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Con los cambios en la tecnología inalámbrica, el número de sistemas de radio en muchos dispositivos portátiles está aumentando, y esta tendencia sigue creciendo con el auge de Internet de las cosas y aplicaciones 5g. Esta tendencia plantea un desafío para los diseñadores de radiofrecuencias, que necesitan garantizar el rendimiento de múltiples sistemas de radio que funcionan simultáneamente, al tiempo que minimizan la interferencia y la pérdida de potencia.
Este artículo explica los problemas del diseño de múltiples sistemas desde la perspectiva de la antena. El aumento del número de elementos de antena en el equipo es la tendencia principal de la evolución de la antena, en línea con la tendencia de múltiples sistemas mencionada anteriormente. Sin embargo, la diversidad de antenas, la entrada múltiple y la salida múltiple y las tecnologías de formación de haces impulsan aún más este proceso. Al mismo tiempo, debido a que el tamaño del equipo no puede aumentar, la densidad de la antena también aumentará. Esto, a su vez, provocará un aumento del acoplamiento, uno de los principales desafíos en el diseño de sistemas multiantena.
El acoplamiento entre antenas puede existir entre antenas cercanas porque las antenas son esencialmente estructuras resonantes. Si la distancia entre las antenas es muy cercana y sus frecuencias de funcionamiento son cercanas entre sí, la resonancia es más fuerte. Al igual que otras estructuras físicas, las antenas suelen resonar en su frecuencia más baja o en múltiplos armónicos de su frecuencia base. Por lo tanto, las antenas adecuadas para la banda 3gpp 3 (1710 - 1880 mhz) y las antenas 5ghz (5170 - 5835 mhz) pueden tener tres resonancias armónicas fuertes. El patrón de radiación de la antena en los equipos compactos suele ser isotrópico. Aunque la dirección de la antena se puede aislar a través de la polarización cruzada, este método solo se aplica a los casos más simples. Por ejemplo, en el caso ideal, un patrón de dipolo con radiación cero a lo largo del eje de dipolo solo puede aislar tres antenas a través de sus características de patrón. El número de antenas periféricas suele superar el número de antenas en el campo cercano entre sí (figura 1), y el diseño industrial no puede colocar las antenas de la mejor manera de posicionamiento electromagnético. Por lo tanto, debemos lidiar con un cierto grado de acoplamiento.
Los filtros en la parte delantera de la radiofrecuencia aislan eficazmente diferentes sistemas de radio, pero todavía hay muchas razones por las que el efecto de acoplamiento entre antenas debe manejarse con cautela. En primer lugar, el sistema de entrada múltiple y salida múltiple tiene la misma banda de frecuencia entre diferentes tipos de antenas. En segundo lugar, el fuerte acoplamiento en la frecuencia armónica puede hacer que la señal de intermodulación del transmisor a se acople 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, la banda de bloqueo del filtro suele ser adecuada para un entorno de circuito de 50 ohm, y la resistencia de la antena puede ser cualquier valor distinto de 50 ohm, lo que resulta en una desviación significativa del valor de diseño de la banda de paso real, por lo que generalmente el rendimiento es mejor solo cuando la banda de bloqueo está cerca de 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 pobre. En otras palabras, incluso si el sistema de radio está completamente filtrado, la antena circundante consume la mayor parte de la Potencia de acoplamiento.
Para evitar los problemas anteriores, necesitamos proponer métodos novedosos y completos de análisis y optimización del sistema de antenas.
¿¿ por qué los métodos de análisis existentes no pueden hacer frente?
En el pasado, utilizamos 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 ubicado en la Cámara silenciosa.
2. el simulador universal de radiofrecuencia puede analizar el circuito del sistema de antenas, pero no tiene ningún impacto en la cantidad y eficiencia relacionadas con la radiación.
3. el sistema de simulación electromagnética del sistema de antenas utiliza modelos virtuales flexibles en lugar de equipos de medición manuales, y el software electromagnético tradicional también contiene una gran cantidad de funciones de postprocesamiento de datos analógicos.
Todos los métodos anteriores no pueden manejar correctamente los términos de acoplamiento mutuo en el sistema de múltiples antenas. Para el método 1, debido a que la eficiencia de la radiación depende de la superposición de terminales de cada puerto y patrones de radiación 3d, cómo calcular correctamente la eficiencia de la radiación también es un problema difícil. Además, los datos de eficiencia de radiación suelen definirse por puntos de red de frecuencia en lugar de parámetros s, lo que puede complicar el cálculo de la eficiencia total. Un sistema típico de 12 antenas involucra 132 términos de acoplamiento mutuo. Necesitamos escribir manualmente tantos términos de acoplamiento en la ecuación para calcular la eficiencia total.
