《利用系統級設計進行相位陣列開發的四大優勢》

第 1 頁如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 白皮書採用ESL方法，讓您以 更高自信度開發相位陣列 產品，並以最短時間和 成本達成甚或超越規格。利用系統級設計進行 相位陣列開發的四大優勢相位陣列天線的開發已然進入新紀元，其中速度和靈活性成為成功的關鍵因素。相較於傳統的特殊產品開發專案，最新的5G和衛星通訊系統的商用級相位陣列開發專案，帶來了新的上市時間和成本挑戰。隨著低地球軌道(LEO)衛星問世，迅速白熱化的太空通訊經濟，將於未來幾年內在全球5G網路建設中發揮重要作用。 設計人員無法在開發週期中，花費太長時間在試驗室中測試物理原型。過去依靠設計近似度(design approximation)、硬體原型和多次重複測試的方法，效率極度低落。工程師缺乏可以讓他們快速提升設計自信度的方法，導致專案進度不可預測，還恐有成本超支的風險。 高效率方法唾手可得電子系統級(ESL)設計方法基於高傳真度建模和高速模擬，是可在時限和預算範圍內，開發出符合規格之相位陣列的現代方法。透過ESL方法，設計人 員可建立一 個虛擬 原型，以便充分探索設計空間，最終獲致一套符合規格要求的拓樸。工程師可根據規格要求，在整體範圍內驗證拓樸，並在過程中逐步提高模型的傳真度和準確度。一旦他們對模擬結果擁有高自信度，便可著手打造原型硬體並在試驗室中進行測試。至此，設計人員只需對設計進行微調，持續滿足規格要求即可（參見圖1）。 第 2 頁如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com ESL方法的最大優點之一，是它讓設計人員得以探索並驗證整個系統設計空間，包括陣列拓撲、波束控制角度、振幅和相位分布、旁波束控制和天線元件故障。典型的相位陣列規格包羅萬象。但是，設計人員可將它們簡化成遠場場型的特性和相對應的設計參數，以獲得所需的規格。 如果前端電子元件沒有缺損，設計人員可以利用一些簡單的基本參數，迅速獲得遠場特性 （參見圖2）。 圖1：ESL虛擬原型可縮短設計週期並降低開發成本將設計週期縮短10-25%多次反覆驗證傳統方法的相位陣列設計ESL 方法的相位陣列設計從幾星期到幾個月$10K 至 $100K最少的反覆驗證 在測試條件下，進行「虛擬 」原型設計大幅節省時間與成本模擬原型測試模擬原型測試圖2：相位陣列設計的典型規格和參數相位陣列的典型規格• 增益• 水平和垂直波束寬度• 旁波束位準• 實用的控制範圍（水平和垂直）• 極化設計參數1. 元件數量2. 元件類型3. 陣列幾何模型4. 元件之間的間距5. 操作頻率 第 3 頁如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 圖3：與傳統射頻模擬時間（紅色）相比，ESL模擬所需的時間（藍色）較短現代 ESL 模擬器φ 範圍為 60 度和 Θ 範圍為 30 度總模擬時間 = X 秒 * 60*30*10 = 18000 X 秒。X = 0.38 秒， 模擬時間 = 18000 秒。= 1.9 小時可實現的顯著優勢與傳統方法相比，ESL方法讓工程師能快速探索並驗證系統設計空間，並提供許多重要優勢，尤其是產品上市時間和成本。ESL的四大優勢包括：優勢1：ESL 模擬更為快速傳統的射頻模擬器速度太慢，無法對複雜的商用級陣列設計進行廣泛的研究。在模擬期間，設計人員必須研究波束控制角度，透過自調適歸零，將旁波束效應降到最低，並同時檢驗個別元件在各方向上失效時，遠場場型和陣列功能會發生的變化。舉例而言，模擬具256個天線元件的相位陣列時，已不適合使用傳統射頻模擬器，因為運算時間過長。假設工程師需X秒來計算一個通道和方向上的遠場。設計人員需模擬60度的波束寬度和30度的仰角，解析度為1度。針對每個方向，設計人員都會讓10%的天線元件失效，而且每次都需進行10次Monte Carlo模擬。藉由使用射頻模擬器，設計人員可在大約90秒內執行256個射頻通道，因此總模擬時間約需450小時。