IC Alttrate - Bir sonraki nesil RF tasarım otomatik platformu çoklu anten değerlendirmesi ve performans optimizasyonu için

Kablosuz teknolojinin değişiklikleriyle, birçok taşınabilir cihazlardaki radyo sistemlerin sayısı artmaya devam ediyor. İşler ve 5G uygulamalarının ortaya çıkan İnternet ile bu tren hala artıyor. Bu trende radyo frekans tasarımcılarına zorluk getirdi, çünkü birkaç radyo sisteminin aynı zamanda çalıştığı performansını sağlaması gerekiyor, ama araştırmaları ve güç kaybını küçültmek gerekiyor.

Bu makale anten görüntüsünden çoklu sistem tasarımın sorunlarını açıklıyor. Eşyalardaki anten elementlerin sayısını arttırmak, üstündeki çoklu sistem treniyle uyumlu anten evrimindeki ana trendi. Ancak anten çeşitliği, çoklu girdi çoklu çıkış ve ışık biçimlendirme teknolojisi bu süreç daha fazla terfi etti. Aynı zamanda, cihazın büyüklüğü arttıramaz, anten yoğunluğu arttırır. Bu yüzden arttırılmaya sebep olacak. Bu, çoklu anten sistemlerinin tasarımında en önemli zorluklardan biridir.

antenler arasında bağlantı çünkü antenler temel olarak rezonant yapılarıdır, antenler arasında bir araya yakın bir bağlantı olabilir. Antenalar arasındaki mesafe çok yakın ve operasyon frekansları birbirlerine yakın olursa, resonans daha güçlüdür. Diğer fiziksel yapılara benzer, antenler genellikle en düşük frekansları ya da temel frekanslarının harmonik çarpmalarına benziyor. Bu yüzden 3GPP grubu 3 (1710 -1880 MHz) ve 5 GHz antene (5170-5835 MHz) üç güçlü harmonik rezonans olabilir. Kompakt aygıtlardaki anten radyasyon örnekleri genellikle izotropik. Antena yöntemi, karışık polarizasyon ile izolasyon için kullanılabilir olsa da bu yaklaşım sadece en basit davalarda çalışır. Örneğin en ideal durumda dipol aksi boyunca sıfır radyasyon olan dipol örneğinde sadece üç anteni örneğinin özelliklerinden ayrılabilir. Periferik antenelerin sayısı sık sık birbirlerinin yakın alanında bulunan antenelerin sayısını aştır (Figure 1), ve endüstri tasarımı antenelerin optimal elektromagnet pozisyonu şeklinde yerleştirilemez. Bu yüzden bazı bağlantılarla ilgilenmeliyiz.

Farklı radyo sistemleri, RF ön tarafından filtreler tarafından etkili olarak ayrılır, fakat hala birçok sebep var ve antenler arasındaki bağlantı etkisi dikkatli şekilde halledilmeli. İlk olarak, çoklu girdi çıkış sistemleri farklı tipler anten arasında aynı frekans bandları vardır. İkinci olarak, harmonik frekanslarda güçlü bir bağlantı gönderici A'nin B'nin operasyon frekansları grubuna eşit olmasını neden olabilir filterin de pasabanda antene benzeri harmonik periyodikleri gösterebilir. Üçüncüsü, filtr duran grubu genelde 50 ohm devre ortamları için uygun ve anten impedance 50 ohm'dan başka değer olabilir. Bu yüzden gerçek geç grubu tasarım değerinden önemli bir şekilde değiştirebilir. Bu yüzden performans genelde sadece duran grubu geçiş grubuna yakın olduğunda daha iyi olur. Bu, A sisteminin filtrü B sisteminden A sisteme bağlanmış gücünü sızdırabilir. Sonunda kompakt antenelerin radyasyon etkinliği çok fakir olabilir. Diğer sözleriyle, radyo sistemi tamamen filtrelense bile, çevreli antenler birleşme gücünün büyük bir parçasını tüketecek.

Yukarıdaki sorunlardan kaçırmak için, anten sistemi için yeni, büyük bir analiz ve optimizasyon metodlarını önermemiz gerekiyor.

Neden bulunan analiz metodları buna karşı koyamaz?

Geçmişte üç farklı anten sistemi analiz metodlarını kullandık:

1. Ölçüme tabanlı yöntemi: Çoklu liman sisteminin S-parametreleri bir çoklu liman vektörü a ğ analizicisi (VNA) tarafından karakterizi alır ve her antene uygun radyasyon örneki aneksik odada bulunan bir el ölçüm cihazı tarafından ölçülür.

