SergeyBaranchikov

Построение систем 5G и IoT из серийно выпускаемых компонентов

Blog Post created by SergeyBaranchikov Employee on Apr 27, 2017

Построение систем 5G и IoT из серийно выпускаемых компонентов

Хау-Сянг Яп (How-Siang Yap), Keysight Technologies, Inc.

Аннотация. Данная статья рассказывает о том, как наиболее эффективно моделировать ВЧ системы для технологий мобильной связи 5го поколения (5G) и приложений интернета вещей (IoT), используя серийно выпускаемые компоненты и быстрый синтез многокаскадных схем согласования импеданса на печатных платах.

 

5G - это грядущее пятое поколение радиосетей мобильной связи, работающих в диапазоне от 24 до 95 ГГц. Это поколение обещает чрезвычайно высокие скорости передачи данных по радиоканалу, например, передачу видеопотоков для телевидения сверхвысокой чёткости 4k/8k. Другим быстроразвивающимся приложением беспроводных технологий является интернет вещей (IoT). IoT это подключение к сети окружающих нас вещей – от бытовых приборов до промышленных датчиков и систем отслеживания грузов в мировом масштабе. По прогнозам к 2020 году к сети будет подключено более 50 миллиардов объектов IoT. Всё это создаст огромную нагрузку на радиоинженеров, вынуждая их быстро проектировать и выпускать продукты 5G и IoT, чтобы успешно конкурировать на рынке.

 

Моделирование ВЧ-систем 5G на частоте 28 ГГц

 

Проектирование и построение ВЧ-систем, работающих на частоте 24 ГГц и выше, связано с определёнными проблемами из-за паразитных эффектов межсоединений в печатной плате, взаимовлияния компонентов и отсутствия моделей новых компонентов для моделирования на уровне системы. Использование электронных таблиц для оценки характеристик системы и последующее макетирование на макетных платах с помощью реальных элементов обходится очень дорого, отнимая много времени, требуя множества приборов и значительной трудоёмкости на каждую итерацию.

 

Однако теперь появилась эффективная возможность проектировать, создавать прототип и налаживать производство законченной ВЧ системы за один цикл без лишних итераций, и эта возможность иллюстрируется приведённым ниже примером. На рисунке 1 показана структурная схема системы с входным сигналом 28 ГГц и двумя гетеродинами 22 ГГц и 7 ГГц, понижающими частоту до промежуточной частоты 1 ГГц. Структурная схема смоделирована в системе Keysight Genesys Spectrasys, причём системные блоки моделировались следующим образом:

 

  • X-параметры для нелинейных цепей
  • Поведенческие модели устройств на основе системных параметров Keysight Sys-parameters, описывающих характеристики отдельных узлов системы в зависимости от частоты, смещения и температуры
  • S-параметры для линейных цепей
  • Поведенческие модели, описанные уравнениями

 

Рисунок 1. Приёмник 5G на 28 ГГц с двойным преобразованием до промежуточной частоты 1 ГГц. Моделировался с помощью системного ВЧ симулятора Keysight Genesys.

 

Технология моделирования ВЧ-систем прошла долгий путь, оставив далеко позади использование электронных таблиц. Повышение точности и расширение диагностических возможностей просто невероятны. Примеры таких улучшений включают идентификацию происхождения составляющих спектра, расчёт нелинейной интермодуляции, определение того, какие системные блоки и их характеристики при подаче на вход ВЧ сигнала с цифровой модуляцией вносят вклад в ухудшение таких параметров, как модуль вектора ошибки (EVM), коэффициент битовых ошибок (BER) и соотношение мощностей соседнего и основного канала (ACPR).

На рисунке 2 показ ан анализ зависимости
EVM от расположения системных компонентов, который позволяет мгновенно выявлять основные причины деградации EVM, такие как фазовый шум гетеродина и нелинейность смесителей и усилителей. Щёлкнув на подозреваемом компоненте, можно настроить его параметры и улучшить характеристики системы. Это позволяет выбрать оптимальное расположение системных компонентов, избегая чрезмерного их сближения или разнесения, и достичь наилучших характеристик при минимальных затратах.

 

Рисунок 2. Новейший метод анализа амплитуды вектора ошибки позволяет выявить компоненты, вызывающие деградацию ВЧ сигналов с цифровой модуляцией, и исключить дорогостоящие итерации в процессе создания прототипа.

Определение характеристик на этапе проектирования и последующий поиск реальных компонентов, обладающих такими характеристиками, на этапе реализации является широко распространённым, но неэффективным подходом, который неизбежно порождает необходимость в нескольких итерациях. Sys-параметры, представляющие собой  поведенческие модели реальных серийных компонентов, или X-параметры нелинейных компонентов могут непосредственно использоваться в ВЧ моделировании, и в результате к концу проектирования компоненты будут уже определены и проверены на работоспособность в системе. После этого система готова к аппаратной реализации.

 

Построение систем 5G из серийно выпускаемых компонентов

 

Рисунок 3. Аппаратный прототип приёмника 28 ГГц, использующий X-блоки из X-Microwave. Вы получаете то, что моделируете, без расхождений, вызванных паразитными связями или неточными моделями.

