如何以最低成本在最短時(shí)間內(nèi)規(guī)劃并建構(gòu)5G和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高效能RF系統(tǒng)，對(duì)工程師形成了巨大的壓力。本文說明如何使用市售的現(xiàn)成組件準(zhǔn)確地仿真RF系統(tǒng)，并在電路板布局上快速進(jìn)行多級(jí)阻抗匹配合成，有效率地執(zhí)行這個(gè)過程。

5G是指即將來臨的第5代無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可運(yùn)作于24GHz到95GHz頻段，支持極高速的無線連接，例如4k/8k超高分辨率(UHD)串流電視。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是另一個(gè)快速成長的無線技術(shù)，可將生活周遭的所有事物——從個(gè)人電子裝置到工業(yè)傳感器-緊密相連并實(shí)時(shí)追蹤。

預(yù)計(jì)到2020年，全球?qū)⒂谐^500億個(gè)實(shí)際運(yùn)作的物聯(lián)網(wǎng)裝置。為了快速設(shè)計(jì)并建構(gòu)5G和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品以便提高市場(chǎng)占有率，射頻(RF)和微波工程師背負(fù)著大量的工作和沉重的壓力。

5G RF系統(tǒng)仿真頻率達(dá)28GHz

由于互連寄生效應(yīng)、外圍裝置偏壓和被動(dòng)組件，以及缺乏可用的系統(tǒng)組件仿真模型等因素，使得設(shè)計(jì)和建構(gòu)可在24GHz或更高頻率運(yùn)作的RF系統(tǒng)，成為挑戰(zhàn)性極高的任務(wù)。而且使用電子表格計(jì)算，然后用實(shí)際的硬件進(jìn)行測(cè)試，都需要投入大量的時(shí)間、儀表和努力，才能確保反復(fù)迭代。

所幸目前有了一種更有效率的方法，能夠一次完成RF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、原型制作和實(shí)現(xiàn)。圖1顯示一個(gè)5G系統(tǒng)方塊圖，包含28GHz RF輸入和兩個(gè)降頻用22GHz、7GHz本地振蕩器(LO)、一個(gè)1-GHz中頻(IF)。透過系統(tǒng)仿真器可仿真此方塊圖，包括以下的系統(tǒng)建構(gòu)模塊︰

?非線性電路數(shù)據(jù)的X參數(shù);

?系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)的Sys參數(shù)，與頻率、偏壓和溫度相依;

?線性電路數(shù)據(jù)的S參數(shù);

?根據(jù)特性方程式建構(gòu)的模型。

圖1：頻率為28GHz的5G RF接收器系統(tǒng)，雙降頻至1-GHz中頻

自使用電子表格以來，RF系統(tǒng)仿真技術(shù)已歷經(jīng)長久發(fā)展，在準(zhǔn)確度和診斷功能方面也有了重大的改善，例如辨識(shí)非線性調(diào)變失真(IMD)的組件來源和頻率方程式，以及系統(tǒng)線路中哪些系統(tǒng)建構(gòu)模塊和規(guī)格導(dǎo)致系統(tǒng)性能退化，如數(shù)字調(diào)變RF激勵(lì)導(dǎo)致的誤差向量幅度(EVM)、位誤碼率(BER)與相鄰頻道功率比(ACPR)。

圖2顯示，借助進(jìn)行EVM誤差對(duì)系統(tǒng)組件的損失估算，就能立即發(fā)現(xiàn)造成EVM效能退化的元兇，來自于LO相位噪聲以及混頻器與放大器的線性度。改善這些問題組件并調(diào)整其違規(guī)的規(guī)格，即可提高系統(tǒng)效能。如此一來，我們可選擇不超出或低于規(guī)格的適當(dāng)系統(tǒng)組件，以便用最低成本現(xiàn)最佳效能。

圖2：針對(duì)EVM進(jìn)行損失估算，即可診斷RF系統(tǒng)路徑上的哪個(gè)組件導(dǎo)致數(shù)字調(diào)變RF訊號(hào)退化，如此可避免耗費(fèi)硬件原型的重復(fù)操作

在設(shè)計(jì)過程中指定特性規(guī)格，然后試著在實(shí)現(xiàn)過程中找到符合規(guī)格的實(shí)際組件，這種方法相當(dāng)常見但效率奇差，而且不可避免地導(dǎo)致多次重復(fù)。Sys參數(shù)為可仿真的現(xiàn)成組件規(guī)格表，X參數(shù)則可直接用于RF系統(tǒng)仿真非線性組件的量測(cè)數(shù)值，因此在完成設(shè)計(jì)時(shí)，零件也已經(jīng)選好了，并且經(jīng)驗(yàn)證可在系統(tǒng)中運(yùn)作。此時(shí)，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好可建構(gòu)RF系統(tǒng)的硬件。

