建模和仿真如何支持毫米波设计集成和交付

越来越多的公司看到了将毫米波技术添加到其 RF 产品组合中的好处。在 24 至 30 GHz 频段运行具有显著优势。主要优势是它提供的带宽更宽，延迟更低。然而，毫米波的传播损耗也高于 6GHz 以下的频率。

5G 毫米波的应用层出不穷。固定无线接入就是其中之一，它使用蜂窝网络取代有线宽带。这种应用始于 4G，但随着 5G 的普及，预计应用将会增加。

掌握进入毫米波通信领域所带来的技术挑战必须与了解该技术适合哪些应用相结合。在 5G 中，毫米波在 100 米左右的距离上无与伦比。它引入了对波束成形和相控阵天线等先进技术的需求，以引导射频能量并最大限度地减少损耗。

从天线到数据

设计复杂性的增加是所有垂直行业的共同趋势。随着集成电子产品变得越来越复杂，供应商提供更多与底层解决方案不同的抽象。这通常涉及从组件级设计转向预集成模块。

现在，毫米波设计中也出现了这种情况。无论以何种标准衡量，射频都具有挑战性，但毫米波的复杂性更高。它是少数供应商的重点和专长，远少于针对汽车或工业等大型垂直行业中其他应用的供应商。但我们也可以预期，毫米波会进入这些垂直行业。提供毫米波解决方案的供应商正在从评估阶段转向生产阶段。

易于集成、几乎不需要毫米波专业知识且支持长期服务的系统将满足每个大型垂直行业存在的市场机会。这创造了对现成系统的需求，这些系统提供了一种简单的方法，可以直接从射频转移到数字域，或者换句话说，从天线转移到数据。

由于经验丰富的供应商数量较少，希望采用毫米波的 OEM 拥有精简供应链的优势。然而，该行业正在走向成熟，随之而来的是快速扩张。我们正处于这样一个阶段：以相对较少的供应商数量来支持不断增长的客户群，本身就是一种挑战。

采用模块化和系统化的设计方法可以减少对深度技术支持的需求。这也为 OEM 带来了优势。

图片说明：安富利正在与 5G 技术领域的行业领导者合作，以消除毫米波设计的复杂性。

Avnet 正在与毫米波波束成形和相控阵天线模块 (PAAM) 设计领域的技术领导者合作。其提供的先进硬件解决方案在软件领域由专用工具流程支持。RFSoC Explorer MATLAB 应用程序是该流程的重要组成部分。通过与 MathWorks（MATLAB® 和 Simulink® 背后的公司）的密切合作，Avnet 开发了 RFSoC Explorer，将所有硬件元素整合在一起。Explorer 可以配置为控制围绕 Avnet 的毫米波板构建的整个系统。

Avnet 的 RFSoC 板和系统级模块 (SoM) 是这种模块化系统方法的核心。RFSoC 系列基于 AMD Xilinx Zynq™ UltraScale+™ RFSoC，这是一种单芯片自适应无线电平台。

Avnet 毫米波产品组合的最新成员是 Fujikura 的 FutureAccess™ PAAM。PAAM 专为高精度和高分辨率波束控制而设计，具有足够的输出功率，可用于小型低成本基站。Fujikura 将真实时间延迟相移技术与高效设计相结合，同时简化了热管理。

Avnet、Fujikura 和罗德与施瓦茨将于 2023 年 6 月 11 日至 16 日在加利福尼亚州圣地亚哥举行的国际微波研讨会 (IMS) 上举办研讨会。研讨会 ( ITWU7：验证用于 5G FR2 相控阵天线研发测试的 CATR 台式 OTA 测试系统) 将验证紧凑型天线测试范围 (CATR) 台式测试系统。PAAM 包括用于波束成形、频率转换和滤波器的 IC。

模拟推动创新

AMD Xilinx 的 UltraScale+ RFSoC 与 Otava 和 FutureAccess PAAM 的波束成形技术的结合，将开发毫米波解决方案所需的所有技术交到工程师手中。

这些复杂系统主要通过其运行的软件来定义。然而，硬件至关重要。实现 mmWave 系统所需的处理速度和性能只能通过专用集成电路来实现。这需要全客户 ASIC 或高端 FPGA。Avnet 使用 AMD Xilinx UltraScale+ RFSoC，因为它在开发和生产方面都是同类最佳的。

即使使用最好的 EDA 工具，这些复杂系统的编译时间也可能长达数天。工程团队无法承受在迭代之间花费数天的时间。为了加快设计周期，模拟被广泛使用。这种级别的模拟现在扩展到整个系统。所有使用的硬件都可以使用真实数据或模拟数据进行精确模拟。

在第二个 IMS 研讨会（IMSTH6：权衡利弊：应对毫米波 Anetnna-to-Bits 实施中的信号完整性挑战）中，来自 Samtec、Mathworks、Avnet、Otava 和 Rohde & Schwarz 的技术专家解释了仿真模型和实时信号数据之间的交互。它将展示多学科工程师如何通过集成设计流程与基于 API 的脚本进行协作，以自动化复杂的测量场景。Rohde & Schwarz 的这场点播网络研讨会演示了使用 MATLAB 的测试解决方案，支持通过 Rohde & Schwarz 安全应用网关™ 进行远程测试。

持续开发 5G 毫米波

开发毫米波解决方案可能需要数年时间。在此期间，技术和标准通常会不断进步。对于 OEM 来说，这强制实施持续集成和持续交付 (CI/CD) 制度。

即使系统已经交付，开发工作也必须以相同的速度继续进行。现场系统将需要在其运行寿命期间进行更新。工程师可以通过支持 CI/CD 的设计流程应用这一新范式。

模拟是新流程的一部分。但硬件和软件设计团队需要比以往更加紧密地合作。这两个领域的相互依赖性在毫米波系统中最为明显。

在三场 IMS 研讨会中的第三场（IMSTH5：宽带毫米波和卫星通信相控阵系统的协同设计技术）中，Octava、MathWorks、Avnet 和 Rohde & Schwarz 将介绍如何使用硬件测量的基于模型的设计方法在原型准备就绪之前进行测试。研讨会将使用硬件和软件模型来优化全相控阵信号链的性能。

结论

越来越多的 OEM 开始采用依赖强大可靠的毫米波系统的商业模式进行部署。反过来，他们的市场也要求更快的交付速度和持续的现场改进。

即使在基于成熟技术的市场中，这也代表了一种新范式。由于 5G 和 mmWave 仍处于起步阶段，制造商必须寻找风险最小的解决方案。今天，这意味着转向模块化设计方法，并充分利用新的设计流程来建模、模拟、分析和制作硬件和软件架构的原型。

Avnet 及其合作伙伴开发了满足这一需求的设计流程。提供硬件和软件解决方案，以及支持更快上市时间和 CI/CD 的结构良好的设计流程。