IC 기판 - 다중 안테나 평가 및 성능 최적화를 위한 차세대 무선 주파수 설계 자동화 플랫폼

무선 기술의 변화에 따라 많은 휴대용 장치의 무선 시스템 수가 증가하고 있으며 사물 인터넷과 5G 응용의 발흥에 따라 이러한 추세는 여전히 증가하고 있습니다.이 추세는 여러 무선 시스템이 동시에 작동하는 성능을 보장하는 동시에 간섭과 전력 손실을 최소화해야 하기 때문에 무선 주파수 설계자들에게 도전을 주고 있습니다.

이 문서에서는 다중 시스템 설계의 문제점을 안테나의 관점에서 설명합니다.장치에서 안테나 소자 수의 증가는 안테나 발전의 주요 추세이며 위의 다중 시스템 추세와 일치합니다.그러나 안테나 분집, 다중 입력 다중 출력 및 빔 성형 기술은 이 과정을 더욱 촉진시켰다.또한 장치의 크기를 늘릴 수 없기 때문에 안테나 밀도가 증가합니다.이것은 반대로 결합 증가를 초래할 것이며, 이는 다중 안테나 시스템 설계의 주요 도전 중 하나이다.

안테나 간의 결합은 안테나가 본질적으로 공명 구조이기 때문에 가까운 안테나 사이에 결합이 있을 수 있습니다.안테나 사이의 거리가 매우 가깝고 작업 빈도가 서로 가까우면 공명이 더 강해집니다.다른 물리적 구조와 마찬가지로 안테나는 일반적으로 최소 주파수 또는 기본 주파수의 고조파 배수로 공명됩니다.따라서 3GPP 대역 3(1710-1880MHz)용 안테나와 5GHz 안테나(5170-5835MHz)는 3개의 강한 고조파 공명을 가질 수 있다.컴팩트형 장비의 안테나 방사선 방향도는 일반적으로 각 방향의 동일성을 나타냅니다.안테나 방향은 교차 극화를 통해 격리하는 데 사용할 수 있지만 이 방법은 가장 간단한 경우에만 유효합니다.예를 들어, 가장 이상적인 경우 짝극축을 따라 0이 되는 짝극 모드는 그 모드 특성을 통해서만 세 개의 안테나를 격리할 수 있습니다.주변 안테나의 수는 종종 서로 가까운 곳에 있는 안테나의 수를 초과합니다 (그림 1). 산업 설계는 최적의 전자기 위치로 안테나를 배치할 수 없습니다.따라서 우리는 어느 정도의 결합을 처리해야 한다.

무선 주파수 프런트엔드의 필터는 서로 다른 무선 시스템을 효과적으로 격리하지만 여전히 여러 가지 이유가 있으므로 안테나 간의 결합 효과를 조심스럽게 처리해야합니다.우선, 다중 입력 다중 출력 시스템은 서로 다른 유형의 안테나 사이에 같은 주파수 대역을 가지고 있다.둘째, 고조파 주파수에서의 강한 결합은 송신기 A의 상호 조정 신호를 수신기 B의 작업 주파수 대역으로 결합시킬 수 있으며, 필터는 또한 통대역 안테나와 유사한 고조파 주기성을 나타낼 수 있다.셋째, 필터 밴드는 일반적으로 50옴의 회로 환경에 적용되며, 안테나 임피던스는 50옴 이외의 어떤 값도 될 수 있어 실제 밴드와 설계 값이 크게 벗어나기 때문에 밴드가 밴드에 가까울 때만 성능이 더 좋아진다.이는 시스템 A의 필터가 결합 전력을 시스템 B에서 시스템 A로 누출할 수 있다는 것을 의미하며, 시스템 A의 감도 저하와 시스템 B의 전력 손실을 초래할 수 있다. 마지막으로 컴팩트 안테나의 복사 효율은 매우 떨어질 수 있다.즉, 무선 시스템이 완전히 필터링되더라도 주변 안테나는 결합 전력의 상당 부분을 소비합니다.

상술한 문제를 피하기 위해서, 우리는 안테나 시스템에 대해 참신하고 전면적인 분석과 최적화 방법을 제시해야 한다.

왜 기존의 분석 방법이 대응할 수 없습니까?

과거에는 다음과 같은 세 가지 안테나 시스템 분석 방법을 사용했습니다.

1.측정 기반 방법: 다중 포트 시스템의 S 매개변수는 다중 포트 벡터 네트워크 분석기 (VNA) 에 의해 표현되며, 각 안테나에 대응하는 방사선 방향도는 소음실 내에 위치한 수동 측정 장치에 의해 측정됩니다.

