用于蜂窝式物联网应用的多波段有源天线调谐器

自从便携式电话在 20 世纪 80 年代问世以来，新的无线电技术不断更迭，移动通信行业呈现爆炸式增长。伴随每一代无线电技术的问世，都涌现出了新的服务和业务机会，引领了所谓的“第三次通信浪潮”。由 5G 和未来 6G 技术赋能的技术革新将为更多行业和社会新型服务提供支持，直到 2030 年及以后（图 1）。

 

本文讨论了为蜂窝式物联网 (IoT) 大规模机器类通信 (mMTC) 应用开发多频段有源天线调谐器的相关设计挑战和解决方案。

 

图 1 ：移动通信技术和服务的更新换代。

 

5G 代表了迎接下一次服务浪潮的第一步，5G 扩大了连接性，同时借助人工智能 (AI) 和物联网让多媒体能力实现了大幅提升。5G 将是利用毫米波 (mmWave) 频段频率的第一代移动通信，支持数百兆赫兹 (MHz) 的带宽，进而实现每秒数千兆位的超高速无线数据通信。

 

无线通信的第三次浪潮

 

5G 和后续的系统将缩小物理世界和网络世界之间的差距。如今，利用无线连接，移动消费者几乎可以在任何地点访问网络。在未来，高速网络的覆盖将更加广泛，连接速度也将不断提升，而且将更加强调将现实世界人和事产生的信息以及/或物联网活动信息上传到互联网。mMTC 可为大量的设备提供连接，这些设备产生的流量通常是零星分布的少量数据。因此，延迟和吞吐量并不是一个大问题：主要的问题是优化这些设备的电源使用，因为它们是由电池供电，而且电池寿命预计将超过 10 年。

 

6G 将采用许多不同的技术，包括重叠单元的新拓扑结构，其分布式波束成形天线网络由人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 控制，以动态选择最佳传输路径。以前的蜂窝通信是基于间隔足够远的六边形单元网络，以避免与相邻单元出现信号干扰。6G 可能采用空间上非正交、重叠和动态的拓扑结构来增加路径选择。利用 AI/ML 来控制波束将有助于减少单元间干扰 (ICI)，但会增加复杂性。这种架构也将需要采用新的天线设计、共形以及相控阵。为了获得更多的带宽，6G 预计将使用 94GHz 至 3THz 的更高毫米波频率。

 

采用更高的频段将有助于减小天线的尺寸，更有利于缩小元件的 footprint；然而，天线、馈电网络和封装互连将更容易受到寄生和意外耦合（串扰）的影响，因此需要在系统层面进行严格的电磁分析和设计验证，如图 2 所示。

 

图 2：Cadence Clarity 3D Solver(有限元法 [FEM]/时域有限差分法[FDTD])软件，可以针对大规模、集成射频/混合信号电子系统的关键互连进行建模，推动第三次通信浪潮的到来。

 

空分复用和大规模多进多出 (MIMO) 方面的新功能正在研究当中，包括使用反射面和超材料来管理信号在视线有限的拥挤城市环境中的传播。将通过太空、海洋和高空无人机扩大信号的覆盖范围。

 

最后，大部分工作的重点将放在无线电接入前端的物理设计上。毫无疑问，有策略的设计分区、利用最佳半导体工艺和多结构组件将发挥用武之地。为此，需要使用一系列仿真技术、设计和制造流程，并且各个工具之间应支持互操作性。在制定 Cadence 智能系统设计 (Cadence Intelligent System Design) 战略的过程中，我们将这些趋势悉数考虑在内。该战略旨在支持新一代无线电子系统在多个领域的协同设计和协同优化，包括射频、模拟和数字仿真，同时辅以大规模电磁 (EM) 和热分析，以及强大的设计验证和签核。

 

蜂窝式物联网应用

 

5G mMTC 的目标之一是为大量物联网设备提供可扩展的连接（图 3）。这些设备本身支持各种传感和执行功能。它们的复杂性相对较低，但是使用电池供电，以便能够运行数年之久而不需要维修。为了向网络分享数据，mMTC 以上行链路为中心，数据速率相对较慢，针对小数据包（最小仅为几个字节）经过优化。上行链路通信基于零星的用户（事件驱动）活动或预定的传输。

 

图 3：mMTC 为大量物联网设备提供可扩展的连接。

 

