Substrat IC - Platform automatasi reka-reka RF generasi berikutnya untuk penilaian multi-antena dan peningkatan prestasi

Dengan perubahan dalam teknologi tanpa wayar, bilangan sistem radio dalam banyak peranti portable terus meningkat, dan dengan Internet perkara yang muncul dan aplikasi 5G, trend ini masih meningkat. Tenderasi ini telah membawa cabaran kepada perancang frekuensi radio, kerana mereka perlu memastikan prestasi beberapa sistem radio yang bekerja pada masa yang sama, tetapi juga perlu mengurangi gangguan dan kerugian kuasa.

Artikel ini menjelaskan masalah desain multi-sistem dari perspektif antena. Pertumbuhan bilangan unsur antena dalam peralatan adalah trend utama dalam evolusi antena, konsisten dengan trend multi-sistem yang disebut di atas. Namun, pelbagai pelbagai antena, input berbilang output dan teknologi membentuk cahaya telah mempromosikan proses ini lebih lanjut. Pada masa yang sama, kerana saiz peranti tidak boleh ditambah, densiti antena akan bertambah. Ini akan membawa kepada peningkatan pasangan, yang merupakan salah satu cabaran utama dalam desain sistem multi-antena.

Berpasang antara antena Oleh kerana antena adalah pada dasarnya struktur resonan, mungkin ada pasang antara antena yang dekat bersama. Jika jarak antara antena sangat dekat, dan frekuensi operasi mereka dekat satu sama lain, resonansi lebih kuat. Sama seperti struktur fizikal lain, antena biasanya beresonasi pada frekuensi rendah atau darab harmonik frekuensi asas. Oleh itu, antena yang sesuai untuk band 3GPP 3 (1710 -1880 MHz) dan antena 5 GHz (5170-5835 MHz) mungkin mempunyai tiga resonans harmonik yang kuat. Corak radiasi antena dalam peranti kompat biasanya isotrop. Walaupun orientasi antena boleh digunakan untuk mengisolasi melalui polarizasi salib, pendekatan ini hanya berfungsi dalam kes yang paling mudah. Contohnya, dalam kes yang paling ideal, corak dipol dengan radiasi sifar sepanjang paksi dipol hanya boleh mengisolasi tiga antena melalui ciri-ciri coraknya. Bilangan antena periferal sering melebihi bilangan antena yang ditempatkan dalam medan yang dekat satu sama lain (Figure 1), dan rancangan industri tidak dapat meletakkan antena dalam cara positioning elektromagnetik optimal. Oleh itu, kita perlu berurusan dengan tingkat tertentu pasangan.

Sistem radio berbeza secara efektif diizoli oleh penapis bahagian depan RF, tetapi masih ada sebab berbilang, dan kesan sambungan antara antena perlu dikendalikan dengan berhati-hati. Pertama, sistem output berbilang input mempunyai band frekuensi yang sama antara jenis antena berbeza. Kedua, sambungan kuat pada frekuensi harmonik boleh menyebabkan isyarat intermodulasi penghantar A untuk pasangan ke band frekuensi operasi penerima B-penapis juga boleh menunjukkan periodicity harmonik yang sama dengan antena pasband. Ketiga, band hentian penapis biasanya sesuai untuk persekitaran sirkuit 50 ohm, dan impedance antena mungkin mana-mana nilai selain 50 ohm, menyebabkan band laluan sebenar untuk melebihi secara signifikan dari nilai desain, jadi prestasi biasanya lebih baik hanya apabila band hentian dekat dengan band laluan. Ini bermakna bahawa penapis sistem A boleh bocorkan kuasa terhubung dari sistem B ke sistem A, yang menyebabkan pengurangan sensitiviti sistem A dan kehilangan kuasa sistem B. Akhirnya, efisiensi radiasi antena kompat boleh sangat lemah. Dengan kata-kata lain, walaupun sistem radio benar-benar ditapis, antena sekeliling akan memakan sebahagian besar kuasa sambungan.

Untuk menghindari masalah di atas, kita perlu melamar analisis baru dan meliputi dan kaedah optimasi untuk sistem antena.

Mengapa kaedah analisis yang wujud tidak dapat mengatasinya?

Pada masa lalu, kami menggunakan tiga kaedah analisis sistem antena yang berbeza:

1. Kaedah berdasarkan pengukuran: Parameter S sistem port-berbilang dikatakan oleh analisis rangkaian vektor-berbilang port (VNA), dan corak radiasi yang sepadan dengan setiap antena diukur oleh peranti pengukuran manual yang terletak dalam bilik anechoic.

