Подложка ИС - автоматизированная платформа проектирования радиочастот следующего поколения для многоантенной оценки и оптимизации характеристик

С развитием беспроводных технологий количество радиосистем во многих портативных устройствах продолжает расти, а с появлением Интернета вещей и приложений 5G эта тенденция продолжает усиливаться. Эта тенденция ставит перед разработчиками радиочастот сложные задачи, поскольку им необходимо обеспечить производительность нескольких радиосистем, работающих одновременно, но при этом минимизировать помехи и потери мощности.

В данной статье рассматриваются проблемы многосистемного проектирования с точки зрения антенн. Увеличение числа антенных элементов в оборудовании - основная тенденция развития антенн, соответствующая упомянутой выше тенденции мультисистемности. При этом разнообразие антенн, технологии множественного ввода и множественного вывода, а также технология формирования луча еще больше способствуют этому процессу. В то же время, поскольку размеры устройства не могут быть увеличены, плотность антенн будет расти. Это, в свою очередь, приведет к увеличению связи, что является одной из основных проблем при проектировании многоантенных систем. RF

Связь между антеннами

Поскольку антенны по своей сути являются резонансными структурами, между антеннами, расположенными близко друг к другу, может возникать связь. Если расстояние между антеннами очень мало, а их рабочие частоты близки друг к другу, то резонанс усиливается. Как и другие физические структуры, антенны обычно резонируют на самой низкой частоте или на гармониках, кратных основной частоте. Поэтому антенна, подходящая для работы в диапазоне 3GPP 3 (1710-1880 МГц), и антенна, работающая на частоте 5 ГГц (5170-5835 МГц), могут иметь три сильных гармонических резонанса. Диаграмма направленности излучения антенны в компактных устройствах обычно изотропна. Хотя ориентация антенны может быть использована для развязки за счет кросс-поляризации, такой подход работает только в простейших случаях. Например, в самом идеальном случае дипольная диаграмма направленности с нулевым излучением вдоль оси диполя может изолировать только три антенны за счет своих свойств диаграммы направленности. Количество периферийных антенн часто превышает количество антенн, расположенных в ближнем поле друг от друга (рис. 1), а промышленный дизайн не позволяет оптимально расположить антенны в электромагнитном поле. Поэтому приходится иметь дело с определенной степенью сопряжения.

Различные радиосистемы эффективно развязаны фильтрами ВЧ-фронта, но все же существует множество причин, и эффект связи между антеннами требует тщательной обработки. Во-первых, системы с множественным входом и множественным выходом имеют одинаковые полосы частот между разными типами антенн. Во-вторых, сильная связь на гармонических частотах может привести к тому, что интермодуляционный сигнал передатчика A будет попадать в рабочую полосу частот приемника B, а фильтр может иметь гармоническую периодичность, аналогичную полосе пропускания антенны. В-третьих, стоп-полоса фильтра обычно рассчитана на 50 Ом, а импеданс антенны может быть любым, отличным от 50 Ом, что приводит к значительному отклонению фактической полосы пропускания от расчетного значения, поэтому характеристики фильтра обычно лучше только тогда, когда стоп-полоса близка к полосе пропускания. Это означает, что фильтр системы А может пропускать связанную мощность от системы В к системе А, что приводит к снижению чувствительности системы А и потере мощности системы В. Наконец, эффективность излучения компактных антенн может быть очень низкой. Другими словами, даже если радиосистема полностью отфильтрована, окружающие антенны будут потреблять значительную часть мощности связи.

Для того чтобы избежать перечисленных выше проблем, необходимо предложить новые комплексные методы анализа и оптимизации антенной системы.

Почему существующие методы анализа не могут с ней справиться?

В прошлом мы использовали три различных метода анализа антенных систем:

1. Метод, основанный на измерениях: S-параметры многопортовой системы характеризуются многопортовым векторным анализатором сети (VNA), а диаграмма направленности излучения, соответствующая каждой антенне, измеряется ручным измерительным прибором, расположенным в безэховой камере.

2. Общий радиочастотный симулятор позволяет проанализировать схему антенной системы, но не влияет на величину и эффективность излучения.

3. Система электромагнитного моделирования антенной системы использует гибкую виртуальную модель для замены ручного измерительного прибора, а обычное программное обеспечение электромагнитной системы также содержит большое количество функций постобработки аналоговых данных.

Все перечисленные методы не могут корректно учитывать условия взаимной связи в многоантенной системе. Для метода 1, поскольку эффективность излучения зависит от суперпозиции терминала каждого порта и трехмерной диаграммы излучения, корректный расчет эффективности излучения также представляет собой сложную проблему. Кроме того, данные по эффективности излучения обычно определяются по точкам частотной сетки, а не по S-параметрам, что может усложнить расчет общей эффективности. Типичная 12-антенная система включает 132 члена взаимной связи. Для расчета суммарной эффективности необходимо вручную вписать в уравнение такое количество членов связи.

