Продукты | AWR | статья 1
AWR Microwave Office
Проектирование приемопередатчика LTCC
В данной статье пошагово рассматривается процесс проектирования приёмопередающего модуля с антенной решёткой 2х2 элемента (рис.1), работающего в диапазоне 8-12 ГГц, при помощи САПР NI AWR Design Environment и уникальных программных решений, входящих в его состав, включающих полноценную ко-симуляцию на системном и схемном уровнях, поддержку нескольких техпроцессов в одном проекте, возможность синтеза антенных устройств и моделирование антенных решёток.
Структура процесса проектирования
Рассматриваемый нами пример начинается с системного уровня проектирования при помощи модуля системного проектирования Visual System Simulator (VSS), на котором определяются ключевые характеристики проектируемого приёмопередатчика, после чего уже на схемном уровне в модуле Microwave Office задаются схемотехнические и топологические параметры отдельных компонентов устройства. Электромагнитный (ЭМ) анализ и оптимизация выполняются с помощью ЭМ симуляторов AXIEM и Analyst. Антенная решётка для модуля создаётся в инструменте синтеза и оптимизации антенных устройств AntSyn; мастеры синтеза пассивных компонентов также используются для автоматического создания некоторых элементов модуля. Итоговым этапом проекта становится верификация полученного приёмопередатчика на системном уровне.
Шаг 1: Системное проектирование в Visual System Simulator (VSS)
На рисунке 3 представлена системная диаграмма приёмопередатчика, созданная на основе тестовой схемы в VSS. В левой и правой частях диаграммы находятся блоки-источники передаваемых и принимаемых гармонических сигналов соответственно, при этом сам приёмопередающий модуль добавлен в виде подсхемы и расположен в центре. На рисунке 4 показана структурная диаграмма подсхемы приёмопередатчика, собранной из поведенческих блоков VSS: фильтров, усилителей и переключателей.
Для каскадного анализа полученной системы был использован инструмент RF Budget (RFB), позволяющий получать данные о значениях коэффициента усиления, коэффициента шума, IP3 и других метрик в каждой точке моделируемых трактов. Модуль RF Inspector (RFI) позволяет моделировать системы в частотной области и проводить анализ спуров в режиме передачи (рис. 5) и приёма (рис.6), а также находить источники определённых паразитных компонентов спектра.
Шаг 2: Создание печатной платы и LTCC модуля в Microwave Office
Печатная плата создаваемого приёмопередатчика состоит из 2 слоёв; на ней располагается LTCC модуль с монолитной интегральной схемой (МИС) усилителя мощности. Встроенный в NI AWR Design Environment автоматический создатель библиотек техпроцессов (PDK) помог сгенерировать блоки описания слоёв STACKUP, а инструмент интеллектуальной трассировки iNet был использован для создания топологических чертежей, ячеек и других блоков описания материалов подложек.
PDK для керамического модуля может быть создана так же, как и библиотека техпроцесса печатной платы (рис.7). Создание двух отдельных библиотек для разных техпроцессов в одном проекте позволяет использовать возможности САПР по мультитехнологическому проектированию и моделированию в рамках единого процесса проектирования. Единожды подготовив необходимые библиотеки (рис.8), создать топологии печатной платы, LTCC модуля или их комбинации становится гораздо проще.
Шаг 3: Синтез антенны при помощи AntSyn
Следующим этапом процесса является проектирование антенн. Решётка 2х2 элемента была создана при помощи инструмента ЭМ-синтеза и оптимизации AntSyn. В качестве входных данных AntSyn использует спецификации антенны и типы её возможной конструкции, после чего эволюционные алгоритмы находят оптимальные решения автоматически (рис.9).
На основе заданных параметров антенной решётки AntSyn синтезировал оптимизированную конструкцию антенны, отвечающую указанной спецификации, которая была экспортирована напрямую для дальнейшего анализа в планарный ЭМ симулятор AXIEM (рис.10).
После импорта конструкции из AntSyn в AXIEM металлические слои ЭМ структуры антенны были картированы, и был запущен электромагнитный анализ структуры для верификации результатов и построения диаграммы направленности (рис.11).
Шаг 4: Импорт МИС усилителя мощности и МШУ
Поддержка мультитехнологических проектов позволяет использовать различные техпроцессы в рамках одного проекта. Помимо ранее добавленных библиотек печатной платы и низкотемпературной керамики, NI AWR Design Environment позволяет импортировать файл МИС (интегральной схемы) с определениями всех параметров техпроцесса, включая разделы глобальных параметров, схему, топологию МИС, линейные и нелинейные модели (рис.12).
Импортированная модель МИС усилителя мощности была добавлена к топологии проекта, а при помощи инструмента iNets были добавлены проволочные перемычки, межслойные переходы и линии смещения (рис.13).
Шаг 5: Проектирование сигнального тракта
Для проектирования и моделирования сигнального тракта с двойными проволочными переходами между МИС и керамической подложкой был использован симулятор Analyst. Будучи полноценным 3D ЭМ симулятором, Analyst позволяет одновременно работать с несколькими объектами, созданных по различным техпроцессам, в данном примере – с арсенид-галлиевой площадкой МИС, керамической площадкой платы и моделью проволочного соединения.
Вместо того, чтобы проектировать МИС с нуля, было принято решение импортировать сторонние библиотечные компоненты, такие как предусилитель, фазовращатель и аттенюатор. На основе этих компонентов была сгенерирована топологическая ячейка, синхронизованная со схемой (рис.14).