2. Simulator frekuensi radio umum boleh menganalisis sirkuit sistem antena, tetapi tidak mempunyai kesan pada kuantiti dan efisiensi berkaitan dengan radiasi.

3. Sistem simulasi elektromagnetik sistem antena menggunakan model maya fleksibel untuk menggantikan peranti pengukuran manual, dan perisian elektromagnetik konvensional juga mengandungi sejumlah besar fungsi-proses data analog.

Semua kaedah di atas tidak dapat mengendalikan dengan betul terma sambungan saling dalam sistem multi-antena. Untuk Kaedah 1, kerana efisiensi radiasi bergantung pada superposisi terminal setiap port dan corak radiasi 3D, bagaimana menghitung efisiensi radiasi dengan betul juga masalah yang rumit. Selain itu, data efisiensi radiasi biasanya ditakrif oleh titik grid frekuensi, daripada parameter S, yang mungkin membuat pengiraan efisiensi keseluruhan lebih rumit. Sistem 12-antena biasa melibatkan 132 istilah sambungan. Kita perlu tulis secara manual begitu banyak terma sambungan dalam persamaan untuk menghitung keseluruhan efisiensi.

Mengingat kehilangan sambungan dan efisiensi radiasi berkaitan dengan terminal pada masa yang sama, simulator elektromagnetik biasanya lebih sesuai untuk masalah multi-antena, dan keseluruhan efisiensi setiap antena boleh dihitung. Meskipun simulator elektromagnetik hanya menyokong corak radiasi projek asli dalam format asli, sayangnya, tiada format piawai untuk corak radiasi. Ini bermakna bahawa dalam latihan, setiap simulator elektromagnetik mempunyai format corak radiasi sendiri, dan data mod tidak boleh dikongsi antara simulator berbeza, seperti fail parameter S.

Tapi simulator elektromagnetik juga mempunyai titik buta. Apabila mencapai terminal port antena melalui sirkuit yang sepadan, penapis, dll., kita perlukan komponen sirkuit dan model mereka. Simulator RF memberi lebih perhatian kepada perpustakaan komponen, dan model komponen sebenar biasanya sama penting bila menganalisis seluruh sistem. Selain itu, ia melibatkan tidak hanya keseluruhan efisiensi, tetapi juga kerugian komponen, tekanan dan arus yang menyambung bahagian-bahagian lain litar. Apabila menganalisis jenis prestasi ini, simulator RF berkuasa, tetapi apabila menganalisis keseluruhan efisiensi, mereka pasti tidak puas.

Semuanya, simulator elektromagnetik sesuai untuk input dari antena ke ruang bebas, dan simulator sirkuit frekuensi radio sesuai untuk port matriks S dari amplifier ke karakterisasi input antena. Adakah ada kaedah analitik yang boleh menggabungkan dua kaedah di atas?

metodNew software has been developed, which combines the advantages of electromagnetic and radio frequency circuit simulators in analyzing the state of multi-antenna systems, and optimizes system performance through automatic circuit synthesis.

Perbaikan prestasi sistem antena secara umum dilakukan melalui sirkuit persamaan dan penyahpautan yang relatif mudah. Tetapi jika anda perlu memastikan bahawa semua faktor di atas dianggap betul dan pada masa yang sama, anda mesti mengesahkan prestasi sistem dengan betul.

Kaedah baru telah disimpan dalam platform perisian automatasi reka frekuensi radio Optenni Lab. Selepas bertahun-tahun pembangunan, ia telah mampu menyambungkan secara terus-menerus masalah elektromagnetik dan sirkuit sistem multi-antena. Melihat ke hadapan medan elektromagnetik, selain matriks parameter S-port berbilang, corak radiasi 3D dalam berbagai format simulator elektromagnetik standar industri juga disokong. Idea utama ialah menyediakan "alat yang paling sesuai untuk setiap masalah", jadi platform adalah semudah mungkin dalam terma input dan output data. Untuk sistem N-antena di bawah struktur tertentu, matriks parameter NxN S dan corak radiasi N (atas frekuensi) boleh menyadari karakterisasi lengkap sistem linear "dari input antena ke ruang bebas".