Teniendo en cuenta la pérdida de acoplamiento y la eficiencia de radiación relacionada con el terminal, el simulador electromagnético suele ser más adecuado para el problema de múltiples antenas, y puede calcular la eficiencia total de cada antena. Obviamente, aunque el simulador electromagnético solo admite el modo de radiación del proyecto local en el formato local, desafortunadamente, el modo de radiación no tiene un formato estándar. Esto significa que en la práctica, cada simulador electromagnético tiene su propio formato de modo de radiación y que los datos del modo no se pueden compartir entre diferentes simuladores, como el archivo de parámetros S.
Pero el simulador electromagnético también tiene puntos ciegos. Cuando llegamos al terminal del puerto de la antena a través de un circuito emparejado, un filtro, etc., necesitamos el componente del 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 implica no solo la eficiencia general, sino también la pérdida de componentes, voltaje y corriente que conectan diferentes partes del circuito. Los simuladores de radiofrecuencia son potentes al analizar este tipo de rendimiento, pero sin duda no son satisfactorios al analizar la eficiencia general.
En general, el simulador electromagnético es adecuado para la entrada desde la antena hasta el espacio libre, mientras que el simulador de circuito de radiofrecuencia es adecuado para la caracterización del puerto de matriz s desde el amplificador hasta la entrada de la antena. ¿¿ existe un método de análisis que pueda combinar los dos métodos anteriores?
El nuevo método ha desarrollado un nuevo software que combina las ventajas de los simuladores de circuitos electromagnéticos y de radiofrecuencia en el análisis del Estado del sistema de múltiples antenas y optimiza el rendimiento del sistema a través de circuitos automáticos.
Mejorar el rendimiento del sistema de antena generalmente se logra a través de circuitos de emparejamiento y desacoplamiento relativamente simples. Sin embargo, si necesita asegurarse de considerar correctamente todos los factores anteriores al mismo tiempo, debe describir correctamente el rendimiento del sistema.
El nuevo método está integrado en la Plataforma de software de automatización de diseño de radiofrecuencia de opponi lab. Después de años de desarrollo, ha sido capaz de conectar sin problemas los problemas electromagnéticos y eléctricos de los sistemas de múltiples antenas. Mirando hacia el campo electromagnético, además de la matriz de parámetros S multipuerto, también admite modos de radiación 3D en varios formatos 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 los sistemas de antena n bajo una estructura dada, la matriz de parámetros nxn s y los patrones de radiación N (en frecuencia) pueden lograr una caracterización completa del sistema lineal "desde la entrada de la antena hasta el espacio libre".
La linealización del sistema multiantena se puede calcular ponderando la suma de los campos en función de los valores de voltaje / corriente en la entrada de la antena. El análisis del circuito no solo tiene en cuenta los diferentes terminales del componente emparejado, el filtro y el puerto de la antena, sino que también implica el efecto de acoplamiento de potencia entre los puertos representados por el parámetro s, es decir, la matriz. al ponderar y superponer todos los patrones de antena, el patrón de radiación total obtenido puede utilizarse para calcular con precisión la eficiencia de radiación de cada antena. El proceso de simulación de circuito combinado (voltaje, corriente) y simulación electromagnética (modo de radiación) es asociar dos campos.
Como se mencionó anteriormente, ningún dominio analógico es suficiente para usarse solo: el dominio analógico del circuito ignora completamente la eficiencia de radiación, y en la práctica, la eficiencia de radiación de algunas antenas puede ser tan baja como 30% o menos. El dominio de simulación electromagnética no puede calcular los valores de ponderación correspondientes de cada patrón de radiación, lo que resulta en una eficiencia de radiación inexacta. Por lo general, 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.
Debido a que la combinación de estos dominios de simulación es claramente útil, las herramientas de análisis proporcionan diferentes grados de integración o procesamiento colaborativo entre dominios. Sin embargo, en comparación con todas las soluciones anteriores, optenni Lab tiene tres características completamente diferentes: 1) tener en cuenta la ignorancia de las herramientas de simulación electromagnética; 2) entrar en la síntesis topológica automática "desde el punto de vista del circuito"; 3) diseñar especialmente el número de antenas desde el punto de vista del sistema.
¿¿ por qué se utiliza la síntesis topológica? El problema de las múltiples antenas compactas altamente acopladas significa que "todo depende de todo", en otras palabras, todas las antenas deben coincidir y optimizarse de manera consistente. ¡La selección del Circuito de emparejamiento de la antena a afectará cómo se seleccionan los circuitos de emparejamiento de las antenas b, c, d, etc. para el problema multipuerto, el número de posibles topologías de emparejamiento aumenta exponencialmente con el número de componentes de emparejamiento y el número de puertos, por lo que incluso para la síntesis automática, este método simple y áspero sigue siendo desaconsejable, ¡ y mucho menos para configurar manualmente cada topología! Pero podemos adoptar algunas hipótesis razonablemente simplificadas para hacer que el problema sea más fácil de manejar. Estas hipótesis finalmente determinan la efectividad de resolver el problema de emparejamiento multipuerto acoplado, pero hay que señalar que si el método de síntesis topológica no puede caracterizar correctamente el rendimiento del sistema, la mayoría de este método es inútil. Por lo tanto, la capacidad de análisis 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.
