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、大帶寬、低時延”正是提高個人用戶消費體驗的關鍵。而手機終端作為用戶體驗5G的重要載體，在5G時代下面臨著新的通信架構與設計挑戰。

目前，我們已處于4G系統商用階段，然而5G已經于11月1日正式商用，這將帶來海量數據通信、萬物互聯、實時交互、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信產業的關注焦點。未來的5G系統將著眼于全頻段，即不僅局限于低頻段(6GHz及以下頻段)，也將考慮高頻段(毫米波頻段)。

而天線作為移動通信的重要組成部分，其研究與設計對移動通信起著至關重要的作用。而5G帶來的最大改變就是用戶體驗的革新：華為Mate30系列手機內部集成21根天線，不僅支持5G，還要兼容4G、3G、NFC、GPS、WiFi、藍牙等網絡，總計21根天線，用于5G有14條天線，進而揭示了5G 新的通信架構下，手機終端天線發展真正的技術需求。在終端設備中信號質量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，其中FR1的頻段通常被稱為Sub6G頻段，范圍為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帶寬、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適應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站實現穩健的移動寬帶通信。

5G通信中采用兩種網絡架構方式進行部署

NSA架構下5G與4G LTE聯合組網，在利用現有的4G設備基礎上進行5G網絡的部署，即可同時使用4G核心網、4G無線網以及5G無線網。SA即新建5G網絡，與NSA最大的差別就在于SA擁有5G核心網。在SA組網下，5G網絡獨立于4G網絡，5G與4G僅在核心網級互通互連，更加簡單。

NSA和SA組網形式（網絡圖片）

采用5G初級階段的NSA組網方式，5G網絡與4G網絡并存，而5G 設備要達到更高速、穩定、低時延等要求則依賴于以下幾個因素：

• 更多的頻段；

• 多個頻段之間的載波聚合技術；

• 大規模MIMO等技術。

當前手機終端天線凈空普遍壓縮至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，又要支持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：

1. NSA組網模式下，4G頻段天線與5G頻段天線并存；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，面對這么多天線，天線效率、天線共存、天線布局等問題亟待研究解決，天線設計面臨著重大挑戰；

2. 5G通信中，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帶寬，提高信道容量和數據傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G通信關鍵技術之一。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。

3. 5G手機中集成多種芯片模塊，CPU、射頻模塊、基帶芯片、屏幕都是功耗與發熱的大戶，而5G芯片的計算能力要比現有的4G芯片高至少5倍，功耗大約高出2.5倍。并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，5G手機的散熱技術研究面臨重大挑戰。

4. 為了滿足5G下行峰速20 Gbps，需要提供最大100 MHz的傳輸帶寬，為了滿足大帶寬連續頻譜的稀缺，在5G通信中采用載波聚合（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問題會比之前更為復雜，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。

圖片來源于網絡

目前市面上5G手機大多采用NSA組網架構，兼容4G通信與5G通信。相對于毫米波頻段，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，天線設計形式采用PIFA天線＋寄生形式，傳統的FPC天線或者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。對建模要求不同導致天線工程師拿到的結構模型通常不滿足需求，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，并且不需要花太多精力去學習的軟件。

應對這種情況，ANSYS提供了前處理模塊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。

FPC天線和支架（網絡圖片）

ANSYS SpaceClaim是非常強大的幾何建模和修復處理軟件，并且提供了非常易用的中文交互界面。它基于直接建模思想，提供一種全新的CAD幾何模型的交互操作模式，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，可以輕松地對模型進行操作，無須考慮錯綜復雜的幾何關聯關系，并且提供了高級的實體建模、特征編輯、裝配、分組功能。接口方面可以直接讀取主流CAD軟件模型，并支持Parasolid，ACIS、STEP、IGES等中間格式模型文件。

對于模型處理和修復，SpaceClaim能夠快速的完成對細小特征的自動檢查、刪除、模型中面的自動抽取等，并具有一鍵式的檢查和修復功能。另外，提供的布爾運算、倒角、印痕、抽殼、抽中面以及參數化建模等功能，可以快速的幫助工程師完成復雜模型向有限元模型的轉化工作。

SpaceClaim修復模型演示文件

5G移動通信技術中，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網絡。毫米波相比于Sub 6GHz的時延更短，是Sub 6G頻段的1/4。由于具有極寬的絕對帶寬，可在很大程度上提高信道容量和數據傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G移動通信關鍵技術之一。

相比于4G無線網絡的寬范圍覆蓋，5G無線網絡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范圍內，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，因此使信道的反應更加精準，從而降低了各種隨機突發情況信道性能的降低。

而能實現波束指向性與波束跟蹤性能的技術就需要相控陣技術的應用與發展。通過相控陣技術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，相控陣技術對于毫米波天線在終端設備中的重要性不言而喻。

左：相控陣波束成形                                             

右：相控陣技術實現波束切換

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，封裝天線）兩種。其中AoC天線將輻射單元直接集成到射頻芯片的后端，該方案的優點在于，在一個面積僅幾平方毫米的單一模塊上，沒有任何射頻互連和射頻與基帶功能的相互集成。考慮到成本和性能，AoC技術更適用于較毫米波頻段更高頻率的太赫茲頻段（300GHz-3000GHz）。

AoC天線與AiP天線（網絡圖片）

而AiP是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內，實現系統級無線功能的技術。AiP技術利用硅基半導體工藝集成度提高，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。

三星note10拆解（網絡圖片）

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制造工藝的挑戰：

• 相控陣天線需要進行波束掃描，天線各通道處于不同相位的狀態，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后，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，以擴展其覆蓋范圍。而相控陣天線中所集成的元器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。

