【導讀】自從便攜式電話在 20 世紀 80 年代問世以來，新的無線電技術不斷更迭，移動通信行業呈現爆炸式增長。伴隨每一代無線電技術的問世，都涌現出了新的服務和業務機會，引領了所謂的“第三次通信浪潮”。由 5G 和未來 6G 技術賦能的技術革新將為更多行業和社會新型服務提供支持，直到 2030 年及以后（圖 1）。
自從便攜式電話在 20 世紀 80 年代問世以來，新的無線電技術不斷更迭，移動通信行業呈現爆炸式增長。伴隨每一代無線電技術的問世，都涌現出了新的服務和業務機會，引領了所謂的“第三次通信浪潮”。由 5G 和未來 6G 技術賦能的技術革新將為更多行業和社會新型服務提供支持，直到 2030 年及以后（圖 1）。
本文討論了為蜂窩式物聯網 (IoT) 大規模機器類通信 (mMTC) 應用開發多頻段有源天線調諧器的相關設計挑戰和解決方案。
圖 1 ：移動通信技術和服務的更新換代。
5G 代表了迎接下一次服務浪潮的第一步，5G 擴大了連接性，同時借助人工智能 (AI) 和物聯網讓多媒體能力實現了大幅提升。5G 將是利用毫米波 (mmWave) 頻段頻率的第一代移動通信，支持數百兆赫茲 (MHz) 的帶寬，進而實現每秒數千兆位的超高速無線數據通信。
無線通信的第三次浪潮
5G 和后續的系統將縮小物理世界和網絡世界之間的差距。如今，利用無線連接，移動消費者幾乎可以在任何地點訪問網絡。在未來，高速網絡的覆蓋將更加廣泛，連接速度也將不斷提升，而且將更加強調將現實世界人和事產生的信息以及/或物聯網活動信息上傳到互聯網。mMTC 可為大量的設備提供連接，這些設備產生的流量通常是零星分布的少量數據。因此，延遲和吞吐量并不是一個大問題：主要的問題是優化這些設備的電源使用，因為它們是由電池供電，而且電池壽命預計將超過 10 年。
6G 將采用許多不同的技術，包括重疊單元的新拓撲結構，其分布式波束成形天線網絡由人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 控制，以動態選擇最佳傳輸路徑。以前的蜂窩通信是基于間隔足夠遠的六邊形單元網絡，以避免與相鄰單元出現信號干擾。6G 可能采用空間上非正交、重疊和動態的拓撲結構來增加路徑選擇。利用 AI/ML 來控制波束將有助于減少單元間干擾 (ICI)，但會增加復雜性。這種架構也將需要采用新的天線設計、共形以及相控陣。為了獲得更多的帶寬，6G 預計將使用 94GHz 至 3THz 的更高毫米波頻率。
采用更高的頻段將有助于減小天線的尺寸，更有利于縮小元件的 footprint；然而，天線、饋電網絡和封裝互連將更容易受到寄生和意外耦合（串擾）的影響，因此需要在系統層面進行嚴格的電磁分析和設計驗證，如圖 2 所示。
圖 2：Cadence Clarity 3D Solver(有限元法 [FEM]/時域有限差分法[FDTD])軟件，可以針對大規模、集成射頻/混合信號電子系統的關鍵互連進行建模，推動第三次通信浪潮的到來。
空分復用和大規模多進多出 (MIMO) 方面的新功能正在研究當中，包括使用反射面和超材料來管理信號在視線有限的擁擠城市環境中的傳播。將通過太空、海洋和高空無人機擴大信號的覆蓋范圍。
最后，大部分工作的重點將放在無線電接入前端的物理設計上。毫無疑問，有策略的設計分區、利用最佳半導體工藝和多結構組件將發揮用武之地。為此，需要使用一系列仿真技術、設計和制造流程，并且各個工具之間應支持互操作性。在制定 Cadence 智能系統設計 (Cadence Intelligent System Design?) 戰略的過程中，我們將這些趨勢悉數考慮在內。該戰略旨在支持新一代無線電子系統在多個領域的協同設計和協同優化，包括射頻、模擬和數字仿真，同時輔以大規模電磁 (EM) 和熱分析，以及強大的設計驗證和簽核。
蜂窩式物聯網應用
5G mMTC 的目標之一是為大量物聯網設備提供可擴展的連接（圖 3）。這些設備本身支持各種傳感和執行功能。它們的復雜性相對較低，但是使用電池供電，以便能夠運行數年之久而不需要維修。為了向網絡分享數據，mMTC 以上行鏈路為中心，數據速率相對較慢，針對小數據包（最小僅為幾個字節）經過優化。上行鏈路通信基于零星的用戶（事件驅動）活動或預定的傳輸。
圖 3：mMTC 為大量物聯網設備提供可擴展的連接。
如今的蜂窩式物聯網 (cIoT) 設備由窄帶物聯網 (NB-IoT) 和 LTE Category M-1 (Cat M-1) 網絡提供支持，目前每個單元可支持 4 萬至 5 萬臺設備。5G 的目標是每個單元支持多達 100 萬臺設備。5G 與蜂窩網絡捆綁在一起，比低功率廣域網 (WAN) 的覆蓋范圍更大，因此適用于移動應用，如在途物資跟蹤。作為一種傳感設備，mMTC 網絡不需要獲取對時間要求嚴格的信息，因此可以不考慮延遲問題。
