本文作者@@：Davide Vye，Cadence高级产品市场经理@@，首发于@@www.highfrequencyelectronics.com。
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@@188足彩外围@@app
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@@188足彩外围@@app
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@@188足彩外围@@app
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@@188足彩外围@@app （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@@188足彩外围@@app 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@@188足彩外围@@app
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@@。
文章来源@@： Cadence楷登@@PCB及封装资源中@@心@@