHz頻段，天線實際尺寸和手機尺寸，甚至人體尺寸，基站尺寸，差別更大，這種尺寸上的差異對天線安裝後的整合性能分析增加相當大的難度。
除此之外，在這兩個頻段上的天線設計要求更寬的頻寬，寬頻帶才能得到高速率。單就這電尺寸和頻寬兩方面的難題來講，5G天線對電磁類比的演算法選擇就提出了挑戰。傳統的有限元頻域演算法在寬頻類比和電大尺寸的計算上會顯得更吃力，時域演算法更適合寬頻類比。所以三維模擬工具是否能夠結合時域頻域演算法，場源激勵法，高頻近似演算法，硬體加速以及支援多種天線結構的設計流程，是5G新天線設計和產品設計的關鍵。
因為5G本身就有兩個頻段的天線，智慧終端機除了5G，還要支持Wi-Fi、GPS、藍牙、3G、4G等功能，所以伴隨著多天線共存而來的干擾，以及硬體設計要如何布局等長久以來智慧終端機研發避免不了的問題，在5G時代會變得更有挑戰性。
車載系統亦為必爭之地
除了行動通訊裝置或小型基地台之外，汽車亦為模擬工具業者非常重視的市場。除了5G帶動汽車聯網風潮所創造的車載無線通訊需求之外，毫米波雷達也是促使車廠跟相關子系統供應商開始在設計流程中採用更多模擬工具的原因。事實上，毫米波雷達所使用的頻段比5G預定使用的頻段還高，最高可達77~79GHz，因此訊號衰減、散熱等問題，同樣困擾著相關業者。除此之外，車載系統的工作環境跟行動通訊設備截然不同，因此相關設計者不只需要高頻電磁場模擬工具，還需要結合其他物理模擬工具，才能準確而完整地模擬毫米波雷達在真實世界的運作狀態。
這也使得Ansys跟達梭系統等產品線涵蓋面廣，能執行多重物理模擬的工具供應商，在這個領域有相對顯著的競爭優勢。例如Ansys除了HFSS之外，還有RF和SI Option工具，可以應用在毫米波雷達設計上，同樣的，達梭除了SIMULIA CST之外，還有原本就專為汽車設計模擬所開發的CATIA。趙桐透露，CST已經開始與達梭的其他汽車設計解決方案合作、整合，不斷的推出車載系統的完整解決方案。
