Substrat De Boîtier IC - Automatisation de la conception pour l'optimisation RF Front - end

Lors de la mise en oeuvre de l'agrégation de porteuses en front radiofréquence, de nouveaux problèmes se posent, principalement liés au déploiement du filtre dans un environnement où l'impédance dynamique varie. Cet article va détailler certains de ces problèmes et proposer une méthode de conception qui traite automatiquement un grand nombre de solutions candidates au niveau du circuit, ce qui allège la charge des concepteurs et permet de filtrer relativement facilement les solutions viables. Où sont les défis du design? La figure 1 est un schéma bloc simplifié d'une architecture possible d'un système d'agrégation de porteuses descendantes inter - bande bidirectionnelle (DL CA) dans lequel la branche RX de la bande 3 peut être dynamiquement parallèle à la branche TX / RX de la bande 1. Cette conception peut être facilement étendue à plusieurs porteuses composantes et à différentes configurations de commutation. Par exemple, le « guide d'application pour les communications mobiles Infineon » recommande l'utilisation d'une architecture rffe descendante à antenne unique et à double antenne prenant en charge jusqu'à 5 porteuses de composantes ca. Les blocs de construction de base sont les commutateurs, les duplexeurs et les filtres passe - bande. Ces modules sont bien connus, de qualité supérieure et largement utilisés dans les téléphones portables. Le problème actuel est - il donc autre chose qui mérite une attention particulière que le choix de l'architecture d'intermodulation et la planification des fréquences? Malheureusement, la réponse est oui: l'un des principaux goulots d'étranglement de la conception est qu'une fois les filtres connectés en parallèle, ils auront inévitablement un impact significatif sur les performances des uns et des autres. Par example, la figure 2 montre les réponses fréquentielles des filtres de bande 8 et de bande 1 respectivement connectés et connectés à un noeud commun. Il est à noter que les performances du filtre à bande 1 sont totalement détruites par le filtre à bande 8, alors que les performances du filtre à bande 8 sont sensiblement inchangées du fait de la présence du filtre à bande 1. Les performances de réjection hors bande de ces deux filtres sont très bonnes, de sorte que l'endommagement du filtre à bande 1 ne peut pas être expliqué même en présence d'un courant de fuite du filtre. Cependant, si nous regardons l'impédance d'entrée du filtre de bande 8 à la fréquence de la bande 1 de la figure 3a, nous pouvons remarquer que le filtre de bande 8 ressemble à une ligne de transmission ouverte d'environ 67 degrés de longueur électrique, plutôt qu'à un circuit ouvert. Lorsqu'il est connecté à un nœud commun à l'aide d'un filtre Band 1, le filtre Band 8 charge les performances du filtre Band 1 d'une manière similaire à un raccourci en circuit ouvert, ce qui modifie complètement les performances du filtre!

A ce stade, nous pouvons déjà deviner pourquoi la présence du filtre de bande 1 ne perturbe pas les performances du filtre de bande 8. Si nous regardons l'impédance d'entrée du filtre de bande 1 aux fréquences de la bande 8 (figure 3b), nous constatons que le filtre de bande 1 est essentiellement un circuit ouvert, ce qui est une pure coïncidence. Sachant cela, on peut envisager un objectif pratique de concevoir un circuit d'adaptation (déphaseur) pour maintenir le comportement en bande passante du filtre tout en mappant les réponses des autres fréquences porteuses composantes en circuit ouvert. Si cet objectif est atteint avec succès, les filtres sont l'équivalent d'être transparents les uns aux autres et peuvent être connectés dans n'importe quelle configuration ca. Nous appelons cette partie du processus de conception "Filter matching" le défi de résoudre les problèmes de Matching de filtre les solutions de Matching ne peuvent être plus ou moins parfaites que dans des cas occasionnels. C'est généralement le cas d'une porteuse composante à large intervalle de fréquence, par example entre une paire de bandes basses (LB) et une paire de bandes hautes (HB). Lorsque plusieurs fréquences porteuses composantes doivent être mappées à un circuit ouvert, il est plus difficile de réaliser un circuit ouvert mutuel. De plus, les porteuses composantes de fréquences voisines peuvent être difficiles à adapter sans affecter significativement le comportement en bande passante. Un autre point est que, dans la pratique, il y a souvent des contraintes contradictoires qui conduisent à un très petit nombre de composants externes adaptés. L'idéal serait donc de concevoir un filtre acoustique à l'avance, ce qui permettrait de l'adapter à certains schémas ca avec peu de composantes d'adaptation, mais le filtre lui - même n'a toujours pas assez de liberté de conception pour éliminer complètement le besoin d'adaptation externe. Par conséquent, notre processus de conception ne peut toujours essayer de correspondre qu'en premier. En cas de succès, nous savons que l'AC peut essentiellement fonctionner. Dans le processus de conception avec co - adaptation de filtres, nous avons souvent dû accepter que la solution ne peut pas fournir un circuit ouvert précis à la fréquence porteuse de la composante, ce qui laisse beaucoup d'interactions et de charges entre les filtres. En référence à la figure 1, nous avons également des interrupteurs reliant ces interactions, les interrupteurs étant suffisamment dimensionnés électriquement pour qu'ils puissent également aider à charger efficacement un filtre à l'autre. En bref, pour résoudre ensemble ces problèmes, il est nécessaire d'affiner le modèle complet, y compris les interrupteurs, les filtres et les circuits d'adaptation externes. Exemple: bande 1 + bande 3 les bandes porteuses de composantes d'agrégation de porteuses descendantes sont relativement proches les unes des autres. Un modèle représentatif de paramètre s du domaine commun est utilisé pour les duplexeurs de bande 1 et les filtres RX de bande 3, ainsi qu'un modèle sp2t générique de semi - conducteur qui prend en charge les états de projection parallèle. Dans une configuration non - ca, le commutateur relie l'antenne à la branche de bande 1; Dans la configuration ca, le commutateur relie l'antenne aux branches de la bande 1 et de la bande 3. Le circuit d'adaptation doit donc être optimisé pour être adapté à ces deux configurations. Nous avons attribué un noeud rf1 commuté à la bande 1, un noeud rf2 à la bande 3 et nous avons utilisé le modèle Murata Discrete elements de 0201 tailles de boîtier des bibliothèques lqw03aw - 00 (inductance) et gjm03 (condensateur) pour concevoir des circuits adaptés.

