Substrato IC - Automazione di progettazione per l'ottimizzazione RF front-end

Quando si implementa l'aggregazione carrier nel front-end RF, si verificheranno alcuni nuovi problemi, che sono principalmente legati alla distribuzione di filtri in un ambiente con cambiamenti di impedenza dinamica. Questo articolo approfondirà alcuni di questi problemi e proporrà un metodo di progettazione per elaborare automaticamente un gran numero di soluzioni candidate a livello di circuito, riducendo così l'onere per i progettisti e relativamente facile da individuare soluzioni realizzabili. Dove sono le sfide progettuali? La figura 1 è un diagramma a blocchi semplificato di una possibile architettura di un sistema bidirezionale interbanda downlink carrier aggregation (DL CA), in cui il ramo RX della banda 3 può essere collegato dinamicamente in parallelo con il ramo TX/RX della banda 1. Questo design può essere facilmente esteso a più supporti di componenti e diverse configurazioni di commutazione. Ad esempio, "Infineon Mobile Communication Application Guide" raccomanda l'uso di architetture RFFE downlink a singola antenna e doppia antenna, che supportano fino a 5 vettori di componenti CA. I blocchi di base sono interruttori, duplexer e filtri passa banda. Questi moduli sono ben noti, di alta qualità e ampiamente utilizzati nei telefoni cellulari. Pertanto, il problema attuale è oltre alla selezione dell'architettura di intermodulazione e alla pianificazione della frequenza Oltre al trattamento, ci sono problemi che richiedono particolare attenzione? Purtroppo, la risposta è sì: uno dei principali colli di bottiglia del design è che una volta collegati i filtri in parallelo, inevitabilmente influenzeranno significativamente le prestazioni reciproche. Ad esempio, la Figura 2 mostra che i filtri della banda 8 e della banda 1 sono collegati separatamente e collegati alla risposta in frequenza al nodo pubblico. Vale la pena notare che le prestazioni del filtro banda 1 sono completamente distrutte dal filtro banda 8, e le prestazioni del filtro banda 8 sono sostanzialmente invariate a causa dell'esistenza del filtro banda 1. Le prestazioni di soppressione fuori banda di questi due filtri sono molto buone, quindi anche se c'è corrente di perdita del filtro, non può spiegare il danno del filtro banda 1. Tuttavia, se guardiamo l'impedenza di ingresso del filtro Band 8 alla frequenza Band 1 nella Figura 3a, possiamo notare che il filtro Band 8 sembra una linea di trasmissione aperta con una lunghezza elettrica di circa 67 gradi invece di un circuito aperto. Quando il filtro Band 1 viene utilizzato per collegarlo a un nodo comune, il filtro Band 8 caricherà le prestazioni del filtro Band 1 in un modo simile a uno stub aperto, e questo cambierà completamente le prestazioni del filtro!

In questo momento, possiamo già indovinare perché l'esistenza del filtro banda 1 non distrugge le prestazioni del filtro banda 8. Se guardiamo l'impedenza di ingresso del filtro Band 1 alla frequenza Band 8 (Figura 3b), scopriremo che il filtro Band 1 è essenzialmente un circuito aperto, che è puramente casuale. Sapendo questo, possiamo concepire un obiettivo pratico, che è quello di progettare un circuito di corrispondenza (phase shifter) per preservare il comportamento passband del filtro mentre mapping la risposta di altre frequenze portanti componenti al circuito aperto. Se questo obiettivo viene raggiunto con successo, i filtri equivalgono ad essere trasparenti tra loro e possono essere collegati in qualsiasi configurazione di CA. Chiamiamo questa parte del processo di progettazione "filter matching"La sfida di risolvere il problema di matching filterUna soluzione abbinata può diventare una soluzione più o meno perfetta solo in circostanze più occasionali. Questo è di solito il caso dei portatori di componenti con un'ampia distanza di frequenza, ad esempio tra una coppia a bassa banda (LB) e una coppia ad alta banda (HB). Quando più di una frequenza portante componente deve essere mappata a un circuito aperto, è più difficile raggiungere il circuito aperto reciproco. Inoltre, con la premessa di non influenzare significativamente il comportamento della banda passante, i vettori componenti di frequenze adiacenti possono essere difficili da abbinare. Un altro punto è che ci sono solitamente vincoli contrastanti nella pratica, con conseguente solo un numero molto limitato di componenti esterni di corrispondenza. Pertanto, la situazione ideale è progettare il filtro acustico in anticipo in modo che possa essere qualificato per alcuni schemi CA con pochissimi componenti corrispondenti, ma il filtro stesso non ha ancora abbastanza libertà di progettazione per eliminare completamente la necessità di abbinamento esterno. Pertanto, il nostro processo di progettazione può ancora solo cercare di abbinare per primo. Se ha successo, sappiamo che CA può fondamentalmente funzionare. Nel processo di progettazione dell'utilizzo del filtro cooperativo matching, spesso dobbiamo accettare che la soluzione non può fornire un circuito aperto preciso alla frequenza del vettore componente, il che lascia molta interazione e carico tra i filtri. Facendo riferimento alla Figura 1, abbiamo anche interruttori che collegano queste interazioni e la dimensione elettrica degli interruttori è abbastanza grande, in modo che possano anche aiutare a caricare efficacemente un filtro all'altro. In breve, per risolvere questi problemi insieme, è necessario mettere a punto il modello completo compreso interruttori, filtri e circuiti di corrispondenza esterni. Esempio: Banda 1 + Banda 3 aggregazione del vettore downlinkLe bande di frequenza del vettore componente sono relativamente vicine l'una all'altra. Utilizzare modelli rappresentativi dei parametri S di dominio pubblico per i duplexer Band 1 e i filtri Band 3 RX, nonché modelli SP2T semiconduttori per uso generale che supportano stati di lancio parallelo. Nella configurazione non CA, l'interruttore collega l'antenna al ramo Band 1; Nella configurazione CA, l'interruttore collega l'antenna ai rami Band 1 e Band 3. Pertanto, il circuito di corrispondenza dovrebbe essere ottimizzato per renderlo adatto a queste due configurazioni. Assegniamo il nodo switch RF1 alla banda 1 e il nodo RF2 alla banda 3 e utilizziamo il modello di componente discreto Murata 0201 della libreria LQW03AW_00 (induttore) e GJM03 (condensatore) per progettare il circuito corrispondente.

