第三代合作夥伴計劃(3GPP)將設備和蜂巢式基地台之間的5G空中介面定義為新無線電(NR)。5G頻率劃分兩個支配性的頻段，即FR1和FR2。目前NR標準支援範圍從600MHz到50GHz以上的頻率。此外，隨著不斷研發新技術，頻率能達到100GHz，甚至能實現更高的速度。
從電子設計的角度來看，這是波譜中非常大的一部分，其中5G頻率範圍的上下限之間，存在極其不同的訊號特徵，造成工程師在設計過程的早期，需要考慮產品將支援哪些頻率，因為這個決定將會對後期開發階段中的許多方面產生影響。
FR1/ FR2特性
FR1劃分成低波段(600到700MHz)和中波段(2.5到3.7GHz)。在電磁波譜中，FR1頻段早已非常擁擠，不僅3G/4G蜂巢式行動電話在6GHz以下的波譜中工作，事實上這些頻率裡也充斥著Wi-Fi、全球定位系統(GPS)、藍牙和ZigBee等通訊訊號，甚至像微波爐這類的其他非通訊設備，也涵蓋在這一個頻率範圍內，產生極大的電磁雜訊。6GHz以下充斥著大量的電磁活動，再加上對更高資料速率的需求，便促成了轉向更高電磁波譜頻率的必要性。
FR2為範圍從24到39GHz的毫米波長(mmWave)頻率。簡而言之，mmWave頻率的優勢在於頻率越高，資料速率就越快。低波段頻率可提供類似於4G的25到200Mbps下載速度，而FR2頻段最高可達20Gbps的下行鏈路。從物理角度方面來看，毫米波波長大約為1釐米到1毫米，與之相關的頻率範圍約在30GHz到300GHz。
速度的提升必然要伴隨著一定的代價。首先，這些頻率的傳播在視線(Line of Sight, LOS)上受到很大的限制。在一定的距離，頻率越高，訊號衰減的也就越快，造成傳播距離無法太遠，此現象稱「路徑損耗」，並且更難穿透建築物與茂密植被等障礙物。
為了對這類損耗做出補償，需要部署更多的蜂巢基站，尤其在城市這類人口、建築物和障礙物密集的環境。目前存在著形形色色的蜂巢組態，來應對現實情況下的毫米波頻率，範圍從可在數十公尺距離上操作約十幾台設備的毫微微(Femto)蜂巢，一直延伸到在數百公尺內操作幾百台設備的城市站。
設計與建置5G注意事項
儘管5G在無線通訊效能擁有巨大改進，但代價是更高的複雜程度，以及工程設計上獨一無二的挑戰，包括：訊號傳輸、電源管理和熱管理、天線模組的布局和尺寸，以及高頻的設備內訊號。
首先，行動設備和基站之間需要密切的協調。5G NR在很大程度上依靠MIMO相控陣天線架構，來實現波束成形、波束指向和波束追蹤功能，最終可以大規模在各個端點之間達到最大的資料速率。然而，大型MIMO架構需要密集的天線組態，針對電子元件的效能便構成了挑戰。
在更高的頻率下，天線單元之間保持的物理距離極小。此外，更多的5G元件和更高的頻率，同時意謂著需要為通訊子系統分配更多的功率預算。在這樣的環境下，提供毫米波的射頻功率並耗散掉相應產生的熱量極具挑戰性，需要在系統設計和材料的選取上有所創新。比如說，轉為使用基於第四代氮化鎵(GaN)的場效電晶體，功率密度更高，從而滿足大型MIMO架構的需求，以及尺寸更小的封裝。其他可以顯著影響到行動設備中5G NR效能的關鍵性元件，包括天線和連接器。在5G執行環境的背景下，它們各自都面臨著獨一無二的挑戰及考慮因素。
更多天線更少空間