Для создания полосопропускающего полоскового фильтра был применён мастер синтеза фильтров iFilter (рис.15). Синтезированная конструкция встречно-гребенчатого фильтра была встроена в модель, оптимизирована в Microwave Office, затем промоделирована и оптимизирована при помощи планарного ЭМ симулятора AXIEM (рис.16). После оптимизации фильтр был заново встроен в общую модель.
Шаг 6: Завершение схемы
После того, как элементы синтезированы, спроектированы или импортированы, все они, включая фильтр, МИС усилителя мощности, модели от производителей компонентов и модели переходов от МИС к плате, собираются на одной схеме (рис.17). Для этой схемы генерируются 2D и 3D виды топологии.
Для оптимизации перехода от микрополосковых линий LTCC к полоскам на печатной плате также был использован ЭМ симулятор AXIEM (рис.18).
Шаг 7: Импорт МШУ для приёмного тракта
Так же, как и для МИС усилителя мощности, модель малошумящего усилителя была импортирована из другого проекта с добавлением проволочных переходов и схем смещения. На рисунке 19 показана схема, топология и 3D представление импортированной модели.
Аналогичным образом были импортированы компоненты приёмного тракта, предоставляемые их производителями (рис.20). Итоговый вид собранного на одной схеме приёмного тракта представлен на рисунке 21.
Шаг 8: Сборка приёмопередающего модуля
Проектируемый приёмопередающий модуль построен на принципе временного разделения приёма и передачи, для воплощения которого была добавлена модель переключателя (в виде файла S3P и топологической ячейки) от производителя. На рисунке 22 показана схема, топология и проволочные выводы переключателя.
Приёмный и передающий тракты собираются на одной плате с добавлением всех необходимых перемычек и заземлений, которые могут быть созданы как на схеме, так и на топологическом чертеже платы (рис. 23).
По завершении этого этапа происходит итоговая сборка модели приёмопередатчика, включающая добавление последних оставшихся пассивных компонентов, таких как делитель мощности, который можно синтезировать при помощи встроенного мастера (рис.24).
Шаг 9: Электромагнитная оптимизация согласующей цепи антенны
На этом этапе выполняется согласование синтезированной ранее антенны напрямую к усилителю мощности. Для решения задачи согласования можно использовать параметрические схемные элементы ёмкостей или индуктивностей для оптимизации в симуляторах AXIEM или Analyst. К примеру, для прямоугольной катушки можно использовать элемент MRINDNB2, а для гребенчатого конденсатора – MICAP. Доступны и многие другие модели, в том числе и те, что входят в состав импортируемых сторонних библиотек. После параметризации ЭМ моделей проводится оптимизация согласования антенны. На рисунке 25 показан вид согласующей схемы и результат согласования выхода усилителя мощности к антенне.
На рисунке 26 показана схема собранного приёмопередатчика вместе с антенной решёткой. Топология модуля показана на рисунке 27.
Поскольку любая антенна, спроектированная в AXIEM или Analyst, возбуждается при помощи внешней цепи, необходимо учесть влияние последней на диаграмму направленности антенны. С изменением угла сканирования меняются входные нагрузки, что, в свою очередь, меняет параметры выходной нагрузки усилителя мощности и, как следствие, его характеристики. Microwave Office позволяет проводить моделирование таких эффектов при помощи специальных измерений (рис.28). Как видно из графика, ДН антенны (чёрная линия) заметно изменяется при учёте её электрической обвязки (синяя линия), поэтому возможность оценить влияние цепей питания антенны на её характеристики на этапе моделирования является серьёзным преимуществом для разработчика.
На рисунке 29 сравниваются трёхмерные ДН антенны без (слева) и с учётом цепи питания.
Шаг 10: Верификация системных метрик
Финальный этап процесса проектирования – проверка характеристик созданного модуля на системном уровне в условиях реальных сигналов. Спроектированный приёмопередатчик был добавлен на системную диаграмму VSS в виде подсхемы и промоделирован при подаче сигналов с квадратурной частотной манипуляцией, квадратурной амплитудной модуляцией, а также сигналов стандартов WLAN 802.11, LTE и 5G. На рисунке 30 показаны основные системные метрики, полученные в ходе таких измерений, включая модуль вектора ошибок (слева вверху), спектральную плотность мощности на промежуточной частоте (посередине вверху), синфазно-квадратурный дисбаланс (справа вверху), спектральную плотность мощности на частоте несущей (слева внизу) и спектр однотонового сигнала (справа внизу). В нижней части рисунка посередине представлена системная диаграмма модуля в сборе.
Заключение
В данной статье рассмотрен процесс проектирования полноценного интегрированного приёмопередающего модуля с антенной решёткой при помощи программного пакета NI AWR Design Environment и его модулей Microwave Office, Visual System Simulator и инструмента синтеза антенн AntSyn. Поддержка мультитехнологического проектирования позволяет разработчикам использовать библиотеки нескольких техпроцессов в рамках одного проекта. Возможности NI AWR Design Environment по совместному моделированию объединяют процессы схемного, электромагнитного и системного проектирования, что, вместе с мощными инструментами синтеза компонентов, значительно упрощает и ускоряет процессы разработки даже самых сложных систем и устройств.
Бенни Хаддад, технический специалист, AWR Group
СВЧ-электроника №2 2019
Если вы хотите запросить демо-лицензию, или если вы желаете приобрести AWR Microwave Office или другие продукты, направьте нам письмо по электронной почте.