Substrat De Boîtier IC - Plate - forme d'automatisation de conception RF de nouvelle génération pour l'évaluation multi - antennes et l'optimisation des performances

Avec l'évolution de la technologie sans fil, le nombre de systèmes radio dans de nombreux appareils portables ne cesse d'augmenter, une tendance qui continue de croître avec l'essor de l'Internet des objets et des applications 5G. Cette tendance représente un défi pour les concepteurs RF, car ils doivent assurer la performance de plusieurs systèmes radio fonctionnant simultanément, mais aussi minimiser les interférences et les pertes de puissance.

Cet article explique les problèmes rencontrés dans la conception Multi - systèmes du point de vue de l'antenne. L'augmentation du nombre d'éléments d'antenne dans l'équipement est une tendance majeure dans le développement des antennes, en ligne avec la tendance Multi - systèmes mentionnée ci - dessus. Cependant, les techniques de diversité d'antenne, d'entrées multiples, de sorties multiples et de formage de faisceaux ont poussé ce processus encore plus loin. Dans le même temps, la densité d'antenne augmentera en raison de la taille de l'appareil ne peut pas être augmenté. Cela entraînera à son tour une augmentation du couplage, l'un des principaux défis dans la conception de systèmes Multi - antennes.

Couplage entre antennes comme les antennes sont de nature résonante, il peut y avoir un couplage entre antennes proches. Si les antennes sont très proches les unes des autres et que leurs fréquences de fonctionnement sont proches les unes des autres, la résonance est plus forte. Comme d'autres structures physiques, les antennes résonnent généralement à leur fréquence la plus basse ou à un multiple harmonique de leur fréquence fondamentale. Ainsi, une antenne adaptée à la bande 3 du 3GPP (1710 - 1880 MHz) et une antenne 5 GHz (5170 - 5835 MHz) peuvent avoir trois résonances harmoniques fortes. Le diagramme de rayonnement de l'antenne dans un appareil compact est généralement isotrope. Bien que la direction de l'antenne puisse être utilisée pour isoler par polarisation croisée, cette méthode n'est efficace que dans les cas les plus simples. Par example, dans le cas le plus idéal, un mode dipolaire dont le rayonnement est nul le long de l'axe dipolaire ne peut isoler que trois antennes par leurs caractéristiques de mode. Le nombre d'antennes périphériques tend à dépasser le nombre d'antennes situées à proximité les unes des autres (Figure 1) et les dessins industriels ne permettent pas de placer les antennes de manière optimale pour le positionnement électromagnétique. Nous devons donc faire face à un certain degré de couplage.

Les filtres sur le Front RF isolent efficacement les différents systèmes radio, mais il existe encore de nombreuses raisons pour lesquelles les effets de couplage entre les antennes doivent être traités avec soin. Tout d'abord, les systèmes Multi - entrées et multi - sorties ont la même bande de fréquence entre les différents types d'antennes. D'autre part, un fort couplage aux fréquences harmoniques peut entraîner le couplage du signal d'intermodulation de l'émetteur a à la bande de fonctionnement du récepteur B, le filtre pouvant également présenter une périodicité harmonique similaire à celle d'une antenne passe - bande. Troisièmement, la bande résistive du filtre est généralement adaptée à un environnement de circuit de 50 ohms et l'impédance de l'antenne peut être n'importe quelle valeur autre que 50 ohms, entraînant un écart important de la bande passante réelle par rapport à la valeur de conception, de sorte que les performances ne sont généralement meilleures que lorsque la bande résistive est proche de la bande passante. Cela signifie que les filtres du système a peuvent faire fuir la puissance de couplage du système B vers le système a, entraînant une diminution de la sensibilité du système a et une perte de puissance du système B. Enfin, l'efficacité radiative d'une antenne compacte peut être très mauvaise. En d'autres termes, même si le système radio est entièrement filtré, les antennes environnantes consomment une grande partie de la puissance de couplage.

Pour éviter les problèmes mentionnés ci - dessus, nous devons proposer des méthodes d'analyse et d'optimisation novatrices et complètes pour les systèmes d'antennes.

Pourquoi les méthodes analytiques existantes ne peuvent - elles pas faire face?