Lineariti sistem multi-antena boleh dihitung dengan timbangan dan sambungan medan mengikut nilai tekanan/semasa terminal input antena. Analisis sirkuit tidak hanya mempertimbangkan unsur, penapis, dan terminal yang berbeza di port antena, tetapi juga melibatkan parameter S Kesan sambungan kuasa antara port yang diwakili oleh matriks. Dengan timbangan dan melebihi semua corak antena, corak radiasi total yang diperoleh boleh digunakan untuk mengira dengan tepat efisiensi radiasi setiap antena. Proses menggabungkan saringan analog (tegangan, semasa) dan analog elektromagnetik (corak radiasi) adalah untuk menyatukan dua medan.

Seperti yang disebut sebelumnya, mana-mana domain analog tidak cukup untuk digunakan sendirian: domain analog sirkuit sepenuhnya mengabaikan efisiensi radiasi, dan efisiensi radiasi beberapa antena dalam situasi sebenar boleh menjadi rendah 30% atau lebih rendah. Domain simulasi elektromagnetik tidak dapat menghitung nilai berat yang sepadan bagi setiap corak radiasi, yang menyebabkan efisiensi radiasi tidak tepat. Ia biasanya lebih penting bahawa domain analog elektromagnetik mengabaikan kehilangan pelbagai komponen sirkuit antara penyampai dan input antena, dan jenis kehilangan ini akaun untuk peratus yang tinggi dari kehilangan keseluruhan.

Kerana kombinasi domain simulasi ini jelas berguna, alat analisis menyediakan darjah-darjah pemindahan atau pemprosesan sama-sama antara domain. Bagaimanapun, dibandingkan dengan semua penyelesaian sebelumnya, Lab Optenni mempunyai tiga ciri-ciri yang sama sekali berbeza: 1) Anggap pengalaman simulasi elektromagnetik tidak diketahui; 2) "Dari perspektif sirkuit" ke dalam sintesis topologi automatik; 3) Dari sudut pandang sistem Secara khusus reka bilangan antena.

Mengapa menggunakan sintesis topologi? Masalah multi-antena yang sangat terhubung bermakna bahawa "segala-galanya bergantung pada segala-galanya", dengan kata lain, semua antena mesti sepadan dan optimum secara konsisten. Pilihan sirkuit yang sepadan bagi antena A akan mempengaruhi bagaimana untuk memilih sirkuit yang sepadan bagi antena B, C, D dan sebagainya. Untuk masalah multi-port, bilangan topologi yang mungkin sepadan meningkat secara eksponensial dengan bilangan komponen yang sepadan dan bilangan port, jadi walaupun untuk sintesis automatik, kaedah sederhana dan kasar ini masih tidak disarankan, Biarkan saja menetapkan setiap topologi secara manual! Tetapi kita boleh mengadopsi beberapa asumsi yang cukup mudah untuk membuat masalah lebih mudah untuk menangani. Anggapan-asumsi ini akhirnya menentukan keefektiviti penyelesaian masalah pemadaman multi-port terkumpul, tetapi mesti dicatat bahawa jika kaedah sintesis topologi tidak dapat menguraikan prestasi sistem dengan betul, kaedah kebanyakan tidak berguna. Oleh itu, kemampuan analisis mesti mendahului kemampuan sintesis dan optimasi. Dari perspektif pembangunan platform desain, kemampuan ini adalah atribut independen, tetapi dari perspektif pengguna, kemampuan ini jelas berkaitan dengan rapat.

Solusi sintesThe "black box" at the front of the antenna is the basic form of an automatic synthesis solution to produce an optimized matching circuit. Efisiensi keseluruhan sirkuit yang sepadan ini akan optimum (mempertimbangkan kehilangan komponen dan efisiensi radiasi antena, dan berbagai metrik dekomposisi boleh dicapai, seperti kehilangan ketidaksepadan, kehilangan keseluruhan transmisi/RF pautan, dan keseluruhan efisiensi). Data ini juga akan dipaparkan dalam diagram keseimbangan kuasa. Figures 2 and 3 illustrate the results of common optimisation traps when the focus is on S11. Pertandingan impedance yang baik tidak menjamin prestasi yang baik. Oleh itu, ia penting bahawa alat optimasi mesti mampu mengenalpasti pembolehubah pengaruh sebenarThe Optenni Lab discrete component library integrates actual component models from multiple supplier product libraries. Sebagai hasilnya, kehilangan dan tekanan/nilai semasa setiap unsur yang sepadan boleh dihitung dengan tepat. Lagipun, kaedah ini boleh mengenalpasti nilai nilai bagi komponen dan beri amaran kepada desainer bila nilai nilai diluar untuk mengelakkan kerosakan. Untuk menyokong rancangan kuasa tinggi dan frekuensi tinggi, kaedah ini telah menyedari fungsi sintesis microstrip dan secara automatik ditambah model yang tidak berhenti. Pada masa yang sama, ia menyokong desain hibrid, mengintegrasikan komponen diskret dan garis microstrip. Contohnya, penggunaan kondensator blok DC, atau penggunaan segmen garis microstrip selain dari induktor seri lumped.