При одновременном учете потерь на связь и эффективности излучения, связанной с терминалом, электромагнитный симулятор обычно лучше подходит для решения многоантенной задачи, и можно рассчитать общую эффективность каждой антенны. Очевидно, что хотя электромагнитный симулятор поддерживает диаграмму направленности излучения проекта только в собственном формате, к сожалению, стандартного формата диаграммы направленности излучения не существует. Это означает, что на практике каждый электромагнитный симулятор имеет свой собственный формат диаграммы направленности излучения, и режимные данные не могут быть совместно использованы различными симуляторами, например, файлы параметров S.

новый метод

Разработано новое программное обеспечение, объединяющее преимущества электромагнитных и радиочастотных симуляторов цепей при анализе состояния многоантенных систем и оптимизирующее характеристики системы за счет автоматического синтеза цепей.

Улучшение характеристик антенной системы обычно достигается с помощью относительно простых согласующих и развязывающих цепей. Но для того чтобы все перечисленные факторы были учтены правильно и одновременно, необходимо корректно охарактеризовать характеристики системы.

Новый метод был встроен в программную платформу автоматизации радиочастотного проектирования Optenni Lab. После многолетних разработок она смогла органично связать электромагнитные и схемотехнические проблемы многоантенной системы. Что касается электромагнитной области, то помимо многопортовой матрицы S-параметров поддерживаются также 3D-шаблоны излучения в различных стандартных форматах электромагнитных симуляторов. Основная идея заключается в том, чтобы предоставить "наиболее подходящий инструмент для каждой задачи", поэтому платформа максимально нейтральна с точки зрения ввода и вывода данных. Для N-антенной системы с заданной структурой матрица параметров NxN S и N диаграмм направленности излучения (по частоте) позволяют реализовать полную характеристику линейной системы "от антенного входа до свободного пространства".

Линейность многоантенной системы может быть рассчитана путем взвешивания и суммирования поля в зависимости от величины напряжения/тока на входном терминале антенны. При анализе схемы учитываются не только согласующие элементы, фильтры и различные выводы на антенном порту, но и параметр S - эффект связи по мощности между портами, представленный матрицей. Путем взвешивания и наложения всех диаграмм направленности антенн полученная суммарная диаграмма направленности излучения может быть использована для точного расчета эффективности излучения каждой антенны. Процесс объединения схемного аналога (напряжения, тока) и электромагнитного аналога (диаграммы направленности излучения) заключается в связывании двух полей.

Как уже отмечалось, одного аналогового домена недостаточно: в схемном аналоговом домене полностью игнорируется эффективность излучения, а эффективность излучения некоторых антенн в реальных условиях может достигать 30% и ниже. Домен электромагнитного моделирования не в состоянии рассчитать соответствующее взвешенное значение каждой диаграммы направленности излучения, что приводит к неточному значению эффективности излучения. Как правило, более важно, что электромагнитный аналоговый домен игнорирует потери в различных компонентах схемы между усилителем и входом антенны, а этот тип потерь составляет большой процент от общих потерь.

Однако у электромагнитных симуляторов есть и "мертвые зоны". При прохождении клеммы антенного порта через согласующие цепи, фильтры и т.д. нам необходимы компоненты схемы и их модели. В ВЧ-симуляторе больше внимания уделяется библиотеке компонентов, а реальная модель компонента, как правило, не менее важна при анализе всей системы. Кроме того, речь идет не только об общей эффективности, но и о потерях в компонентах, напряжениях и токах, соединяющих различные участки схемы. При анализе такого рода характеристик ВЧ-симуляторы являются мощными, но при анализе общего КПД они, безусловно, неудовлетворительны.

В общем, электромагнитный симулятор подходит для ввода сигнала от антенны в свободное пространство, а симулятор радиочастотных цепей - для ввода сигнала от усилителя на S-матрицу и определения характеристик антенного входа. Существует ли аналитический метод, позволяющий объединить два указанных выше метода?

Поскольку сочетание этих доменов моделирования явно полезно, средства анализа обеспечивают различную степень интеграции или совместной обработки между доменами. Однако по сравнению со всеми предыдущими решениями Optenni Lab обладает тремя совершенно иными характеристиками: 1) учитывать незнание средств электромагнитного моделирования; 2) "с точки зрения схемы" в автоматический синтез топологии; 3) с точки зрения системы специально проектировать количество антенн.

Зачем нужен синтез топологии?

Проблема высокосвязанной компактной многоантенной системы означает, что "все зависит от всего", другими словами, все антенны должны быть согласованы и оптимизированы последовательно. Выбор схемы согласования антенны A повлияет на выбор схем согласования антенн B, C, D и т.д. Для многопортовых задач число возможных топологий согласования экспоненциально возрастает с ростом числа согласующих компонентов и числа портов, поэтому даже для автоматического синтеза этот простой и грубый метод все равно нецелесообразен, не говоря уже о ручной настройке каждой топологии! Однако мы можем принять некоторые достаточно упрощенные допущения, чтобы облегчить решение задачи. Эти допущения в конечном счете определяют эффективность решения задачи согласования связанных многопортовых устройств, но следует отметить, что если метод синтеза топологии не может правильно охарактеризовать характеристики системы, то он, по большому счету, бесполезен. Поэтому возможности анализа должны предшествовать возможностям синтеза и оптимизации. С точки зрения разработки проектной платформы эти возможности являются независимыми атрибутами, но с точки зрения пользователя они, очевидно, тесно связаны между собой.

