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Tecnología de sustrato IC
Plataforma de automatización de diseño de radiofrecuencia de próxima generación para la evaluación de antenas múltiples y la optimización del rendimiento
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Plataforma de automatización de diseño de radiofrecuencia de próxima generación para la evaluación de antenas múltiples y la optimización del rendimiento

Plataforma de automatización de diseño de radiofrecuencia de próxima generación para la evaluación de antenas múltiples y la optimización del rendimiento

2021-09-15
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Author:Frank

Con Tecnología inalámbrica, El número de sistemas de radio en muchos dispositivos portátiles sigue aumentando, Internet de las cosas y aplicaciones 5G, Esta tendencia sigue aumentando. Esta tendencia desafía a los diseñadores de RF, Porque necesitan asegurarse de que varios sistemas de radio funcionan al mismo tiempo, También es necesario minimizar la interferencia y la pérdida de energía.

En este trabajo, el problema del diseño de múltiples sistemas se explica desde el punto de vista de la antena.. El aumento del número de elementos de antena en el equipo es la tendencia principal del desarrollo de antenas, De acuerdo con las tendencias multisistemas anteriores. Sin embargo,, Diversidad de antenas, Las técnicas de entrada múltiple y salida múltiple y beamforming promueven aún más este proceso.. Al mismo tiempo, Porque el tamaño del dispositivo no puede aumentar, La densidad de la antena aumentará. Esto a su vez conduce a un aumento del acoplamiento, Este es el diseño Sistema de antenas múltiples.

Coupling between antennas
Since antennas are essentially resonant structures, Puede haber acoplamiento entre antenas cercanas. Si la distancia entre antenas es muy corta, También funcionan a una frecuencia cercana, Resonancia más fuerte. Similar a otras estructuras físicas, Las antenas suelen resonar en múltiples armónicos con su frecuencia más baja o fundamental. Por consiguiente,, the antenna suitable for 3GPP band 3 (1710 -1880 MHz) and the 5 GHz antenna (5170-5835 MHz) may have three strong harmonic resonances. El patrón de radiación de la antena en un dispositivo compacto es generalmente isotrópico. Aunque la dirección de la antena puede ser aislada por polarización cruzada, Este método sólo se aplica a los casos más simples. Por ejemplo:, En el mejor de los casos, El patrón dipolo con radiación cero a lo largo del eje dipolo sólo puede aislar tres antenas a través de sus características del patrón. The number of peripheral antennas often exceeds the number of antennas located in the near field of each other (Figure 1), El diseño industrial no puede colocar la antena de la mejor manera de posicionamiento electromagnético. Por consiguiente,, Tenemos que lidiar con un cierto grado de acoplamiento.

El filtro frontal RF puede aislar eficazmente diferentes sistemas de radio, pero hay muchas razones por las que el efecto de acoplamiento entre antenas debe ser manejado cuidadosamente. En primer lugar, el sistema mimo tiene la misma banda de frecuencia entre diferentes tipos de antenas. En segundo lugar, el fuerte acoplamiento de la frecuencia armónica puede dar lugar a que la señal de intermodulación del transmisor a se acopla a la banda de trabajo del receptor B, y el filtro también puede mostrar una periodicidad armónica similar a la de la antena de paso de banda. En tercer lugar, el stopband del filtro es generalmente adecuado para el entorno del Circuito de 50 ohmios. La Impedancia de la antena puede ser cualquier valor que no sea de 50 ohmios, lo que resulta en una gran desviación del valor de diseño de la banda de paso real. Por lo tanto, el rendimiento es generalmente mejor sólo Cuando el stopband se acerca a la banda de paso. Esto significa que el filtro del sistema a puede filtrar la Potencia de acoplamiento del sistema B al sistema a, lo que resulta en una menor sensibilidad del sistema a y una pérdida de potencia del sistema B. Por último, la eficiencia de radiación de la antena compacta puede ser muy baja. En otras palabras, incluso si el sistema de radio está completamente filtrado, las antenas circundantes consumen la mayor parte de la Potencia de acoplamiento.

Para evitar estos problemas, debemos proponer un nuevo método de análisis y optimización para el sistema de antenas.