Dans le passé, nous avons utilisé trois méthodes différentes d'analyse des systèmes d'antennes:

1. Méthode basée sur la mesure: le paramètre s du système multiport est caractérisé par un analyseur de réseau vectoriel multiport (vna) et le diagramme de rayonnement correspondant à chaque antenne est mesuré par un appareil de mesure manuel situé dans la Chambre anéchoïque.

2. Le simulateur RF universel peut analyser les circuits du système d'antenne, mais n'a aucun effet sur la quantité et l'efficacité liées au rayonnement.

3. Le système de simulation électromagnétique du système d'antenne utilise un modèle virtuel flexible au lieu de l'équipement de mesure manuel, le logiciel électromagnétique traditionnel contient également un grand nombre de fonctions de post - traitement des données analogiques.

Aucune des méthodes ci - dessus ne traite correctement les termes de couplage mutuel dans un système multi - antennes. Pour la méthode 1, l'efficacité du rayonnement étant fonction de la superposition des terminaux et des modes de rayonnement 3D de chaque port, la question de savoir comment calculer correctement l'efficacité du rayonnement est également délicate. En outre, les données d'efficacité radiative sont généralement définies par des points de la grille de fréquence plutôt que par le paramètre s, ce qui peut compliquer le calcul de l'efficacité totale. Un système typique à 12 antennes comprend 132 termes de couplage mutuel. Nous avons besoin d'écrire manuellement tant de termes de couplage dans l'équation pour calculer l'efficacité totale.

Compte tenu des pertes de couplage et de l'efficacité radiative associées au terminal, les simulateurs électromagnétiques sont généralement mieux adaptés au problème des antennes multiples et permettent de calculer l'efficacité totale de chaque antenne. De toute évidence, bien que le simulateur électromagnétique ne supporte que le mode de rayonnement natif du projet dans un format natif, il n'existe malheureusement pas de format standard pour le mode de rayonnement. Cela signifie qu'en pratique, chaque simulateur électromagnétique a son propre format de mode de rayonnement et que les données de mode ne peuvent pas être partagées entre différents simulateurs, par example un fichier de paramètres S.

Mais les simulateurs électromagnétiques ont aussi des angles morts. Lorsque le terminal de port d'antenne est atteint par des circuits adaptés, des filtres, etc., nous avons besoin de composants de circuit et de leurs modèles. Les simulateurs RF se concentrent davantage sur les bibliothèques de composants, et les modèles de composants réels sont souvent tout aussi importants lors de l'analyse de systèmes entiers. En outre, cela concerne non seulement l'efficacité globale, mais aussi les pertes de composants, les tensions et les courants reliant les différentes parties du circuit. Les simulateurs RF sont puissants lors de l'analyse de ce type de performance, mais ils ne sont certainement pas satisfaisants lors de l'analyse de l'efficacité globale.

En résumé, un simulateur électromagnétique est adapté à l'entrée de l'antenne vers l'espace libre et un simulateur de circuit radiofréquence est adapté à l'amplificateur vers le port S - matrix caractérisé par l'entrée de l'antenne. Existe - t - il une méthode d'analyse qui combine les deux méthodes ci - dessus?

La nouvelle approche a développé un nouveau logiciel qui combine les avantages des simulateurs de circuits électromagnétiques et RF dans l'analyse de l'état des systèmes Multi - antennes et l'optimisation des performances du système grâce à la synthèse automatique de circuits.

L'amélioration des performances d'un système Antennaire est généralement obtenue par des circuits d'adaptation et de découplage relativement simples. Cependant, si vous devez vous assurer que tous les facteurs ci - dessus sont correctement pris en compte, vous devez en même temps décrire correctement les performances du système.

La nouvelle approche a été intégrée à la plate - forme logicielle d'automatisation de la conception RF d'optenni Labs. Après des années de développement, il a été en mesure de connecter de manière transparente les problèmes électromagnétiques et de circuit des systèmes Multi - antennes. En ce qui concerne les champs électromagnétiques, en plus de la matrice paramétrique multiport s, les modes de rayonnement 3D sont pris en charge dans une variété de formats de simulateurs électromagnétiques standard de l'industrie. L'idée principale est de fournir "l'outil le plus approprié pour chaque problème", de sorte que la plate - forme reste aussi neutre que possible en termes d'entrée et de sortie de données. Pour un système à n antennes sous une structure donnée, la matrice de paramètres nxns et les n diagrammes de rayonnement (overfrequency) permettent une caractérisation complète du système linéaire "de l'entrée de l'antenne à l'espace libre".