Fractus Antennas 公司致力于設計和制造用于智能手機、短距離無線和聯網物聯網設備的微型天線，在市場上占據領先地位，他們使用 Cadence AWR 軟件將天線集成到這些產品中。利用 Cadence AWR Microwave Office 軟件中的網絡綜合向導選項，Fractus Antenna 的工程師可以針對所需的單頻、多頻或寬帶操作，輕松實現合適的匹配網絡。對于需要滿足低功耗要求的設備，這樣可以確保在不犧牲距離（覆蓋范圍）的情況下，將最大的功率輸送到天線。
Fractus Antennas 為 Nordic Semiconductor 的蜂窩式物聯網 (cIoT) 電池供電原型構建平臺設計了一個多頻段有源天線調諧器。圖 4 中的 Nordic Thingy：91 原型構建電路板是圍繞一個低功耗的系統級封裝 (SiP) 模塊 (nRF9160) 構建的，集成了 LTE-M/NB-IoT 調制解調器和 GPS 技術。Nordic Thingy:91 通過了全球廣泛的 LTE 頻段認證，幾乎可以在全球任何位置使用。蜂窩通信可以與 GPS 定位采集相輔相成，用于復雜的物資追蹤。
圖 4：用于 cIoT 物資追蹤應用的 Nordic Thingy：91 原型構建電路板（圖片由 Nordic Semiconductor 提供）。
cIoT 模塊和原型構建電路板提供六個工作頻段，其中包括 GPS，由 Fractus Antenna 開發的天線和特定頻段阻抗匹配網絡提供支持。電路板的射頻部分包括 Nordic Semiconductor 的物聯網模塊和 Qorvo 的兩個單刀八擲開關，它們允許信號根據所需的工作頻段和 Fractus Antenna 的要求，通過不同的匹配電路（圖 5）。
圖 5：用于在 6 個波段工作的 cIoT 模塊和有源天線調諧器。
匹配電路拓撲結構和物料清單 (BOM) 見表 1，不同開關設置下的天線效率響應與頻率的關系見圖 6。
表 1：Fractus Antenna 匹配電路拓撲結構和物料清單。
圖 6 ：不同開關設置下的天線效率響應與頻率的關系。
在開發阻抗匹配網絡時使用了 AWR 網絡綜合向導。這是一個以目標為導向的綜合工具，可根據仿真測量值和用戶指定的性能目標，如小信號回波損耗或非線性放大器行為（輸出功率 [Pout]，功率附加效率 [PAE] 等），從負載牽引性能曲線中創建匹配網絡。該綜合引擎使用專有的遺傳優化算法和啟發式方法來識別候選匹配網絡，解決涵蓋多個性能目標和頻段的阻抗匹配難題。
射頻設計人員指定哪些元件類型（如電感、電容和傳輸線）可以出現在給定的串聯或并聯配置中，從而管理拓撲結構，并允許用戶設置元件參數值限制，以反映制造公差。此功能有助于加快實現阻抗匹配，通過快速的設計空間探索，為射頻工程師提供更多可行的網絡候選方案（圖 7）。
圖 7：簡單的兩元件（理想電感）匹配電路和由此產生的匹配天線組件的回波損耗。
綜合的網絡可以基于 AWR Microwave Office 軟件的理想部件庫、供應商部件庫的模型，以及使用給定項目中的基板定義的微帶傳輸線。然后，用戶可以指定將哪些候選網絡直接導入到 AWR Microwave Office 項目中。Fractus Antenna 的工程師使用網絡綜合來實現其表面貼裝天線模型所需的帶內回波損耗，該模型在 AWR Microwave Office 軟件的標準供應商庫中作為組件模型提供（S 參數）。設計人員將該天線組件放入一個原理圖子電路中，并開發了一個阻抗匹配網絡，用于優化子電路的回波損耗，從而最大限度地提高天線效率，即天線輻射功率與天線輸入功率之比。
除了開發匹配網絡，AWR 軟件和 Cadence 的 AWR AXIEM 3D 平面電磁分析可用于進一步對電路板進行特性分析，以確保匹配電路在并入可能存在寄生效應的大型結構時能夠正常工作。為此，可以使用 Cadence AWR Design Environment平臺中的 PCB 導入向導來導入金屬層，這些金屬層可以從制造商的網站上以 Gerber layout 文件的形式獲取。使用四個單獨的金屬層創建一個 AWR AXIEM 分析子電路，它們組合成一個四層結構，如圖 8 所示。
圖 8：四層（2 個信號平面，2 個接地平面）Gerber layout 文件導入 AWR Design Environment 平臺。