¿Por qué no pueden abordarse los métodos analíticos existentes?

En el pasado, hemos utilizado tres métodos diferentes de análisis de sistemas de antenas:

1. Método basado en la medición: los parámetros S del sistema multipuerto se caracterizan por un analizador de red vectorial multipuerto (VNA), y el patrón de radiación correspondiente a cada antena se mide por un dispositivo de medición manual situado en una Cámara anecoica.

2. El simulador universal de radiofrecuencia puede analizar el circuito del sistema de antenas, pero no tiene influencia en la correlación de radiación y la eficiencia.

3. El sistema de simulación electromagnética del sistema de antenas utiliza un modelo virtual flexible en lugar de un dispositivo de medición manual. El software electromagnético tradicional también incluye una gran cantidad de funciones de post - procesamiento de datos simulados.

Todos los métodos anteriores no pueden manejar correctamente los términos de acoplamiento mutuo en el sistema multi - antena. Para el método 1, dado que la eficiencia de la radiación depende de la superposición de los terminales de cada puerto y el modo de radiación 3D, es un problem a difícil calcular correctamente la eficiencia de la radiación. Además, los datos de eficiencia radiante se definen generalmente por puntos de cuadrícula de frecuencia en lugar de parámetros S, lo que puede complicar el cálculo de la eficiencia total. Un sistema típico de 12 antenas contiene 132 términos de acoplamiento mutuo. Necesitamos escribir manualmente tantos términos de acoplamiento en la ecuación para calcular la eficiencia total.

Placa de circuito

Teniendo en cuenta la pérdida de acoplamiento y la eficiencia de la radiación, el simulador electromagnético es generalmente más adecuado para el problem a de múltiples antenas y puede calcular la eficiencia total de cada antena. Obviamente, aunque el simulador electromagnético sólo soporta el modo de radiación del proyecto local en formato local, desafortunadamente no hay un formato estándar para el modo de radiación. Esto significa que en la práctica, cada simulador electromagnético tiene su propio formato de modo de radiación, y los datos de modo no pueden ser compartidos entre diferentes simuladores, como el archivo de parámetros S.

Pero el simulador electromagnético también tiene puntos ciegos. Cuando llegamos a la terminal de Puerto de antena a través del Circuito de emparejamiento, filtro, etc., necesitamos el módulo de circuito y su modelo. Los simuladores de radiofrecuencia prestan más atención a las bibliotecas de componentes, y los modelos de componentes reales suelen ser igualmente importantes al analizar todo el sistema. Además, esto no sólo se refiere a la eficiencia general, sino también a la pérdida de componentes, tensión y corriente en diferentes partes del Circuito de conexión. En el análisis de este rendimiento, los simuladores de radiofrecuencia son potentes, pero en el análisis de la eficiencia general, sin duda no son satisfactorios.

En resumen, el simulador electromagnético es adecuado para la entrada de antena en el espacio libre, y el simulador de circuito de radiofrecuencia es adecuado para el puerto de matriz s que se caracteriza por la entrada de amplificador a antena. ¿Hay un método analítico que combine los dos métodos anteriores?

new method
New software has been developed, Combina el simulador de circuitos electromagnéticos y RF en el análisis Sistema de antenas múltiples, El rendimiento del sistema se optimiza mediante la síntesis automática de circuitos..

La mejora del rendimiento del sistema de antenas se logra generalmente mediante circuitos de emparejamiento y desacoplamiento relativamente simples. Sin embargo, si necesita asegurarse de que todos estos factores se tienen en cuenta correctamente, también debe describir correctamente el rendimiento del sistema.

El nuevo método está integrado en la Plataforma de software de automatización de diseño RF del laboratorio opteni. Después de muchos años de desarrollo, ha sido capaz de conectar sin problemas los problemas electromagnéticos y de circuito del sistema multi - antena. Además de la matriz de parámetros S de múltiples puertos, el campo electromagnético también soporta varios modos de radiación 3D en formato de simulador electromagnético estándar de la industria. La idea principal es "proporcionar las herramientas más adecuadas para cada problema", por lo que la Plataforma es lo más neutral posible en términos de entrada y salida de datos. Para un sistema de antena n con una estructura dada, la matriz de parámetros nxn - S y el patrón de radiación N (sobre - frecuencia) pueden realizar la caracterización completa del sistema lineal "de entrada de antena al espacio libre".