2.범용 무선 주파수 시뮬레이터는 안테나 시스템의 회로를 분석 할 수 있지만 방사선과 관련된 양과 효율에는 영향을 미치지 않습니다.

3. 안테나 시스템의 전자기 시뮬레이션 시스템은 유연한 가상 모델을 사용하여 수동 측정 장치를 대체합니다. 일반적인 전자기 소프트웨어에는 대량의 시뮬레이션 데이터 후처리 기능도 포함되어 있습니다.

위의 모든 방법은 다중 안테나 시스템의 결합 항목을 올바르게 처리하지 못합니다.방법 1의 경우 각 포트의 터미널과 3D 복사 모드의 중첩에 따라 복사 효율이 달라지므로 복사 효율을 올바르게 계산하는 방법도 어려운 문제입니다.또한 복사 효율 데이터는 일반적으로 S 매개변수가 아닌 주파수 그리드 점으로 정의되므로 총 효율 계산이 더 복잡해질 수 있습니다.일반적인 12 안테나 시스템은 132 개의 상호 결합 항목을 포함합니다.우리는 방정식에 이렇게 많은 결합 항목을 수동으로 써서 총 효율을 계산해야 한다.

또한 단말기와 관련된 결합 손실과 복사 효율을 고려하여 전자기 시뮬레이터는 일반적으로 다중 안테나 문제에 더 적합하며 각 안테나의 총 효율을 계산 할 수 있습니다.분명히, 전자기 시뮬레이터는 기본 형식의 기본 프로젝트 방사선 모드만 지원하지만, 불행히도 방사선 모드에는 표준 형식이 없습니다.즉, 실제로 각 전자기 시뮬레이터는 자체 방사선 모드 형식을 가지고 있으며 모드 데이터는 S 매개변수 파일과 같은 다른 시뮬레이터 간에 공유할 수 없습니다.

하지만 전자기 시뮬레이터에도 맹점이 있다.일치 회로, 필터 등을 통해 안테나 포트 단말기에 도달할 때, 우리는 회로 부품과 그 모델이 필요하다.무선 주파수 시뮬레이터는 일반적으로 전체 시스템을 분석할 때 실제 어셈블리 모델이 중요한 어셈블리 라이브러리에 더 중점을 둡니다.이밖에 이는 전반 효률과 관련될뿐만아니라 전기회로의 부동한 부분을 련결하는 부속품의 손실, 전압과 전류도 관련된다.이러한 유형의 성능을 분석할 때 무선 시뮬레이터는 강력하지만 전체적인 효율성을 분석할 때 만족스럽지 못합니다.

결론적으로, 전자기 시뮬레이터는 안테나에서 자유 공간에 대한 입력에, 무선 주파수 회로 시뮬레이터는 증폭기에서 안테나에 대한 입력의 S 매트릭스 포트의 표징에 각각 적용됩니다.상술한 두 가지 방법을 결합시킬 수 있는 분석 방법이 있습니까?

새로운 접근 방식은 다중 안테나 시스템 상태를 분석하는 데 전자기 및 무선 주파수 회로 시뮬레이터의 이점을 결합하고 자동 회로 합성을 통해 시스템 성능을 최적화하는 새로운 소프트웨어를 개발했습니다.

안테나 시스템의 성능 향상은 일반적으로 상대적으로 간단한 정합과 디커플링 회로를 통해 이루어진다.그러나 위의 모든 요소가 올바르게 고려되어야 하는 경우 시스템 성능을 올바르게 설명해야 합니다.

새로운 접근 방식은 Optenni 랩 무선 주파수 설계 자동화 소프트웨어 플랫폼에 내장되어 있습니다.다년간의 발전을 거쳐 그것은 이미 다중안테나시스템의 전자기와 회로문제를 빈틈없이 련결할수 있게 되였다.전자기장을 전망하면 다중 포트 S 매개변수 매트릭스 외에도 다양한 업계 표준 전자기 시뮬레이터 형식의 3D 복사 모드를 지원한다.그 주요 사상은"모든 문제에 가장 적합한 도구를 제공하는 것"이기 때문에 플랫폼은 데이터 입력과 출력에서 가능한 한 중립적이다.주어진 구조의 N 안테나 시스템의 경우, NxNs 매개변수 매트릭스와 N 개의 방사선 방향도(오버클럭킹)는 선형 시스템의"안테나에서 자유 공간으로 입력"의 전체 표징을 구현할 수 있습니다.

