大多數關於5G的討論都集中在其標準技術，以及對使用者可能帶來的潛在好處上，例如新技術的頻寬和範圍將如何實現神奇的功能和內容。然而，在描繪5G新技術的未來潛力時，設計團隊在努力實現5G標準的隱含承諾時所面臨的眾多工程難題，往往缺乏相關探討。
網路服務供應商必須提供足夠的效能，以達到客戶對服務品質和功能的期望。同時，服務供應商也需要提供具備吸引力的價格，以保持競爭力。在多種市場壓力下，服務供應商必須遵守一定的總體擁有成本(Total Cost Of Ownership, TCO)，以便在激烈的市場競爭中確保穩定營運。TCO由兩大類關鍵績效指標(KPI)來衡量：技術能力(覆蓋範圍、容量、MIMO性能)和產品壽命(長期可靠度、功耗和總重量)。
這些KPI成為開發5G網路設備的系統設備供應商的要求，這些網路設備包括基地台和較小型的基地站(Metro-/Micro-/Femto-及Picocells)，以及其相關天線陣列。系統設備供應商將這些KPI分解為開發通訊節點的詳細規格，基本上包括一個天線、天線在印刷電路板(PCB)上的支援電路，以及一個容納PCB並攜帶天線的盒子或外殼。
當然，最關鍵的元件就是天線。系統設計中的其他部分皆須符合並依賴天線元件。接著，本文將深入探討5G系統設計團隊在盡力開發最佳天線時，所面臨的挑戰。
設計團隊的觀點
從事5G天線設計的工程師主要關注三個要點：設計、驗證與測試、部署。然而，這些類別並非各自獨立，而是彼此相互關聯。
天線設計
5G將多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)陣列推向新的能力水平。然而，設計這樣的天線來滿足網路要求並不容易。輻射元件必須達到其給定物理口徑的最大效能、覆蓋其指定的廣播範圍和用戶負載、清楚地支援多個頻寬、形成適當波束，並支援固定衛星服務(FSS)和適應性調變及編碼(AMC，有時稱為鏈路適應)等頻寬效率能力(圖1)。同時，設計人員必須解決由天線運作引起的耦合效應，並識別並補償隨機效應或其他訊號損失源，例如阻抗不匹配、無線射頻干擾(RFI)等。創建這樣的複雜元件需要設計人員的靈活度、適應性和進行實驗的本事。
圖1 使用Ansys HFSS進行5G多輸入多輸出(MIMO)輻射元件模擬
天線驗證與測試
有許多因素使得天線在系統預期壽命內完整功能的驗證變得複雜。驗證的其中一部分涉及系統本身的基本運作；不僅僅是天線，還包括它的支援電路元件和電路板。然而，更迫切的影響因素是營運環境對天線和整個系統的影響，包括風、雨、雪、冰、靜電累積、炎熱的夏日、塵土、冰雹、沙塵暴、閃電，以及極低氣溫。
更糟的是，這些影響可能互相疊加。來自訊號傳導或天氣的熱量會使元件膨脹，產生將反饋至導電性的機械壓力。風可以扭曲天線形狀，影響訊號環境。系統本身的重量也會影響其隨著時間的可用性。
設計人員採用各式各樣的方法來減輕這些問題來源造成的影響。重量成為天線和系統的設計限制，風載荷的估計也進一步進行約束。電源管理方案可以延長晶片、電路板和系統級別的失效時間(TTF)。從可靠度的角度來說，可以估計諸多變量，如元件和電路板的可靠性、功耗、備用電源期間、操作頻率、傳播效應、對資料覆蓋和干擾的熱/電熱效應，以及電性能漂移，即使在環境、電源和效能的極端限制下也是如此。
不幸的是，上述的方法也成為及時完成設計並部署的阻礙。由於每次迭代都需要(至少部分地)重複進行測試和驗證，它們最終成為透過實驗進行設計優化的障礙。
天線部署
網路一經部署，便預期能可靠地工作，並根據需求達到規定的性能，包括支援各種用戶平台、有效且最大化使用頻寬和頻道、高訊號強度、超凡的資料傳輸速率以及最小的訊號延遲。然而，卻存在大量可以阻礙這些目標的因素。
用戶負載動態性變化，基地台、低階基地台和用戶平台之間可能產生不希望出現的天線互動，因此帶來風險。廣播環境本身為電氣活躍環境，因此具有許多潛在問題。此外，城市環境提供了可吸收傳輸或導致傳輸偏轉的物理障礙，造成無訊號區、訊號中斷和傳播延遲。現有的基礎設施甚至會對有效的基地台部署造成問題。
網路服務供應商希望系統設備供應商開發出可以彌補這些問題的基地台和天線。他們希望5G硬體能夠讓他們提供低成本、高品質的通訊和資料服務給客戶，無論環境情況如何。
模擬工具加速5G天線設計 迎戰效能/成本要求(1)
模擬工具加速5G天線設計 迎戰效能/成本要求(2)