IC-Substrat - Design Automation für RF Front-End Optimierung

Bei der Implementierung von Carrier Aggregation im RF Frontend, einige neue Probleme werden auftreten, die hauptsächlich mit dem Einsatz von Filtern in einer Umgebung mit dynamischen Impedanzänderungen zusammenhängen. Dieser Artikel wird auf einige dieser Probleme eingehen, und eine Entwurfsmethode vorschlagen, um automatisch eine große Anzahl von SchaltungenKandidatenlösungen auf Ebene, dadurch die Belastung der Planer, und relativ einfach durchführbare Lösungen zu screenen.
Wo liegen die Designherausforderungen??
Figure 1 is a simplified block diagram of a possible architecture of a bidirectional inter-band downlink carrier aggregation (DL CA) system, In dem der RX-Zweig von Band 3 dynamisch parallel mit dem TX verbunden werden kann/RX-Zweig der Band 1. Dieses Design kann einfach auf mehrere Komponententräger und verschiedene Schaltkonfigurationen erweitert werden. Zum Beispiel, "Infineon Mobile Communication Application Guide"empfiehlt die Verwendung von Single-Antenne und Dual-Antenne Downlink RFFE Architekturen, Unterstützung von bis zu fünf CA-Bauteilträgern. Die Grundbausteine sind Schalter, Duplexer, und Bandpassfilter. Diese Module sind bekannt, hochwertig, und weit verbreitet in Mobiltelefonen. Daher, Das aktuelle Problem ist neben der Auswahl der Intermodulationsarchitektur und der Frequenzplanung zusätzlich zur Behandlung, Gibt es irgendwelche Fragen, die besondere Aufmerksamkeit erfordern?
Leider, Die Antwort lautet ja: Einer der größten Designengpässe ist, dass sobald die Filter parallel geschaltet werden, Sie werden unweigerlich die Leistung des anderen erheblich beeinflussen. Zum Beispiel, Abbildung 2 zeigt, dass die Band 8- und Band 1-Filter separat verbunden sind und mit dem Frequenzgang an öffentlichen Knoten verbunden sind. Es ist erwähnenswert, dass die Leistung des Band-1-Filters vollständig durch den Band-8-Filter zerstört wird, und die Leistung des Band 8-Filters ist aufgrund des Vorhandenseins des Band 1-Filters grundsätzlich unverändert.
Die Out-of-Band Unterdrückung dieser beiden Filter ist sehr gut, also auch bei Filterleckstrom, Es kann die Beschädigung des Band 1 Filters nicht erklären. Allerdings, Wenn wir uns die Eingangsimpedanz des Band 8 Filters an der Band 1 Frequenz in Abbildung 3a ansehen, Wir können feststellen, dass der Band 8 Filter wie eine offene Übertragungsleitung mit einer elektrischen Länge von etwa 67 Grad anstelle eines offenen Stromkreises aussieht. Wenn der Band 1-Filter verwendet wird, um ihn mit einem gemeinsamen Knoten zu verbinden, Der Band 8 Filter lädt die Leistung des Band 1 Filters ähnlich wie ein offener Stub, und dies wird die Leistung des Filters vollständig ändern!

Zur Zeit, Wir können bereits erraten, warum die Existenz des Band 1 Filters die Leistung des Band 8 Filters nicht zerstört. If we look at the input impedance of the Band 1 filter at the Band 8 frequency (Figure 3b), Wir werden feststellen, dass der Band 1 Filter im Wesentlichen ein offener Kreislauf ist, was rein zufällig ist. Das zu wissen, wir können uns ein praktisches Ziel vorstellen, which is to design a matching circuit (phase shifter) to preserve the passband behavior of the filter while mapping the response of other component carrier frequencies to the open circuit. Wenn dieses Ziel erfolgreich erreicht wird, dann sind die Filter transparent zueinander und können in jeder CA-Konfiguration angeschlossen werden. We call this part of the design process "filter matching"
The challenge of solving the filter matching problem
A matched solution can only become a more or less perfect solution under more occasional circumstances. Dies ist in der Regel bei Bauteilträgern mit großem Frequenzabstand der Fall, such as between a low-band (LB) pair and a high-band (HB) pair. Wenn mehr als eine Bauteilträgerfrequenz einem offenen Stromkreis zugeordnet werden muss, es ist schwieriger, gegenseitigen offenen Kreislauf zu erreichen. Darüber hinaus, unter der Prämisse, das Passband-Verhalten nicht signifikant zu beeinflussen, Komponententräger benachbarter Frequenzen können schwer aufeinander abgestimmt werden. Ein weiterer Punkt ist, dass es in der Praxis in der Regel widersprüchliche Einschränkungen gibt, Dies führt zu einer sehr geringen Anzahl externer Matching-Komponenten. Daher, Idealerweise sollte der Akustikfilter im Vorfeld so ausgelegt werden, dass er für einige CA-Systeme mit sehr wenigen passenden Komponenten qualifiziert werden kann., Der Filter selbst hat jedoch noch nicht genügend Gestaltungsfreiheit, um die Notwendigkeit einer externen Abstimmung vollständig auszuschließen.
Daher, Unser Designprozess kann immer noch nur versuchen, zuerst zu passen. Wenn es gelingt, wir wissen, dass CA grundsätzlich funktionieren kann. Im Entwurfsprozess der Verwendung von Filter Cooperative Matching, Wir müssen oft akzeptieren, dass die Lösung keinen präzisen offenen Kreislauf bei der Bauteilträgerfrequenz liefern kann, was viel Interaktion und Last zwischen den Filtern hinterlässt. Unter Bezugnahme auf Abbildung 1, Wir haben auch Schalter, die diese Interaktionen verbinden, und die elektrische Größe der Schalter ist groß genug, so können sie auch helfen, effektiv einen Filter auf einen anderen zu laden.
Kurz gesagt, um diese Probleme gemeinsam zu lösen, Es ist notwendig, das komplette Modell einschließlich Schalter zu verfeinern, Filter, und externe Matching-Schaltungen.
Example: Band 1 + Band 3 downlink carrier aggregation
The component carrier frequency bands are relatively close to each other. Verwenden repräsentativer Public Domain S-Parameter Modelle für Band 1 Duplexer und Band 3 RX Filter, sowie universelle Halbleiter-SP2T-Modelle, die parallele Wurfzustände unterstützen. In der Nicht-CA-Konfiguration, Der Schalter verbindet die Antenne mit dem Band 1 Zweig; in der CA-Konfiguration, Der Schalter verbindet die Antenne mit den Band 1 und Band 3 Zweigen. Daher, Die passende Schaltung sollte optimiert werden, um sie für diese beiden Konfigurationen geeignet zu machen. Wir weisen den Schalter RF1 Knoten Band 1 und den RF2 Knoten Band 3 zu, and use the 0201 package size Murata discrete component model of the library LQW03AW_00 (inductor) and GJM03 (capacitor) to design the matching circuit.

