計算機和無線蜂窩技術的融合，幾乎改變了社會的方方面面。移動設備已經融入我們的日常工作和生活，滲透到從商業到教育，從約會到個人健身等各個方面。此外，5G巨大的營銷潛力會影響許多行業，例如醫療，汽車和工業等行業。但是，當今電信基礎架構所采用的無線技術（3G/4G通信標準，例如CDMA，GSM和LTE）根本無法打造未來數字世界。移動和嵌入式設備制造商現在正在展望無線蜂窩通信的未來，來真正實現以移動為中心的世界。

下一代蜂窩網絡和設備技術統稱為 5G（第5代無線通訊技術）已開始在全球推廣。5G代表的不是無線通訊領域中的演進，而是革命。如今人們要求移動設備始終處于聯網狀態，這也推動了設備制造商（OEM）進步，這些設備制造商（OEM）過去可能沒有將無線蜂窩通信集成到其設備中，而如今則必須考慮5G對他們系列產品的影響。國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）為5G建立了3類整體用途，移動設備制造商應為未來的產品考慮這3類用途：

1.增強型移動寬帶（eMBB）通訊

2.大型機器類通信（mMTC）

3.超可靠和低延遲通信（URLLC）

移動性至上：隨處工作和娛樂

對于我們許多人來說，智能手機、平板電腦和筆記本電腦等移動設備現在是我們的主要計算設備。此外，與CPU或RAM一樣，互聯網連接對于移動設備也是非常必要的。但是，我們設備在不同位置上網方面有些脫節。例如，當遠離住宅或辦公室時，我們的智能手機往往依賴于移動連接來訪問互聯網。目前的互聯網連接不是一個無縫的連接方式。

移動設備將逐漸成為體驗和控制大量互動的樞紐。5G的關鍵用途之一是機器對機器的通信。移動設備將作為用戶界面，與智能型、可連接式、嵌入式系統（例如可穿戴設備、智能家居/建筑物/工廠、機器人和VR/AR硬件）進行互動。如今新冠疫情大流行正在改變著世界，大家希望遠程辦公和社交，這種愿望呈指數增長。因此人們對相關產品的需求也呈現爆炸式增長。

5G使我們有機會整合各種互聯網接入方式，提供一種統一的接入方案，為所有移動設備提供無處不在的互聯網接入服務?？梢韵胂?，5G可以使我們所有的設備恒定連接到無線互聯網，尤其是在人口稠密的地區。但是，應該指出的是，Wi-Fi技術仍在繼續發展并且不會消失，它可能會補充5G并與之競爭。

5G運營環境

第3代合作伙伴計劃（3GPP）已將設備和蜂窩之間的5G空中接口定義為新無線電（NR）。根據頻率分配，5G使用FR1和FR2這兩個總體頻段。當前的NR標準支持的頻率范圍是600MHz到50GHz以上這個范圍。此外，研究和開發人員正在努力在此基礎上研發更快的速率，頻率接近100GHz或更高。從電子設計的角度來看，這是頻譜的很大一部分，在5G頻率范圍上下限之間的信號特性非常不同。正如我們將在本白皮書中看到的那樣，這一事實將促使工程師在設計過程的早期考慮他們將在其產品中支持哪些頻率，因為該決定將影響到后期開發階段的許多方面。

第一個頻帶稱為FR1，進一步分為低頻帶（600至700MHz）和中頻帶（2.5至3.7GHz）。FR1頻段已經是電磁頻譜中非常擁擠的部分。3G/4G蜂窩無線電并不是在6GHz以下頻譜中運行的唯一設備。這些頻率也充滿了Wi-Fi、全球定位系統（GPS）、藍牙和Zigbee通信信號，其它非通信設備。

第二個頻段FR2包含24至39GHz的毫米波波長（mmWave）頻率。簡而言之，毫米波頻率的優點是頻率越高，數據速率越快。低頻段頻率提供了類似4G的25Mbps到200Mbps下載，而FR2頻段則可能提供20Gbps的下行鏈路。從物理學角度來看，毫米波的波長大約為1厘米至1毫米，這對應大約30GHz至300GHz的頻率范圍。

速度的提高確實也伴隨著弊端的產生。首先，這些頻率的傳播趨于直線傳播，因此受到很大限制。另外，較高的頻率也會在一定距離內更快地衰減，為了彌補這些損失，必須部署更多的蜂窩，可以使用多種蜂窩配置來應對毫米波頻率的實際情況。范圍從毫微蜂窩（Femtocells）到城域蜂窩（metrocells）。

設計和工程考慮

5G帶來無線通信性能的重大提高。這種性能提升的確是以增加復雜性和獨特的工程設計挑戰為代價的。具體而言，這些挑戰包括：

1.信號傳輸

2.電源和熱管理

3.天線模塊的位置和尺寸

4.高頻設備內的信令

更多天線，更少空間

盡管從技術角度來看5G代表了革命性的升級，但隨著運營商以不同的頻譜構建其網絡，其覆蓋范圍、延遲和數據承載能力將有所不同，因此其推出的網絡將是多種多樣的。

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此外，幾乎可以肯定的是：在4G到5G過渡期間發布的移動設備除了5G外還必須包含多個天線來處理3G和4G LTE波形。此外，在可預見的將來，藍牙LE，IEEE802.11 Wi-Fi和GPS將繼續在6GHz以下頻段中運行。這意味著在毫米波和6GHz以下天線設計之間進行選擇不一定是非此即彼的選擇。

連接器對傳輸路徑的影響

除了應對空中接口和相關天線方面的挑戰之外，極高頻率的5G信號還給單片微波集成電路（MMIC）、芯片與封裝之間的互連，印刷電路、電纜組件和連接器帶來了更多挑戰。如果在設計過程中處理不當，傳輸線可能會出現難以糾正的錯誤。如果印刷電路長度大于信號波長的四分之一，則在設計時必須考慮傳輸線的影響。

要實現有效和高效的基于毫米波的系統，連接器方面也可能遇到難題。元器件設計人員必須滿足在連接器幾何形狀、尺寸和材料選擇方面的限制要求，同時還必須匹配整個傳輸線的特征阻抗。阻抗匹配對于減少信號反射和實現最大功率的傳輸至關重要。反過來，這可使天線輻射的能量最大化，從而為接收器生成最強的無線信號。5G連接器必須能夠處理比上一代產品更大的功率（在某些情況下可能會出現15安培以上的瞬時電流）。

對5G元器件的要求

5G移動設備中使用的元器件，在電氣和機械性能方面必須符合相關嚴格要求。5G元器件必須整合到包括傳統3G/4G和Wi-Fi硬件的設備中，這些設備至少將在初始階段包含這些硬件。毫米波頻率在消費類移動設備中的使用是史無前例的。選擇5G元器件的其它考慮因素包括：

1.低延遲、低噪聲

2.高密度

3.經濟高效

4.可制造性

5.堅固性

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