從技術的角度來看，5G代表一次革命性的升級，但部署過程將呈現出極大的多樣性。因為電信營運商採用不同的波譜，來建構自身的網路，所以造成傳輸距離、延遲與資料攜帶能力上存在巨大的差異。儘管需要花費數年時間才能實現無處不在的5G覆蓋，但各種不同版本的5G網路建設將會加快步調。如此一來，由於前面提及的衰減效能，鄉村地區也許永遠無法享受毫米波帶來的好處，可能僅僅取得6 GHz以下頻率提供的資料速率，因此他們擁有的5G網路仍具有與4G LTE類似的下載能力，包括速度和延遲。
此外，從4G到5G的過渡期間發布的行動設備，必定需要整合多個天線，以便處理除了5G以外的3G和4G LTE波形。另外，在可以預見的未來，低功耗藍牙、IEEE 802.11 Wi-Fi和GPS將繼續在6GHz以下的頻段下運作。換句話說，在設計時選取毫米波和6GHz以下頻率的天線，並非是一個非此即彼的過程。因此，對於行動設備的OEM來說，決定是否要新增適合毫米波頻率的天線，在產品開發的設計階段和工程階段將產生一定的影響。如果選擇不將毫米波天線包含在內，必然存在業績上的隱憂，因為可能會影響到產品的銷售，或造成消費者無所適從。
在5G環境中，6GHz以下的頻段更加接近目前的4G LTE頻率。在這類相對較低的頻率下，天線的布局只不過是影響效能的其中一個因素。在確定設備無線通訊的整體共振效能的過程中，天線和行動設備的內部組態之間存在著密切的關聯。考慮使用者對於超薄行動設備的偏愛，天線工程師在調整天線的設計時，必須考慮物理設計、材料選取與內部的元件組態。或者在毫米波的頻率下，天線和手機機體之間的互動無須過度擔憂。 相反地，挑戰卻在天線的覆蓋層上面，無論覆蓋層材料是金屬、玻璃、甚至是塑膠，在電氣上都不輕薄，甚至還會對下方天線的輻射效能產生明顯的不利影響。此外，天線相對於使用者手持設備的布局，也會對毫米波的發射和接收產生影響。將自訂的天線設計和特殊的天線布局結合在基於插槽的設計，或者頻率選取表面(FSS)的設計原則後，可以對行動設備天線的輻射圖進行最佳化。此外，孔徑調諧和阻抗調諧之類的天線調諧技術，能在更廣的頻寬上改善增益，並且延長電池壽命，因為經過調諧的天線僅消耗較少電流，便可以提供相同程度的發射功率。
建立連接：連接器影響傳輸路徑
除了應對空中介面和相關天線的挑戰，極高頻率的5G訊號也為單晶微波積體電路(MMIC)、晶片到封裝的互連、電路板線路(Trajectory)、電纜元件及連接器帶來進一步的挑戰。GHz頻率下訊號的傳播，造成電纜和線路的行為有別於簡單的電線，而是與傳輸線類似。在整個傳輸線的長度上，電流和電壓的幅度和相位都會發生變化。如果在設計期間未適當處理，那麼傳輸線會產生難以排除的錯誤。如果線路長度超過訊號波長的四分之一，則在設計過程中必須考慮傳輸線效應。另外，天線效應在這類的長度上會產生一定影響，例如電磁干擾和串擾，也必須由設計人員妥善處理。
為了實現有效而又具有極高效率的毫米波系統，連接器也會帶來挑戰。連接器的幾何形狀、尺寸及材料的選取也構成了各種限制，元件的設計人員必須加以應付，與此同時仍要與整條傳輸線上的特性阻抗相符合。為了減少訊號反射並實現最大的功率輸送，阻抗符合具有至關重要的作用。這樣反過來又會使天線輻射的能量達到最大，盡可能為接收器產生最強的無線訊號。與前幾代相比，5G連接器必須能夠應對高得多的功率(特定情形下可能出現15安培以上的暫態電流消耗)。設計下一代連接器時的其他考慮因素包括：縮短射頻端子、提高遮罩效果和獨一無二的遮罩層布置。
