如何以最低成本在最短時間內規劃并建構5G和物聯網應用的高效能RF系統，對工程師形成了巨大的壓力。本文說明如何使用市售的現成組件準確地仿真RF系統，并在電路板布局上快速進行多級阻抗匹配合成，有效率地執行這個過程。
5G是指即將來臨的第5代無線移動網絡，可運作于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傳感器-緊密相連并實時追蹤。
預計到2020年，全球將有超過500億個實際運作的物聯網裝置。為了快速設計并建構5G和物聯網產品以便提高市場占有率，射頻(RF)和微波工程師背負著大量的工作和沉重的壓力。
5G RF系統仿真頻率達28GHz
由于互連寄生效應、外圍裝置偏壓和被動組件，以及缺乏可用的系統組件仿真模型等因素，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。而且使用電子表格計算，然后用實際的硬件進行測試，都需要投入大量的時間、儀表和努力，才能確保反復迭代。
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、原型制作和實現。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本地振蕩器(LO)、一個1-GHz中頻(IF)。透過系統仿真器可仿真此方塊圖，包括以下的系統建構模塊︰
?非線性電路數據的X參數;
?系統特性數據的Sys參數，與頻率、偏壓和溫度相依;
?線性電路數據的S參數;
?根據特性方程式建構的模型。
圖1：頻率為28GHz的5G RF接收器系統，雙降頻至1-GHz中頻
自使用電子表格以來，RF系統仿真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)的組件來源和頻率方程式，以及系統線路中哪些系統建構模塊和規格導致系統性能退化，如數字調變RF激勵導致的誤差向量幅度(EVM)、位誤碼率(BER)與相鄰頻道功率比(ACPR)。
圖2顯示，借助進行EVM誤差對系統組件的損失估算，就能立即發現造成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于規格的適當系統組件，以便用最低成本現最佳效能。
圖2：針對EVM進行損失估算，即可診斷RF系統路徑上的哪個組件導致數字調變RF訊號退化，如此可避免耗費硬件原型的重復操作
在設計過程中指定特性規格，然后試著在實現過程中找到符合規格的實際組件，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復。Sys參數為可仿真的現成組件規格表，X參數則可直接用于RF系統仿真非線性組件的量測數值，因此在完成設計時，零件也已經選好了，并且經驗證可在系統中運作。此時，我們已經準備好可建構RF系統的硬件。
使用現成組件實現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等供貨商的現成組件，并透過X microwave作成模塊。每個模塊化的板塊稱為X-Block，包括LO、混頻器和放大器等主動組件的所有偏壓和外圍被動組件，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件實際使用它們的模型。
圖3：28GHz接收機系統硬件原型采用X-microwave的X-Blocks。“模擬什么就得到什么”，不至于發生接點寄生效應或系統模型不準確造成不相符的情況
這些組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可無損地重復使用。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。
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范圍內。
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范圍內
物聯網設計
物聯網的無線傳輸效率、覆蓋范圍、數據帶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芯片組間的阻抗匹配。為了將訊號發射到更遠的地方，可在芯片組和天線之間插入放大器。
理想情況下，阻抗匹配網絡必須要精巧且易于實作。使用傳統的Smith圖表或桌上逐次連近法，在廣泛的帶寬(30%或更多)上針對隨頻率而變的復雜阻抗，如天線、物聯網芯片組的S參數量測結果或不穩定的非單向離散晶體管放大器等進行多級阻抗匹配，是極其困難和繁瑣的。
圖5：在不到1小時的時間內完成2-3GHz的3級匹配網絡之阻抗匹配合成和微帶傳輸線布局，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，該途徑采用了多種算法，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，以分布式或整合式網絡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，并選擇其中最節省時間的方式來實作。圖5顯示3級、同步匹配天線到低噪聲穩定晶體管放大器電路的結果、測得的功率放大器芯片組S參數，以及匹配從2到3GHz實現的-20dB回波損耗和35dB增益。微帶傳輸線的布局尺寸也是利用自動插入不連續組件，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仿真、制作原型，并利用現成的系統組件生產，可歸功于診斷能力的突破，以直接找出系統中規格錯誤的組件。現成RF系統組件準確的X參數和Sys參數仿真模型，使得從設計、原型到生產的過程中無需任何反復，即可達到“模擬什么就得到什么”的效率。阻抗匹配合成功能可實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優化。
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