IC-Substrat - Automatisierungsplattform für HF-Design der nächsten Generation für Multi-Antennen-Evaluierung und Leistungsoptimierung

Mit den Veränderungen in Funktechnik, Die Anzahl der Funksysteme in vielen tragbaren Geräten steigt weiter, und mit dem aufkommenden Internet der Dinge und 5G-Anwendungen, dieser Trend wächst weiter. Dieser Trend hat die Hochfrequenzgestalter vor Herausforderungen gestellt, weil sie die Leistung mehrerer Funksysteme gewährleisten müssen, die gleichzeitig arbeiten, müssen aber auch Störungen und Stromausfall minimieren.

Dieser Artikel erläutert die Probleme des Multi-System Designs aus der Perspektive von Antennen. Die Zunahme der Anzahl der Antennenelemente in Geräten ist der Haupttrend in der Antennenentwicklung, im Einklang mit dem oben genannten Multi-System-Trend. Allerdings, Antennenvielfalt, Mehrfacheingang Mehrfachausgang und Beamforming Technologie haben diesen Prozess weiter gefördert. Zur gleichen Zeit, weil die Größe des Gerätes nicht vergrößert werden kann, die Antennendichte steigt. Dies wiederum führt zu einer erhöhten Kopplung, eine der größten Herausforderungen bei der Gestaltung von Mehrantennensysteme.

Coupling between antennas
Since antennas are essentially resonant structures, Es kann eine Kopplung zwischen Antennen geben, die nah beieinander liegen. Wenn der Abstand zwischen den Antennen sehr nah ist, und ihre Betriebsfrequenzen sind nah beieinander, die Resonanz ist stärker. Ähnlich wie andere physikalische Strukturen, Antennen resonieren normalerweise mit ihrer niedrigsten Frequenz oder harmonischen Vielfachen der Grundfrequenz. Daher, the antenna suitable for 3GPP band 3 (1710 -1880 MHz) and the 5 GHz antenna (5170-5835 MHz) may have three strong harmonic resonances. Das Antennenstrahlmuster in kompakten Geräten ist normalerweise isotrop. Obwohl die Antennenorientierung zur Isolierung durch Kreuzpolarisation verwendet werden kann, Dieser Ansatz funktioniert nur in den einfachsten Fällen. Zum Beispiel, im Idealfall, Ein Dipolmuster mit Nullstrahlung entlang der Dipolachse kann nur drei Antennen durch seine Mustereigenschaften isolieren. The number of peripheral antennas often exceeds the number of antennas located in the near field of each other (Figure 1), und Industriedesign können die Antennen nicht optimal elektromagnetisch positionieren. Daher, wir haben mit einem gewissen Grad der Kopplung zu tun.

Verschiedene Funksysteme werden durch die Filter des HF-Frontends effektiv isoliert, aber es gibt immer noch mehrere Gründe, und der Kopplungseffekt zwischen den Antennen muss sorgfältig gehandhabt werden. Erstens haben mehrere Eingangs- und Ausgangssysteme die gleichen Frequenzbänder zwischen verschiedenen Antennentypen. Zweitens kann eine starke Kopplung bei Oberschwingungsfrequenzen dazu führen, dass das Intermodulationssignal des Senders A an das Betriebsfrequenzband des Empfängers B gekoppelt wird – der Filter kann auch eine harmonische Periodizität aufweisen, ähnlich der Passbandantenne. Drittens ist das Filterstoppband normalerweise für 50-Ohm-Schaltungsumgebungen geeignet, und die Antennenimpedanz kann einen anderen Wert als 50-Ohm haben, wodurch das tatsächliche Passband erheblich vom Designwert abweicht, so dass die Leistung normalerweise nur dann besser ist, wenn das Stoppband nahe dem Passband ist. Dies bedeutet, dass der Filter des Systems A die gekoppelte Leistung von System B zu System A auslaufen kann, was zu einer Senkung der Empfindlichkeit des Systems A und dem Leistungsverlust des Systems B führt. Schließlich kann die Strahlungseffizienz von kompakten Antennen sehr schlecht sein. Mit anderen Worten, selbst wenn das Funksystem vollständig gefiltert ist, verbrauchen die umliegenden Antennen einen großen Teil der Kopplungsleistung.

Um die oben genannten Probleme zu vermeiden, müssen wir neue und umfassende Analyse- und Optimierungsmethoden für das Antennensystem vorschlagen.

Warum können die bestehenden Analysemethoden damit nicht umgehen?

In der Vergangenheit verwendeten wir drei verschiedene Analysemethoden für Antennensysteme:

1. Messbasiertes Verfahren: Die S-Parameter des Multi-Port-Systems werden durch einen Multi-Port-Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) charakterisiert, und das Strahlungsmuster, das jeder Antenne entspricht, wird durch ein manuelles Messgerät gemessen, das sich in einer schalldämpfenden Kammer befindet.

