Подложка ИС - автоматизация проектирования

При реализации агрегации несущих в РЧ-фронте возникает ряд новых проблем, связанных в основном с развертыванием фильтров в среде с динамическими изменениями импеданса. В данной статье будут подробно рассмотрены некоторые из этих проблем, а также предложен метод проектирования, позволяющий автоматически обрабатывать большое количество схемных решений-кандидатов, тем самым снижая нагрузку на проектировщиков и относительно легко отсеивая приемлемые решения. RF

В чем заключаются проблемы проектирования?

На рис. 1 представлена упрощенная блок-схема возможной архитектуры двунаправленной междиапазонной системы агрегации несущих нисходящего канала (DL CA), в которой ветвь RX полосы 3 может быть динамически подключена параллельно ветви TX/RX полосы 1. Эта схема может быть легко расширена до нескольких несущих компонентов и различных конфигураций коммутации. Например, в "Infineon Mobile Communication Application Guide" рекомендуется использовать одноантенные и двухантенные архитектуры RFFE для нисходящей линии связи, поддерживающие до 5 компонентных несущих CA. Основными элементами конструкции являются коммутаторы, дуплексеры и полосовые фильтры. Эти модули хорошо известны, качественны и широко используются в мобильных телефонах. Поэтому актуальной проблемой, помимо выбора интермодуляционной архитектуры и частотного планирования, являются вопросы, требующие особого внимания?

К сожалению, ответ положительный: одним из основных узких мест при проектировании является то, что при параллельном соединении фильтров они неизбежно будут оказывать существенное влияние на характеристики друг друга. Например, на рис. 2 показано, что фильтры полосы 8 и полосы 1 соединены раздельно и подключены к Frequency response в открытом узле. Следует отметить, что характеристики фильтра полосы 1 полностью уничтожаются фильтром полосы 8, а характеристики фильтра полосы 8 практически не изменяются из-за наличия фильтра полосы 1.

Характеристики внеполосного подавления этих двух фильтров очень хороши, поэтому даже если существует ток утечки фильтра, он не может объяснить повреждение фильтра полосы 1. Однако если посмотреть на входной импеданс фильтра полосы 8 на частоте полосы 1 на рис. 3а, то можно заметить, что фильтр полосы 8 выглядит как разомкнутая линия передачи с электрической длиной около 67 градусов, а не как разомкнутая цепь. При подключении фильтра Band 1 к общему узлу фильтр Band 8 будет нагружать характеристики фильтра Band 1 подобно разомкнутому шлейфу, что полностью изменит его характеристики!

На данный момент мы уже можем догадаться, почему наличие фильтра полосы 1 не разрушает характеристики фильтра полосы 8. Если мы посмотрим на входной импеданс фильтра полосы 1 на частоте полосы 8 (рис. 3б), то обнаружим, что фильтр полосы 1, по сути, представляет собой разомкнутую цепь, что является чистой случайностью. Зная это, мы можем поставить перед собой практическую задачу - разработать согласующую цепь (фазовращатель), которая сохранит поведение фильтра в полосе пропускания, а отклики других несущих частот компонентов перенесет в разомкнутую цепь. Если эта задача успешно решена, то фильтры становятся эквивалентно прозрачными друг для друга и могут быть соединены в любой конфигурации СА. Мы называем эту часть процесса проектирования "согласованием фильтров".

Задача решения проблемы согласования фильтров

Согласованное решение может стать более или менее идеальным только в более редких случаях. Обычно это происходит в случае компонентных несущих с большим разбросом частот, например, между парой низкочастотных (НБ) и парой высокочастотных (ВБ). Когда необходимо сопоставить более одной частоты компонентной несущей с разомкнутой цепью, добиться взаимного разомкнутого контура сложнее. Кроме того, при условии отсутствия существенного влияния на поведение полосы пропускания могут возникнуть трудности с согласованием несущих соседних частот. Еще один момент заключается в том, что на практике обычно существуют противоречивые ограничения, в результате чего количество внешних согласующих компонентов может быть очень небольшим. Поэтому в идеальной ситуации акустический фильтр должен быть спроектирован заранее таким образом, чтобы его можно было квалифицировать для некоторых схем СА с очень малым количеством согласующих компонентов, но сам фильтр все равно не обладает достаточной свободой проектирования, чтобы полностью исключить необходимость внешнего согласования.

Поэтому в процессе проектирования мы можем лишь попытаться сначала выполнить согласование. Если это удается, то мы знаем, что СА в принципе может работать. В процессе проектирования при использовании совместного согласования фильтров нам часто приходится мириться с тем, что это решение не может обеспечить точного размыкания цепи на несущей частоте компонента, что оставляет большое количество взаимодействий и нагрузок между фильтрами. Обращаясь к рис. 1, отметим, что у нас также есть переключатели, которые соединяют эти взаимодействия, причем электрические размеры переключателей достаточно велики, поэтому они также могут помочь эффективно нагрузить один фильтр на другой.

