如何以最低成本在最短时间内规划并建构5G和物联网应用的高效能RF系统，对工程师形成了巨大的压力。本文说明如何使用市售的现成组件准确地仿真RF系统，并在电路板布局上快速进行多级阻抗匹配合成，有效率地执行这个过程。
5G是指即将来临的第5代无线移动网络，可运作于24GHz到95GHz频段，支持极高速的无线连接，例如4k/8k超高分辨率(UHD)串流电视。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——从个人电子装置到工业传感器-紧密相连并实时追踪。
预计到2020年，全球将有超过500亿个实际运作的物联网装置。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(RF)和微波工程师背负着大量的工作和沉重的压力。
5G RF系统仿真频率达28GHz
由于互连寄生效应、外围装置偏压和被动组件，以及缺乏可用的系统组件仿真模型等因素，使得设计和建构可在24GHz或更高频率运作的RF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，都需要投入大量的时间、仪表和努力，才能确保反复迭代。
所幸目前有了一种更有效率的方法，能够一次完成RF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28GHz RF输入和两个降频用22GHz、7GHz本地振荡器(LO)、一个1-GHz中频(IF)。透过系统仿真器可仿真此方块图，包括以下的系统建构模块︰
►非线性电路数据的X参数;
►系统特性数据的Sys参数，与频率、偏压和温度相依;
►线性电路数据的S参数;
►根据特性方程式建构的模型。
图1：频率为28GHz的5G RF接收器系统，双降频至1-GHz中频
自使用电子表格以来，RF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，例如辨识非线性调变失真(IMD)的组件来源和频率方程式，以及系统线路中哪些系统建构模块和规格导致系统性能退化，如数字调变RF激励导致的误差向量幅度(EVM)、位误码率(BER)与相邻频道功率比(ACPR)。
图2显示，借助进行EVM误差对系统组件的损失估算，就能立即发现造成EVM效能退化的元凶，来自于LO相位噪声以及混频器与放大器的线性度。改善这些问题组件并调整其违规的规格，即可提高系统效能。如此一来，我们可选择不超出或低于规格的适当系统组件，以便用最低成本现最佳效能。
图2：针对EVM进行损失估算，即可诊断RF系统路径上的哪个组件导致数字调变RF讯号退化，如此可避免耗费硬件原型的重复操作
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组件，这种方法相当常见但效率奇差，而且不可避免地导致多次重复。Sys参数为可仿真的现成组件规格表，X参数则可直接用于RF系统仿真非线性组件的量测数值，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作。此时，我们已经准备好可建构RF系统的硬件。
使用现成组件实现5G系统
如图3所示，打造28GHz 5G RF接收器系统，使用了来自Mini-circuit、Analog Devices、Qorvo、Marki、Avago等供货商的现成组件，并透过X microwave作成模块。每个模块化的板块称为X-Block，包括LO、混频器和放大器等主动组件的所有偏压和外围被动组件，其特点是在共平面互连的参考平面上量测模拟用的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。
图3：28GHz接收机系统硬件原型采用X-microwave的X-Blocks。“模拟什么就得到什么”，不至于发生接点寄生效应或系统模型不准确造成不相符的情况
这些组件之间透过一个翻转的共平面层连接，该层跨过X-Block之间极小的间隙，透过按压安装，无需焊接即可运作到67GHz。1.9mm测试发射器也由按压安装，因此X-Block可无损地重复使用。待原型确定后，由于采用相同的层迭材料建立，可直接将相同的组合布局用于生产。
而在测量系统时，量测结果与模拟结果意外地接近，如图4所示，二者的差距在向量讯号分析仪不确定性误差的范围内。
图4：以不同RF输入功率测得的量测EVM与模拟EVM比较。二者的误差都在仪器的不确定范围内
物联网设计
物联网的无线传输效率、覆盖范围、数据带宽和作业频率息息相关，其中有多项标准正在制定中。物联网的频率大致分为两类︰Sub 1-GHz，以及更高频的2.4GHz和5.8GHz工业、科学和医疗(ISM)频段。从设计在这些频段作业的物联网实际无线链路来看，重点应该放在天线和物联网芯片组间的阻抗匹配。为了将讯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精巧且易于实作。使用传统的Smith图表或桌上逐次连近法，在广泛的带宽(30%或更多)上针对随频率而变的复杂阻抗，如天线、物联网芯片组的S参数量测结果或不稳定的非单向离散晶体管放大器等进行多级阻抗匹配，是极其困难和繁琐的。
图5：在不到1小时的时间内完成2-3GHz的3级匹配网络之阻抗匹配合成和微带传输线布局，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，该途径采用了多种算法，从简单的L段到真实频率技术，解决上述日益困难的阻抗匹配问题。因为这种合成功能可以在几秒内，以分布式或整合式网络完成困难的同步多级匹配，使得物联网无线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方式来实作。图5显示3级、同步匹配天线到低噪声稳定晶体管放大器电路的结果、测得的功率放大器芯片组S参数，以及匹配从2到3GHz实现的-20dB回波损耗和35dB增益。微带传输线的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完成。
5G RF系统和物联网装置如今可快速仿真、制作原型，并利用现成的系统组件生产，可归功于诊断能力的突破，以直接找出系统中规格错误的组件。现成RF系统组件准确的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任何反复，即可达到“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实作，取代了繁琐的手动设计和优化。
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