2. Der allgemeine Hochfrequenzsimulator kann den Schaltkreis des Antennensystems analysieren, hat aber keinen Einfluss auf die strahlungsbezogene Menge und Effizienz.

3. Das elektromagnetische Simulationssystem des Antennensystems verwendet ein flexibles virtuelles Modell, um das manuelle Messgerät zu ersetzen, und die herkömmliche elektromagnetische Software enthält auch eine große Menge an analogen Datennachbearbeitungsfunktionen.

Alle oben genannten Methoden können die gegenseitigen Kopplungsbegriffe in einem Mehrantennensystem nicht korrekt verarbeiten. Da die Strahlungseffizienz von der Überlagerung der Anschlüsse jedes Ports und dem 3D-Strahlungsmuster abhängt, ist die korrekte Berechnung der Strahlungseffizienz auch ein kniffliges Problem. Darüber hinaus werden die Strahlungseffizienzdaten in der Regel durch Frequenzgitterpunkte und nicht durch S-Parameter definiert, was die Berechnung des Gesamtwirkungsgrades komplizierter machen kann. Ein typisches 12-Antennensystem beinhaltet 132 gegenseitige Kopplungsbegriffe. Wir müssen so viele Kopplungsbegriffe manuell in die Gleichung schreiben, um die Gesamteffizienz zu berechnen.

In Anbetracht des Kopplungsverlustes und der Strahlungseffizienz im Zusammenhang mit dem Terminal zur gleichen Zeit, ist der elektromagnetische Simulator normalerweise besser für das Multi-Antennen-Problem geeignet, und die Gesamteffizienz jeder Antenne kann berechnet werden. Obwohl der elektromagnetische Simulator nur das native Projektstrahlungsmuster im nativen Format unterstützt, gibt es leider kein Standardformat für das Strahlungsmuster. Dies bedeutet, dass in der Praxis jeder elektromagnetische Simulator sein eigenes Strahlungsmusterformat hat und Modedaten nicht zwischen verschiedenen Simulatoren, wie z.B. S-Parameterdateien, geteilt werden können.

Aber auch elektromagnetische Simulatoren haben tote Winkel. Beim Erreichen des Antennenanschlusses durch passende Schaltungen, Filter usw. benötigen wir Schaltungskomponenten und deren Modelle. Der HF-Simulator achtet mehr auf die Komponentenbibliothek, und das tatsächliche Komponentenmodell ist in der Regel genauso wichtig, wenn das gesamte System analysiert wird. Darüber hinaus betrifft dies nicht nur den Gesamtwirkungsgrad, sondern auch Komponentenverluste, Spannungen und Ströme, die verschiedene Teile der Schaltung verbinden. Bei der Analyse dieser Art von Leistung sind HF-Simulatoren leistungsstark, aber bei der Analyse der Gesamteffizienz sind sie zweifellos unbefriedigend.

Alles in allem ist der elektromagnetische Simulator für den Eingang von der Antenne in den freien Raum geeignet, und der Hochfrequenzschaltungssimulator ist für den S-Matrixport vom Verstärker bis zur Charakterisierung des Antenneneingangs geeignet. Gibt es eine Analysemethode, die die beiden oben genannten Methoden kombinieren kann?

new method
New software has been developed, Das kombiniert die Vorteile von elektromagnetischen und hochfrequenten Schaltungssimulatoren bei der Analyse des Zustands von Mehrantennensysteme, und optimiert die Systemleistung durch automatische Schaltungssynthese.

Die Verbesserung der Leistung des Antennensystems wird im Allgemeinen durch relativ einfache Abgleich- und Entkopplungsschaltungen erreicht. Wenn Sie jedoch sicherstellen müssen, dass alle oben genannten Faktoren korrekt und gleichzeitig berücksichtigt werden, müssen Sie die Systemleistung korrekt charakterisieren.

Die neue Methode wurde in die Softwareplattform Optenni Lab für die Automatisierung des Hochfrequenzdesigns integriert. Nach Jahren der Entwicklung ist es gelungen, die elektromagnetischen Probleme und Schaltungsprobleme des Multi-Antennen-Systems nahtlos zu verbinden. Mit Blick auf das elektromagnetische Feld wurden neben der Multi-Port S-Parametermatrix auch 3D-Strahlungsmuster in einer Vielzahl von branchenüblichen elektromagnetischen Simulatorformaten unterstützt. Die Hauptidee ist, "das am besten geeignete Werkzeug für jedes Problem" bereitzustellen, damit die Plattform in Bezug auf Dateneingabe und -ausgabe so neutral wie möglich ist. Für ein N-Antennensystem unter einer gegebenen Struktur können die NxN S Parametermatrix und N Strahlungsmuster (über Frequenz) die vollständige Charakterisierung des linearen Systems "vom Antenneneingang bis zum freien Raum" realisieren.