圖 9 顯示了 AWR AXIEM 分析中的結構，其中有定義的邊緣端口和自適應網格劃分的注釋，用于求解和提取 S 參數。使用形狀預處理規則簡化過孔結構，以便在不犧牲精度的情況下加快仿真速度。該電磁結構的大小約為 84k 未知數，在一臺機器上只需大約 10 分鐘就能輕松求解。仔細觀察網格可以發現，AWR AXIEM 分析采用了混合網格劃分技術，以確保快速得出準確的結果。
圖 9 ：AWR AXIEM 分析中 Thingy：91 結構（射頻部分）的分解圖，其中有定義的邊緣端口和自動化自適應網格劃分的注釋。
由于 AWR AXIEM 分析完全集成在 AWR Microwave Office 軟件的電路仿真器中，只需將包含電磁結構的子電路與其他基于電路的器件一起放入 AWR Microwave Office 原理圖中，就可以實現電磁/電路協同設計（圖 10）。
圖 10：多端口電磁子電路，擺放了供應商庫中的集總元件器件和參數化的單極八擲開關，用于電磁/電路協同設計。
工具還提供了一個標準的腳本，用于根據結構的物理 layout 細節創建原理圖符號，幫助工程師管理多端口結構的端口連接。這種可視化工具可幫助設計人員將電路元件插入到電路板上的正確位置。在本例中，在 AWR Microwave Office 軟件中實現了一個具有參數化開關狀態的理想開關。如此一來，設計人員可以通過調整開關的位置來切換不同的阻抗匹配網絡，如圖 11 所示。
圖 11：輸入阻抗 (S11) 與開關位置的關系——在四層 cIoT 原型構建電路板上實現匹配網絡，電路板以 Fractus Virtual Antenna 為終端。
該天線制造商還提供測量獲得的天線增益信息，可供 AWR Visual System Simulator (VSS) 通信和雷達系統設計軟件中的天線模型用于鏈路預算分析，以便定義組件規格和驗證基于假定路徑損耗、接收器靈敏度和規范發射器功率水平（或有效各向同性輻射功率 [EIRP]）的系統設計。
此外，AWR VSS 軟件提供了幾個預配置的 NB-IoT 仿真平臺，允許設計人員檢查各種優勢數據，包括調制頻譜、傳輸和解調信號的 IQ 星座圖、比特或模塊誤碼率以及吞吐量（圖 12）。通過將本項目中的默認被測設備替換為單個組件或整個射頻鏈路（包括天線），以及進行傳播損失的信道建模，AWR VSS 軟件的 NB-IoT 仿真平臺支持工程師掃描各種參數（如輸入功率），或切換不同的 NB-IoT 子載波調制方案（π/2 BPSK 或 π/4 QPSK），以研究它們對性能的影響，如誤差向量幅度 (EVM)。
圖 12 ：AWR VSS 軟件中的 NB-IoT 上行鏈路和增強型 NB (eNB) RX 仿真平臺。
隨著射頻設計、分析和驗證一一完成，以及電磁、電路和系統級性能標準得到滿足，可以將 RFIP 可以傳遞給 layout 團隊，以進行任何額外的設計整合、設計規則檢查 (DRC)/電路布局驗證 (LVS)，以及最終簽核。為了交付制造，AWR Microwave Office 軟件的 layout 可以導出為圖紙交換格式 (DXF) 文件（以及 GDSII 和 Gerber 文件），然后可以再將其導入 Cadence Allegro PCB Designer 軟件，以進行進一步的開發（圖 13）。
圖 13：將完整的 cIoT 電路板以 AWR Design Environment 平臺輸出的 DXF 文件格式導入 Allegro PCB Designer 中。
結論
以 5G/6G 功能為目標的下一代通信系統將以極大的容量、覆蓋范圍、可靠性和超低延遲提供與互聯網的大規模連接，從而創造廣泛的新型服務和業務機會。將通過一系列的創新技術來實現預期的性能，如復雜的射頻前端架構和高度集成的多結構電子設備。從射頻到毫米波的設計以及多結構設計和制造軟件將對這些技術的發展起到至關重要的作用。
為了支持相應的技術和產品在芯片、IP、封裝和 PCB 上實現 5G/6G 性能，Cadence 部署了智能系統設計 (Intelligent System Design?) 戰略，為電子系統設計的各個方面提供業界一流的計算軟件能力。本文通過幾個案例，介紹了 Cadence 如何依托自身在計算軟件方面的深厚專業知識和關鍵領導地位，憑借范圍廣泛、高度集成的設計解決方案，將智能系統設計戰略植入未來的通信產品。
(文章來源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心，本文作者：Davide Vye，Cadence高級產品市場經理，首發于www.highfrequencyelectronics.com。）
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