La linéarité d'un système multi - antennes peut être calculée en pondérant et sommant le champ en fonction de la valeur tension / courant à l'entrée de l'antenne. L'analyse du circuit prend en compte non seulement les éléments d'adaptation aux ports de l'antenne, les filtres et les différentes bornes, mais aussi le paramètre S - l'effet de couplage de puissance entre les ports représentés par la matrice. En pondérant et superposant tous les diagrammes d'antenne, il est possible de calculer avec précision l'efficacité de rayonnement de chaque antenne à l'aide du diagramme de rayonnement total obtenu. Le processus de combinaison de la simulation de circuit (tension, courant) et de la simulation électromagnétique (mode de rayonnement) consiste à associer deux champs.

Comme indiqué précédemment, aucun domaine analogique n'est suffisant pour être utilisé seul: le domaine analogique du circuit ignore complètement l'efficacité radiative et certaines antennes peuvent avoir une efficacité radiative aussi faible que 30% ou moins dans des situations réelles. Le domaine de simulation électromagnétique ne peut pas calculer les valeurs pondérées correspondantes pour chaque diagramme de rayonnement, ce qui entraîne une inexactitude de l'efficacité du rayonnement. Ce qui est généralement plus important, c'est que le domaine de simulation électromagnétique ignore les pertes des différents composants du circuit entre l'amplificateur et l'entrée de l'antenne, et ce type de pertes représente une part importante des pertes totales.

Parce que la combinaison de ces domaines simulés est évidemment utile, les outils d'analyse offrent différents degrés d'intégration ou de co - traitement entre les domaines. Cependant, par rapport à toutes les solutions précédentes, optenni Lab a trois caractéristiques complètement différentes: 1) tenir compte de l'ignorance des outils de simulation électromagnétique; 2) « du point de vue du circuit » dans la synthèse topologique automatique; 3) conception spéciale du nombre d'antennes du point de vue du système.

Pourquoi utiliser la synthèse topologique? Le problème des antennes Multi - compactes hautement couplées signifie que « tout dépend de tout », c’est - à - dire que toutes les antennes doivent être adaptées et optimisées de manière cohérente. Le choix du circuit d'adaptation de l'antenne a influencera le choix du circuit d'adaptation des antennes B, C, D, etc. pour les problèmes Multi - ports, le nombre de topologies d'adaptation possibles augmente exponentiellement avec le nombre de composants d'adaptation et le nombre de ports, de sorte qu'une telle approche simple et brutale reste indésirable même pour la synthèse automatique, Sans parler de la configuration manuelle de chaque topologie! Mais nous pouvons adopter des hypothèses raisonnablement simplifiées pour rendre le problème plus facile à gérer. Ces hypothèses déterminent en fin de compte l'efficacité de la résolution des problèmes d'appariement multiport couplé, mais il faut noter que si une méthode de synthèse topologique ne caractérise pas correctement les performances du système, cette méthode est surtout inutile. La capacité d'analyse doit donc précéder la capacité de synthèse et d'optimisation. Ces capacités sont des attributs indépendants du point de vue du développement de la plate - forme de conception, mais elles sont clairement étroitement liées du point de vue de l'utilisateur.

Solution de synthèse la "boîte noire" à l'avant de l'antenne est la forme de base d'une solution de synthèse automatique pour produire un circuit d'adaptation optimisé. L'efficacité totale de ces circuits d'adaptation sera optimisée (en tenant compte des pertes d'éléments et de l'efficacité de rayonnement de l'antenne, diverses mesures de décomposition telles que les pertes de désadaptation, les pertes totales de liaison transmission / RF et l'efficacité totale peuvent être obtenues). Ces données seront également affichées dans le graphique de bilan de puissance. Les figures 2 et 3 montrent les résultats des pièges d'optimisation courants lorsque l'accent est mis sur S11. Une bonne adaptation d'impédance ne garantit pas de bonnes performances. Il est donc important que les outils d'optimisation soient capables d'identifier les variables d'impact réelles. La Bibliothèque de composants discrets optenni Lab intègre des modèles de composants réels provenant de plusieurs bibliothèques de produits de fournisseurs. En conséquence, les pertes et les valeurs de tension / courant peuvent être calculées avec précision pour chaque élément adapté. De plus, cette méthode permet d'identifier la valeur nominale d'un composant et d'avertir le concepteur en cas de dépassement de la valeur nominale afin d'éviter tout dommage. Pour soutenir la conception de haute puissance et de haute fréquence, la méthode met en œuvre la fonction de synthèse microruban et ajoute automatiquement un modèle discontinu. Dans le même temps, il prend en charge la conception hybride, intègre des composants discrets et des lignes microruban. Par example, on utilise un condensateur bloquant le courant continu ou un segment de ligne microruban au lieu d'une Inductance série collectrice.