Die Linearität des Mehrantennensystems kann durch Gewichtung und Summierung des Feldes entsprechend dem Spannungs-/Stromwert der Antenneneingangsklemme berechnet werden. Die Schaltungsanalyse berücksichtigt nicht nur die passenden Elemente, Filter und verschiedene Anschlüsse am Antennenanschluss, sondern beinhaltet auch den S-Parameter Der Leistungskopplungseffekt zwischen Ports, die durch die Matrix dargestellt werden. Durch Gewichtung und Überlagerung aller Antennenmuster kann das erhaltene Gesamtstrahlungsmuster verwendet werden, um die Strahlungseffizienz jeder Antenne genau zu berechnen. Der Prozess der Kombination von analogem Schaltkreis (Spannung, Strom) und elektromagnetischem Analog (Strahlungsmuster) besteht darin, zwei Felder zu verbinden.

Wie bereits erwähnt, reicht jede analoge Domäne nicht aus, um allein verwendet zu werden: Die analoge Domäne der Schaltung ignoriert die Strahlungseffizienz vollständig, und die Strahlungseffizienz einiger Antennen in tatsächlichen Situationen kann bis zu 30% oder niedriger sein. Der elektromagnetische Simulationsbereich ist nicht in der Lage, den entsprechenden gewichteten Wert jedes Strahlungsmusters zu berechnen, was zu einer ungenauen Strahlungseffizienz führt. Es ist normalerweise wichtiger, dass die elektromagnetische Analogdomäne den Verlust verschiedener Schaltungskomponenten zwischen Verstärker und Antenneneingang ignoriert, und diese Art von Verlust macht einen hohen Prozentsatz des Gesamtverlustes aus.

Da die Kombination dieser Simulationsdomänen eindeutig sinnvoll ist, bieten die Analysetools unterschiedliche Integrations- oder Co-Processing-Grade zwischen den Domänen. Im Vergleich zu allen bisherigen Lösungen hat Optenni Lab jedoch drei völlig unterschiedliche Eigenschaften: 1) Betrachten Sie die Ignoranz elektromagnetischer Simulationswerkzeuge; 2) "Aus der Perspektive der Schaltung" in die automatische Topologiesynthese; 3) Aus der Systemperspektive speziell die Anzahl der Antennen entwerfen.

Warum Topologiesynthese verwenden?
Das hochgekoppelte Kompaktantennenproblem bedeutet, dass "alles von allem abhängt", mit anderen Worten, Alle Antennen müssen konsequent aufeinander abgestimmt und optimiert werden. Die Wahl des passenden Schaltkreises der Antenne A beeinflusst die Auswahl der passenden Schaltkreise der Antennen B, C, D und so weiter. Bei Problemen mit mehreren Ports, Die Anzahl der möglichen Matching-Topologien steigt exponentiell mit der Anzahl der Matching-Komponenten und der Anzahl der Ports, so auch für automatische Synthese, Diese einfache und grobe Methode ist immer noch nicht ratsam, geschweige denn manuelle Einstellung jeder Topologie! Aber wir können einige einigermaßen vereinfachte Annahmen annehmen, um das Problem leichter zu lösen. Diese Annahmen bestimmen letztlich die Wirksamkeit der Lösung des gekoppelten Multiport-Matching-Problems, Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass, wenn die Topologiesynthesemethode die Systemleistung nicht richtig charakterisieren kann, die Methode ist meistens nutzlos. Daher, Analysefähigkeiten müssen Synthese- und Optimierungsfähigkeiten vorausgehen. Aus der Perspektive der Entwicklung von Designplattformen, Diese Fähigkeiten sind unabhängige Attribute, aber aus Sicht des Benutzers, Diese Fähigkeiten sind offensichtlich eng miteinander verbunden.

