Substrato IC - Piattaforma di automazione di progettazione RF di nuova generazione per la valutazione multi-antenna e l'ottimizzazione delle prestazioni

Con i cambiamenti nella tecnologia wireless, il numero di sistemi radio in molti dispositivi portatili continua ad aumentare e con l'emergente Internet of Things e le applicazioni 5G, questa tendenza è ancora in crescita. Questa tendenza ha portato sfide ai progettisti di radiofrequenza, perché hanno bisogno di garantire le prestazioni di più sistemi radio funzionanti contemporaneamente, ma hanno anche bisogno di ridurre al minimo le interferenze e la perdita di potenza.

Questo articolo spiega i problemi della progettazione multi-sistema dal punto di vista delle antenne. L'aumento del numero di elementi di antenna nelle apparecchiature è la tendenza principale nell'evoluzione dell'antenna, coerente con la tendenza multi-sistema sopra menzionata. Tuttavia, la diversità delle antenne, l'uscita multipla in ingresso e la tecnologia di beamforming hanno ulteriormente promosso questo processo. Allo stesso tempo, poiché la dimensione del dispositivo non può essere aumentata, la densità dell'antenna aumenterà. Questo a sua volta porterà ad un maggiore accoppiamento, che è una delle principali sfide nella progettazione di sistemi multi-antenna.

Accoppiamento tra antennePoiché le antenne sono essenzialmente strutture risonanti, ci può essere accoppiamento tra antenne che sono vicine tra loro. Se la distanza tra le antenne è molto vicina e le loro frequenze operative sono vicine l'una all'altra, la risonanza è più forte. Simile ad altre strutture fisiche, le antenne di solito risuonano alla loro frequenza più bassa o multipli armonici della frequenza fondamentale. Pertanto, l'antenna adatta per la banda 3GPP 3 (1710-1880 MHz) e l'antenna 5 GHz (5170-5835 MHz) possono avere tre forti risonanze armoniche. Il modello di radiazione dell'antenna nei dispositivi compatti è solitamente isotropico. Sebbene l'orientamento dell'antenna possa essere utilizzato per l'isolamento tramite polarizzazione incrociata, questo approccio funziona solo nei casi più semplici. Ad esempio, nel caso più ideale, un modello dipolo con radiazione zero lungo l'asse dipolo può isolare solo tre antenne attraverso le sue proprietà di modello. Il numero di antenne periferiche spesso supera il numero di antenne situate nel campo vicino l'una dell'altra (Figura 1), e la progettazione industriale non può collocare le antenne in un modo ottimale di posizionamento elettromagnetico. Pertanto, dobbiamo affrontare un certo grado di accoppiamento.

Diversi sistemi radio sono efficacemente isolati dai filtri del front-end RF, ma ci sono ancora molteplici motivi e l'effetto di accoppiamento tra le antenne deve essere gestito con attenzione. In primo luogo, i sistemi di uscita multipli di ingresso hanno le stesse bande di frequenza tra diversi tipi di antenne. In secondo luogo, un forte accoppiamento alle frequenze armoniche può causare l'accoppiamento del segnale di intermodulazione del trasmettitore A alla banda di frequenza operativa del ricevitore B-il filtro può anche mostrare periodicità armonica simile all'antenna passband. In terzo luogo, la banda di arresto del filtro è solitamente adatta per ambienti di circuito di 50 ohm e l'impedenza dell'antenna può essere qualsiasi valore diverso da 50 ohm, causando la banda di passaggio effettiva per deviare significativamente dal valore di progettazione, quindi le prestazioni sono solitamente migliori solo quando la banda di arresto è vicina alla banda di passaggio. Ciò significa che il filtro del sistema A può perdere la potenza accoppiata dal sistema B al sistema A, con conseguente riduzione della sensibilità del sistema A e la perdita di potenza del sistema B. Infine, l'efficienza di radiazione delle antenne compatte può essere molto scarsa. In altre parole, anche se il sistema radio è completamente filtrato, le antenne circostanti consumano gran parte della potenza di accoppiamento.

Per evitare i problemi di cui sopra, abbiamo bisogno di proporre nuovi e completi metodi di analisi e ottimizzazione per il sistema di antenna.

Perché i metodi di analisi esistenti non possono affrontarlo?