La "caja negra" en la parte delantera de la antena de la solución sintética es la forma básica de la solución sintética automática para generar un circuito de coincidencia optimizado. Se optimizará la eficiencia total de estos circuitos emparejados (teniendo en cuenta la pérdida de componentes y la eficiencia de radiación de la antena, se pueden obtener varios indicadores de descomposición, como la pérdida de desajuste, la pérdida total de enlace de transmisión / RF y la eficiencia total). Estos datos también se mostrarán en el mapa de equilibrio de potencia. Las figuras 2 y 3 muestran los resultados de las trampas de optimización comunes al centrarse en s11. Una buena coincidencia de resistencia no garantiza un buen rendimiento. Por lo tanto, es importante que las herramientas de optimización sean capaces de identificar las variables de influencia reales. la Biblioteca de componentes discretos opteni Lab integra modelos de componentes reales de varias bibliotecas de productos de proveedores. Como resultado, se pueden calcular con precisión las pérdidas y los valores de voltaje / corriente de cada elemento emparejado. Además, este método permite identificar la calificación del componente y advertir al diseñador cuando se supere la calificación para evitar daños. Para apoyar el diseño de alta potencia y alta frecuencia, el método realiza una función integral de MICROSTRIP y añade automáticamente modelos discontinuos. Al mismo tiempo, admite el diseño híbrido, integrando componentes discretos y líneas de microstrip. Por ejemplo, el uso de condensadores de aislamiento directo o el uso de segmentos de MICROSTRIP en lugar de inductores de serie agregados.
Una parte importante del diseño del circuito emparejado es el diseño de pcb. El laboratorio optenni utiliza un conjunto de modelos de parámetros S multipuerto de simulación electromagnética 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 microstrip. En ambos casos, los componentes clave de la síntesis son reactores generales, o inductores (inductores) o reactores capacitivos (condensadores). Por lo tanto, incluso si el diseño se fija a una forma específica, como una topología pi o t, todavía se necesita una combinación alternativa de 2n dimensiones de l y C. Optenni Lab combina todas estas estructuras y ordena los circuitos optimizados de la lista en función del rendimiento.
En general, es necesario considerar otros componentes de la cadena de radiofrecuencia, como convertidores de desequilibrio de equilibrio, filtros, líneas de transmisión / cables e interruptores. Este componente de radiofrecuencia es adecuado para ambientes de circuito de 50 ohm, pero como se mencionó anteriormente, la resistencia de la antena puede desviarse significativamente de 50 ohm, por lo que cada componente ya no está en un entorno de resistencia adecuado. El laboratorio optenni ha introducido componentes modulares sintéticos para igualar múltiples interfaces de antena en la cadena de radiofrecuencia y lograr funciones integrales de optimización de cadena para objetivos de diseño, como maximizar la Potencia total de radiación del resto de la banda de paso y el rendimiento de bloqueo requerido. La figura 5 muestra un diagrama esquemático de la configuración.
En consecuencia, el diseño se centra en los problemas de sensibilidad causados por pequeños cambios en los valores de los componentes emparejados. A veces, las soluciones aparentemente óptimas se ven bien en la inspección rápida, pero los resultados son magníficos, 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 componente del 5%. Por el contrario, la topología, que ocupa el tercer lugar en el rendimiento nominal, muestra el valor de respuesta más estable. Optenni Lab reordena automáticamente en función de esta sensibilidad de tolerancia, lo que permite reducir considerablemente los costes en comparación con el análisis manual: hay decenas o cientos de topologías alternativas disponibles.
El diseño tradicional de múltiples antenas para análisis específicos y funciones integrales de múltiples antenas depende de que los elementos de radiación logren la resonancia a la frecuencia requerida, y el aislamiento entre antenas se logra a través de la separación física, pero esto está limitado por factores de diseño industrial. Para los equipos compactos, la separación física puede tener limitaciones, y el efecto de acoplamiento puede representar un gran desafío. Además, para el mejor diseño de los pcb, es muy importante poder calcular el patrón de radiación y la eficiencia de radiación del sistema de emparejamiento.
Cuando el efecto de acoplamiento es fuerte, la antena A se activa, por lo que la antena B genera corriente inducida, lo que afectará al 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 la corriente de distribución inducida en el elemento de antena, este método elimina La corriente inducida en el punto de alimentación de la antena y calcula el patrón de radiación total superponiendo el campo lejano compuesto. Luego se calcula la eficiencia de la radiación de acuerdo con el campo lejano total.