다중 안테나 시스템의 선형도는 안테나 입력단의 전압/전류 값에 근거하여 장소를 가중하고 화합하여 계산할 수 있다.회로 분석은 안테나 포트에 있는 일치하는 컴포넌트, 필터 및 다양한 단자뿐만 아니라 매트릭스로 표현된 포트 간의 전력 결합 효과인 S 매개변수도 고려합니다.모든 안테나 방향도를 가중하고 중첩하여 얻은 총 방사선 방향도를 사용하여 각 안테나의 방사선 효율을 정확하게 계산할 수 있다.회로 시뮬레이션(전압, 전류)과 전자기 시뮬레이션(방사선 방향도)을 결합하는 과정은 두 장소를 연관시키는 것이다.

앞에서 설명한 바와 같이, 어떤 시뮬레이션 도메인도 단독으로 사용하기에 충분하지 않습니다. 회로 시뮬레이션 도메인은 방사능 효율을 완전히 무시합니다. 일부 안테나는 실제 상황에서 방사능 효율이 30% 이하로 낮을 수 있습니다.전자기 아날로그 영역은 각 방사선 방향도에 대한 적절한 가중치를 계산할 수 없어 방사선 효율이 정확하지 않다.일반적으로 더 중요한 것은 전자기 시뮬레이션 도메인이 증폭기와 안테나 입력 사이의 다양한 회로 구성 요소의 손실을 무시하고 있으며, 이러한 유형의 손실은 총 손실에서 큰 비율을 차지합니다.

이러한 아날로그 도메인의 조합은 분명히 유용하기 때문에 분석 도구는 도메인 간에 서로 다른 수준의 통합 또는 공동 처리를 제공합니다.그러나 Optenni 실험실은 이전의 모든 솔루션에 비해 세 가지 완전히 다른 특징을 가지고 있습니다. 1) 전자기 시뮬레이션 도구에 대한 무지를 고려합니다.2) "전로의 각도에서" 자동 토폴로지 합성에 들어간다.3) 시스템 관점에서 안테나 수를 특별히 설계합니다.

토폴로지를 사용하여 작성해야 하는 이유고도로 결합된 컴팩트형 다중 안테나 문제는"모든 것이 모든 것에 달려 있다"는 것을 의미하며, 다시 말해서 모든 안테나는 일치하고 최적화되어야 한다.안테나 A의 일치 회로 선택은 안테나 B, C, D 등의 일치 회로를 선택하는 방법에 영향을 미칩니다. 다중 포트 문제에 대해 가능한 일치 토폴로지의 수는 일치 구성 요소의 수와 포트의 수에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문에 자동 합성에 대해서도 이런 단순하고 난폭한 방법은 여전히 바람직하지 않습니다.각 토폴로지를 수동으로 설정하는 것은 말할 것도 없습니다!그러나 우리는 합리적이고 간소화된 가설을 채용하여 문제를 더욱 쉽게 처리할수 있다.이러한 가정은 궁극적으로 결합 다중 포트 일치 문제를 해결하는 데 유효성을 결정하지만, 토폴로지 작성 방법이 시스템 성능을 제대로 나타내지 못하면 대부분 쓸모가 없다는 점에 유의해야 합니다.따라서 분석 능력은 종합적이고 최적화된 능력보다 앞서야 한다.디자인 플랫폼 개발의 관점에서 볼 때, 이러한 능력은 독립적인 속성이지만, 사용자의 관점에서 볼 때, 이러한 능력은 분명히 밀접한 관련이 있습니다.

합성 솔루션 안테나 앞부분의'블랙박스'는 최적화된 매칭 회로를 만드는 데 사용되는 자동 합성 솔루션의 기본 형태다.이러한 일치 회로의 총 효율은 최적화 될 것입니다 (소자 손실 및 안테나 복사 효율을 고려하여 배합 손실, 총 전송/RF 링크 손실 및 총 효율과 같은 다양한 분해 메트릭을 얻을 수 있습니다).이러한 데이터는 전력 밸런싱 차트에도 표시됩니다.그림 2와 그림 3은 S11에 중점을 둘 때 일반적으로 최적화되는 트랩의 결과를 보여줍니다.좋은 임피던스 정합은 결코 좋은 성능을 보장할 수 없다.따라서 최적화 도구는 실제 영향 변수를 식별할 수 있어야 합니다. Optenni Lab 개별 구성 요소 라이브러리는 여러 공급업체 제품 라이브러리의 실제 구성 요소 모델을 통합합니다.결과적으로 각 일치하는 컴포넌트의 손실과 전압 / 전류 값을 정확하게 계산할 수 있습니다.또한 이 방법은 부품의 정격을 식별하고 정격을 초과할 경우 설계자에게 경고하여 손상을 방지합니다.고출력, 고주파 설계를 지원하기 위해 이 방법은 마이크로밴드의 종합적인 기능을 실현하고 불연속 모델을 자동으로 추가했다.또한 혼합 설계를 지원하며 분리된 컴포넌트와 마이크로밴드 라인을 통합합니다.예를 들어, 직류 차단 콘덴서를 사용하거나 총 직렬 센서 대신 마이크로밴드 세그먼트를 사용합니다.