對於商用級開發專案來說，這是不可接受且不切實際的時間。與傳統的射頻模擬相比，ESL模擬運作速度快上許多。如使用 ESL模擬器，設計人員只需輸入相同的計算資料便可迅速完成模擬，每次的模擬時間將縮短到 0.38 秒，整個模擬僅需1.9小時。超快的模擬速度，使得ESL方法成為相位陣列設計的必備工具（參見圖3）。 第 4 頁如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 優勢2：ESL模擬方法易於設定，並支援深度探索ESL模擬方法非常快速，使得設計人員能夠進行全面探索，以便在開發週期早期，獲得對最終設計的自信度。ESL模擬利用高階模型程式庫來加速相位陣列線路圖設置，讓系統設計的資料擷取變得更簡易。由於此陣列是多通道系統，線路圖設置需要在小空間模型程式庫中 使 用 較 少 的 元 件（ 參見 圖4）。該程式庫讓設計人員能輕鬆建立80%-90%不同類型的 相位陣列。 不但運算速度提高，建立天線陣列的幾何模型的速度也變快，工程師還可輕易對設計空間進行廣泛探索。設計人員並可因此執行許多模擬實驗，例如： • 探索不同的陣列形狀、大小和圖形，並調整每個元件之間的間距，觀察遠場場型中的變化• 調整振幅分布以控制旁波束，並快速地試驗不同類型的錐形來控制波束• 掃描方向來觀察掃描損耗和可接受的掃描角度範圍• 定義極化並採用雙極化天線來研究非理想極化對於正交垂直極化和水平極化的影響• 研究可程控移相器和衰減器的量子效應• 檢查天線元件故障及其對遠場場型和相位陣列系統本身的影響設計人員還可以輕鬆研究多階架構。例如，設計5G和未來衛星通訊所需的寬頻系統，設計 人員可能必須遵循設計模擬中，時間和相位信號的行進方式。藉由採用ESL模擬，設計 人員可以先執行粗略的時間延遲法，接著再執行精細的相位差法，以便讓相位陣列設計變得更加貼近現實。圖 4： ESL 模擬包括可簡化系統擷取的線路圖程式庫Small Footprint Library256 個元件的相位陣列電路圖256 Element Phased Array SchematicSmall Footprint Library「多年來，衛星一直在電信 領域發揮廣泛的作用，儘管其市場進入門檻很高，主要 受限於政府利益相關者 和主要通訊服務供應商。 但衛星經濟正因應小型化、 低成本的趨勢，並隨著 Space X、Blue Origin、 Virgin Galactic等創新公司 和其他私營企業對衛星軌道 進行的投資，而發生重大 變化。考慮到太空基礎網路設施的重要性，標準制定 機構3GPP正在研究衛星在提供5G連線方面的作用。」─摘錄自Sean Kinney 的RCR 無線新聞報導：衛星在實現5G 網路方面的作用 第 5 頁如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 優勢3：ESL模型非常準確ESL模型的傳真度和準確度，可確保模擬的行為與實際硬體相似。模型準確度來自將量測資料與模擬的模型相結合所得的結果。例如，放大器模型圖示的特性，與實驗室中的真實放大器完全相同。ESL模型可擷取在各種不同頻率、偏壓、負載和溫度條件下，放大器的特性，並將這些資料帶到模擬器中。採用ESL模型，模擬器便可產生更貼近真實世界的結果，過去這只能使用硬體來實現。 設計人員還可以結合使用電磁模擬的元件場型，以及所有設計元件反射係數的S參數。 接著，模擬器會實際判斷如何執行去耦合並產生硬體中經常發生的效應。ESL方法可準確模擬相位陣列特有的主動式阻抗或Canning阻抗。設計人員可進行波束掃描，觀察每個元件隨著掃描角度改變的阻抗值。假設放大器模型的特性和所連接的負載有關，則波束阻抗的改變便會影響到放大器的效能。X參數1模型包含不同的負載阻抗。可程控衰減器和移相器模型包括每個狀態的S參數。藉由繪製三種不同波束掃描角度的實部和虛部阻抗圖，則可以看到不同的角度下，阻抗的 變 化 很 大（ 參見 圖5）。實際上，設計人員應模擬並收集系統規格當中，在所有掃描角度下，掃描阻抗的變化。