建立5G毫米波波束成形器IC模型

在設計相位數組系統時需要驗證設計的訊號完整性，利用測試平臺將成為天線數組測試平臺的延伸，可以幫助建立帶有波束成形功能的完整無線電連接的模型。

射頻（RF）工程師在設計相位數組系統時需要盡早驗證設計的訊號完整性，并且確認他們的設計遵照3GPP標準規格。同一時間，還必須確保設計符合客戶的實際需求，包含相位數組尺寸、天線方向圖（antenna pattern）的質量、以及各種參數值的靈敏度。

當天線、波束成形裝置、和收發器硬件皆組裝完成，工程師就可以在空中測試實驗室進行實驗，將設計特性化。然而，視硬件和軟件的開發時間長短，還有產品的可取得性，若要備齊無線電系統的所有組件，通常需要幾周，或甚至幾個月的時間。

我們的團隊建立一個Otava OTBF103波束成形器集成電路（Beamformer Integrated Circuit；BFIC）的行為模型，讓工程師可以執行5G毫米波設計的系統層級仿真來獲取必要的系統性能表現信息。

這個模型可以在24 GHz到40 GHz范圍內的八個傳送信道和八個接收信道進行仿真，該范圍涵蓋了好幾個5G NR頻段。工程師可以將該模型與自己的天線模型結合，或使用我們的測試平臺所提供的天線模型。他們可以使用自有的Simulink收發器設計、測試平臺內含的收發器模型、或者從真實世界的RF系統捕捉到的訊號數據來執行仿真。

藉由使用BFIC模型執行全面性位到天線端的仿真，工程師可以在各種RF運作頻段、可變增益放大器（variable gain amplifier；VGA）設定、移向器設定、和輸入/輸出功率等級來優化，并驗證他們的系統設計—這些全都在硬件交付或使用OTBF103評估板（圖1）執行空中測試（over-the-air tests）之前就能進行。一旦取得硬件，工程師便可以繼續使用模型來進一步改善及驗證他們的設計。


 
圖1 : Otava OTBF103評估板。

建立BFIC模型
我們從建立發射器信道模型開始，并且以BFIC電路層級行為作為模型架構的基礎。每一個TX訊號信道捕捉電路的功率分配器、移向器、可變增益放大器和輸出功率放大器的行為，并且分別使用RF Blockset Power Divider、Phase Shift block、以及nonlinear Amplifier block來建模。

這個模型以大量的量測數據集為基礎，包含實際從BFIC裝置收集來的完整電路輸和輸出端的S參數。因此，它確實捕捉到波束成形器在各種RF參數的響應，如中心頻率、相位位移、增益工作點，以及剩余振幅和相位誤差。

完成初版模型的驗證之后，我們與MathWorks的工程師合作來精進模型。以更有效率的方式來重新配置模型，將分散在幾個組件的減損和非線性歸到同一個位置（圖2）。


 
圖2 : BFIC發射器模塊（左）和其內部結構（右），包含可變相位位移和可變增益放大器組件。

這樣的歸類可以簡化模型，使模型更易于使用、更具運算效率。這種方式也有助于保護我們的智慧財產，因為重新建構的模型看起來比起初始的版本，還更不像實際執行的電路。

完整的FIC模型包含了發射器與接收器模塊（blocks）。接收器模塊反映了它與發射器的對應關系，包含來自八根天線輸入，通過了低噪聲放大器、可變增益放大器和變相器的輸入訊號。

模擬5G毫米波設計
Otava的客戶使用我們的BFIC模型來透過多種方式評估他們的設計。舉例來說，他們不只可以仿真傳統CW RF的性能特性，像是增益、IP3、噪聲指數，還可以使用我們提供的RF Measurement Testbench來運用5G NR波形（圖3）。


 
圖3 : RF量測測試平臺。

默認的調變訊號為100 MHz的OFDM訊號。這個模擬送回一些關鍵的參數，讓無線電設計人員可以檢查是否符合3GPP標準，例如集成輸出功率等級（integrated output power level）、ACLR、誤差向量幅度（error vector magnitude；EVM）、和星座圖（圖4）。

 
圖4 : 一個標準100 MHz OFDM訊號的單一信道ACLR圖表和EVM。

我們也提供測試平臺來進行TX或RX BFIC模型和天線數組模型的協同仿真。用戶可以從這些范例開始，檢視配置了波束成形器的天線設計表現如何，檢驗天線放射型態、旁波瓣（sidelobe）或無效值等級，以及目標波束方向和各種操作條件下的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power；EIRP）（圖5）。

這個天線分析測試平臺透過天線工具箱（Antenna Toolbox）執行一個偶極數組或圓形貼片天線（circular patch antennas）來仿真極指向性型態（polar directivity patterns），以及計算表現其與RF中心頻率和波束方向之間的關系的EIRP函式。使用者也可以變更測試平臺來加入他們自己使用MATLAB Antenna Designer app產生的客制天線設計，或是S參數數據和從EM仿真工具取得的方向性輪廓。


 
圖5 : 包含BFIC發射器模塊和偶極天線數組的Simulink模型，也附上仿真的極指向性型態和EIRP（右）。

計劃中的改善
當目前供應的OTBF103模型對于各種RF訊號鏈分析的支持已相當完整，我們計劃依據裝置現有和未來的能力來改善后續的版本。其中一項列入考慮的改良是增添多重偏差控制（multi-bias control）。加入偏差控制可幫助工程師評估他們的系統在功率等級下降的情況下會如何表現。

功率消耗已成為4G蜂巢式無線電的一個重要設計參數—在多通道的5G蜂巢式基礎設施設備尤其更是。了解在較低流量負荷時如何使用裝置可以節省電力至為關鍵，捕捉這一方面的裝置行為對模型相當重要。我們也計劃要重復使用現有模型，將模型改寫后，讓它能夠反映正在開發中的波束成形器ICs行為。

短期之內，我們即將推出一個連接了兩個MIMO系統的端到端空中（over-the-air）分析測試平臺。這個測試平臺將會是我們天線數組測試平臺的延伸，可以幫助建立帶有波束成形功能的完整無線電連接的模型。這樣的設置考慮到任何客制的路徑損耗（path loss），并且內含支持訊號預算分析的TX-to-RX波束校準（beam alignment）函式。

（本文由鈦思科技提供；作者Cecile Masse任職于Otava公司）