Zuerst versuchen wir, den Band 3 Filter anzupassen. Bei allen Matching-Aufgaben setzen wir die Software-Plattform OptenniLab ein, da sie eine Vielzahl von Kandidatentopologien automatisch synthetisieren und optimieren kann. Diese Software ist für unser Design unerlässlich: selbst wenn es höchstens zwei passende Komponenten gibt, hat jede Schaltung 17 verschiedene Topologieoptionen, und wenn es keine offensichtliche Lösung gibt, um eine gute Übereinstimmung zu erzielen, ist es oft schwierig vorherzusagen, welche Topologiekombination die beste Leistung erzielen kann. Beispielsweise kann es für einen einzelnen Duplexer, wenn jeder Zweig höchstens zwei übereinstimmende Komponenten hat, insgesamt 173=4913 verschiedene Topologien geben. Die meisten Topologien sind zum Scheitern verurteilt, aber die Software-Plattform für HF-Design-Automatisierung kann problemlos mehr als 100-bezogene Topologien optimieren und automatisch sortieren, wobei auch die Empfindlichkeit der Lösung gegenüber Komponententoleranzen berücksichtigt wird. Dies hat dem Designprozess sehr geholfen, so dass wir grundsätzlich die topologische Kombination mit der besten Leistung und der stärksten Toleranzstabilität nicht verpassen würden, sonst wäre es leicht, eine solche Lösung zu verpassen, wenn wir nur auf manuelle Ableitung einer begrenzten Anzahl von Topologien angewiesen wären.

Daher, Wir verwenden das Band 3 Filtermodell als Basis, und synthetisieren Sie die passende Schaltung mit dem offenen Schaltungsziel von Band 1 und der guten Einfügedämpfung von RX in Band 3 als Ziel. Da Band 1 und Band 3 sehr nah beieinander sind, Die gemeinsame Matching-Herausforderung, mit der wir konfrontiert sind, ist wie folgt: Die Frequenz von Band 1 kreuzt einen langen Bogen am Rand des Smith Charts, und die Ergebnisse des Versuchs, es in der Nähe des offenen Schaltungspunktes zu platzieren, sind zwangsläufig übereinstimmend. Der Frequenzbandgang schafft einen erheblichen Kompromiss. Es gibt viele topologische Schemata zur Auswahl, von denen einige bessere Einfügedämpfung haben, und einige können besser auf offene Schaltungen abgebildet werden. Es ist schwierig, beides zu haben. Abbildung 4 zeigt die Impedanzen von Band 3 RX und Band 1, und vergleicht den unübertroffenen Filter mit unserem ausgewählten kooperativen Matched Filter, inklusive 3 aufeinander abgestimmter Komponenten am Eingang des Filters und 2-Komponenten am Ausgang.
Dieser Artikel vergleicht zwei Methoden des Abgleichs CA-Filter. Bei der Methode "kooperatives Matching", die Filter werden zuerst individuell abgestimmt, mit dem Ziel, einen offenen Kreislauf mit der Frequenz eines anderen Filters zu erreichen. Danach werden die Ergebnisse dieser Teilprobleme kombiniert und fein abgestimmt, eine praktikable Lösung in der Regel erhalten wird. Allerdings, Dieser Prozess kann grundsätzlich nur eine passende Topologie erhalten, oder es erfordert Zeit und Mühe, die Kandidatenergebnisse jedes Teilproblems manuell zu kombinieren. Daher, Wir schlagen eine zweite Methode namens "Full-Image Optimierung" vor, der den kooperativen Matching-Schritt auslässt und direkt nach dem beste Schaltung according to actual performance indicators (ie, signal insertion loss and suppression). Auf diese Weise, die wirtschaftlichste Lösung kann sehr effektiv identifiziert werden. Für die komplexere CA Architektur in der Praxis, Es kann hilfreich sein, die beiden Methoden zu mischen. Wir können das "Full Graph Optimization" Design für einige Funktionsblöcke verwenden, und dann kombinieren und verfeinern, ähnlich der "Collaboration" Match-Methode. Bei all diesen Methoden, Die RF-Design-Automatisierungsplattform, die wir übernommen haben, spielt eine zentrale Rolle, weil es die meisten manuellen Operationen eliminiert, die Designer für die Entwicklung von Software bei der Lösung von CA-Problemen aufwenden müssen.