5G模擬解決方案 終端天線模擬關鍵技術(前導篇)

◆  前言

隨著5G商用序幕的拉開，5G標準不斷演化，面對5G應用的三大場景：增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMCTC）及低時延高可靠通信（uRLLC）。5G移動通信技術通過引入大規模MIMO技術、同時同頻全雙工（CCFD）、CA技術，提高頻譜利用率以及頻譜拓展等技術，從而實現「高速率、大帶寬、低時延、高可靠性」的萬物互聯場景應用。

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。

◆ 1G時代：蜂窩電話僅僅滿足用戶的通話需求，使用範圍小，安全係數低。

◆ 2G時代：實現了無線數位通信，話音品質、安全係數得到了很大改進，但手機還是作為基本的通信工具在使用，用戶只關注通話質量等體驗。

◆ 3G時代：相對於2G移動通信，3G通信的數據傳輸速度有了質的提升，這一變化為圖像、彩鈴等多媒體的實現提供了可能，3G時代的手機功能已慢慢由通信工具轉變娛樂工具（例如：蘋果3GS於2009年上市後，已顛覆傳統手機用戶體驗，手機逐漸變成用戶的日常生活一部分，密不可分）。

◆ 4G時代：相對於3G網路，帶寬更寬，能夠傳輸高質量的視頻及圖像，數據傳輸質量飛升，得益於更高的傳輸速率，手機支付、媒體串流、直播都成了常見的應用場景，用戶對於手機體驗的要求越來越高，通信流暢度、手機發熱等硬體體驗再次被大眾所關注。

◆ 5G時代：隨著第五代移動通信的商用，實現支持高速、穩定、低延遲等要求，5G將通過更高的頻譜利用率、更多的頻譜資源以及更密集的基站部署來滿足移動端業務增長的需求。

◆  5G終端天線研發所面臨的主要挑戰

目前，我們已處於4G系統商用階段，而5G已於2020年正式商用，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儼然已經成為未來移動通信產業的關注焦點。未來的5G系統將著眼於全頻段，即不僅侷限於低頻段（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有相當重要的作用。而5G帶來的最大改變就是用戶體驗的革新：一般常見的5G手機內部整合十多組天線，不僅支持5G，還要兼容4G、3G、NFC、GPS、WiFi、藍牙等網路。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，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帶寬、波束窄、方向性好、頻段許可獲取成本低。借助先進的毫米波自適應波束賦型和波束跟蹤技術，可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通信中採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網路，與NSA最大的差異就在於SA擁有5G核心網。在SA組網下，5G網絡獨立於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（網路圖片）

採用5G初級階段的NSA組網方式，5G網路與4G網絡並存，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，又要支持MIMO天線技術、多頻段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量激增，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。

2. 5G通信中，毫米波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的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對的一個挑戰。

3. 5G手機中整合多種晶片模組，CPU、射頻模組、基帶晶片、屏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通信中採用採用聚合（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。

▲（網路圖片）

（資料來源：Ansys）