In passato, abbiamo utilizzato tre diversi metodi di analisi del sistema di antenna:

1. metodo basato sulla misurazione: I parametri S del sistema multi-porta sono caratterizzati da un analizzatore di rete vettoriale multi-porta (VNA), e il modello di radiazione corrispondente a ogni antenna è misurato da un dispositivo di misura manuale situato in una camera anecoica.

2. Il simulatore generale di radiofrequenza può analizzare il circuito del sistema dell'antenna, ma non ha alcun effetto sulla quantità e l'efficienza relative alle radiazioni.

3. Il sistema di simulazione elettromagnetica del sistema di antenna utilizza un modello virtuale flessibile per sostituire il dispositivo di misura manuale e il software elettromagnetico convenzionale contiene anche una grande quantità di funzioni analogiche di post-elaborazione dei dati.

Tutti i metodi di cui sopra non possono gestire correttamente i termini di accoppiamento reciproco in un sistema multi-antenna. Per il Metodo 1, poiché l'efficienza della radiazione dipende dalla sovrapposizione del terminale di ogni porta e dal modello di radiazione 3D, anche come calcolare correttamente l'efficienza della radiazione è un problema complicato. Inoltre, i dati sull'efficienza delle radiazioni sono generalmente definiti dai punti della griglia di frequenza piuttosto che dai parametri S, il che può rendere più complicato il calcolo dell'efficienza totale. Un tipico sistema a 12 antenne prevede 132 termini di accoppiamento reciproco. Dobbiamo scrivere manualmente così tanti termini di accoppiamento nell'equazione per calcolare l'efficienza totale.

Considerando la perdita di accoppiamento e l'efficienza di radiazione relativa al terminale allo stesso tempo, il simulatore elettromagnetico è solitamente più adatto per il problema multi-antenna e l'efficienza totale di ogni antenna può essere calcolata. Ovviamente, anche se il simulatore elettromagnetico supporta solo il modello nativo di radiazione del progetto nel formato nativo, purtroppo, non esiste un formato standard per il modello di radiazione. Ciò significa che, in pratica, ogni simulatore elettromagnetico ha il proprio formato di pattern di radiazione e i dati di modalità non possono essere condivisi tra simulatori diversi, come i file di parametri S.

Ma i simulatori elettromagnetici hanno anche punti ciechi. Quando si raggiunge il terminale della porta dell'antenna attraverso circuiti corrispondenti, filtri, ecc., abbiamo bisogno dei componenti del circuito e dei loro modelli. Il simulatore RF presta maggiore attenzione alla libreria dei componenti e il modello dei componenti effettivo è solitamente altrettanto importante quando si analizza l'intero sistema. Inoltre, questo comporta non solo l'efficienza complessiva, ma anche perdite di componenti, tensioni e correnti che collegano diverse parti del circuito. Quando analizzano questo tipo di prestazioni, i simulatori RF sono potenti, ma quando analizzano l'efficienza complessiva, sono senza dubbio insoddisfacenti.

Tutto sommato, il simulatore elettromagnetico è adatto per l'ingresso dall'antenna nello spazio libero e il simulatore di circuito di radiofrequenza è adatto per la porta matrice S dall'amplificatore alla caratterizzazione dell'ingresso dell'antenna. Esiste un metodo analitico che può combinare i due metodi di cui sopra?

È stato sviluppato un nuovo software, che combina i vantaggi dei simulatori di circuiti elettromagnetici e di radiofrequenza nell'analisi dello stato dei sistemi multi-antenna e ottimizza le prestazioni del sistema attraverso la sintesi automatica dei circuiti.

Il miglioramento delle prestazioni del sistema di antenna è generalmente ottenuto attraverso circuiti di abbinamento e disaccoppiamento relativamente semplici. Ma se è necessario assicurarsi che tutti i fattori di cui sopra siano considerati correttamente e allo stesso tempo, è necessario caratterizzare correttamente le prestazioni del sistema.

Il nuovo metodo è stato integrato nella piattaforma software Optenni Lab per l'automazione della progettazione di radiofrequenza. Dopo anni di sviluppo, è stato in grado di collegare senza soluzione di continuità i problemi elettromagnetici e di circuito del sistema multi-antenna. In attesa del campo elettromagnetico, oltre alla matrice multi-porta S-parametro, sono stati supportati modelli di radiazione 3D in una varietà di formati di simulatori elettromagnetici standard del settore. L'idea principale è quella di fornire "lo strumento più adatto per ogni problema", in modo che la piattaforma sia il più neutrale possibile in termini di input e output dei dati. Per un sistema N-antenna sotto una determinata struttura, la matrice dei parametri NxN S e i modelli di radiazione N (sovrafrequenza) possono realizzare la caratterizzazione completa del sistema lineare "dall'ingresso dell'antenna allo spazio libero".

