5G是指即将来临的第5代无线移动网络，可在24GHz到95 GHz的频段运行。它支持极高速的无线连接，例如4K/8K超高分辨率网络电视。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(从个人电子设备到工业传感器)，紧密相连并实时追踪。预计到2020年，全球将有超过500亿个实际运行的物联网装置。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，射频和微波工程师背负着大量的工作和沉重的压力。
仿真频率达28 GHz的5G射频系统
因为互连寄生效应、外围装置偏压和被动元件等因素，以及缺乏可用的系统元件仿真模型，使得设计和建构可在24GHz或更高频率运行的射频系统，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，全都需要大量时间、设备和努力，来执行反复迭代。
下面的例子验证了一种更有效率的方法，可一次完成射频系统的设计、原型制作和实现。图1显示一个5G系统方块图，包含28 GHz射频输入和两个降频用22 GHz、7 GHz本地振荡器、一个1GHz 中频。我们使用Keysight Genesys Spectrasys系统仿真器来仿真此方块图，并通过下列元素建构系统方块模型︰
– 非线性电路数据的X参数
– 系统特性数据的Sys参数，与频率、偏压和温度相关
– 线性电路数据的S参数
– 根据特性方程建构的模型
图1：频率为28 GHz的5G射频接收器系统，双降频至1GHz 中频。
使用电子表格以来，射频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，例如识别元件起源和频率方程的非线性调变失真，以及系统线路中哪些系统方块和规格导致系统性能下降，例如数字调变射频激发下的EVM、BER、ACPR。
图2显示，通过进行EVM误差对系统元件的损失估算，我们可立即发现造成EVM效能下降的元凶，是本地振荡器噪声和混频器与放大器的线性度。点击这些问题元件便可调整其违规规格，进而提高系统效能。如此一来，我们可选择适当的系统元件，不超出或低于规格，以便用最低成本获致最佳效能。
图 2：整体EVM的损失估算，以诊断射频系统的系统路径上，哪个元件导致数字调变射频信号退化，如此可避免浪费的硬件原型迭代。
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元件，这种方法相当常见，但效率奇差，并且不可避免地导致多次迭代。Sys参数为可仿真的现成元件规格书，X参数为可直接用于射频系统仿真非线性元件的量测数值，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行。此时，我们已经准备好可建构射频系统的硬件。
使用现成元件实现5G系统
如图3所示，28GHz 5G射频接收器系统的实例，使用来自Mini-circuit、Analog Devices、Qorvo、Marki、Avago等供货商的现成组件，并通过X microwave制成模块。每个模块，称为X-Block，包括本地振荡器、混频器、放大器等主动元件的所有偏压和外围被动元件。它们的特点是在共平面连接处的参考平面上，测量仿真用的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。他们通过一个翻转的共平面基板连接，该基板跨过 X-Block间极小的间隙，通过按压安装，无需焊接即可运行在67GHz。1.9毫米测试发射器也由按压安装，因此X-Block可无损地重复使用。原型确定后，因为建立在相同的基板材料，相同的组合布局可直接用于生产。
图3：使用X-microwave的X-Blocks实例的28 GHz接收机系统硬件原型。
系统测量时，测量结果与仿真结果意外地接近，如图4所示，两者的差距在向量信号分析仪不确定性误差范围内。
图4：不同射频输入功率下的测量与仿真的EVM。
物联网的设计
物联网无线传输效率与覆盖范围、数据带宽和工作频率息息相关，其中有多项标准正在制定中。物联网频率可大致分为两类︰Sub 1GHz，和更高频的2.4 GHz和5.8GHz ISM（工业、科学和医疗）频段。从设计工作在这些频段的物联网实际无线电链路的角度来看，重点应放在天线和物联网芯片组间的阻抗匹配。为了将信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够小且容易构建。使用传统的史密斯图，或桌上逐次连近法，在较宽的带宽（30 % 或更大）上，对复杂且与频率相关的阻抗，如天线、物联网芯片组的S参数测量结果，或不稳定非单向离散晶体管放大器，来构建多级阻抗匹配，非常的困难和繁琐。
图5：在1小时内完成2到GHz，3 级匹配网络的阻抗匹配合成和微带线布局，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，采用多种算法，从简单的L节真实频率技术，解决上述日益困难的阻抗匹配问题。因为此合成功能可以在几秒内，用分布式或整合式网络完成困难的同时多级匹配，使得物联网无线电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来构建。图5显示3级，同时匹配天线到稳定过后的低噪声晶体管放大器电路，接着连接测试过S参数的功率放大器芯片组，匹配从2到3GHz，让系统达到-20d回波损耗和35dB增益。微带线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便完成了。
5G射频系统和物联网装置，现在之所以可以快速模拟、制作原型，并利用现成系统元件生产，全都要归功于诊断能力的突破，以直接找出系统中规格错误的元件。现成射频系统元件准确的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，无需反复迭代，进而达到“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，选出最经济的构建方案，取代繁琐的手动设计和优化。
本文来自《电子工程专辑》2017年8月刊，版权所有，谢绝转载
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