일치 회로 설계의 중요한 부분은 PCB 레이아웃입니다.Optenni 연구소는 모든 레이아웃과의 통합을 지원하기 위해 PCB 레이아웃을 나타내는 전자기 시뮬레이션 다중 포트 S 매개변수 모델 세트를 사용합니다 (그림 4).단순화된 레이아웃 피쳐는 마이크로밴드의 도움으로 구성될 수도 있습니다.두 경우 모두에서 합성된 핵심 부품은 일반 저항기이거나 센서 (센서) 또는 커패시터 (콘덴서) 입니다.따라서 Pi 또는 T 토폴로지와 같은 특정 모양으로 레이아웃이 고정되어 있더라도 L과 C의 2N 차원의 대체 조합이 필요합니다.Optenni 연구소는 이러한 모든 구조를 통합하고 목록에서 최적화된 회로를 성능에 따라 정렬합니다.

일반적으로 배런, 필터, 전송선/케이블 및 스위치와 같은 RF 체인의 다른 구성 요소를 고려해야 합니다.이러한 무선 주파수 구성 요소는 50 옴의 회로 환경에 적합하지만 앞서 언급했듯이 안테나 임피던스는 50 옴에서 크게 벗어날 수 있으므로 각 구성 요소는 더 이상 적절한 임피던스 환경에 있지 않습니다.Optenni Laboratory는 무선 주파수 체인의 여러 안테나 인터페이스와 일치하도록 모듈식 구성 요소를 합성하여 설계 목표의 전체 체인 최적화 기능을 구현합니다. 예를 들어 전체 대역의 나머지 부분의 총 복사 전력과 필요한 대역 성능을 최대화합니다.그림 5는 설정 다이어그램을 보여줍니다.

따라서 설계는 컴포넌트 값의 작은 변화로 인한 민감도 문제를 일치시키는 데 중점을 둡니다.때때로 최상의 솔루션이 빠른 검사에서 좋은 것처럼 보이지만 구성 요소 값의 작은 변화가 시스템 효율을 떨어뜨리기 때문에 결과는 겉만 번지르르하고 실속이 없다는 것이 증명된다.그림 6에는 부품 공차의 5% 로 인해 최적 솔루션의 효율성이 크게 떨어지는 예가 나와 있습니다.이에 비해 정격 성능 3위 토폴로지는 가장 안정적인 응답 값을 보였다.Optenni Lab은 이러한 허용 한도 민감도에 따라 자동으로 재배열되므로 수동 분석에 비해 비용이 크게 절감됩니다. 수십 개 또는 수백 개의 대체 토폴로지를 사용할 수 있습니다.

다중 안테나 전용 분석 및 합성 기능전통적인 다중 안테나 설계는 방사선 소자가 필요한 주파수에서 공명을 실현하는 데 의존하며 안테나 간의 격리는 물리적 분리를 통해 이루어지지만 산업 설계 요소에 의해 제한됩니다.컴팩트형 장치의 경우 물리적 분리가 제한적일 수 있으며 결합 효과는 큰 도전을 가져올 수 있습니다.또한 PCB의 최적 설계에는 시스템에 맞는 방사선 방향도와 방사선 효율을 계산할 수 있는 것이 중요하다.

결합 효과가 강하면 안테나 A가 자극되기 때문에 안테나 B는 감응 전류를 갖게 되는데, 이는 안테나 A의 원거리 방사선 방향도에 영향을 준다. 이러한 감응 전류는 안테나 B의 단자에 의해 결정된다. 안테나 소자에 있는 감응 분포 전류를 계산하는 것과 달리 이 방법은 천선 송전점에 있는 감응 전류를 상쇄하고,그리고 복합원장의 중첩을 통해 총복사방향도를 계산한다.그리고 총 원거리에 따라 방사능 효율을 계산한다.