La linearità del sistema multi-antenna può essere calcolata ponderando e sommando il campo in base al valore di tensione/corrente del terminale di ingresso antenna. L'analisi del circuito non considera solo gli elementi corrispondenti, i filtri e i diversi terminali alla porta dell'antenna, ma coinvolge anche il parametro S L'effetto di accoppiamento di potenza tra le porte rappresentate dalla matrice. Pesando e sovrapponendo tutti i modelli di antenna, il modello totale di radiazione ottenuto può essere utilizzato per calcolare con precisione l'efficienza di radiazione di ogni antenna. Il processo di combinazione del circuito analogico (tensione, corrente) e analogico elettromagnetico (modello di radiazione) è quello di associare due campi.

Come accennato in precedenza, qualsiasi dominio analogico non è sufficiente per essere utilizzato da solo: il dominio analogico del circuito ignora completamente l'efficienza di radiazione e l'efficienza di radiazione di alcune antenne in situazioni reali può essere inferiore o inferiore al 30%. Il dominio di simulazione elettromagnetica non è in grado di calcolare il valore ponderato corrispondente di ogni modello di radiazione, con conseguente inesatta efficienza di radiazione. Di solito è più importante che il dominio analogico elettromagnetico ignori la perdita di vari componenti del circuito tra l'amplificatore e l'ingresso dell'antenna, e questo tipo di perdita rappresenta un'alta percentuale della perdita totale.

Poiché la combinazione di questi domini di simulazione è chiaramente utile, gli strumenti di analisi forniscono diversi gradi di integrazione o co-elaborazione tra i domini. Tuttavia, rispetto a tutte le soluzioni precedenti, Optenni Lab presenta tre caratteristiche completamente diverse: 1) Considerare l'ignoranza degli strumenti di simulazione elettromagnetica; 2) "Dal punto di vista del circuito" nella sintesi topologica automatica; 3) Dal punto di vista del sistema Progettare specialmente il numero di antenne.

Perché usare la sintesi topologica? Il problema multi-antenna compatta altamente accoppiata significa che "tutto dipende da tutto", in altre parole, tutte le antenne devono essere abbinate e ottimizzate in modo coerente. La scelta del circuito di corrispondenza dell'antenna A influenzerà come scegliere i circuiti corrispondenti delle antenne B, C, D e così via. Per problemi multi-porta, il numero di possibili topologie di corrispondenza aumenta esponenzialmente con il numero di componenti corrispondenti e il numero di porte, quindi anche per la sintesi automatica, questo metodo semplice e grezzo non è ancora consigliabile, figuriamoci impostare manualmente ogni topologia! Ma possiamo adottare alcune ipotesi ragionevolmente semplificate per rendere il problema più facile da affrontare. Queste ipotesi determinano infine l'efficacia della risoluzione del problema accoppiato multi-porta matching, ma va notato che se il metodo di sintesi topologica non può caratterizzare correttamente le prestazioni del sistema, il metodo è per lo più inutile. Pertanto, le capacità di analisi devono precedere le capacità di sintesi e ottimizzazione. Dal punto di vista dello sviluppo della piattaforma di progettazione, queste capacità sono attributi indipendenti, ma dal punto di vista dell'utente, queste capacità sono ovviamente strettamente correlate.

Soluzione di sintesi La "scatola nera" nella parte anteriore dell'antenna è la forma base di una soluzione di sintesi automatica per produrre un circuito di corrispondenza ottimizzato. L'efficienza totale di questi circuiti di corrispondenza sarà ottimizzata (considerando la perdita dei componenti e l'efficienza della radiazione dell'antenna, e possono essere ottenute varie metriche di decomposizione, come perdita di disallineamento, perdita totale di trasmissione/collegamento RF e efficienza totale). Questi dati verranno visualizzati anche nel diagramma del bilanciamento della potenza. Le figure 2 e 3 illustrano i risultati delle trappole di ottimizzazione comuni quando l'attenzione è su S11. Una buona corrispondenza dell'impedenza non garantisce buone prestazioni. Pertanto, è importante che lo strumento di ottimizzazione sia in grado di identificare le variabili che influenzano effettivamente la libreria di componenti discreta Optenni Lab integra modelli di componenti effettivi provenienti da librerie di prodotti di più fornitori. Di conseguenza, la perdita e il valore di tensione/corrente di ogni elemento corrispondente possono essere calcolati con precisione. Inoltre, questo metodo può identificare il valore nominale del componente e avvertire il progettista quando il valore nominale viene superato per evitare danni. Al fine di supportare la progettazione ad alta potenza e ad alta frequenza, questo metodo ha realizzato la funzione di sintesi microstrip e aggiunto automaticamente modelli discontinui. Allo stesso tempo, supporta il design ibrido, integrando componenti discreti e linee microtrip. Ad esempio, l'uso di condensatori di blocco DC o l'uso di segmenti di linea microstrip invece di induttori di serie grumi.

