5G 毫米波波束成形器集成电路建模

在设计相控阵系统时，射频工程师需要尽早验证信号完整性以及是否符合 3GPP 标准规范。同时，他们还必须确保设计满足客户在相控阵尺寸、天线方向图质量以及对各种参数值的敏感度方面的实际要求。

在天线、波束成形器和收发机硬件组装完毕后，工程师就可以在空口 (OTA) 测试室中运行试验来表征设计了。不过，无线电系统的所有部件全部就绪往往需要几周甚至数月的时间，具体取决于软硬件的开发时间以及产品可用性。

我们的团队已经构建了 Otava OTBF103 波束成形器集成电路 (BFIC) 的行为模型。借助此模型，工程师可通过运行 5G 毫米波系统设计的系统级仿真来获取重要的性能信息。该模型可在 24 GHz 至 40 GHz 频率范围（涵盖多个 5G NR 频段）内跨八个发射信道和八个接收信道进行仿真。工程师可将该模型与他们自己的天线模型结合使用，也可以使用我们提供的测试平台中包含的天线模型。他们可以使用自己的 Simulink^® 收发机设计、测试平台中包含的收发机模型或从真实射频系统中捕获的信号数据来运行仿真。

通过使用 BFIC 模型运行位到天线的全面仿真，工程师可以跨一系列射频工作频率、可变增益放大器 (VGA) 设置、移相器设置和输入/输出功率电平来优化和验证系统设计。而这一切都可以在应用于硬件或使用 OTBF103 评估板（图 1）进行空口测试前完成。一旦硬件可用，他们就可以继续使用该模型进一步细化和验证设计。

构建 BFIC 模型

我们首先对发射机信道进行了建模，而模型的结构基于 BFIC 电路级行为。每个发射机信号路径都会捕获电路的功率分离器、移相器、可变增益放大器和输出功率放大器的行为。这些元件分别使用了 RF Blockset™ 中的 Divider、Phase Shift 和 Amplifier 模块进行建模。该模型基于大量测量数据集，包括在真实 BFIC 设备上采集的电路输入和输出端口的全部 S 参数。因此，它可以精确地捕获不同射频参数（例如中心频率、相移和增益工作点以及残余振幅和相位误差）配置下波束成形器的响应。

在验证了模型的初始版本后，我们与 MathWorks 工程师合作对其进行了细化。我们重构了模型使其能够更加高效地仿真，方法是将分散在多个元件的损伤和非线性效应合并到了相应的单个模块中（图 2）。

这种组合简化了模型，使其操作更简单，计算效率也更高。此外，该组合还有助于保护知识产权，因为与初始版本相比，重构后的模型与实际电路实现的相似度更低。

完整的 BFIC 模型包括发射机模块和接收机模块。接收机模块与其发射机模块互为镜像，接收来自八个天线输入的输入信号。这些信号进入接收机后依次经过低噪声放大器、可变增益放大器和移相器。

5G 毫米波设计仿真

Otava 客户使用我们的 BFIC 模型以多种方式来评估其设计。例如，客户既可仿真增益、IP3 和噪声系数等经典 CW 射频性能特征，也可通过我们提供的射频测量测试平台（图 3）应用 5G NR 波形。

默认调制信号是 100 MHz 的 OFDM 信号。仿真会返回多个关键参数，如集成输出功率电平、邻信道泄漏比 (ACLR)、误差向量模 (EVM) 和星座图，供无线电设计人员用来检查其是否符合 3GPP 标准（图 4）。

我们还提供了测试平台，用于发射机或接收机 BFIC 模型与天线阵列模型的协同仿真。用户可以先从以下示例入手，了解其天线设计在使用波束成形器时的性能，从而沿目标波束方向在各种工况下对天线辐射方向图、旁瓣电平或零电平及有效全向辐射功率 (EIRP) 进行验证（图 5）。我们提供的天线分析测试平台使用 Antenna Toolbox™ 实现了偶极天线或圆形贴片天线阵列，可用于仿真极坐标方向图，以及将 EIRP 作为射频中心频率和波束方向的函数进行计算。用户也可以修改测试平台，将他们的自定义天线设计纳入其中。该设计可用 MATLAB 天线设计器生成，或用从 EM 仿真工具中提取的天线 S 参数数据和方向性配置生成。

计划的功能增强

虽然对于任何射频信号链分析来说我们提供的 OTBF103 模型都已经相当全面，但我们仍计划根据设备当前和未来的功能对后续版本进行改进。增添多偏压控制就是我们正在考虑的增强功能之一。偏压控制功能可以让工程师评估其系统在较低功率电平下的性能。功耗在 4G 蜂窝无线电设计中就已经是重要的参数了，在多信道 5G 蜂窝基础架构设备设计中更是如此。了解如何在较低的流量负载下降低设备功耗至关重要，因此模型对设备这方面行为的准确体现也同样重要。我们还计划重用当前模型，对其进行调整以反映即将推出（目前处于开发阶段）的波束成形器 IC 的行为。

从短期来看，我们将推出一个连接两个 MIMO 系统的端到端空口分析测试平台。作为我们天线阵列测试平台的扩展，该测试平台将会让使用波束成形对完整的无线电链路建模成为可能。该组合会将所有自定义路径损耗都考虑在内，使得将射频链路预算作为 TX/RX 波束对准的函数进行分析成为可能。