Nous essayons d'abord de faire correspondre les filtres de la bande 3. Pour toutes les tâches de mise en correspondance, nous utilisons la plate - forme logicielle d'automatisation de la conception RF optennilab, car elle peut synthétiser et optimiser automatiquement un grand nombre de topologies candidates. Le logiciel a été essentiel à notre conception: même avec un maximum de 2 composants appariés, il y aura 17 options topologiques différentes pour chaque circuit, et il est souvent difficile de prédire quelle combinaison topologique peut atteindre les meilleures performances lorsqu'il n'y a pas de solution évidente pour obtenir un bon appariement. Par example, pour un seul duplexeur, il peut y avoir 173 = 4913 topologies différentes au total si chaque branche comporte au plus 2 composants appariés. La plupart des topologies sont vouées à l'échec, mais la plate - forme logicielle d'automatisation de la conception RF peut facilement optimiser et séquencer automatiquement plus de 100 topologies pertinentes, tout en tenant compte de la sensibilité de la solution aux tolérances des composants. Cela a grandement aidé le processus de conception, de sorte que nous ne manquons essentiellement pas la combinaison topologique avec les meilleures performances et la stabilité de tolérance la plus forte, sinon il serait facile de manquer une telle solution si nous nous appuyons uniquement sur la dérivation manuelle d'un nombre limité de topologies.

Nous avons donc synthétisé le circuit d'adaptation sur la base du modèle de filtre de la bande 3, avec pour objectif une cible en circuit ouvert de la bande 1 et une bonne perte d'insertion de RX dans la bande 3. Comme les bandes 1 et 3 sont très proches l'une de l'autre, les défis communs d'appariement auxquels nous sommes confrontés sont les suivants: les fréquences de la bande 1 traversent un long arc sur le bord du diagramme de Smith, et les résultats des tentatives de les placer près du point de circuit ouvert sont nécessairement appariés. La réponse en bande crée un compromis considérable. Il existe de nombreux schémas de topologie à choisir, certains avec de meilleures pertes d'insertion et d'autres qui peuvent être mieux mappés en circuit ouvert. Les deux sont difficiles. La figure 4 montre les impédances de la bande 3 RX et de la bande 1 et compare un filtre non adapté et un filtre adapté coopératif de notre choix comprenant 3 composantes adaptées en entrée du filtre et 2 composantes adaptées en sortie. Cet article compare deux méthodes pour faire correspondre les filtres ca. Dans la méthode de « co - adaptation », les filtres sont d'abord appariés individuellement dans le but de réaliser un circuit ouvert à la fréquence d'un autre filtre. Après avoir combiné et affiné les résultats de ces sous - problèmes, on obtient généralement une solution viable. Cependant, ce processus ne peut essentiellement obtenir que des topologies correspondantes, ou combiner manuellement les résultats candidats pour chaque sous - question prend du temps et des efforts. Nous proposons donc une deuxième méthode, appelée « optimisation de l'image complète », qui omet l'étape d'appariement collaboratif pour rechercher directement le meilleur Circuit en fonction des indicateurs de performance réels, c'est - à - dire les pertes d'insertion de signal et la réjection. De cette façon, la solution la plus économique peut être déterminée très efficacement. Pour les architectures ca plus complexes en pratique, il peut être plus utile de mélanger les deux approches. Nous pouvons utiliser une conception « optimisée en image complète » pour certains blocs fonctionnels, puis les combiner et les affiner, de la même manière que la méthode « Collaborative » match. Parmi toutes ces approches, la plate - forme d'automatisation de la conception RF que nous avons adoptée joue un rôle central, car elle élimine la plupart des opérations manuelles que les concepteurs doivent dépenser sur les logiciels de conception pour résoudre les problèmes de ca.