拡張モバイルブロードバンド(eMBB)向けの新しい5G NR設計
次世代の5G/6G通信システムは、極端な容量、カバレッジ、信頼性、および超低遅延でインターネットへの大規模な接続を提供し、革新的な技術によって可能になった幅広い新しいサービスを可能にします。拡張モバイルブロードバンド(eMBB)は、10Gbpsを超える次数の高いデータスループット、LTEの1000倍を超える次数の高いシステム容量、およびLTEよりもはるかに優れたスペクトル効率(3〜4倍)で現在のモバイル経験を拡張します。
設計の概要
新世代の無線技術はそれぞれ飛躍的に進歩し、新しいサービスとビジネスチャンスを推進しています。この進化により、5Gおよび将来の6G技術を介した通信の第3の波が可能になり、2030年代以降、業界および社会向けのさらに多くの新しいサービスがサポートされます(図1)。
図 1: モバイル通信技術とサービスの世代
5Gは、接続の拡張と、人工知能(AI)およびモノのインターネット(IoT)を組み合わせたマルチメディア機能の大幅なアップグレードによる、この次のサービスの波に向けた最初のステップを表しています。5Gは、ミリ波(mmWave)帯域周波数を利用する第1世代のモバイル通信であり、数百メガヘルツ(MHz)の帯域幅をサポートし、数ギガビット/秒(Gbps)の超高速無線データ通信を実現します。
無線通信の第3の波
5G以降のシステムは、物理的な世界とサイバーな世界の間のギャップを埋めます。今日、モバイルの利用者は、無線接続を使用して、ほぼすべての場所からWebにアクセスしています。将来的には、高速カバレッジがより広範かつ高速になり、現実世界のイベントや人間および/またはIoTアクティビティからインターネットへの情報のアップリンクがより重要視されるようになります。この情報がクラウドに入ると、AIはサイバースペースで現実の世界を再現し、物理的、経済的、時間的な制約を超えてエミュレートできるため、「将来の予測」と「新しい知識」を発見して共有できます。このサイバーフィジカル融合における無線通信の役割には、実世界の画像とセンシング情報の大容量で低遅延の送信、および高信頼性と低遅延の制御シグナリングによる実世界へのフィードバックが含まれると想定されています。
このサイバーフィジカル融合シナリオにおける無線通信は、脳と体の間で情報を伝達する神経系の役割に対応しています。通信は、強化されたアップリンク機能と、低遅延のダウンリンク機能を通じて人間とデバイスに提供されるフィードバック情報を通じて、現実世界のイベントをサイバー世界に変換します。通信の次の波は、eMBB、超高信頼性低遅延(URLLC)、および大規模なマシンタイプの通信(mMTC)の3つのサービス領域(図2に示す)に焦点を当てています。高速モバイルブロードバンドと仮想現実、拡張現実、ゲームなどを含むコミュニケーションの第3の波のためのeMBB製品を開発するためにAWR Design Environmentプラットフォームを使用した幾つかのケーススタディを紹介します。
図 2: 5Gで開始されたコミュニケーションの第3の波で可能になった新しいビジネスサービス
1. PCB上のディスクリートGaAs/GaNトランジスタまたは統合MMICとして設計された増幅器
Cadence AWR®ソフトウェアは、電力増幅器開発のすべてのフェーズをサポートする、システム、回路、および電磁界(EM)の協調設計を提供します。Cadence AWR Microwave Office®ソフトウェアのCadence AWR APLAC®ハーモニックバランス(HB)シミュレータのHBエンジンが非線形RF回路の厳密な周波数領域解析を提供する一方で、コンカレントな回路図とレイアウトの設計入力と管理を提供します。増幅器設計は、目標とする周波数と性能に適したアクティブデバイスの選択から始まり、バイアスとインピーダンス整合回路の開発が続きます。バイアスと負荷/ソース終端は増幅器の性能に強い影響を与えるため、DC IV曲線の生成、ロードプル分析、インピーダンス整合回路合成などのAWRソフトウェアの設計支援は、初期の設計活動を加速する上でサポート的な役割を果たします(図3)。
図 3: AWRソフトウェアで設計された5G Cバンド基地局用の3.5GHz GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)Doherty PA
2. 電磁界解析を活用した構造解析
5G通信セグメントは急速に発展しているため、製品を市場に早期に提供することが重要です。三菱電機株式会社のエンジニアにとって、統合されたAWRソフトウェアプラットフォームは、すべての技術要件を満たしながら、28GHz GaN PA MMICの迅速な開発を可能にしました(図4)。Cadence AWR AXIEM®3D平面電磁界解析を使用して、テープアウトの前にDoherty PAの重要なインピーダンス整合/反転回路と出力コンバイナの動作を検証しました。さらに、Mitsubishi Electric GaNプロセスの設計キットにすぐにアクセスできるため、製品開発時間が50%短縮されました。
図 4: AWR AXIEMで解析された28GHz GaN Doherty PAのコンバイナ回路
電磁界解析と設計の最適化は、部品およびサブサーキットレベルで実行され、構造間の寄生および不注意な電磁界結合が解析に組み込まれるようにします。設計段階の終盤に向けて、Cadence Clarity™3Dソルバは、大規模な統合RF/ミックスドシグナル電子システムの重要な相互接続モデリングに対応します。Cadenceの業界をリードする分散型マルチプロセッシング技術により、より大きく、そして複雑な構造を効率的かつ効果的に対処するために必要な、実質的に無制限の容量と10倍の速度を実現できます。そのためClarity 3Dソルバを使用すると、構造を小さなセクションに分割する必要がなくなります。従来の3D電磁界シミュレータでは容量制限に対応するために分割が必要になることがよくあります。
