用于蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多波段有源天線調(diào)諧器

自從便攜式電話在 20 世紀 80 年代問世以來，新的無線電技術(shù)不斷更迭，移動通信行業(yè)呈現(xiàn)爆炸式增長。伴隨每一代無線電技術(shù)的問世，都涌現(xiàn)出了新的服務(wù)和業(yè)務(wù)機會，引領(lǐng)了所謂的“第三次通信浪潮”。由 5G 和未來 6G 技術(shù)賦能的技術(shù)革新將為更多行業(yè)和社會新型服務(wù)提供支持，直到 2030 年及以后（圖 1）。

自從便攜式電話在 20 世紀 80 年代問世以來，新的無線電技術(shù)不斷更迭，移動通信行業(yè)呈現(xiàn)爆炸式增長。伴隨每一代無線電技術(shù)的問世，都涌現(xiàn)出了新的服務(wù)和業(yè)務(wù)機會，引領(lǐng)了所謂的“第三次通信浪潮”。由 5G 和未來 6G 技術(shù)賦能的技術(shù)革新將為更多行業(yè)和社會新型服務(wù)提供支持，直到 2030 年及以后（圖 1）。

本文討論了為蜂窩式物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 大規(guī)模機器類通信 (mMTC) 應(yīng)用開發(fā)多頻段有源天線調(diào)諧器的相關(guān)設(shè)計挑戰(zhàn)和解決方案。

圖 1 ：移動通信技術(shù)和服務(wù)的更新?lián)Q代。

5G 代表了迎接下一次服務(wù)浪潮的第一步，5G 擴大了連接性，同時借助人工智能 (AI) 和物聯(lián)網(wǎng)讓多媒體能力實現(xiàn)了大幅提升。5G 將是利用毫米波 (mmWave) 頻段頻率的第一代移動通信，支持數(shù)百兆赫茲 (MHz) 的帶寬，進而實現(xiàn)每秒數(shù)千兆位的超高速無線數(shù)據(jù)通信。

無線通信的第三次浪潮

5G 和后續(xù)的系統(tǒng)將縮小物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界之間的差距。如今，利用無線連接，移動消費者幾乎可以在任何地點訪問網(wǎng)絡(luò)。在未來，高速網(wǎng)絡(luò)的覆蓋將更加廣泛，連接速度也將不斷提升，而且將更加強調(diào)將現(xiàn)實世界人和事產(chǎn)生的信息以及/或物聯(lián)網(wǎng)活動信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)。mMTC 可為大量的設(shè)備提供連接，這些設(shè)備產(chǎn)生的流量通常是零星分布的少量數(shù)據(jù)。因此，延遲和吞吐量并不是一個大問題：主要的問題是優(yōu)化這些設(shè)備的電源使用，因為它們是由電池供電，而且電池壽命預(yù)計將超過 10 年。

6G 將采用許多不同的技術(shù)，包括重疊單元的新拓撲結(jié)構(gòu)，其分布式波束成形天線網(wǎng)絡(luò)由人工智能 (AI) 和機器學(xué)習(xí) (ML) 控制，以動態(tài)選擇最佳傳輸路徑。以前的蜂窩通信是基于間隔足夠遠的六邊形單元網(wǎng)絡(luò)，以避免與相鄰單元出現(xiàn)信號干擾。6G 可能采用空間上非正交、重疊和動態(tài)的拓撲結(jié)構(gòu)來增加路徑選擇。利用 AI/ML 來控制波束將有助于減少單元間干擾 (ICI)，但會增加復(fù)雜性。這種架構(gòu)也將需要采用新的天線設(shè)計、共形以及相控陣。為了獲得更多的帶寬，6G 預(yù)計將使用 94GHz 至 3THz 的更高毫米波頻率。

采用更高的頻段將有助于減小天線的尺寸，更有利于縮小元件的 footprint；然而，天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和封裝互連將更容易受到寄生和意外耦合（串?dāng)_）的影響，因此需要在系統(tǒng)層面進行嚴格的電磁分析和設(shè)計驗證，如圖 2 所示。

圖 2：Cadence Clarity 3D Solver(有限元法 [FEM]/時域有限差分法[FDTD])軟件，可以針對大規(guī)模、集成射頻/混合信號電子系統(tǒng)的關(guān)鍵互連進行建模，推動第三次通信浪潮的到來。

空分復(fù)用和大規(guī)模多進多出 (MIMO) 方面的新功能正在研究當(dāng)中，包括使用反射面和超材料來管理信號在視線有限的擁擠城市環(huán)境中的傳播。將通過太空、海洋和高空無人機擴大信號的覆蓋范圍。