• 毫米波波長短，天線單元結構復雜、疊層結構、垂直對位精度影響，就會導致較大的相位差，這就給天線毫米波器件、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仿真設計工具， 是公認的業界標準軟件，它采用有限元法對任意三維結構進行電磁場仿真，仿真精度高，可用于精確的電磁場仿真和建模，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，支持所有射頻和微波材料，實現器件的快速精確仿真。

HFSS采用了自動匹配網格剖分及加密、切線向矢量有限元、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法(FEM) 對任意形狀的三維結構進行電磁場仿真，而不必精通電磁場數值算法。HFSS自動計算多個自適應的解決方案，直到滿足用戶指定的收斂要求值。其基于麥克斯韋方程的場求解方案能精確仿真所有高頻性能。

自適應網格技術

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，結合高性能計算（HPC）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，在制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。

HFSS中采用的仿真方法

終端5G毫米波天線采用了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控陣結構集成封裝，封裝中天線與射頻模組的結合需要精確仿真分析阻抗匹配。在5G毫米波的研究過程中后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。

所以對于AiP天線的設計來講，我們可以使用ANSYS HFSS + Circuit Design來進行有源天線仿真。在Circuit Design中對射頻電路進行原理圖搭建與仿真。其中，軟件中內置有全面的RF器件并且支持對HFSS中求解的3D模型的動態鏈接，從而能建立準確、完善的RF電路。在Circuit Design中求解的RF電路結果可以采用激勵推送方式推送到陣列天線端口，通過HFSS后處理計算，就可以得到實時調節的天線方向圖。

場路協同仿真方法

Circuit Design為器件和電路及系統的設計提供了一個全集成化的設計環境，實現了系統仿真、電路設計和優化、版圖生成和平面及三維電磁場仿真完全無縫集成，以Circuit Design為設計平臺，可以動態連接HFSS，實現與任意三維結構電磁場工具及復雜的大規模集成電路的協同仿真和優化設計，方便地建立和各種無源結構的模型，計算復雜三維結構電參數，實現虛擬原型，為一次設計成功提供了可能。

5G入網標準中規定5G手機支持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塊后，對于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仿真軟件對整體天線布局、天線形式、天線性能進行精確評估。

在傳統整機仿真中，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ID設計的極致化，劉海屏、全面屏、瀑布屏擠占手機凈空，內置天線數量增多，傳統的評估調試耗費工程師大量時間與精力，并且5G毫米波天線對周邊器件影響，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等問題，采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仿真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，并且3D layout中可以將MCAD與ECAD進行全模型裝配，3D layout實現PCB三維建模，可以將MCAD模型以組件形式安裝到三維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絡。3D layout能夠完成自適應網格劃分，計算完整網絡的S參數，并且計算過孔影響、 “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中進行整機仿真，但在HFSS中需要消耗的計算資源相對較多。

3D Layout ECAD + MCAD全模型網格裝配

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，然而仿真卻能勝任。例如當手機的電熱仿真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。過熱具有風險性，因為過熱會給手機的各個組件以及射頻/天線性能造成負面影響。此外，PCB組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，并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鏈接分析，以預測綜合模型的回波損耗并確定失諧程度。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，用于開展電熱分析。仿真可預測單個PCB組件、RF放大器和天線的安全工作溫度。

通過仿真分析，工程師可以全面掌握手機的熱分布。通過這些解決方案，能夠仿真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后發生失諧的程度。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，通常由于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。而溫度的上升與分布情況同樣會影響電流分布情況。包括芯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。

電-熱耦合分析

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三種:

1. 同頻干擾 (Co-Channel Interference)

2. 臨頻干擾 (Adjacent Channel Interference)

3. 射頻干擾 (RF Interference)

5G手機集成多個頻帶的無線系統（Cellular、 WiFi、GPS）到設備中。在有限空間內并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 “de-sense” 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。當多個射頻器件并存于一個充滿數字信號的緊湊空間內，問題變得更加復雜，這些數字信號本身會產生射頻輻射，造成接收器減敏。

RFI干擾示意圖

面對系統內不同通訊模塊彼此產生的射頻干擾，預防、定位、解決常常采用大量實驗來進行，通常進行階段在產品定型節點，而ANSYS獨有的多物理場仿真可以在產品定型前期就可以對射頻干擾問題進行定性分析，不必等到拿到產品整機，所以采用仿真來定位、定性分析“de-sense”問題可以縮短產品定型周期、提升產品競爭力。

ANSYS提供的多物理域多學科仿真能降低成本，尤其是在盡早使用并貫穿研發周期的情況下。綜合使用ANSYS HFSS、ANSYS RF Option和EMIT可以分析并緩解5G智能手機的無線電靈敏度劣化和干擾問題。采用“Design-By-Desense” 仿真工作流程，有助于有效利用這些工具，在統一的仿真模式下綜合開展SI、電磁、射頻和電路/系統分析。使用ANSYS工具實施該工作流程，可提高易發生EMI和RFI問題的無線設備的可靠性與性能。

Design-By-Desense 仿真工作流程

隨著5G移動通信技術的發展，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于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，如何利用仿真軟件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。ANSYS提供的終端天線仿真整體方案便可以提供貫穿整個產品周期的解決方案，從部件設計到系統設計實現系統性能，而從單一物理域到多物理域的仿真方法突破了設計過程中的單一領域考慮，提供了跨領域設計的解決方案。

未來5G技術將會在終端，網絡，無線接入等方面進行融合及創新， 5G網絡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，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴；“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，用戶感知的智能優化，同時將為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最終實現 “信息隨心至，萬物觸手及” 的總體愿景。

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