Per prima cosa cerchiamo di abbinare il filtro della banda 3. In tutte le attività di matching utilizziamo OptenniLab, la piattaforma software di automazione di progettazione RF, in quanto può sintetizzare e ottimizzare automaticamente un gran numero di topologie candidate. Questo software è essenziale per la nostra progettazione: anche se ci sono solo 2 componenti corrispondenti al massimo, ogni circuito avrà 17 diverse opzioni di topologia, e quando non c'è una soluzione ovvia per ottenere una buona corrispondenza, è spesso difficile prevedere quale Questa combinazione di topologie può ottenere le migliori prestazioni. Ad esempio, per un singolo duplexer, se ogni ramo ha al massimo 2 componenti corrispondenti, ci possono essere un totale di 173=4913 topologie diverse. La maggior parte delle topologie sono destinate a fallire, ma la piattaforma software di automazione di progettazione RF può facilmente ottimizzare e ordinare automaticamente più di 100 topologie correlate, tenendo conto anche della sensibilità della soluzione alle tolleranze dei componenti. Questo ha notevolmente aiutato il processo di progettazione, in modo che fondamentalmente non ci sarebbe mancato la combinazione topologica con le migliori prestazioni e la maggiore stabilità di tolleranza, altrimenti sarebbe facile perdere una tale soluzione se ci affidiamo solo alla derivazione manuale di un numero limitato di topologie.

Pertanto, usiamo il modello di filtro della banda 3 come base e sintetizzamo il circuito di corrispondenza con l'obiettivo del circuito aperto della banda 1 e la buona perdita di inserzione di RX nella banda 3 come obiettivo. Poiché la banda 1 e la banda 3 sono molto vicine l'una all'altra, la sfida comune che affrontiamo è la seguente: la frequenza della banda 1 attraversa un lungo arco sul bordo del grafico Smith e i risultati del tentativo di posizionarlo vicino al punto a circuito aperto sono destinati a corrispondere. La risposta in banda di frequenza crea un notevole compromesso. Ci sono molti schemi topologici tra cui scegliere, alcuni dei quali hanno una migliore perdita di inserzione, e alcuni possono essere meglio mappati per aprire circuiti. E' difficile avere entrambe le cose. La figura 4 mostra le impedenze della banda 3 RX e della banda 1 e confronta il filtro senza pari e il nostro filtro cooperativo selezionato, incluso 3 componenti corrispondenti all'ingresso del filtro e 2 componenti all'uscita. Questo articolo confronta due metodi di corrispondenza dei filtri CA. Nel metodo "cooperativo matching", i filtri vengono dapprima abbinati individualmente, con l'obiettivo di ottenere un circuito aperto alla frequenza di un altro filtro. Dopo che i risultati di questi sottoproblemi sono combinati e perfezionati, di solito si ottiene una soluzione fattibile. Tuttavia, questo processo fondamentalmente può ottenere solo una topologia corrispondente, o richiede tempo e sforzo per combinare manualmente i risultati candidati di ogni sotto-problema. Pertanto, proponiamo un secondo metodo chiamato "ottimizzazione full-image", che omette la fase di matching collaborativa e ricerca direttamente il circuito migliore in base agli indicatori di prestazione effettivi (cioè perdita e soppressione dell'inserimento del segnale). In questo modo, la soluzione più economica può essere identificata in modo molto efficace. Per l'architettura CA più complessa nella pratica, potrebbe essere più utile mescolare i due metodi. Possiamo usare il design "full graph optimization" per alcuni blocchi funzionali, e poi combinarli e perfezionarli, simile al metodo "collaboration" Match. In tutti questi metodi, la piattaforma di automazione della progettazione RF che abbiamo adottato gioca un ruolo centrale, perché elimina la maggior parte delle operazioni manuali che i progettisti devono spendere per progettare software quando risolvono problemi CA.