最后，大部分工作的重點將放在無線電接入前端的物理設(shè)計上。毫無疑問，有策略的設(shè)計分區(qū)、利用最佳半導(dǎo)體工藝和多結(jié)構(gòu)組件將發(fā)揮用武之地。為此，需要使用一系列仿真技術(shù)、設(shè)計和制造流程，并且各個工具之間應(yīng)支持互操作性。在制定 Cadence 智能系統(tǒng)設(shè)計 (Cadence Intelligent System Design?) 戰(zhàn)略的過程中，我們將這些趨勢悉數(shù)考慮在內(nèi)。該戰(zhàn)略旨在支持新一代無線電子系統(tǒng)在多個領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計和協(xié)同優(yōu)化，包括射頻、模擬和數(shù)字仿真，同時輔以大規(guī)模電磁 (EM) 和熱分析，以及強大的設(shè)計驗證和簽核。

蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

5G mMTC 的目標之一是為大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可擴展的連接（圖 3）。這些設(shè)備本身支持各種傳感和執(zhí)行功能。它們的復(fù)雜性相對較低，但是使用電池供電，以便能夠運行數(shù)年之久而不需要維修。為了向網(wǎng)絡(luò)分享數(shù)據(jù)，mMTC 以上行鏈路為中心，數(shù)據(jù)速率相對較慢，針對小數(shù)據(jù)包（最小僅為幾個字節(jié)）經(jīng)過優(yōu)化。上行鏈路通信基于零星的用戶（事件驅(qū)動）活動或預(yù)定的傳輸。

圖 3：mMTC 為大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可擴展的連接。

如今的蜂窩式物聯(lián)網(wǎng) (cIoT) 設(shè)備由窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 和 LTE Category M-1 (Cat M-1) 網(wǎng)絡(luò)提供支持，目前每個單元可支持 4 萬至 5 萬臺設(shè)備。5G 的目標是每個單元支持多達 100 萬臺設(shè)備。5G 與蜂窩網(wǎng)絡(luò)捆綁在一起，比低功率廣域網(wǎng) (WAN) 的覆蓋范圍更大，因此適用于移動應(yīng)用，如在途物資跟蹤。作為一種傳感設(shè)備，mMTC 網(wǎng)絡(luò)不需要獲取對時間要求嚴格的信息，因此可以不考慮延遲問題。

Fractus Antennas 公司致力于設(shè)計和制造用于智能手機、短距離無線和聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的微型天線，在市場上占據(jù)領(lǐng)先地位，他們使用 Cadence AWR 軟件將天線集成到這些產(chǎn)品中。利用 Cadence AWR Microwave Office 軟件中的網(wǎng)絡(luò)綜合向?qū)нx項，F(xiàn)ractus Antenna 的工程師可以針對所需的單頻、多頻或?qū)拵Р僮?，輕松實現(xiàn)合適的匹配網(wǎng)絡(luò)。對于需要滿足低功耗要求的設(shè)備，這樣可以確保在不犧牲距離（覆蓋范圍）的情況下，將最大的功率輸送到天線。

Fractus Antennas 為 Nordic Semiconductor 的蜂窩式物聯(lián)網(wǎng) (cIoT) 電池供電原型構(gòu)建平臺設(shè)計了一個多頻段有源天線調(diào)諧器。圖 4 中的 Nordic Thingy：91 原型構(gòu)建電路板是圍繞一個低功耗的系統(tǒng)級封裝 (SiP) 模塊 (nRF9160) 構(gòu)建的，集成了 LTE-M/NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器和 GPS 技術(shù)。Nordic Thingy:91 通過了全球廣泛的 LTE 頻段認證，幾乎可以在全球任何位置使用。蜂窩通信可以與 GPS 定位采集相輔相成，用于復(fù)雜的物資追蹤。

圖 4：用于 cIoT 物資追蹤應(yīng)用的 Nordic Thingy：91 原型構(gòu)建電路板（圖片由 Nordic Semiconductor 提供）。

cIoT 模塊和原型構(gòu)建電路板提供六個工作頻段，其中包括 GPS，由 Fractus Antenna 開發(fā)的天線和特定頻段阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)提供支持。電路板的射頻部分包括 Nordic Semiconductor 的物聯(lián)網(wǎng)模塊和 Qorvo 的兩個單刀八擲開關(guān)，它們允許信號根據(jù)所需的工作頻段和 Fractus Antenna 的要求，通過不同的匹配電路（圖 5）。