2. Genel radyo frekansları simülatörü anten sisteminin devresini analiz edebilir, ama radyasyon ile ilgili miktarda ve etkileşimliliğe etkisi yok.

3. Anten sisteminin elektromagnetik simülasyon sistemi el ölçüm cihazını değiştirmek için fleksibil bir sanal modeli kullanır, ve konneksel elektromagnet yazılımı de çok fazla analog veri sonrası işleme fonksiyonları içeriyor.

Yukarıdaki tüm metodlar birçok anten sisteminde karşılaştırma şartlarını doğru yönetmez. 1. yöntemi için, çünkü radyasyon etkisizliği her limanın terminalin ve 3D radyasyon örneklerinin süperpozisyonuna bağlı, radyasyon etkisizliğini doğrudan hesaplaması da zor bir problemdir. Ayrıca, radyasyon etkileşimliliği verileri genelde S-parametreleri yerine frekans gri noktaları tarafından tanımlanır, ki toplam etkileşimliliğin hesaplaması daha karmaşık olabilir. Tipik 12-anten sistemi 132 karşılaştırma şartları içeriyor. Tüm etkileşimliliğini hesaplamak için denklemde çok fazla birleşme şartlarını el olarak yazmalıyız.

Birleşme kaybını ve terminal ile alakalı radyasyon etkiliğini düşünerek, elektromagnetik simülatörü genellikle çoklu anten sorunu için daha uygun ve her antenin toplam etkiliğini hesaplanabilir. Açıkçası, elektromagnet simülatörü sadece yerel proje radyasyon örneğini yerel biçimde destekliyor. Maalesef radyasyon örneğin in standart format ı yok. Bu anlamına geliyor ki, her elektromagnet simülatörü kendi radyasyon örneğin in forması var ve mod verileri farklı simülatörler arasında paylaşılmaz, böylece S parametre dosyaları gibi.

Fakat elektromagnet simülatörleri de kör noktalar var. Antenna liman terminal'a eşleşen devreler, filtreler, etc. ile ulaştığında devre komponentleri ve modellerine ihtiyacımız var. RF simülatörü komponent kütüphanesine daha fazla dikkat verir ve gerçek komponent modeli tüm sistemi analiz ederken genelde aynı şekilde önemlidir. Ayrıca, bu sadece tüm etkileşimliliğe sahip değil, aynı zamanda komponent kaybı, voltaj ve akışları devreğin farklı parçalarını bağlayan bölgeleri de dahil olur. Bu tür performans analizinde, RF simülatörleri güçlüdür, ama bütün etkileşimliliğini analiz ederken, kesinlikle şüphesiz sağlamıyorlar.

Hepsi, antenden özgür uzaya girmek için elektromagnet simülatörü uygun ve radyo frekans devre simülatörü, amplifikatörden anten girişinin karakterizi için S matris port için uygun. Yukarıdaki iki yöntemi birleştirebilecek bir analiz metodu var mı?

Yeni yazılım geliştirildi ki, çoklu anten sistemlerin durumunu analiz etmek üzere elektromagnetik ve radyo frekans devre simülatörlerinin avantajlarını birleştirir ve sistem performansını otomatik devre sintezi üzerinden iyileştirir.

Anten sisteminin performansını geliştirmesi genellikle basit eşleştirme ve devreler arasından başarılır. Ama eğer yukarıdaki bütün faktörlerin doğru ve aynı zamanda düşünülmesini sağlamak zorundaysanız sistem performansını doğru şekillendirmelisiniz.

Yeni yöntem Optenni Lab radyo frekansı tasarımı yazılım platformu içindedir. Yıllar geliştikten sonra, çoklu anten sisteminin elektromagnetik ve devre problemlerini anlamsız bir şekilde bağlayabilir. Çoklu liman S-parametre matrisinin yanında, çeşitli endüstri standart elektromagnetik simülatör formatlarında üç boyutlu radyasyon örnekleri de desteklenmiştir. Ana fikir "her sorun için en uygun araç sağlamak" demektir. Bu yüzden platforma veri girdi ve çıkış açısıyla mümkün olduğunca neutraldir. N-anten sistemi için, belirtilen bir yapı altında, NxN S parametre matrisi ve N radyasyon örnekleri (frekans üzerinde) lineer sistemin "anten girişinden boş uzaya kadar" tam karakterizini anlayabilir.

