集成電路基板 - 射頻前端優化的設計自動化

在射頻前端實現載波聚合時, 會遇到一些新問題, 這主要與在動態阻抗變化的環境中部署濾波器有關. 本文將詳細闡述其中的一些問題, 並提出了一種自動處理 大量電路-級別候選解決方案, 從而減輕設計師的負擔, 相對容易篩選出可行的解決方案.
設計挑戰在哪裡?
Figure 1 is a simplified block diagram of a possible architecture of a bidirectional inter-band downlink carrier aggregation (DL CA) system, 其中，頻帶3的RX分支可與TX動態並聯/頻帶1的RX分支. 這種設計可以很容易地擴展到多分量載波和不同的交換配寘. 例如, 《英飛淩移動通信應用指南》建議使用單天線和雙天線下行連結RFFE架構, 支持多達5個CA組件載體. 基本構建塊是交換機, 雙工器, 和帶通濾波器. 這些模塊是眾所周知的, 高品質, 廣泛應用於手機. 因此, 現時的問題除了互調架構的選擇和頻率規劃之外，還包括處理, 是否有需要特別注意的問題?
不幸地, 答案是肯定的：一個主要的設計瓶頸是一旦篩檢程式並聯, 它們將不可避免地對彼此的表現產生重大影響. 例如, 圖2顯示，8帶和1帶濾波器分別連接，並連接到公共節點的頻率回應. 值得注意的是，帶1濾波器的效能完全被帶8濾波器破壞, 由於1帶濾波器的存在，8帶濾波器的效能基本不變.
這兩種濾波器的帶外抑制效能非常好, 囙此，即使存在濾波器洩漏電流, 它不能解釋波段1濾波器的損壞. 然而, 如果我們查看圖3a中帶1頻率下帶8濾波器的輸入阻抗, 我們可以注意到，8帶濾波器看起來像一條開口的傳輸線，其電力長度約為67度，而不是開路. 使用帶1濾波器將其連接到公共節點時, 8帶濾波器將以類似於開放存根的管道加載1帶濾波器的效能, 這將徹底改變篩檢程式的效能!

此時, 我們已經可以猜測為什麼1帶濾波器的存在不會破壞8帶濾波器的效能. If we look at the input impedance of the Band 1 filter at the Band 8 frequency (Figure 3b), 我們將發現，帶1濾波器本質上是一個開路, 這完全是巧合. 知道這一點, 我們可以設想一個切實可行的目標, which is to design a matching circuit (phase shifter) to preserve the passband behavior of the filter while mapping the response of other component carrier frequencies to the open circuit. 如果成功實現此目標, 然後，篩檢程式就相當於彼此透明，可以在任何CA配寘中連接. We call this part of the design process "filter matching"
The challenge of solving the filter matching problem
A matched solution can only become a more or less perfect solution under more occasional circumstances. 對於具有寬頻率間隔的分量載波，通常是這種情況, such as between a low-band (LB) pair and a high-band (HB) pair. 當必須將多個部件載波頻率映射到開路時, 實現相互斷路更加困難. 此外, 在不顯著影響通帶行為的前提下, 相鄰頻率的分量載波可能難以匹配. 另一點是，實踐中通常存在相互衝突的約束, 導致只有極少量的外部匹配組件. 因此, 理想的情况是提前設計聲濾波器，以便它能够適用於一些匹配成分很少的CA方案, 但是篩檢程式本身仍然沒有足够的設計自由度來完全消除外部匹配的需要.
因此, 我們的設計過程仍然只能嘗試首先匹配. 如果成功了, 我們知道CA基本上可以工作. 在設計過程中採用濾波器協同匹配, 我們通常不得不承認，該解決方案無法在組件載波頻率下提供精確的開路, 這在篩檢程式之間留下了大量的互動和負載. 參見圖1, 我們還有連接這些互動的開關, 開關的電力尺寸足够大, 囙此，它們還可以幫助有效地將一個篩檢程式加載到另一個篩檢程式.
簡言之, 共同解决這些問題, 有必要對包括開關在內的整個模型進行微調, 篩檢程式, 和外部匹配電路.
Example: Band 1 + Band 3 downlink carrier aggregation
The component carrier frequency bands are relatively close to each other. 對於1帶雙工器和3帶RX濾波器，使用具有代表性的公共域S參數模型, 以及支持並行投擲狀態的通用電晶體SP2T型號. 在非CA配寘中, 開關將天線連接到頻帶1分支； 在CA配寘中, 該開關將天線連接到頻帶1和頻帶3分支. 因此, 應優化匹配電路，使其適合這兩種配寘. 我們將交換機RF1節點分配給頻帶1，將RF2節點分配給頻帶3, and use the 0201 package size Murata discrete component model of the library LQW03AW_00 (inductor) and GJM03 (capacitor) to design the matching circuit.

我們首先嘗試匹配帶3濾波器。 在所有匹配任務中，我們使用射頻設計自動化軟體平臺OptenniLab，因為它可以自動合成和優化大量候選拓撲。 該軟件對我們的設計至關重要：即使最多只有2個匹配組件，每個電路也將有17個不同的拓撲選項，當沒有明顯的解決方案來實現良好匹配時，通常很難預測這種拓撲組合可以實現最佳效能。 例如，對於單個雙工器，如果每個分支最多有2個匹配組件，則總共可以有173=4913個不同拓撲。 大多數拓撲註定會失敗，但RF design automation軟體平臺可以輕鬆優化和自動排序100多個相關拓撲，同時還考慮到解決方案對組件公差的敏感性。 這極大地幫助了設計過程，囙此我們基本上不會錯過具有最佳效能和最强容差穩定性的拓撲組合，否則，如果我們僅依賴於對有限數量拓撲的手動推導，很容易錯過此類解決方案。

因此, 我們使用帶3濾波器模型作為基礎, 並以頻帶1的開路目標和頻帶3中RX的良好插入損耗為目標合成匹配電路. 因為波段1和波段3彼此非常接近, 我們面臨的常見匹配挑戰如下：頻帶1的頻率在史密斯圖邊緣穿過一條長弧, 而將其放置在斷路點附近的結果必然是一致的. 頻帶響應造成了相當大的折衷. 有許多拓撲方案可供選擇, 其中一些具有更好的插入損耗, 有些可以更好地映射到開路. 很難兩者兼得. 圖4顯示了頻帶3 RX和頻帶1的阻抗, 並比較了非匹配濾波器和我們選擇的合作匹配濾波器, 包括濾波器輸入端的3個匹配分量和輸出端的2個匹配分量.
本文比較了兩種匹配方法 CA篩選器. 在“合作匹配”方法中, 篩檢程式首先單獨匹配, 目標是在另一個濾波器的頻率下實現開路. 將這些子問題的結果進行組合和微調後, 通常會得到可行的解決方案. 然而, 這個過程基本上只能得到一個匹配的拓撲, 或者手動組合每個子問題的候選結果需要時間和精力. 因此, 我們提出了第二種方法，稱為“全影像優化”, 它省略了合作匹配步驟，並直接蒐索 最佳電路 according to actual performance indicators (ie, signal insertion loss and suppression). 以這種管道, 可以非常有效地確定最經濟的解決方案. 對於實踐中更複雜的CA體系結構, 混合使用這兩種方法可能更有幫助. 我們可以對一些功能塊使用“全圖優化”設計, 然後將其組合並微調, 類似於“合作”匹配方法. 在所有這些方法中, 我們採用的射頻設計自動化平臺起著核心作用, 因為它消除了設計人員在解决CA問題時在設計軟體時必須花費的大部分手動操作.