圖 5：用于在 6 個波段工作的 cIoT 模塊和有源天線調(diào)諧器。

匹配電路拓撲結(jié)構(gòu)和物料清單 (BOM) 見表 1，不同開關(guān)設(shè)置下的天線效率響應(yīng)與頻率的關(guān)系見圖 6。

表 1：Fractus Antenna 匹配電路拓撲結(jié)構(gòu)和物料清單。

圖 6 ：不同開關(guān)設(shè)置下的天線效率響應(yīng)與頻率的關(guān)系。

在開發(fā)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)時使用了 AWR 網(wǎng)絡(luò)綜合向?qū)?。這是一個以目標為導(dǎo)向的綜合工具，可根據(jù)仿真測量值和用戶指定的性能目標，如小信號回波損耗或非線性放大器行為（輸出功率 [Pout]，功率附加效率 [PAE] 等），從負載牽引性能曲線中創(chuàng)建匹配網(wǎng)絡(luò)。該綜合引擎使用專有的遺傳優(yōu)化算法和啟發(fā)式方法來識別候選匹配網(wǎng)絡(luò)，解決涵蓋多個性能目標和頻段的阻抗匹配難題。

射頻設(shè)計人員指定哪些元件類型（如電感、電容和傳輸線）可以出現(xiàn)在給定的串聯(lián)或并聯(lián)配置中，從而管理拓撲結(jié)構(gòu)，并允許用戶設(shè)置元件參數(shù)值限制，以反映制造公差。此功能有助于加快實現(xiàn)阻抗匹配，通過快速的設(shè)計空間探索，為射頻工程師提供更多可行的網(wǎng)絡(luò)候選方案（圖 7）。

圖 7：簡單的兩元件（理想電感）匹配電路和由此產(chǎn)生的匹配天線組件的回波損耗。

綜合的網(wǎng)絡(luò)可以基于 AWR Microwave Office 軟件的理想部件庫、供應(yīng)商部件庫的模型，以及使用給定項目中的基板定義的微帶傳輸線。然后，用戶可以指定將哪些候選網(wǎng)絡(luò)直接導(dǎo)入到 AWR Microwave Office 項目中。Fractus Antenna 的工程師使用網(wǎng)絡(luò)綜合來實現(xiàn)其表面貼裝天線模型所需的帶內(nèi)回波損耗，該模型在 AWR Microwave Office 軟件的標準供應(yīng)商庫中作為組件模型提供（S 參數(shù)）。設(shè)計人員將該天線組件放入一個原理圖子電路中，并開發(fā)了一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，用于優(yōu)化子電路的回波損耗，從而最大限度地提高天線效率，即天線輻射功率與天線輸入功率之比。

除了開發(fā)匹配網(wǎng)絡(luò)，AWR 軟件和 Cadence 的 AWR AXIEM 3D 平面電磁分析可用于進一步對電路板進行特性分析，以確保匹配電路在并入可能存在寄生效應(yīng)的大型結(jié)構(gòu)時能夠正常工作。為此，可以使用 Cadence AWR Design Environment平臺中的 PCB 導(dǎo)入向?qū)韺?dǎo)入金屬層，這些金屬層可以從制造商的網(wǎng)站上以 Gerber layout 文件的形式獲取。使用四個單獨的金屬層創(chuàng)建一個 AWR AXIEM 分析子電路，它們組合成一個四層結(jié)構(gòu)，如圖 8 所示。

圖 8：四層（2 個信號平面，2 個接地平面）Gerber layout 文件導(dǎo)入 AWR Design Environment 平臺。

圖 9 顯示了 AWR AXIEM 分析中的結(jié)構(gòu)，其中有定義的邊緣端口和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的注釋，用于求解和提取 S 參數(shù)。使用形狀預(yù)處理規(guī)則簡化過孔結(jié)構(gòu)，以便在不犧牲精度的情況下加快仿真速度。該電磁結(jié)構(gòu)的大小約為 84k 未知數(shù)，在一臺機器上只需大約 10 分鐘就能輕松求解。仔細觀察網(wǎng)格可以發(fā)現(xiàn)，AWR AXIEM 分析采用了混合網(wǎng)格劃分技術(shù)，以確?？焖俚贸鰷蚀_的結(jié)果。

圖 9 ：AWR AXIEM 分析中 Thingy：91 結(jié)構(gòu)（射頻部分）的分解圖，其中有定義的邊緣端口和自動化自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的注釋。

由于 AWR AXIEM 分析完全集成在 AWR Microwave Office 軟件的電路仿真器中，只需將包含電磁結(jié)構(gòu)的子電路與其他基于電路的器件一起放入 AWR Microwave Office 原理圖中，就可以實現(xiàn)電磁/電路協(xié)同設(shè)計（圖 10）。