如今的蜂窝式物联网 (cIoT) 设备由窄带物联网 (NB-IoT) 和 LTE Category M-1 (Cat M-1) 网络提供支持，目前每个单元可支持 4 万至 5 万台设备。5G 的目标是每个单元支持多达 100 万台设备。5G 与蜂窝网络捆绑在一起，比低功率广域网 (WAN) 的覆盖范围更大，因此适用于移动应用，如在途物资跟踪。作为一种传感设备，mMTC 网络不需要获取对时间要求严格的信息，因此可以不考虑延迟问题。

 

Fractus Antennas 公司致力于设计和制造用于智能手机、短距离无线和联网物联网设备的微型天线，在市场上占据领先地位，他们使用 Cadence AWR 软件将天线集成到这些产品中。利用 Cadence AWR Microwave Office 软件中的网络综合向导选项，Fractus Antenna 的工程师可以针对所需的单频、多频或宽带操作，轻松实现合适的匹配网络。对于需要满足低功耗要求的设备，这样可以确保在不牺牲距离（覆盖范围）的情况下，将最大的功率输送到天线。

 

Fractus Antennas 为 Nordic Semiconductor 的蜂窝式物联网 (cIoT) 电池供电原型构建平台设计了一个多频段有源天线调谐器。图 4 中的 Nordic Thingy：91 原型构建电路板是围绕一个低功耗的系统级封装 (SiP) 模块 (nRF9160) 构建的，集成了 LTE-M/NB-IoT 调制解调器和 GPS 技术。Nordic Thingy:91 通过了全球广泛的 LTE 频段认证，几乎可以在全球任何位置使用。蜂窝通信可以与 GPS 定位采集相辅相成，用于复杂的物资追踪。

 

图 4：用于 cIoT 物资追踪应用的 Nordic Thingy：91 原型构建电路板（图片由 Nordic Semiconductor 提供）。

 

cIoT 模块和原型构建电路板提供六个工作频段，其中包括 GPS，由 Fractus Antenna 开发的天线和特定频段阻抗匹配网络提供支持。电路板的射频部分包括 Nordic Semiconductor 的物联网模块和 Qorvo 的两个单刀八掷开关，它们允许信号根据所需的工作频段和 Fractus Antenna 的要求，通过不同的匹配电路（图 5）。

 

图 5：用于在 6 个波段工作的 cIoT 模块和有源天线调谐器。

 

匹配电路拓扑结构和物料清单 (BOM) 见表 1，不同开关设置下的天线效率响应与频率的关系见图 6。

 

表 1：Fractus Antenna 匹配电路拓扑结构和物料清单。

 

图 6 ：不同开关设置下的天线效率响应与频率的关系。

 

在开发阻抗匹配网络时使用了 AWR 网络综合向导。这是一个以目标为导向的综合工具，可根据仿真测量值和用户指定的性能目标，如小信号回波损耗或非线性放大器行为（输出功率 [Pout]，功率附加效率 [PAE] 等），从负载牵引性能曲线中创建匹配网络。该综合引擎使用专有的遗传优化算法和启发式方法来识别候选匹配网络，解决涵盖多个性能目标和频段的阻抗匹配难题。

 

射频设计人员指定哪些元件类型（如电感、电容和传输线）可以出现在给定的串联或并联配置中，从而管理拓扑结构，并允许用户设置元件参数值限制，以反映制造公差。此功能有助于加快实现阻抗匹配，通过快速的设计空间探索，为射频工程师提供更多可行的网络候选方案（图 7）。

 

图 7：简单的两元件（理想电感）匹配电路和由此产生的匹配天线组件的回波损耗。

 

综合的网络可以基于 AWR Microwave Office 软件的理想部件库、供应商部件库的模型，以及使用给定项目中的基板定义的微带传输线。然后，用户可以指定将哪些候选网络直接导入到 AWR Microwave Office 项目中。Fractus Antenna 的工程师使用网络综合来实现其表面贴装天线模型所需的带内回波损耗，该模型在 AWR Microwave Office 软件的标准供应商库中作为组件模型提供（S 参数）。设计人员将该天线组件放入一个原理图子电路中，并开发了一个阻抗匹配网络，用于优化子电路的回波损耗，从而最大限度地提高天线效率，即天线辐射功率与天线输入功率之比。

 

除了开发匹配网络，AWR 软件和 Cadence 的 AWR AXIEM 3D 平面电磁分析可用于进一步对电路板进行特性分析，以确保匹配电路在并入可能存在寄生效应的大型结构时能够正常工作。为此，可以使用 Cadence AWR Design Environment平台中的 PCB 导入向导来导入金属层，这些金属层可以从制造商的网站上以 Gerber layout 文件的形式获取。使用四个单独的金属层创建一个 AWR AXIEM 分析子电路，它们组合成一个四层结构，如图 8 所示。