Çoklu anten sisteminin linearitetini anten giriş terminalinin voltaj/ağır değerine göre alanı ağırlıkla ve toplayarak hesaplanabilir. Devre analizi sadece anten limanında eşleşen elementleri, filtreler ve farklı terminalleri düşünmüyor değil, ama aynı zamanda S parametrü matris tarafından temsil edilen portların arasındaki güç bağlama etkisi katılır. Tüm anten örneklerini ağırlıklayıp üstüne koyarak, alınan toplam radyasyon örneklerini her antenin radyasyon etkinliğini tam olarak hesaplamak için kullanabilir. Döngü analog (voltaj, current) ve elektromagnet analog (radyasyon örneği) birleştirme süreci iki alanı bağlamaktır.

Daha önce bahsettiği gibi, her analog alan yalnız kullanılabilecek kadar yeterli değil: devre analog alanı radyasyon etkisizliğini tamamen ihmal ediyor ve gerçek durumlardaki bazı antenlerin radyasyon etkisizliği %30 ya da düşük olabilir. Elektromagnetik simülasyon alanı her radiasyon modelinin uyumlu ağırlık değerini hesaplamaz, yanlış radyasyon etkileşimliliğine sebep olabilir. Genelde elektromagnetik analog alanının amplifikatör ve anten girişi arasındaki çeşitli devre komponentlerinin kaybını görmezden geleceği ve bu tür kaybın toplam kaybının yüzdesi yüksek hesaplaması daha önemlidir.

Çünkü bu simülasyon alanların birleşmesi açıkça faydalı, analiz araçları alanların arasında farklı integrasyon ve işleme derecelerini sağlar. Ancak önceki çözümlerle karşılaştırıldığında Optenni Laboratuvası üç tamamen farklı özellikleri vardır: 1) Elektromagnetik simülasyon araçlarının bilmezliğini düşünün; 2) "devre perspektivinden" otomatik topoloji sintezi haline geldi; 3) Sistem görüntüsünden özellikle anten sayısını tasarlayın.

Neden topoloji sintezi kullanıyorsun? Yüksek birleşmiş bir çoklu anten sorunu "her şeyin her şeye bağlı" demektir. Diğer sözleriyle, tüm antenler eşleştirilmeli ve iyileştirilmeli. Antena A'nın eşleştirme devresinin seçimi, anten B, C, D'nin eşleştirme devrelerinin nasıl seçilmesini etkileyecek. Çoklu liman sorunları için, mümkün eşleştirme topologilerin sayısı eşleştirme komponentlerin sayısıyla ve portların sayısıyla eşleştirmeye rağmen arttırılacak. Bu basit ve çirkin metodu hâlâ tavsiye edilemez. Her topoloji kendine ayarlayın! Ama sorunu daha kolaylaştırmak için mantıklı basitleştirilmiş tahminleri kabul edebiliriz. Bu tahminler sonunda birleşmiş çoklu port uygulama sorunu çözmesinin etkinliğini belirliyor, fakat topoloji sintez metodu sistem performansını doğrudan tanımlayamazsa, metodu genellikle faydalı değildir. Bu yüzden analiz kapasiteleri sintez ve optimizasyon kapasitelerinden önce olmalı. Tasarım platformu geliştirmesinin perspektivinden bu yetenekler bağımsız özelliklerdir, fakat kullanıcının perspektivinden bu yetenekler açıkça yakın bir bağlantıdır.

Sentez çözümüThe "black box" at the front of the antenna is the basic form of a automatic synthesis solution to produce a optimized matching circuit. Bu uyuşturucu devrelerin toplam etkileşimliliğini iyileştirir (komponent kaybı ve anten radyasyon etkileşimliliğini ve çeşitli parçalama metrikleri, yanlış uyuşturucu kaybı, toplam transmis/RF bağlantı kaybı ve toplam etkileşimliliğini düşünerek alınabilir). Bu veriler de güç dengeleme diagram ında gösterilecek. Şekiller 2 ve 3, S11'e odaklandığında ortak optimizasyon tuzağının sonuçlarını gösteriyor. İyi impedans eşleşmesi iyi performansı garanti etmiyor. Bu yüzden, optimizasyon aracı gerçek etkileyici değişkenleri belirlemesi gerektiğini önemlidir. Optenni Lab diskret komponent kütüphanesi çoklu teminatçı ürün kitaphanelerinden gerçek komponent modellerini integre ediyor. Sonuç olarak, her eşleştirme elementinin kaybı ve voltaj/a ğımdaki değeri tam olarak hesaplanabilir. Ayrıca bu yöntem, komponentin değerini belirleyebilir ve tasarımcı değeri hasardan kaçırmak için değerini aştırdığında uyarır. Yüksek güç ve yüksek frekans tasarımı desteklemek için bu yöntem mikrostrip sintezinin fonksiyonunu ve otomatik olarak kesici modelleri ekledi. Aynı zamanda hibrid tasarımı destekliyor, diskretli komponentleri ve mikro strip çizgilerini integre eder. Örneğin, DC blok kapasitörlerinin kullanımı, ya da mikrostrip çizgi bölümlerinin kullanımı, çarpılmış seri induktörlerinin yerine.