La linealidad del sistema multi - antena se puede calcular sumando los campos de acuerdo a los valores de tensión / corriente en la entrada de la antena. El análisis del circuito no sólo considera los diferentes terminales en los puertos de los componentes emparejados, filtros y antenas, sino que también implica parámetros S. el efecto de acoplamiento de potencia entre los puertos se expresa por matriz. Al ponderar y superponer todos los patrones de antena, el patrón de radiación total obtenido se puede utilizar para calcular con precisión la eficiencia de radiación de cada antena. El proceso de simulación de circuitos combinados (tensión, corriente) y simulación electromagnética (modo de radiación) consiste en asociar dos campos.

Como se ha señalado anteriormente, ningún dominio analógico es suficiente para su uso individual: el dominio analógico del circuito ignora completamente la eficiencia de la radiación y, en la práctica, algunas antenas pueden tener una eficiencia de radiación inferior o igual al 30%. El campo de simulación electromagnética no puede calcular el valor de ponderación correspondiente de cada modo de radiación, lo que resulta en una eficiencia de radiación inexacta. Lo que es más importante, el dominio analógico electromagnético ignora la pérdida de varios componentes del circuito entre el amplificador y la entrada de la antena, que representa una gran proporción de la pérdida total.

Dado que la combinación de estos dominios de simulación es obviamente útil, las herramientas de análisis proporcionan diferentes niveles de integración o colaboración entre dominios. Sin embargo, en comparación con todas las soluciones anteriores, optenni Lab tiene tres características completamente diferentes: 1) Considerar ignorar la herramienta de simulación electromagnética; "Desde el punto de vista del circuito" a la síntesis topológica automática; El número de antenas está especialmente diseñado desde el punto de vista del sistema.

Por qué usar síntesis topológica?
El problem a de múltiples antenas compactas altamente acopladas significa "todo depende de todo"., En otras palabras,, Todas las antenas deben coincidir y optimizarse uniformemente. La selección del Circuito de emparejamiento de la antena a afectará a cómo seleccionar el circuito de emparejamiento de la antena B., C, D, etc.. Para problemas de múltiples puertos, El número de posibles topologías coincidentes aumenta exponencialmente con el número de componentes coincidentes y el número de Puertos, Así que incluso la composición automática, Este enfoque simple y áspero sigue siendo indeseable, Sin mencionar la configuración manual de cada topología! Pero podemos adoptar algunas suposiciones razonablemente simplificadas para hacer el problema más fácil de manejar. Estas suposiciones determinan en última instancia la validez de la solución del problema de emparejamiento de múltiples puertos acoplados, Sin embargo, cabe señalar que si el método de síntesis topológica no puede describir correctamente el rendimiento del sistema, Este método es casi inútil.. Por consiguiente,, La capacidad analítica debe preceder a la capacidad de síntesis y optimización. Desde el punto de vista del desarrollo de la Plataforma de diseño, Estas capacidades son atributos independientes, Pero desde el punto de vista del usuario, Estas capacidades están claramente estrechamente relacionadas.

Synthesis solution
The "black box" at the front of the antenna is the basic form of an automatic synthesis solution to produce an optimized matching circuit. The total efficiency of these matching circuits will be optimized (considering component loss and antenna radiation efficiency, Se pueden obtener varias métricas de descomposición, Pérdida por desajuste, Volumen total de transmisión/Pérdida de enlace RF, and total efficiency). Estos datos también se mostrarán en el diagrama de balance de potencia. Las figuras 2 y 3 muestran los resultados de las trampas de optimización comunes cuando se hace hincapié en S11. Un buen emparejamiento de impedancia no garantiza un buen rendimiento. Por consiguiente,, it is important that the optimization tool must be able to identify the actual influencing variables
The Optenni Lab discrete component library integrates actual component models from multiple supplier product libraries. Por consiguiente,, Pérdida y tensión/Puede calcular con precisión el valor actual de cada elemento coincidente. Además, Este método puede identificar las calificaciones de los componentes y advertir al diseñador cuando se superen las calificaciones para evitar daños.. Para apoyar el diseño de alta potencia y alta frecuencia, Este método realiza la síntesis de MICROSTRIP y la adición automática de modelos discontinuos.. Al mismo tiempo, Soporta el diseño híbrido, Componentes discretos integrados y líneas MICROSTRIP. Por ejemplo:, Aplicación del condensador de bloqueo DC, O utilizar el segmento MICROSTRIP en lugar de la Inductancia de la serie agregada.