Bahagian penting desain sirkuit yang sepadan adalah bentangan PCB. Lab Optenni menggunakan set simulasi elektromagnetik model S-parameter multi-port untuk mengukur bentangan PCB untuk menyokong integrasi dengan mana-mana bentangan (Figure 4). Carakterisasi bentangan yang mudah juga boleh dibina dengan bantuan microstrip. Dalam kedua-dua kes, komponen kunci sintesis adalah reaktor-tujuan umum, atau induktor (induktor) atau reaktor kapasitatif (kondensator). Oleh itu, walaupun bentangan ditetapkan kepada bentuk tertentu seperti topologi jenis Pi atau T, kombinasi alternatif 2N dimensi L dan C masih diperlukan. Optenni Lab sintesis semua struktur ini dan isih sirkuit optimum dalam senarai mengikut prestasi.

Secara umum, komponen lain dalam rantai RF perlu dipertimbangkan, seperti balun, penapis, garis/kabel penghantaran, dan tukar. Komponen frekuensi radio seperti ini sesuai untuk persekitaran sirkuit 50 ohm, tetapi seperti yang disebutkan sebelumnya, impedance antena mungkin membelakang secara signifikan dari 50 ohm, jadi setiap komponen tidak lagi dalam persekitaran impedance yang sesuai. Lab Optenni memperkenalkan komponen modular sintetik untuk sepadan antaramuka antena berbilang pada rantaian RF untuk mencapai fungsi keseluruhan optimasi rantaian tujuan desain, seperti maksimumkan kekuatan radiasi keseluruhan bahagian yang tersisa dari band laluan dan prestasi band berhenti yang diperlukan. Figur 5 menunjukkan skema setup.

Bersama, fokus desain adalah pada masalah sensitiviti disebabkan oleh perubahan kecil nilai komponen yang sepadan. Kadang-kadang penyelesaian yang kelihatan optimal kelihatan baik semasa pemeriksaan cepat, tetapi keputusan ternyata berkilau, kerana perubahan kecil dalam nilai komponen boleh mengurangkan keeficiensi sistem. Gambar 6 menunjukkan contoh di mana efisiensi penyelesaian "optimal" dikurangi secara berat kerana toleransi komponen 5%. Sebaliknya, topologi ditandai No. 3 dalam prestasi ditandai menunjukkan nilai balas yang paling stabil. Lab Optenni mengatur semula secara automatik mengikut sensitiviti toleransi ini, dan dibandingkan dengan analisis manual, kos boleh dikurangi dengan besar: puluhan atau ratusan topologi alternatif tersedia.

Analisis dan fungsi sintesis spesifik-multiantena The traditional multi-antenna design relies on the radiating element to achieve resonance at the required frequency, and the isolation between the antennas is achieved through physical separation, but this is limited by industrial design factors. Untuk peranti kompat, pemisahan fizikal mungkin mempunyai keterangan, dan kesan sambungan mungkin menghasilkan cabaran besar. Selain itu, untuk rancangan terbaik PCB, penting untuk dapat menghitung corak radiasi dan efisiensi radiasi sistem yang sepadan.

Apabila kesan sambungan kuat, antena A akan teruja, jadi antena B akan mengakibatkan semasa, yang akan mempengaruhi corak radiasi medan jauh antena A. Sumber yang mengakibatkan tersebut bergantung pada terminal antena B. Berbeza daripada menghitung semasa yang mengakibatkan pada unsur antena, kaedah ini membatalkan semasa yang diakibatkan pada titik sumber antena, - dan menghitung corak radiasi keseluruhan melalui superposisi medan jauh komposit. Efisiensi radiasi kemudian dihitung dari medan jauh total.