哪些關鍵技術能層層突破5G產品設計困難？（前篇）

◆  關鍵技術1：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，兼容4G通信與5G通信。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結構建模。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，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。

▲FPC天線和支架（網路圖片）

 

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界面。它基於直接建模思想，提供一種全新的CAD幾何模型的交互操作模式，在整合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，並支持Parasolid、ACIS、STEP、IGES等中間格式模型文件。

 

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複雜模型向有限元模型的轉化工作。

 

◆  關鍵技術2：毫米波天線設計

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網路。毫米波相比於Sub 6GHz的時延更短，是Sub 6G頻段的1/4。由於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。

相比於4G無線網路的寬範圍覆蓋，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踪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於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，相控陣技術對於毫米波天線在終端設備中的重要性不言而喻。

▲相控陣波束成形（網路圖片）

▲相控陣技術實現波束切換（網路圖片）

 

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帶功能的相互整合。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）。

▲AoC天線與AiP天線（網路圖片）

 

而AiP是基於封裝材料與製程，將天線與晶片整合在封裝內，實現系統級無線功能的技術。AiP技術利用矽基半導體製程整合度提高，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。

▲三星note10拆解（網路圖片）

 

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製造製程的挑戰：

★ 相控陣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。而相控陣天線中所整合的元器件增加了終端內部的佔用空間，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，天線單元結構複雜、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，支持所有射頻和微波材料，實現器件的快速精確模擬。

HFSS採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模擬，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。其基於Maxwell方程的場求解方案能精確模擬所有高頻性能。

 

▲自適應網格技術（網路圖片）

 

HFSS中可實現天線佈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。

▲HFSS中採用的模擬方法（網路圖片）

 

（資料來源：Ansys）