Una parte importante della progettazione del circuito di corrispondenza è il layout PCB. Optenni Lab utilizza un set di modelli di simulazione elettromagnetica multi-porta S-parameter per caratterizzare il layout PCB per supportare l'integrazione con qualsiasi layout (Figura 4). La caratterizzazione semplificata del layout può anche essere costruita con l'aiuto di microstrip. In entrambi i casi, i componenti chiave della sintesi sono reattori per uso generale, o induttori (induttori) o reattori capacitivi (condensatori). Pertanto, anche se il layout è fissato a una forma specifica come una topologia di tipo Pi o di tipo T, è comunque necessaria una combinazione alternativa di dimensioni 2N di L e C. Optenni Lab sintetizza tutte queste strutture e ordina i circuiti ottimizzati nella lista in base alle prestazioni.

Generalmente, altri componenti della catena RF devono essere considerati, come balun, filtri, linee di trasmissione / cavi e interruttori. Tali componenti di radiofrequenza sono adatti per un ambiente di circuito di 50 ohm, ma come accennato in precedenza, l'impedenza dell'antenna può deviare significativamente da 50 ohm, quindi ogni componente non è più in un ambiente di impedenza adatto. Optenni Lab ha introdotto componenti modulari sintetici per abbinare più interfacce antenna sulla catena RF per raggiungere la funzione complessiva di ottimizzazione della catena dell'obiettivo progettuale, come massimizzare la potenza radiata totale della parte rimanente della banda passante e le prestazioni richieste della banda passante. La figura 5 mostra lo schema di configurazione.

Di conseguenza, l'attenzione alla progettazione è sul problema di sensibilità causato dal piccolo cambiamento del valore del componente corrispondente. A volte la soluzione apparentemente ottimale sembra buona durante ispezioni rapide, ma i risultati si rivelano appariscenti, perché piccole modifiche nei valori dei componenti possono ridurre l'efficienza del sistema. La figura 6 mostra un esempio in cui l'efficienza della soluzione "ottimale" è fortemente ridotta a causa di una tolleranza dei componenti del 5%. Al contrario, la topologia classificata al 3° posto nelle prestazioni nominali mostra il valore di risposta più stabile. Optenni Lab riordina automaticamente in base a questa sensibilità di tolleranza, e rispetto all'analisi manuale, il costo può essere notevolmente ridotto: decine o centinaia di topologie alternative sono disponibili.

Funzioni di analisi e sintesi specifiche multi-antenna La progettazione tradizionale multi-antenna si basa sull'elemento radiante per ottenere risonanza alla frequenza richiesta e l'isolamento tra le antenne è ottenuto attraverso la separazione fisica, ma questo è limitato da fattori di progettazione industriale. Per i dispositivi compatti, la separazione fisica può avere limitazioni e gli effetti di accoppiamento possono rappresentare enormi sfide. Inoltre, per la migliore progettazione PCB, è importante essere in grado di calcolare il modello di radiazione e l'efficienza di radiazione del sistema di corrispondenza.

Quando l'effetto di accoppiamento è forte, l'antenna A sarà eccitata, quindi l'antenna B avrà la corrente indotta, che influenzerà il modello di radiazione a campo lontano dell'antenna A. Queste correnti indotte dipendono dal terminale dell'antenna B. Diverso dal calcolo della corrente distribuita indotta sull'elemento antenna, questo metodo annulla la corrente indotta sul punto di alimentazione dell'antenna, e calcola lo schema di radiazione totale attraverso la sovrapposizione del campo lontano composito. L'efficienza della radiazione viene quindi calcolata a partire dal campo lontano totale.