在5G連接器更為嚴格的電氣特性與機械效能、成本與製造的複雜程度之間，必須達到新的平衡，例如高速連接器，在消費級產品內部，按照5G標準規定的速度在一系列元件之間推送數以百萬位元計的資料，將構成重大的挑戰，即使在3G甚至4G設備設計方面富有經驗的廠商也不能倖免。連接器必須經過精心的設計和製造，以使傳輸線上的阻抗變化減少到最低程度。否則，訊號可能發生反射，造成效能降級。外部訊號也會構成威脅。因此，連接器必須為系統提供充分的保護，防止電磁干擾(EMI)和電容器感應器產生外部訊號，這一情況在更高的速度下會形成更大的挑戰。
微型連接器扮演關鍵角色
5G連接器必須容納於現代行動設備內的狹小空間當中。堆疊式連接器允許在填充緊密的柔性和剛性電路板上使用。儘管存在著嚴格的物理限制，5G電子元件仍必須符合散射參數的嚴格要求，例如電壓駐波比(VSWR)和插入損耗(IL)等。精心設計的連接器應使訊號的反射、降級與失真降至最低程度，與此同時還要減小自身的物理體積。連接器和相關的線束還必須配備充分的遮罩措施，從而有效的降低EMI；在毫米波的頻率下，這一點甚至更加關鍵。
5G速度越快設計越複雜
5G應用所使用的元件，必須符合在行動設備中使用的嚴格電氣要求與機械要求。至少在5G巿場發展初期，5G元件必須整合包含原有3G/4G以及Wi-Fi硬體的設備當中。對於消費類行動設備來說，這將是第一次使用毫米波頻率。
5G元件選用過程中的其他考慮因素包括：
1.低延遲、低雜訊：5G提供可觀的速度，但這是以更高的設計複雜程度為代價的。元件必須經過認真細緻的設計，確保對訊號完整性以及系統的整體效能只會產生極小的影響，或者根本不會產生影響。
2.高密度：元件必須具有小巧的體積與極高的能效，從而實現所需的密度，滿足對5G NR的效能規範的要求。
3.成本效益：5G元件提出了嚴格的要求，但也被期待能內嵌到一切產品當中。換句話說，元件的成本必須保持在相對較低的水準，同時其效能還要高於目前4G技術。
4.可製造性：5G元件和系統的設計可能會極其複雜，但物理元件的製程不得過於繁複。5G的製造工具和製造技術必須在低成本的條件下實現良好的產出，同時還要滿足物理和電氣的效能特性上的嚴格要求。
5.穩健性：5G元件將會無處不在。因此，由於會存在形形色色的環境條件以及各不相同的用例，元件必須能夠耐受內嵌到行動設備後出現的粗暴操作。
開發5G毫米波技術設備訣竅
對於電信和資料通訊業的OEM來說，從開發和生產到全生命週期支援的5G毫米波技術設備，需要擁有在高速連接和訊號完整性管理，以及射頻技術領域發展的足夠經驗。在進入5G行動設備市場的這場競賽中，不僅需要廣泛產品線和專業技術人員外，還需要下列能力，包括：
1.高速微型連接器設計上的專家經驗：將越來越多的功能塞入到行動設備之中，同時在極高的速度下執行，這就意味著元件必須同時在機械上和在電氣上採取精密地設計，在物理層面上也必須足夠的穩健。
2.天線設計上的專家經驗。
3.6GHz以下天線和毫米波天線的5G電波暗室：具有5G功能的產品要進行測試確保滿足規範，但所需要的設施與設備至今尚未普及。這一情況對於毫米波硬體來說尤其嚴重。因此，製造商能與擁有相關測試技術廠商合作，在產品發布前即使產品和相應的元件接受徹底的測試，將可顯著降低產品上市延誤的風險。
4.進階模擬軟體：製造商提供電磁結構解算器軟體整合到了設計流程當中。
5.進階MID技術：製造商需要在成型互連設備/鐳射直接成型(MID/LDS)技術方面大力投入，從而在三維上可以緊密整合各種複雜的電氣結構與機械結構。
6.5G製造能力：在5G的電氣和射頻要求，以及機械和易製性的要求間實現良好的平衡。
(本文作者任職於Molex)