Une partie importante de la conception du circuit adapté est la disposition du PCB. Le laboratoire optenni utilise un ensemble de modèles s paramétriques multiport analogiques électromagnétiques pour caractériser les mises en page de PCB afin de prendre en charge l'intégration avec n'importe quelle mise en page (Figure 4). Des caractéristiques de disposition simplifiées peuvent également être construites à l'aide de microbandes. Dans les deux cas, les composants clés de la synthèse sont des réacteurs universels, ou des inductances (inductances) ou des réacteurs capacitifs (condensateurs). Ainsi, même si l'agencement est fixé à une forme particulière telle qu'une topologie de type Pi ou de type T, une combinaison alternative des 2n dimensions de l et c reste nécessaire. Le laboratoire optenni synthétise toutes ces structures et classe les circuits optimisés de la liste en fonction de leurs performances.

En général, d'autres composants de la chaîne RF doivent être pris en compte, tels que les barrens, les filtres, les lignes / câbles de transmission et les commutateurs. Un tel composant radiofréquence est adapté à un environnement de circuit de 50 ohms, mais comme indiqué précédemment, l'impédance de l'antenne peut s'écarter sensiblement de 50 ohms, de sorte que chaque composant n'est plus dans un environnement d'impédance approprié. Le laboratoire optenni a introduit des composants modulaires synthétiques pour correspondre à plusieurs interfaces d'antenne sur la chaîne RF, permettant ainsi des fonctions d'optimisation de la chaîne globales pour les objectifs de conception, tels que la maximisation de la puissance rayonnée totale sur le reste de la bande passante et les performances de bande interdite requises. La figure 5 montre un schéma de configuration.

En conséquence, la conception se concentre sur les problèmes de sensibilité causés par de légères variations des valeurs des composants correspondants. Parfois, la solution apparemment optimale peut sembler bonne lors d'une vérification rapide, mais les résultats s'avèrent être pompeux, car de petits changements dans les valeurs des composants peuvent réduire l'efficacité du système. La figure 6 montre un example dans lequel l'efficacité de la solution « optimale » est fortement diminuée par une tolérance de 5% des composants. En revanche, la topologie classée n ° 3 en termes de performance nominale affiche les valeurs de réponse les plus stables. Optenni Lab se réorganise automatiquement en fonction de cette sensibilité de tolérance, ce qui peut réduire considérablement les coûts par rapport à une analyse manuelle: des dizaines ou des centaines de topologies alternatives peuvent être utilisées.

Fonctions d'analyse et de synthèse spécifiques multi - antennes la conception Multi - antennes traditionnelle repose sur la résonance des éléments rayonnants aux fréquences souhaitées, l'isolation entre les antennes étant réalisée par séparation physique, mais limitée par des facteurs de conception industrielle. Pour les appareils compacts, la séparation physique peut avoir des limites et les effets de couplage peuvent poser de grands défis. De plus, pour une conception optimale du PCB, il est important de pouvoir calculer le diagramme de rayonnement et l'efficacité du rayonnement du système d'adaptation.

Lorsque l'effet de couplage est fort, l'antenne a est excitée et il y a donc des courants induits sur l'antenne B qui affectent le diagramme de rayonnement en champ lointain de l'antenne A. ces courants induits dépendent des bornes de l'antenne B. contrairement au calcul du courant de distribution induit sur l'élément d'antenne, cette méthode annule les courants induits sur le point d'alimentation de l'antenne, Et le diagramme de rayonnement total est calculé par superposition du champ lointain composite. L'efficacité radiative est ensuite calculée à partir du champ lointain total.