5G毫米波波束形成器集成电路建模

在设计相控阵系统时，射频工程师需要尽早验证信号的完整性和3GPP标准规范的符合性。同时，他们必须确保设计在相控阵尺寸、天线图的质量和对各种参数值的敏感性方面满足客户的实际需求。

一旦天线、波束形成器和收发器硬件组装好，工程师就可以在空中(OTA)测试室内进行实验，以表征他们的设计。然而，根据硬件和软件的开发时间以及产品的可用性，在无线电系统的所有部件可用之前，通常需要数周甚至数月的时间。

我们的团队已经建立了Otava OTBF103波束形成集成电路(BFIC)的行为模型，使工程师能够通过运行其5G毫米波系统设计的系统级模拟来获得基本的性能信息。该模型可以在24 GHz到40 GHz范围内跨8个发射通道和8个接收通道进行模拟，跨越多个5G NR频段。工程师可以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台中包含的天线模型。他们可以使用自己的Simulink进行模拟^®收发器设计，测试台上包含的收发器模型，或从真实射频系统捕获的信号数据。

通过使用BFIC模型运行全面的位到天线模拟，工程师可以在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/输出功率水平上优化和验证他们的系统设计，然后再使用硬件或使用OTBF103评估板进行空中测试(图1)。一旦硬件可用，他们可以继续使用模型进一步完善和验证他们的设计。

建立BFIC模型

我们首先对发射机通道建模，基于BFIC电路级行为的模型结构。每个TX信号路径捕获电路的功率分配器、移相器、可变增益放大器和输出功率放大器的行为，分别使用RF Blockset™功率分配器、移相块和非线性放大器块建模。该模型基于大量的测量数据集，包括在实际BFIC设备上收集的电路输入和输出端口的完整s参数。因此，它准确地捕获了波束形成器在射频参数范围内的响应，如中心频率、相移、增益工作点以及剩余振幅和相位误差。

在验证了模型的初步版本之后，我们与MathWorks工程师一起改进它。我们更有效地重构了模型，将分布在多个元素中的缺陷和非线性分组到一个位置(图2)。

这种分组简化了模型，使其更易于使用，计算效率也更高。这也使我们能够保护我们的知识产权，因为重组的模型不像实际的电路实现，比最初的版本。

完整的BFIC模型包括发送端和接收端模块。接收模块反映了发射机的对应部分，来自8个天线输入的输入信号通过低噪声放大器、可变增益放大器和移相器。

模拟5G毫米波设计

Otava的客户可以以多种方式使用我们的BFIC模型来评估他们的设计。例如，它们不仅可以模拟经典的连续波射频性能特征，如增益、IP3和噪声图，还可以使用我们提供的射频测量测试台应用5G NR波形(图3)。

默认的调制信号是100mhz的OFDM信号。模拟返回许多关键参数，供无线电设计人员检查是否符合3GPP标准，如集成输出功率水平、ACLR、误差矢量量级(EVM)和星座图(图4)。

我们还提供了测试台，用于将TX或RX BFIC模型与天线阵列模型进行协同模拟。用户可以从这些示例开始，看看他们的天线设计如何使用波束形成器，在目标波束方向和各种操作条件下验证天线辐射图样、副瓣或零电平以及有效各向同性辐射功率(EIRP)(图5)。所提供的天线分析测试台使用天线工具箱™实现偶极子或圆形贴片天线阵列，用于模拟极方向性图样。以及EIRP作为射频中心频率和波束方向的函数的计算。用户也可以修改测试台，以放入他们自己的定制天线设计，使用MATLAB天线设计器应用程序或天线s参数数据和从电磁仿真工具提取的方向性剖面生成。

改进计划

虽然提供的OTBF103模型对于任何射频信号链分析都是相当完整的，但我们正在计划基于设备当前和未来的能力对未来版本进行改进。一个正在考虑的增强是增加多偏置控制。添加偏置控制使工程师能够评估系统在低功率水平下的表现。功耗已经成为4G蜂窝无线电的一个重要设计参数，在多通道5G蜂窝基础设施设备中更是如此。了解如何在较低的流量负载下使用设备来节省电力是至关重要的，而且对于模型来说，捕获设备行为的这一方面是很重要的。我们还计划重用当前模型，调整它以反映正在开发中的未来波束形成器集成电路的行为。

在短期内，我们将提供连接两个MIMO系统的端到端、空中分析测试台。该测试台将是我们天线阵列测试台的扩展，使其有可能用波束形成建模一个完整的无线电链路。这种设置将考虑任何自定义路径损失，并允许信号预算分析作为txto - rx光束对准的功能。