Eşleşen devre tasarımının önemli bir parçası PCB tasarımıdır. Optenni Lab, herhangi bir düzenle integrasyonu desteklemek için PCB düzenini karakterizlemek için çoklu liman S-parametre modelleri kullanır. Basitleştirilmiş dizim karakterizi mikrostrip yardımıyla da inşa edilebilir. İki durumda sintezin anahtar parçaları genel amaçlı reaktörler, ya da indukatörler (indukatörler) ya da kapasitet reaktörler (kapasitörler). Bu yüzden, dizim, Pi tipi ya da T tipi topoloji gibi özel bir şekilde sabitlenmiş olsa bile, L ve C boyutlarının alternatif bir kombinasyonu hala gerekli. Optenni Laboratuvası tüm bu yapıları sintezleştirir ve listedeki en iyileştirilmiş devreleri performansına göre düzenler.

Genelde, RF zincirindeki diğer komponentler, balun, filtreler, transmis hatları/kablolar ve değişiklikler gibi düşünmeli. Böyle radyo frekans komponentleri 50 ohm devre çevresinde uygun ama önceden bahsettiği gibi anten impedansı 50 ohm'den önemli bir şekilde ayrılabilir, yani her komponent artık uygun bir impedans çevresinde değildir. Optenni Lab, RF zincirindeki çoklu anten arayüzlerini uygulamak için dizayn hedefinin genel zincir optimizasyon fonksiyonunu sağlamak için sintetik modüler komponentleri tanıttı. Böylece, pasabandın kalan kısmını ve gerekli stopband performansını tamamen yayılmış gücünü arttırmak gibi. 5. görüntü ayarlama şematiğini gösteriyor.

Doğrusu, tasarım odaklanması, eşleşen komponent değerinin küçük değişikliği nedeniyle hassasiyet sorunu üzerindedir. Bazen hızlı denetimler sırasında görünüşe göre optimal çözüm iyi görünüyor, fakat sonuçlar parlak görünüyor, çünkü komponent değerlerinde küçük değişiklikler sistem etkinliğini azaltır. Görüntü 6'nun "optimal" çözümün etkileşimliliğinin %5'lik bir komponent toleransı yüzünden ciddi düşürüldüğü örnek gösteriyor. Farklı olarak topoloji değerlendirilmiş performansın 3. sınıfında en stabil cevap değerini gösterir. Optenni Laboratuvası bu tolerans duygularına göre otomatik olarak yeniden düzenleyebilir ve el analiziyle karşılaştırılır, maliyeti çok azaltılabilir: yüzlerce ya da yüzlerce alternatif topolog kullanılabilir.

Multi-antenna özel analiz ve sintez fonksiyonları Tradicional Multi-antenna tasarımı gerekli frekanslarda rezonans ulaştırmak için radyasyon elementine bağlı, ve antenler arasındaki izolasyon fiziksel ayrılma aracılığıyla ulaştırılır, fakat bu endüstri tasarım faktörleri tarafından sınırlı. Kompakt aygıtlar için fiziksel ayrılma sınırları olabilir ve bağlantı etkileri büyük sorunlar oluşturabilir. Ayrıca, PCB'nin en iyi tasarımı için eşleştirme sisteminin radyasyon örneğini ve radyasyon etkisizliğini hesaplamak önemlidir.

Birleştirme etkisi güçlü olduğunda, antena A heyecanlandırılacak, bu yüzden antena B, A'nin uzak alan radyasyon örneğine etkileyecek. Bu etkilendirilen akışlar antena B'nin terminal üzerinde bağlı. Antena elementinde dağıtılmış akışı hesaplamaktan farklı. Bu yöntem, antena besleme noktasından etkilendirilmiş akışı iptal eder. Ve kompozit uzak alanın süper pozisyonu üzerinden toplam radyasyon örneğini hesaplar. Radyasyon etkileşimliliğini toplam uzak alandan hesaplanır.