3. 動作モデルを使った受信器系の特性の計測
AWR VSSソフトウェアにより、動作モデルを使った受信器系の特性を計測し、バジェット分析を実行して、カスケード接続された全体的な性能指数とスプリアスの履歴を取得し、システムで不要なトーンを生成する非線形性の影響を調べました。これらの分析は、干渉を軽減するためのフィルタリングだけでなく、デバイスの非線形性からの不要な高調波を低減するためのP1dBやIP3の考慮事項などの初期の設計における決定を導くのに役立ちました。さらに、AWR VSSソフトウェアは、図5に示すように、同じ回路図から時間領域解析を実行して、BER、IQコンステレーションプロット、およびスペクトラム再成長を調査できます。
図 5: 初期のVirtuoso RF Solution /Spectre RF Option解析から導出されたパラメータを持つ動作モデルを使用した部品ブロックに基づくAWR VSSソフトウェアのシングルチャネルリンク
4. PCBレイアウト上のアンテナの解析
パッケージ設計レイアウトからの重要なネットの電磁界抽出に基づいて、パッケージを考慮したRFIC解析を実行できます。この設計に向けて、Clarity 3Dソルバを使用して、PCB上のパッチアンテナアレイの各要素へのパッケージ配線を通して、個々のRFIC受信器チャネル間の相互接続を抽出できます。PCBの給電部とアンテナアレイの応答に厳密に焦点を合わせるために、ボードレイアウトは、AWR AXIEMを利用した電磁界解析のために、IPC-2581ファイル形式を介してAWR Design Environmentプラットフォームにインポートされました。Sパラメータ抽出に加えて、AWR AXIEMによる解析は、個々のパッチアンテナまたはアレイ全体の表面電流と放射プロットを提供できます(図6)。
図 6: 2x4アンテナアレイのEM解析のためにAWR Design Environmentプラットフォームにインポートされた5G PCB
初期アレイの電磁界解析に加えて、設計者はAWR VSSソフトウェアのフェーズドアレイジェネレータウィザードを使用して、物理アレイを迅速に構成し、AWR AXIEMの解析から得られたアンテナ放射パターンを個々のパッチアンテナに割り当て、相互結合やエッジ/コーナーの動作をモデル化します。このウィザードを使用すると、設計者は系と給電部の性能を指定し、利得のテーパーを組み込んでアンテナのサイドローブを減らし、アレイ全体の性能に対する要素の障害の影響を調査することもできます。これらすべてのユーザー指定パラメータから遠方界放射パターンのリアルタイムの視覚化を提供し、さらなる開発と図7に示すようなアレイ全体の電磁界と回路解析のためにAWR Microwave Officeソフトウェアでシステムまたは回路ベースの回路を自動的に生成します。結果として得られるアレイは、受信器の設計の系に組み込むこともできます。
図 7: AWR VSSソフトウェアのフェーズドアレイジェネレータウィザードは、RFフロントエンドの設計と実装のためにユーザー設定のアレイ構造とフィード回路を作成します
まとめ
5G/6G機能をターゲットとする次世代通信システムは、大規模の容量、カバレッジ、信頼性、および超低遅延でインターネットへの大規模な接続を提供し、幅広い新しいサービスとビジネスチャンスを可能にします。期待される性能は、複雑RFフロントエンドアーキテクチャと高度に統合されたマルチファブリックエレクトロニクスを通じて実装された、さまざまな革新的な技術によって可能になります。これらの技術の開発には、RFからミリ波への設計とマルチファブリックの設計および製造ソフトウェアが不可欠です。
本記事は英語版のホワイトペーパーから抜粋して作成されました。
英語記事は下記よりダウンロード下さい。
https://www.awr.com/resource-library/5g-nr-design-embb
各製品の詳細については下記のリンクを参照ください。
[製品全般]
- RF/マイクロ波ソリューション:https://www.cadence.com/ja_JP/home/solutions/rf-microwave-solutions.html
- ブローシャ:https://www.awr.com/jp/serve/awr-design-environment-brochure-jp
- 製品カタログ:https://www.awr.com/jp/serve/awr-software-portfolio-japanese
[通信システム解析環境]
- Visual System Simulator:https://www.awr.com/jp/products/visual-system-simulator
[統合設計環境]
- Microwave Office:https://www.awr.com/jp/products/microwave-office
[電磁界解析エンジン]
- AXIEM(モーメント法):https://www.awr.com/jp/products/axiem
- Analyst(有限要素法):https://www.awr.com/jp/products/analyst
[その他]
- RF/マイクロ波 Blogs 無料定期購読:
https://community.cadence.com/cadence_blogs_8/b/rfjapan - システム解析ニュースレター無料購読:
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