圖 10：多端口電磁子電路，擺放了供應(yīng)商庫中的集總元件器件和參數(shù)化的單極八擲開關(guān)，用于電磁/電路協(xié)同設(shè)計。

工具還提供了一個標準的腳本，用于根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理 layout 細節(jié)創(chuàng)建原理圖符號，幫助工程師管理多端口結(jié)構(gòu)的端口連接。這種可視化工具可幫助設(shè)計人員將電路元件插入到電路板上的正確位置。在本例中，在 AWR Microwave Office 軟件中實現(xiàn)了一個具有參數(shù)化開關(guān)狀態(tài)的理想開關(guān)。如此一來，設(shè)計人員可以通過調(diào)整開關(guān)的位置來切換不同的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖 11 所示。

圖 11：輸入阻抗 (S11) 與開關(guān)位置的關(guān)系——在四層 cIoT 原型構(gòu)建電路板上實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，電路板以 Fractus Virtual Antenna 為終端。

該天線制造商還提供測量獲得的天線增益信息，可供 AWR Visual System Simulator (VSS) 通信和雷達系統(tǒng)設(shè)計軟件中的天線模型用于鏈路預(yù)算分析，以便定義組件規(guī)格和驗證基于假定路徑損耗、接收器靈敏度和規(guī)范發(fā)射器功率水平（或有效各向同性輻射功率 [EIRP]）的系統(tǒng)設(shè)計。

此外，AWR VSS 軟件提供了幾個預(yù)配置的 NB-IoT 仿真平臺，允許設(shè)計人員檢查各種優(yōu)勢數(shù)據(jù)，包括調(diào)制頻譜、傳輸和解調(diào)信號的 IQ 星座圖、比特或模塊誤碼率以及吞吐量（圖 12）。通過將本項目中的默認被測設(shè)備替換為單個組件或整個射頻鏈路（包括天線），以及進行傳播損失的信道建模，AWR VSS 軟件的 NB-IoT 仿真平臺支持工程師掃描各種參數(shù)（如輸入功率），或切換不同的 NB-IoT 子載波調(diào)制方案（π/2 BPSK 或 π/4 QPSK），以研究它們對性能的影響，如誤差向量幅度 (EVM)。

圖 12 ：AWR VSS 軟件中的 NB-IoT 上行鏈路和增強型 NB (eNB) RX 仿真平臺。

隨著射頻設(shè)計、分析和驗證一一完成，以及電磁、電路和系統(tǒng)級性能標準得到滿足，可以將 RFIP 可以傳遞給 layout 團隊，以進行任何額外的設(shè)計整合、設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC)/電路布局驗證 (LVS)，以及最終簽核。為了交付制造，AWR Microwave Office 軟件的 layout 可以導(dǎo)出為圖紙交換格式 (DXF) 文件（以及 GDSII 和 Gerber 文件），然后可以再將其導(dǎo)入 Cadence Allegro PCB Designer 軟件，以進行進一步的開發(fā)（圖 13）。

圖 13：將完整的 cIoT 電路板以 AWR Design Environment 平臺輸出的 DXF 文件格式導(dǎo)入 Allegro PCB Designer 中。

結(jié)論

以 5G/6G 功能為目標的下一代通信系統(tǒng)將以極大的容量、覆蓋范圍、可靠性和超低延遲提供與互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模連接，從而創(chuàng)造廣泛的新型服務(wù)和業(yè)務(wù)機會。將通過一系列的創(chuàng)新技術(shù)來實現(xiàn)預(yù)期的性能，如復(fù)雜的射頻前端架構(gòu)和高度集成的多結(jié)構(gòu)電子設(shè)備。從射頻到毫米波的設(shè)計以及多結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造軟件將對這些技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

為了支持相應(yīng)的技術(shù)和產(chǎn)品在芯片、IP、封裝和 PCB 上實現(xiàn) 5G/6G 性能，Cadence 部署了智能系統(tǒng)設(shè)計 (Intelligent System Design?) 戰(zhàn)略，為電子系統(tǒng)設(shè)計的各個方面提供業(yè)界一流的計算軟件能力。本文通過幾個案例，介紹了 Cadence 如何依托自身在計算軟件方面的深厚專業(yè)知識和關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)地位，憑借范圍廣泛、高度集成的設(shè)計解決方案，將智能系統(tǒng)設(shè)計戰(zhàn)略植入未來的通信產(chǎn)品。

(文章來源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心，本文作者：Davide Vye，Cadence高級產(chǎn)品市場經(jīng)理）