 

图 8：四层（2 个信号平面，2 个接地平面）Gerber layout 文件导入 AWR Design Environment 平台。

 

图 9 显示了 AWR AXIEM 分析中的结构，其中有定义的边缘端口和自适应网格划分的注释，用于求解和提取 S 参数。使用形状预处理规则简化过孔结构，以便在不牺牲精度的情况下加快仿真速度。该电磁结构的大小约为 84k 未知数，在一台机器上只需大约 10 分钟就能轻松求解。仔细观察网格可以发现，AWR AXIEM 分析采用了混合网格划分技术，以确保快速得出准确的结果。

 

图 9 ：AWR AXIEM 分析中 Thingy：91 结构（射频部分）的分解图，其中有定义的边缘端口和自动化自适应网格划分的注释。

 

由于 AWR AXIEM 分析完全集成在 AWR Microwave Office 软件的电路仿真器中，只需将包含电磁结构的子电路与其他基于电路的器件一起放入 AWR Microwave Office 原理图中，就可以实现电磁/电路协同设计（图 10）。

 

图 10：多端口电磁子电路，摆放了供应商库中的集总元件器件和参数化的单极八掷开关，用于电磁/电路协同设计。

 

工具还提供了一个标准的脚本，用于根据结构的物理 layout 细节创建原理图符号，帮助工程师管理多端口结构的端口连接。这种可视化工具可帮助设计人员将电路元件插入到电路板上的正确位置。在本例中，在 AWR Microwave Office 软件中实现了一个具有参数化开关状态的理想开关。如此一来，设计人员可以通过调整开关的位置来切换不同的阻抗匹配网络，如图 11 所示。

 

图 11：输入阻抗 (S11) 与开关位置的关系——在四层 cIoT 原型构建电路板上实现匹配网络，电路板以 Fractus Virtual Antenna 为终端。

 

该天线制造商还提供测量获得的天线增益信息，可供 AWR Visual System Simulator  (VSS) 通信和雷达系统设计软件中的天线模型用于链路预算分析，以便定义组件规格和验证基于假定路径损耗、接收器灵敏度和规范发射器功率水平（或有效各向同性辐射功率 [EIRP]）的系统设计。

 

此外，AWR VSS 软件提供了几个预配置的 NB-IoT 仿真平台，允许设计人员检查各种优势数据，包括调制频谱、传输和解调信号的 IQ 星座图、比特或模块误码率以及吞吐量（图 12）。通过将本项目中的默认被测设备替换为单个组件或整个射频链路（包括天线），以及进行传播损失的信道建模，AWR VSS 软件的 NB-IoT 仿真平台支持工程师扫描各种参数（如输入功率），或切换不同的 NB-IoT 子载波调制方案（π/2 BPSK 或 π/4 QPSK），以研究它们对性能的影响，如误差向量幅度 (EVM)。

 

图 12 ：AWR VSS 软件中的 NB-IoT 上行链路和增强型 NB (eNB) RX 仿真平台。

 

随着射频设计、分析和验证一一完成，以及电磁、电路和系统级性能标准得到满足，可以将 RFIP 可以传递给 layout 团队，以进行任何额外的设计整合、设计规则检查 (DRC)/电路布局验证 (LVS)，以及最终签核。为了交付制造，AWR Microwave Office 软件的 layout 可以导出为图纸交换格式 (DXF) 文件（以及 GDSII 和 Gerber 文件），然后可以再将其导入 Cadence Allegro PCB Designer 软件，以进行进一步的开发（图 13）。

 

图 13：将完整的 cIoT 电路板以 AWR Design Environment 平台输出的 DXF 文件格式导入 Allegro PCB Designer 中。

 

结论

 

以 5G/6G 功能为目标的下一代通信系统将以极大的容量、覆盖范围、可靠性和超低延迟提供与互联网的大规模连接，从而创造广泛的新型服务和业务机会。将通过一系列的创新技术来实现预期的性能，如复杂的射频前端架构和高度集成的多结构电子设备。从射频到毫米波的设计以及多结构设计和制造软件将对这些技术的发展起到至关重要的作用。

 

为了支持相应的技术和产品在芯片、IP、封装和 PCB 上实现 5G/6G 性能，Cadence 部署了智能系统设计 (Intelligent System Design) 战略，为电子系统设计的各个方面提供业界一流的计算软件能力。本文通过几个案例，介绍了 Cadence 如何依托自身在计算软件方面的深厚专业知识和关键领导地位，凭借范围广泛、高度集成的设计解决方案，将智能系统设计战略植入未来的通信产品。