建立5G毫米波波束成形器IC模型

在设计相位数组系统时需要验证设计的讯号完整性，利用测试平台将成为天线数组测试平台的延伸，可以帮助建立带有波束成形功能的完整无线电连接的模型。

射频（RF）工程师在设计相位数组系统时需要尽早验证设计的讯号完整性，并且确认他们的设计遵照3GPP标准规格。同一时间，还必须确保设计符合客户的实际需求，包含相位数组尺寸、天线方向图（antenna pattern）的质量、以及各种参数值的灵敏度。

当天线、波束成形装置、和收发器硬件皆组装完成，工程师就可以在空中测试实验室进行实验，将设计特性化。然而，视硬件和软件的开发时间长短，还有产品的可取得性，若要备齐无线电系统的所有组件，通常需要几周，或甚至几个月的时间。

我们的团队建立一个Otava OTBF103波束成形器集成电路（Beamformer Integrated Circuit；BFIC）的行为模型，让工程师可以执行5G毫米波设计的系统层级仿真来获取必要的系统性能表现信息。

这个模型可以在24 GHz到40 GHz范围内的八个传送信道和八个接收信道进行仿真，该范围涵盖了好几个5G NR频段。工程师可以将该模型与自己的天线模型结合，或使用我们的测试平台所提供的天线模型。他们可以使用自有的Simulink收发器设计、测试平台内含的收发器模型、或者从真实世界的RF系统捕捉到的讯号数据来执行仿真。

藉由使用BFIC模型执行全面性位到天线端的仿真，工程师可以在各种RF运作频段、可变增益放大器（variable gain amplifier；VGA）设定、移向器设定、和输入/输出功率等级来优化，并验证他们的系统设计—这些全都在硬件交付或使用OTBF103评估板（图1）执行空中测试（over-the-air tests）之前就能进行。一旦取得硬件，工程师便可以继续使用模型来进一步改善及验证他们的设计。


 
图1 : Otava OTBF103评估板。

建立BFIC模型
我们从建立发射器信道模型开始，并且以BFIC电路层级行为作为模型架构的基础。每一个TX讯号信道捕捉电路的功率分配器、移向器、可变增益放大器和输出功率放大器的行为，并且分别使用RF Blockset Power Divider、Phase Shift block、以及nonlinear Amplifier block来建模。

这个模型以大量的量测数据集为基础，包含实际从BFIC装置收集来的完整电路输和输出端的S参数。因此，它确实捕捉到波束成形器在各种RF参数的响应，如中心频率、相位位移、增益工作点，以及剩余振幅和相位误差。

完成初版模型的验证之后，我们与MathWorks的工程师合作来精进模型。以更有效率的方式来重新配置模型，将分散在几个组件的减损和非线性归到同一个位置（图2）。


 
图2 : BFIC发射器模块（左）和其内部结构（右），包含可变相位位移和可变增益放大器组件。

这样的归类可以简化模型，使模型更易于使用、更具运算效率。这种方式也有助于保护我们的智慧财产，因为重新建构的模型看起来比起初始的版本，还更不像实际执行的电路。

完整的FIC模型包含了发射器与接收器模块（blocks）。接收器模块反映了它与发射器的对应关系，包含来自八根天线输入，通过了低噪声放大器、可变增益放大器和变相器的输入讯号。

模拟5G毫米波设计
Otava的客户使用我们的BFIC模型来透过多种方式评估他们的设计。举例来说，他们不只可以仿真传统CW RF的性能特性，像是增益、IP3、噪声指数，还可以使用我们提供的RF Measurement Testbench来运用5G NR波形（图3）。


 
图3 : RF量测测试平台。

默认的调变讯号为100 MHz的OFDM讯号。这个模拟送回一些关键的参数，让无线电设计人员可以检查是否符合3GPP标准，例如集成输出功率等级（integrated output power level）、ACLR、误差向量幅度（error vector magnitude；EVM）、和星座图（图4）。

 
图4 : 一个标准100 MHz OFDM讯号的单一信道ACLR图表和EVM。

我们也提供测试平台来进行TX或RX BFIC模型和天线数组模型的协同仿真。用户可以从这些范例开始，检视配置了波束成形器的天线设计表现如何，检验天线放射型态、旁波瓣（sidelobe）或无效值等级，以及目标波束方向和各种操作条件下的有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power；EIRP）（图5）。

这个天线分析测试平台透过天线工具箱（Antenna Toolbox）执行一个偶极数组或圆形贴片天线（circular patch antennas）来仿真极指向性型态（polar directivity patterns），以及计算表现其与RF中心频率和波束方向之间的关系的EIRP函式。使用者也可以变更测试平台来加入他们自己使用MATLAB Antenna Designer app产生的客制天线设计，或是S参数数据和从EM仿真工具取得的方向性轮廓。


 
图5 : 包含BFIC发射器模块和偶极天线数组的Simulink模型，也附上仿真的极指向性型态和EIRP（右）。

计划中的改善
当目前供应的OTBF103模型对于各种RF讯号链分析的支持已相当完整，我们计划依据装置现有和未来的能力来改善后续的版本。其中一项列入考虑的改良是增添多重偏差控制（multi-bias control）。加入偏差控制可帮助工程师评估他们的系统在功率等级下降的情况下会如何表现。

功率消耗已成为4G蜂巢式无线电的一个重要设计参数—在多通道的5G蜂巢式基础设施设备尤其更是。了解在较低流量负荷时如何使用装置可以节省电力至为关键，捕捉这一方面的装置行为对模型相当重要。我们也计划要重复使用现有模型，将模型改写后，让它能够反映正在开发中的波束成形器ICs行为。

短期之内，我们即将推出一个连接了两个MIMO系统的端到端空中（over-the-air）分析测试平台。这个测试平台将会是我们天线数组测试平台的延伸，可以帮助建立带有波束成形功能的完整无线电连接的模型。这样的设置考虑到任何客制的路径损耗（path loss），并且内含支持讯号预算分析的TX-to-RX波束校准（beam alignment）函式。

（本文由钛思科技提供；作者Cecile Masse任职于Otava公司）