Una parte importante del diseño de circuitos coincidentes es la disposición de PCB. Optenni Lab utiliza un conjunto de modelos de parámetros S multiport simulados electromagnéticos para caracterizar el diseño de PCB para apoyar la integración con cualquier diseño (figura 4). Las características de diseño simplificadas también se pueden construir con la ayuda de la línea MICROSTRIP. En ambos casos, los componentes clave de la síntesis son los reactores de uso general, o inductores (inductores) o condensadores (condensadores). Por lo tanto, incluso si el diseño se fija a una forma específica, como una topología tipo pi o tipo T, todavía se requiere una combinación alternativa de tamaños 2n para l y C. Optenni Lab combina todas estas estructuras y ordena los circuitos de optimización de la lista de acuerdo al rendimiento.


Normalmente, Necesidad de considerar otros componentes de la cadena RF, Como Barron, Filtro, Línea de transmisión/Cable, Conmutador. Este conjunto de radiofrecuencia es adecuado para un entorno de circuito de 50 ohmios, Pero como se mencionó anteriormente, La Impedancia de la antena puede desviarse significativamente de 50 ohmios, Por lo tanto, cada componente ya no está en un entorno de impedancia adecuado. Optenni Lab introduce un componente modular compuesto para que coincida con múltiples interfaces de antena en la cadena RF para realizar la función de optimización de toda la cadena del objetivo de diseño., Por ejemplo, maximizar la Potencia radiante total y el rendimiento de stopband requerido para el resto de la banda de paso. La figura 5 muestra un Diagram a esquemático de la configuración.

En consecuencia, el diseño se centra en los problemas de sensibilidad causados por los pequeños cambios en los valores de los componentes coincidentes. A veces la solución aparentemente óptima se ve bien cuando se comprueba rápidamente, pero resulta ser llamativa, ya que pequeños cambios en los valores de los componentes reducen la eficiencia del sistema. La figura 6 muestra un ejemplo en el que la eficiencia de la solución "óptima" se reduce considerablemente debido a la tolerancia del 5% de los componentes. Por el contrario, la topología, que ocupa el tercer lugar en términos de rendimiento nominal, muestra los valores de respuesta más estables. Optenni Lab reordena automáticamente esta sensibilidad a la tolerancia, reduciendo significativamente el costo en comparación con el análisis manual: Hay docenas o cientos de topologías opcionales disponibles.

Multi-antenna specific analysis and synthesis functions
The traditional multi-antenna design relies on the radiating element to achieve resonance at the required frequency, El aislamiento entre antenas se logra mediante aislamiento físico, Pero esto está limitado por factores de diseño industrial. Para dispositivos compactos, La separación física puede tener limitaciones, El efecto de acoplamiento puede plantear grandes desafíos. Además, Para Diseño óptimo de PCB, Es importante poder calcular el modo de radiación y la eficiencia del sistema de emparejamiento..

Cuando el efecto de acoplamiento es fuerte, la antena A se excitará, por lo que la antena B producirá corrientes inducidas que afectarán el patrón de radiación de campo lejano de la antena A. Estas corrientes inducidas dependen de los terminales de la antena B. A diferencia del cálculo de las corrientes inducidas distribuidas en los elementos de la antena, este método elimina las corrientes inducidas en los puntos de alimentación de la antena. El patrón de radiación total se calcula mediante la superposición del campo lejano compuesto. La eficiencia de la radiación se calcula sobre la base del campo lejano total.