接著，藉由進行統計，設計人員可得到變化的程度並修改設計，以便有效地匹配連接到每個陣列元件的功率放大器之間的阻抗網路。1 X參數為是德科技在美國、歐盟、日本和其他國家的商標與註冊商標。X參數格式與基本方程式，均對外公開並加有文件記錄。如需更詳細資訊，請瀏覽 http://www.Keysight.com/find/eesof-x-parameters-info圖5：從左至右，分別代表在Theta=0、Phi=0，Theta=15、Phi=0，和Theta=30、Phi=0時的 主動式阻抗變化（藍色是實部，紅色是虛部）Partinfo_AntennaZinActive_ArrayAnt1Partinfo_AntennaZinActive_ArrayAnt1Partinfo_AntennaZinActive_ArrayAnt1 第 6 頁如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 優勢4：ESL可模擬突波信號，具備標準相符性ESL方法可快速進行分析，並防止連接到相位陣列的非線性前端電子元件，所產生的雜散 信號。當這些額外的非理想頻率傳輸到相位陣列天線時，它們會跟理想頻率一起被輻射出去。 在傳統方法中，設計人員需使用試驗室來找出突波頻率，並針對每個頻率進行量測，以了解它們的遠場場型。這是非常繁瑣的過程，必須花上好幾天的時間才能完成。透過ESL模擬，設計人員可在幾小時內了解突波信號對遠場場型的影響，而且從頭到尾不需離開 他們的工作台。接著，他們可將模擬結果繪製成3D或更直覺的2D圖示，以便找出輻射突波信號頻率的最大值。 ESL方法還能確保量測結果，完全滿足標準或監管機構對於頻譜放射的要求。設計人員可針對特定角度製作圓餅切割圖，並將3D圖中的每個頻率繪製到2D圖上。他們還利用頻譜放射遮罩(SEM)，找出模擬中不符合標準的放射頻譜，並迅速修正這些問題，例如在頻譜信號進入相位陣列前端電子元件之前，修改放大器後的濾波器。在此例中，設計人員將濾波器從9.2到10.8的範圍內，縮小到9.5到10.5的範圍，來消除不符標準要求的8 GHz信 號 問 題（ 參見 圖6）。同樣地，這是一個非常耗時的迭代測試和硬體重新設計過程，且需在試驗室中使用傳統的實體原型測試方法。圖 6： 使用頻譜放射遮罩（紅線）檢查原型是否符合標準要求8 GHz 互調違反 SEM修改濾波器問題已經修正 第 7 頁本文件資訊如有修改，䛔不〥行通濼。© Keysight Technologies, 2019, Published in USA, August 22, 2019, 5992-4196ZHA如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 詳細資訊，請上網查詢：www.keysight.com有關是德科技電子量測產品、應用及服務的詳細資訊，可查詢我們的網站或來電洽詢。是德科技聯絡窗口：www.keysight.com/find/contactus最後，ESL方法可讓相位陣列設計人員信心滿滿地使用系統，獲得最佳的遠場誤差向量 振幅(EVM)量測結果。典型的例子是對5G New Radio下行鏈路信號源進行空中傳輸(OTA)量測。利用 ESL 模擬，設計人員可以非常快速地獲得EVM圖；如果使用傳統量測方法，則可能要花上好幾天。結語採用ESL方法來進行相位陣列設計，主要有四大優勢：模擬速度更快、可深入探索系統設計空間、進行高度準確的建模，並模擬突波信號和標準相符性。採用ESL方法，讓您以更高自信度開發相位陣列產品，並以最短時間和成本達成甚或超越規格。您準備好在接下來的相位陣列設計專案中使用ESL進行建模和模擬了嗎？請瀏覽PathWave System Design (SystemVue)，以深入了解Keysight ESL軟體解決方案，並申請下載30天的免費試用版。更多資源：系統架構師必看的相位陣列開發套件影片： 如何設計相位陣列系統網路研討會：信心滿滿地設計相位陣列