Короче говоря, для совместного решения этих проблем необходима точная настройка всей модели, включая переключатели, фильтры и внешние согласующие цепи.

Пример: Агрегация несущих нисходящей линии связи Band 1 + Band 3

Компонентные полосы несущих частот расположены относительно близко друг к другу. Используйте репрезентативные общедоступные модели S-параметров для дуплексеров Band 1 и RX-фильтров Band 3, а также полупроводниковые модели общего назначения SP2T, поддерживающие параллельные состояния бросков. В конфигурации без CA коммутатор подключает антенну к ветви Band 1, а в конфигурации с CA коммутатор подключает антенну к ветвям Band 1 и Band 3. Поэтому согласующая цепь должна быть оптимизирована таким образом, чтобы она подходила для этих двух конфигураций. Мы назначаем узел RF1 коммутатора на полосу 1, а узел RF2 - на полосу 3 и используем для проектирования согласующей цепи модель дискретных компонентов Murata типоразмера 0201 из библиотек LQW03AW_00 (индуктор) и GJM03 (конденсатор).

Сначала мы попробуем согласовать фильтр полосы 3. Во всех задачах согласования мы используем программную платформу автоматизации ВЧ-проектирования OptenniLab, поскольку она позволяет автоматически синтезировать и оптимизировать большое количество топологий-кандидатов. Это программное обеспечение очень важно для нашего проекта: даже при наличии всего 2 согласующих компонентов, каждая схема будет иметь 17 вариантов топологии, и когда нет очевидного решения для достижения хорошего согласования, часто бывает трудно предсказать, какая комбинация топологий может обеспечить наилучшие характеристики. Например, для одного дуплексера, если каждая ветвь имеет не более 2 согласующих компонентов, может существовать 173=4913 различных топологий. Большинство топологий обречены на неудачу, но программная платформа для автоматизации ВЧ-проектирования позволяет легко оптимизировать и автоматически сортировать более 100 родственных топологий, при этом учитывается чувствительность решения к допускам на компоненты. Это существенно помогло в процессе проектирования, так что мы практически не пропустили бы топологическую комбинацию с наилучшими характеристиками и наибольшей устойчивостью по допускам, иначе такое решение было бы легко упустить, если бы мы полагались только на ручной вывод ограниченного числа топологий.

Поэтому в качестве основы мы используем модель фильтра полосы 3 и синтезируем согласующую цепь, ориентируясь на разомкнутую цепь полосы 1 и хорошие вносимые потери RX в полосе 3. Поскольку полосы 1 и 3 расположены очень близко друг к другу, общая проблема согласования выглядит следующим образом: Частота полосы 1 пересекает длинную дугу на краю диаграммы Смита, и результаты попыток разместить ее вблизи точки разомкнутой цепи обязательно совпадут. Частотная характеристика полосы создает значительный компромисс. Существует множество топологических схем, некоторые из которых имеют лучшие вносимые потери, а некоторые могут быть лучше сопоставлены с разомкнутой цепью. Трудно получить и то, и другое. На рис. 4 показаны импедансы полосы 3 RX и полосы 1, а также сравниваются фильтр без согласования и выбранный нами фильтр с кооперативным согласованием, включающий 3 согласованных компонента на входе фильтра и 2 компонента на выходе.

В данной статье сравниваются два метода согласования CA-фильтров. В методе "кооперативного согласования" фильтры сначала согласовываются по отдельности с целью достижения разомкнутой цепи на частоте другого фильтра. После объединения результатов этих подпроблем и их точной настройки обычно получается приемлемое решение. Однако этот процесс в основном позволяет получить только подходящую топологию, либо требует времени и усилий для ручного объединения результатов-кандидатов каждой подпроблемы. Поэтому мы предлагаем второй метод, называемый "оптимизацией полного образа", который исключает этап совместного согласования и напрямую ищет наилучшую схему по фактическим показателям эффективности (т.е. по потерям на вставку и подавление сигнала). Таким образом, можно очень эффективно определить наиболее экономичное решение. Для более сложной архитектуры ЦА на практике может оказаться более полезным сочетание этих двух методов. Можно использовать "полную оптимизацию графа" для некоторых функциональных блоков, а затем объединить их и провести тонкую настройку, аналогично методу "collaboration" Match". Во всех этих методах центральную роль играет принятая нами платформа автоматизации проектирования РЧ, поскольку она позволяет исключить большую часть ручных операций, которые приходится тратить разработчикам на разработку программного обеспечения при решении задач СА. RF