 

В конструкции приёмника 5G на 28 ГГц использовались серийно выпускаемые компоненты таких производителей, как Mini-circuits, Analog Devices, Qorvo, Marki, и Avago, реализованные в виде модулей X-Microwave, как показано на рисунке 3. Все модули, называемые X-блоками, включают необходимые внешние цепи питания и пассивные периферийные компоненты для таких активных устройств, как гетеродины, смесители и усилители. Они характеризуются моделями X-параметров на основе измерений или моделями на основе Sys-параметров, что позволяет точно моделировать их применение в реальной системе. Модули представляют собой печатные платы с компонентами поверхностного монтажа, соединенные между собой посредством термокомпрессионного метода без пайки, что обеспечивает надёжную работу в диапазоне до 67 ГГц. Измерительные разъёмы 1,9 мм тоже закреплены термокомпрессией, поэтому X-блоки можно использовать повторно без повреждения. Когда сборка прототипа завершена, такую же композитную топологию можно использовать в производстве, поскольку все компоненты располагаются на аналогичной многослойной подложке.

 

Измеренные параметры системы соответствуют смоделированным, как показано на рисунке 4, разница объясняется погрешностью измерений на векторном анализаторе сигналов.

 

Входная мощность, дБм

Измеренная EVM, % ср.кв.

Оценка EVM, % ср.кв.

-50

1,8

2,2

-60

3,1

3,5

-70

9,3

9,3

-75

17,9

16,3

-78

20,0

22,9

Таблица. Сравнение измеренного и смоделированного модуля вектора ошибки для разной входной мощности. Наблюдается превосходная корреляция в пределах погрешности измерительных приборов.

 

Проектирование для интернета вещей

 

Для IoT разрабатывается несколько стандартов, отличающихся зоной покрытия, полосой передачи данных и рабочей частотой. Рабочие частоты IoT обычно подразделяются на 2 категории: нижние и верхние, а именно в диапазонах ISM 2,4 ГГц и 5,8 ГГц (диапазон для промышленного, научного и медицинского применения). С точки зрения проектирования физических радиоканалов IoT, работающих в этих частотных диапазонах, основной упор должен делаться на согласование импеданса чипсета IoT с антенной. Для увеличения дальности действия можно включать усилители между чипсетом и антенной.

 

В идеале схема согласования импеданса должна быть компактной и недорогой. Многокаскадные схемы, согласующие импеданс в широкой полосе частот (30 % и более) со сложными частотно-зависимыми импедансами таких устройств, как антенны, измеренными S-параметрами чипсетов IoT или нестабильными не-однонаправленными усилителями на дискретных транзисторах, чрезвычайно сложно рассчитать с помощью традиционной диаграммы Смита или методом проб и ошибок.

 

Рисунок 5. Синтез схемы согласования импеданса и микрополосковая топология 3-каскадной согласующей схемы, работающей в диапазоне от 2 до 3 ГГц и позволяющей достичь обратных потерь –20 дБ и усиления 35 дБ, выполняется менее чем за час.

 

Более эффективный подход заключается в применении автоматического синтеза согласующей схемы, который использует для решения упомянутых выше сложных случаев согласования несколько методов – от простых Т-образных схем до метода «реальных частот» (real frequency). Поскольку такой синтез может выполнять сложные одновременные многокаскадные согласования в считанные секунды с помощью цепей с распределёнными или сосредоточенными параметрами, разработчики IoT могут быстро опробовать несколько многокаскадных вариантов и выбрать из них наиболее экономичный. На рисунке 5 показаны результаты одновременного синтеза 3-каскадной схемы, согласующей антенну с малошумящим стабилизированным транзисторным усилителем, с последующим измерением S-параметров чипсета усилителя мощности. В результате этого синтеза удалось получить обратные потери –20 дБ в диапазоне от 2 до 3 ГГц при усилении 35 дБ. Кроме того, были синтезированы размеры микрополосковой топологии с автоматической вставкой неоднородностей, таких как Т-образные соединения и разомкнутые шлейфы. Весь процесс занял менее часа.

 

Теперь ВЧ-системы для приложений 5G и IoT можно эффективно моделировать, создавать их прототипы и изготавливать из серийно выпускаемых компонентов, благодаря революционным диагностическим функциям, позволяющим выявлять компоненты с неподходящими параметрами. Точные модели X- и Sys-параметров для серийно выпускаемых ВЧ компонентов позволяют эффективно получать то, что вы моделировали, на всех этапах – от проектирования до создания прототипа и производства, причём без лишних итераций. Синтез согласующих цепей заменяет сложную ручную разработку и оптимизацию мгновенным выбором нескольких подходящих согласующих топологий, позволяющих получить наиболее экономичную реализацию. Дополнительную информацию можно найти на сайтах www.keysight.com/find/eesof-genesys-info и www.xmicrowave.com.

 

Данная статья на русском языке была опубликована  журнале «Беспроводные технологии» № 6, декабрь 2016». http://wireless-e.ru/

Outcomes