5G是指即将来临的第5代无线移动网络,可在24GHz到95 GHz的频段运行。它支持极高速的无线连接,例如4K/8K超高分辨率网络电视。物联网(IoT)是另一个快速成长的无线技术,可将生活周遭的所有事物(从个人电子设备到工业传感器),紧密相连并实时追踪。预计到2020年,全球将有超过500亿个实际运行的物联网装置。为了快速设计并建构5G和物联网产品以便提高市场占有率,射频和微波工程师背负着大量的工作和沉重的压力。

仿真频率达28 GHz的5G射频系统

因为互连寄生效应、外围装置偏压和被动元件等因素,以及缺乏可用的系统元件仿真模型,使得设计和建构可在24GHz或更高频率运行的射频系统,成为挑战性极高的任务。而且使用电子表格计算,然后用实际的硬件进行测试,全都需要大量时间、设备和努力,来执行反复迭代。

下面的例子验证了一种更有效率的方法,可一次完成射频系统的设计、原型制作和实现。图1显示一个5G系统方块图,包含28 GHz射频输入和两个降频用22 GHz、7 GHz本地振荡器、一个1GHz 中频。我们使用Keysight Genesys Spectrasys系统仿真器来仿真此方块图,并通过下列元素建构系统方块模型︰

– 非线性电路数据的X参数
– 系统特性数据的Sys参数,与频率、偏压和温度相关
– 线性电路数据的S参数
– 根据特性方程建构的模型

Keysight17080301 图1:频率为28 GHz的5G射频接收器系统,双降频至1GHz 中频。

使用电子表格以来,射频系统仿真技术已历经长久发展,在准确度和诊断功能方面也有了重大的改善,例如识别元件起源和频率方程的非线性调变失真,以及系统线路中哪些系统方块和规格导致系统性能下降,例如数字调变射频激发下的EVM、BER、ACPR。

图2显示,通过进行EVM误差对系统元件的损失估算,我们可立即发现造成EVM效能下降的元凶,是本地振荡器噪声和混频器与放大器的线性度。点击这些问题元件便可调整其违规规格,进而提高系统效能。如此一来,我们可选择适当的系统元件,不超出或低于规格,以便用最低成本获致最佳效能。

Keysight17080302 图 2:整体EVM的损失估算,以诊断射频系统的系统路径上,哪个元件导致数字调变射频信号退化,如此可避免浪费的硬件原型迭代。

在设计过程中指定特性规格,然后试着在实现过程中找到符合规格的实际元件,这种方法相当常见,但效率奇差,并且不可避免地导致多次迭代。Sys参数为可仿真的现成元件规格书,X参数为可直接用于射频系统仿真非线性元件的量测数值,因此在完成设计时,零件也已经选好了,并且经验证可在系统中运行。此时,我们已经准备好可建构射频系统的硬件。

使用现成元件实现5G系统

如图3所示,28GHz 5G射频接收器系统的实例,使用来自Mini-circuit、Analog Devices、Qorvo、Marki、Avago等供货商的现成组件,并通过X microwave制成模块。每个模块,称为X-Block,包括本地振荡器、混频器、放大器等主动元件的所有偏压和外围被动元件。它们的特点是在共平面连接处的参考平面上,测量仿真用的X参数或Sys参数,以便精确建立系统硬件实际使用它们的模型。他们通过一个翻转的共平面基板连接,该基板跨过 X-Block间极小的间隙,通过按压安装,无需焊接即可运行在67GHz。1.9毫米测试发射器也由按压安装,因此X-Block可无损地重复使用。原型确定后,因为建立在相同的基板材料,相同的组合布局可直接用于生产。

Keysight17080303 图3:使用X-microwave的X-Blocks实例的28 GHz接收机系统硬件原型。

系统测量时,测量结果与仿真结果意外地接近,如图4所示,两者的差距在向量信号分析仪不确定性误差范围内。

Keysight17080304 图4:不同射频输入功率下的测量与仿真的EVM。

物联网的设计

物联网无线传输效率与覆盖范围、数据带宽和工作频率息息相关,其中有多项标准正在制定中。物联网频率可大致分为两类︰Sub 1GHz,和更高频的2.4 GHz和5.8GHz ISM(工业、科学和医疗)频段。从设计工作在这些频段的物联网实际无线电链路的角度来看,重点应放在天线和物联网芯片组间的阻抗匹配。为了将信号发射到更远的地方,可在芯片组和天线之间插入放大器。

理想情况下,阻抗匹配网络必须要够小且容易构建。使用传统的史密斯图,或桌上逐次连近法,在较宽的带宽(30 % 或更大)上,对复杂且与频率相关的阻抗,如天线、物联网芯片组的S参数测量结果,或不稳定非单向离散晶体管放大器,来构建多级阻抗匹配,非常的困难和繁琐。

Keysight17080305 图5:在1小时内完成2到GHz,3 级匹配网络的阻抗匹配合成和微带线布局,实现-20dB回波损耗和35dB增益。

更有效率和最佳的方法是利用自动阻抗匹配合成,采用多种算法,从简单的L节真实频率技术,解决上述日益困难的阻抗匹配问题。因为此合成功能可以在几秒内,用分布式或整合式网络完成困难的同时多级匹配,使得物联网无线电设计工程师能够快速试验多个匹配拓扑结构,并选择其中最节省时间的来构建。图5显示3级,同时匹配天线到稳定过后的低噪声晶体管放大器电路,接着连接测试过S参数的功率放大器芯片组,匹配从2到3GHz,让系统达到-20d回波损耗和35dB增益。微带线布局尺寸也是利用自动插入不连续组件,如T型线和开路截线来合成。整个过程在一小时内便完成了。

5G射频系统和物联网装置,现在之所以可以快速模拟、制作原型,并利用现成系统元件生产,全都要归功于诊断能力的突破,以直接找出系统中规格错误的元件。现成射频系统元件准确的X参数和Sys参数仿真模型,使得从设计、原型到生产的过程中,无需反复迭代,进而达到“模拟什么就得到什么”的效率。阻抗匹配合成功能可实时从多种适合的匹配拓扑中,选出最经济的构建方案,取代繁琐的手动设计和优化。

本文来自《电子工程专辑》2017年8月刊,版权所有,谢绝转载