Синтез решения

Черный ящик" на передней панели антенны - это базовая форма решения автоматического синтеза для создания оптимизированной схемы согласования. Общая эффективность этих согласующих цепей будет оптимизирована (с учетом потерь в компонентах и эффективности излучения антенны, при этом могут быть получены различные метрики разложения, такие как потери на рассогласование, общие потери на передачу/ВЧ-канал и общая эффективность). Эти данные также будут отображены на диаграмме баланса мощности. На рис. 2 и 3 показаны результаты распространенных способов оптимизации, когда основное внимание уделяется S11. Хорошее согласование импедансов не гарантирует хороших характеристик. Поэтому важно, чтобы инструмент оптимизации позволял определить фактические влияющие переменные.

Библиотека дискретных компонентов Optenni Lab объединяет модели реальных компонентов из библиотек продуктов нескольких поставщиков. В результате можно точно рассчитать потери и значение напряжения/тока для каждого согласующего элемента. Кроме того, этот метод позволяет определить номинальное значение компонента и предупредить проектировщика о превышении номинального значения, чтобы избежать повреждений. Для поддержки проектирования мощных и высокочастотных устройств в данном методе реализована функция синтеза микрополосковых линий и автоматического добавления моделей разрывов. В то же время он поддерживает гибридное проектирование, объединяющее дискретные компоненты и микрополосковые линии. Например, использование блокировочных конденсаторов постоянного тока или отрезков микрополосковых линий вместо индуктивности.

Важной частью проектирования согласующих цепей является разводка печатной платы. В Optenni Lab используется набор моделей многопортовых S-параметров для электромагнитного моделирования, позволяющий охарактеризовать разводку печатной платы для интеграции с любым макетом (рис. 4). Упрощенная характеристика макета может быть построена и на основе микрополосковой разводки. В обоих случаях ключевыми компонентами синтеза являются дроссели общего назначения, либо индуктивности (индукторы), либо емкостные дроссели (конденсаторы). Поэтому, даже если схема фиксирована на конкретной форме, например, топологии Pi- или T-типа, все равно требуется альтернативная комбинация 2N размеров L и C. Optenni Lab синтезирует все эти структуры и сортирует оптимизированные схемы в списке по производительности.

Как правило, необходимо учитывать и другие компоненты в радиочастотной цепи, такие как балуны, фильтры, линии/кабели передачи и коммутаторы. Такие радиочастотные компоненты подходят для цепей с импедансом 50 Ом, но, как уже упоминалось, импеданс антенны может значительно отклоняться от 50 Ом, поэтому каждый компонент уже не находится в подходящей импедансной среде. Optenni Lab ввела синтетические модульные компоненты для согласования нескольких антенных интерфейсов в ВЧ-цепочке для достижения общей функции оптимизации цепочки в соответствии с целью проектирования, такой как максимизация суммарной излучаемой мощности в оставшейся части полосы пропускания и требуемых характеристик полосы ограничения. На рис. 5 показана схема установки.

Соответственно, основное внимание при проектировании уделяется проблеме чувствительности, вызванной малым изменением величины согласующего компонента. Иногда кажущееся оптимальным решение при беглом осмотре выглядит хорошо, но результаты оказываются броскими, поскольку небольшие изменения значений компонентов могут снизить эффективность системы. На рис. 6 показан пример, когда эффективность "оптимального" решения сильно снижается из-за допуска на компонент в 5%. Напротив, топология, занявшая 3-е место по номинальной производительности, демонстрирует наиболее стабильное значение отклика. Optenni Lab автоматически перестраивает заказ в соответствии с этой чувствительностью к допуску, и по сравнению с ручным анализом затраты могут быть значительно снижены: доступны десятки и сотни альтернативных топологий.

Функции анализа и синтеза, специфичные для многоантенных устройств

В традиционной многоантенной конструкции излучающий элемент достигает резонанса на требуемой частоте, а развязка между антеннами достигается за счет физического разделения, но это ограничено факторами промышленного дизайна. Для компактных устройств физическое разделение может иметь ограничения, а эффекты связи могут представлять огромную проблему. Кроме того, для оптимального проектирования печатной платы важно уметь рассчитывать диаграмму направленности излучения и эффективность излучения согласующей системы.

При сильном эффекте связи антенна A возбуждается, поэтому в антенне B возникает наведенный ток, который влияет на диаграмму направленности излучения антенны A. Эти наведенные токи зависят от терминала антенны B. Данный метод отличается от расчета наведенного распределенного тока на элементе антенны, в нем отменяется наведенный ток на точке питания антенны и рассчитывается полная диаграмма направленности излучения через суперпозицию составного дальнего поля. Затем по суммарному дальнему полю рассчитывается эффективность излучения. RF