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, und verschiedene Zerlegungsmetriken können erhalten werden, wie Missmatchverlust, Gesamtübertragung/HF-Verbindungsverlust, and total efficiency). Diese Daten werden auch im Leistungsbilanzdiagramm angezeigt. Die Abbildungen 2 und 3 veranschaulichen die Ergebnisse gängiger Optimierungsfallen, wenn der Fokus auf S11 liegt. Gute Impedanzanpassung garantiert keine gute Leistung. Daher, 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. Als Ergebnis, Verlust und Spannung/Der aktuelle Wert jedes passenden Elements kann genau berechnet werden. Darüber hinaus, Diese Methode kann den Nennwert des Bauteils identifizieren und den Konstrukteur warnen, wenn der Nennwert überschritten wird, um Schäden zu vermeiden. Zur Unterstützung von Hochleistungs- und Hochfrequenzdesign, Diese Methode hat die Funktion der Mikrostreifensynthese realisiert und automatisch diskontinuierliche Modelle hinzugefügt. Zur gleichen Zeit, es unterstützt hybrides Design, Integration von diskreten Komponenten und Mikrostreifenlinien. Zum Beispiel, Verwendung von DC Blocking Kondensatoren, oder die Verwendung von Microstrip-Leitungssegmenten anstelle von Einzelserieninduktivitäten.

Ein wichtiger Teil des passenden Schaltungsdesigns ist das PCB-Layout. Optenni Lab verwendet eine Reihe elektromagnetischer Simulationsmodelle mit mehreren S-Parametern, um das PCB-Layout zu charakterisieren, um die Integration in jedes Layout zu unterstützen (Abbildung 4). Die vereinfachte Layoutcharakterisierung kann auch mit Hilfe von Microstrip konstruiert werden. In beiden Fällen sind die Schlüsselkomponenten der Synthese Universalreaktoren oder Induktoren (Induktoren) oder kapazitive Reaktoren (Kondensatoren). Selbst wenn das Layout an einer bestimmten Form wie einer Pi-Typ- oder T-Typ-Topologie befestigt ist, ist daher eine alternative Kombination von 2N-Abmessungen von L und C erforderlich. Optenni Lab synthetisiert all diese Strukturen und sortiert die optimierten Schaltkreise in der Liste nach Leistung.

Allgemein, Andere Komponenten in der HF-Kette müssen berücksichtigt werden, wie Baluns, Filter, Übertragungsleitungen/Kabel, und Schalter. Solche Hochfrequenzkomponenten sind für eine 50-Ohm-Schaltungsumgebung geeignet, aber wie bereits erwähnt, Die Antennenimpedanz kann erheblich von 50 Ohms abweichen, so befindet sich jede Komponente nicht mehr in einer geeigneten Impedanz-Umgebung. Optenni Lab führte synthetische modulare Komponenten ein, um mehrere Antennenschnittstellen in der HF-Kette anzupassen, um die Gesamtkettenoptimierungsfunktion des Designziels zu erreichen, z. B. Maximierung der Gesamtstrahlleistung des verbleibenden Teils des Passbandes und der erforderlichen Stoppbandleistung. Abbildung 5 zeigt den Aufbau-Schaltplan.

Entsprechend liegt der Designfokus auf dem Empfindlichkeitsproblem, das durch die geringe Änderung des passenden Bauteilwertes verursacht wird. Manchmal sieht die scheinbar optimale Lösung bei schnellen Inspektionen gut aus, aber die Ergebnisse sind auffällig, denn kleine Änderungen der Komponentenwerte können die Anlageneffizienz reduzieren. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel, bei dem die Effizienz der "optimalen" Lösung aufgrund einer Komponententoleranz von 5%. Im Gegensatz dazu zeigt die Topologie Nr. 3 in der Nennleistung den stabilsten Antwortwert. Optenni Lab bestellt automatisch nach dieser Toleranzempfindlichkeit nach und im Vergleich zur manuellen Analyse können die Kosten erheblich reduziert werden: Dutzende oder Hunderte alternativer Topologien stehen zur Verfügung.

Multi-antenna specific analysis and synthesis functions
The traditional multi-antenna design relies on the radiating element to achieve resonance at the required frequency, und die Trennung zwischen den Antennen wird durch physikalische Trennung erreicht, aber dies wird durch industrielle Designfaktoren begrenzt. Für kompakte Geräte, physikalische Trennung kann Einschränkungen aufweisen, und Kopplungseffekte können große Herausforderungen darstellen. Darüber hinaus, für die PCB bestes Design, Es ist wichtig, das Strahlungsmuster und die Strahlungseffizienz des Matching-Systems berechnen zu können.

Wenn der Kopplungseffekt stark ist, wird die Antenne A angeregt, so dass die Antenne B induzierten Strom hat, der das Fernfeldstrahlungsmuster der Antenne A beeinflusst. Diese induzierten Ströme hängen vom Anschluss der Antenne B ab. Anders als die Berechnung des induzierten verteilten Stroms auf dem Antennenelement, annulliert diese Methode den induzierten Strom auf dem Antenneneinführungspunkt, und berechnet das gesamte Strahlungsmuster durch die Überlagerung des zusammengesetzten Fernfeldes. Die Strahlungseffizienz wird dann aus dem Gesamtfernfeld berechnet.