使用現(xiàn)成組件實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)

如圖3所示，打造28GHz 5G RF接收器系統(tǒng)，使用了來自Mini-circuit、Analog Devices、Qorvo、Marki、Avago等供貨商的現(xiàn)成組件，并透過X microwave作成模塊。每個(gè)模塊化的板塊稱為X-Block，包括LO、混頻器和放大器等主動(dòng)組件的所有偏壓和外圍被動(dòng)組件，其特點(diǎn)是在共平面互連的參考平面上量測(cè)模擬用的X參數(shù)或Sys參數(shù)，以便精確建立系統(tǒng)硬件實(shí)際使用它們的模型。

圖3：28GHz接收機(jī)系統(tǒng)硬件原型采用X-microwave的X-Blocks。“模擬什么就得到什么”，不至于發(fā)生接點(diǎn)寄生效應(yīng)或系統(tǒng)模型不準(zhǔn)確造成不相符的情況

這些組件之間透過一個(gè)翻轉(zhuǎn)的共平面層連接，該層跨過X-Block之間極小的間隙，透過按壓安裝，無需焊接即可運(yùn)作到67GHz。1.9mm測(cè)試發(fā)射器也由按壓安裝，因此X-Block可無損地重復(fù)使用。待原型確定后，由于采用相同的層迭材料建立，可直接將相同的組合布局用于生產(chǎn)。

而在測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，量測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果意外地接近，如圖4所示，二者的差距在向量訊號(hào)分析儀不確定性誤差的范圍內(nèi)。

圖4：以不同RF輸入功率測(cè)得的量測(cè)EVM與模擬EVM比較。二者的誤差都在儀器的不確定范圍內(nèi)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸效率、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)帶寬和作業(yè)頻率息息相關(guān)，其中有多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。物聯(lián)網(wǎng)的頻率大致分為兩類︰Sub 1-GHz，以及更高頻的2.4GHz和5.8GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。從設(shè)計(jì)在這些頻段作業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際無線鏈路來看，重點(diǎn)應(yīng)該放在天線和物聯(lián)網(wǎng)芯片組間的阻抗匹配。為了將訊號(hào)發(fā)射到更遠(yuǎn)的地方，可在芯片組和天線之間插入放大器。

理想情況下，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)必須要精巧且易于實(shí)作。使用傳統(tǒng)的Smith圖表或桌上逐次連近法，在廣泛的帶寬(30%或更多)上針對(duì)隨頻率而變的復(fù)雜阻抗，如天線、物聯(lián)網(wǎng)芯片組的S參數(shù)量測(cè)結(jié)果或不穩(wěn)定的非單向離散晶體管放大器等進(jìn)行多級(jí)阻抗匹配，是極其困難和繁瑣的。

圖5：在不到1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)完成2-3GHz的3級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)之阻抗匹配合成和微帶傳輸線布局，實(shí)現(xiàn)-20dB回波損耗和35dB增益

更有效率和最佳的方法是利用自動(dòng)阻抗匹配合成，該途徑采用了多種算法，從簡單的L段到真實(shí)頻率技術(shù)，解決上述日益困難的阻抗匹配問題。因?yàn)檫@種合成功能可以在幾秒內(nèi)，以分布式或整合式網(wǎng)絡(luò)完成困難的同步多級(jí)匹配，使得物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)計(jì)工程師能夠快速試驗(yàn)多個(gè)匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并選擇其中最節(jié)省時(shí)間的方式來實(shí)作。圖5顯示3級(jí)、同步匹配天線到低噪聲穩(wěn)定晶體管放大器電路的結(jié)果、測(cè)得的功率放大器芯片組S參數(shù)，以及匹配從2到3GHz實(shí)現(xiàn)的-20dB回波損耗和35dB增益。微帶傳輸線的布局尺寸也是利用自動(dòng)插入不連續(xù)組件，如T型線和開路截線來合成。整個(gè)過程在一小時(shí)內(nèi)完成。

5G RF系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)裝置如今可快速仿真、制作原型，并利用現(xiàn)成的系統(tǒng)組件生產(chǎn)，可歸功于診斷能力的突破，以直接找出系統(tǒng)中規(guī)格錯(cuò)誤的組件?，F(xiàn)成RF系統(tǒng)組件準(zhǔn)確的X參數(shù)和Sys參數(shù)仿真模型，使得從設(shè)計(jì)、原型到生產(chǎn)的過程中無需任何反復(fù)，即可達(dá)到“模擬什么就得到什么”的效率。阻抗匹配合成功能可實(shí)時(shí)從多種適合的匹配拓?fù)渲羞x出最經(jīng)濟(jì)的實(shí)作，取代了繁瑣的手動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。