5G是指即將來臨的第5代無線行動網路,可運作於24GHz到95GHz頻段,支援極高速的無線連接,例如4k/8k超高解析度(UHD)串流電視。物聯網(IoT)是另一個快速成長的無線技術,可將生活周遭的所有事物——從個人電子裝置到工業感測器-緊密相連並即時追蹤。

預計到2020年,全球將有超過500億個實際運作的物聯網裝置。為了快速設計並建構5G和物聯網產品以便提高市場佔有率,射頻(RF)和微波工程師背負著大量的工作和沈重的壓力。

5G RF系統模擬頻率達28GHz

由於互連寄生效應、週邊裝置偏壓和被動元件,以及缺乏可用的系統元件模擬模型等因素,使得設計和建構可在24GHz或更高頻率運作的RF系統,成為挑戰性極高的任務。而且使用試算表計算,然後用實際的硬體進行測試,都需要投入大量的時間、儀表和努力,才能確保反覆迭代。

所幸目前有了一種更有效率的方法,能夠一次完成RF系統的設計、原型製作和實現。圖1顯示一個5G系統方塊圖,包含28GHz RF輸入和兩個降頻用22GHz、7GHz本地振盪器(LO)、一個1-GHz中頻(IF)。透過系統模擬器可模擬此方塊圖,包括以下的系統建構模組︰

  • 非線性電路資料的X參數;
  • 系統特性資料的Sys參數,與頻率、偏壓和溫度相依;
  • 線性電路資料的S參數;
  • 根據特性方程式建構的模型。

20170817_Keysight_TA31P1 圖1:頻率為28GHz的5G RF接收器系統,雙降頻至1-GHz中頻

自使用試算表以來,RF系統模擬技術已歷經長久發展,在準確度和診斷功能方面也有了重大的改善,例如辨識非線性調變失真(IMD)的元件來源和頻率方程式,以及系統線路中哪些系統建構模組和規格導致系統性能退化,如數位調變RF激勵導致的誤差向量幅度(EVM)、位元誤碼率(BER)與相鄰頻道功率比(ACPR)。

圖2顯示,藉由進行EVM誤差對系統元件的損失估算,就能立即發現造成EVM效能退化的元兇,來自於LO相位雜訊以及混頻器與放大器的線性度。改善這些問題元件並調整其違規的規格,即可提高系統效能。如此一來,我們可選擇不超出或低於規格的適當系統元件,以便用最低成本現最佳效能。

20170817_Keysight_TA31P2 圖2:針對EVM進行損失估算,即可診斷RF系統路徑上的哪個元件導致數位調變RF訊號退化,如此可避免耗費硬體原型的重覆操作

在設計過程中指定特性規格,然後試著在實現過程中找到符合規格的實際元件,這種方法相當常見但效率奇差,而且不可避免地導致多次重覆。Sys參數為可模擬的現成元件規格表,X參數則可直接用於RF系統模擬非線性元件的量測數值,因此在完成設計時,零件也已經選好了,並且經驗證可在系統中運作。此時,我們已經準備好可建構RF系統的硬體。

使用現成元件實現5G系統

如圖3所示,打造28GHz 5G RF接收器系統,使用了來自Mini-circuit、Analog Devices、Qorvo、Marki、Avago等供應商的現成元件,並透過X microwave作成模組。每個模組化的板塊稱為X-Block,包括LO、混頻器和放大器等主動元件的所有偏壓和週邊被動元件,其特點是在共平面互連的參考平面上量測模擬用的X參數或Sys參數,以便精確建立系統硬體實際使用它們的模型。

20170817_Keysight_TA31P3 圖3:28GHz接收機系統硬體原型採用X-microwave的X-Blocks。「模擬什麼就得到什麼」,不至於發生接點寄生效應或系統模型不準確造成不相符的情況

這些元件之間透過一個翻轉的共平面層連接,該層跨過X-Block之間極小的間隙,透過按壓安裝,無需焊接即可運作到67GHz。1.9mm測試發射器也由按壓安裝,因此X-Block可無損地重複使用。待原型確定後,由於採用相同的層疊材料建立,可直接將相同的組合佈局用於生產。

而在測量系統時,量測結果與模擬結果意外地接近,如圖4所示,二者的差距在向量訊號分析儀不確定性誤差的範圍內。

20170817_Keysight_TA31P4 圖4:以不同RF輸入功率測得的量測EVM與模擬EVM比較。二者的誤差都在儀器的不確定範圍內

物聯網設計

物聯網的無線傳輸效率、覆蓋範圍、資料頻寬和作業頻率息息相關,其中有多項標準正在制定中。物聯網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、科學和醫療(ISM)頻段。從設計在這些頻段作業的物聯網實際無線鏈路來看,重點應該放在天線和物聯網晶片組間的阻抗匹配。為了將訊號發射到更遠的地方,可在晶片組和天線之間插入放大器。

理想情況下,阻抗匹配網路必須要精巧且易於實作。使用傳統的Smith圖表或桌上逐次連近法,在廣泛的頻寬(30%或更多)上針對隨頻率而變的複雜阻抗,如天線、物聯網晶片組的S參數量測結果或不穩定的非單向離散電晶體放大器等進行多級阻抗匹配,是極其困難和繁瑣的。

20170817_Keysight_TA31P5 圖5:在不到1小時的時間內完成2-3GHz的3級匹配網路之阻抗匹配合成和微帶傳輸線佈局,實現-20dB回波損耗和35dB增益

更有效率和最佳的方法是利用自動阻抗匹配合成,該途徑採用了多種演算法,從簡單的L段到真實頻率技術,解決上述日益困難的阻抗匹配問題。因為這種合成功能可以在幾秒內,以分散式或整合式網路完成困難的同步多級匹配,使得物聯網無線設計工程師能夠快速試驗多個匹配拓撲結構,並選擇其中最節省時間的方式來實作。圖5顯示3級、同步匹配天線到低雜訊穩定電晶體放大器電路的結果、測得的功率放大器晶片組S參數,以及匹配從2到3GHz實現的-20dB回波損耗和35dB增益。微帶傳輸線的佈局尺寸也是利用自動插入不連續元件,如T型線和開路截線來合成。整個過程在一小時內完成。

5G RF系統和物聯網裝置如今可快速模擬、製作原型,並利用現成的系統元件生產,可歸功於診斷能力的突破,以直接找出系統中規格錯誤的元件。現成RF系統元件準確的X參數和Sys參數模擬模型,使得從設計、原型到生產的過程中無需任何反覆,即可達到「模擬什麼就得到什麼」的效率。阻抗匹配合成功能可即時從多種適合的匹配拓撲中選出最經濟的實作,取代了繁瑣的手動設計和最佳化。