Проектирование LTCC-приемопередатчика Х-диапазона с антенной решеткой в NI AWR Design Environment

Введение

С ростом сложности современных систем связи, радиолокации или составных элементов «Интернета вещей» повышаются и требования к тем инструментам, которые используются для их создания, включая системы автоматизированного проектирования и моделирования. Чтобы получить готовое к производству устройство или компонент разрабатываемой системы, необходимы программные средства, способные обеспечить поддержку каждого из этапов создания продукта — от эскизного проектирования на системном уровне до проведения электромагнитного моделирования и верификации реализованных элементов и узлов тракта в условиях воздействия реальных модулированных сигналов. Важным требованием к САПР является тесная интеграция данных проекта, ускоряющая процессы работы и, как следствие, сроки выхода продукта на рынок благодаря оптимизации времени и усилий инженера при создании сложных проектов. Лучшим примером такой САПР служит NI AWR Design Environment, предоставляющая пользователям единую платформу для работы на системном, схемотехническом и электромагнитном уровнях с бесшовным переносом данных между модулями программного обеспечения и обширными возможностями по синтезу, оптимизации и моделированию проектируемых компонентов, устройств и систем.

Рис. 1. Приемопередающий модуль с антенной решеткой 2×2 элемента

В статье рассмотрены основные модули программного обеспечения на примере проекта сложного приемопередающего модуля, однако возможности NI AWR Design Environment далеко не ограничены упомянутым функционалом — в частности, в последней версии были представлены уникальные утилиты синтеза цепей согласования, интерактивной генерации моделей фазированных антенных решеток и импорта сложных печатных плат для электромагнитной верификации критических областей. Также следует упомянуть модуль TestWave, позволяющий использовать измерительное оборудование вместе с NI AWR Design Environment, например, для итогового сравнения результатов моделирования и измерений созданного прототипа. Вместе со многими другими функциональными возможностями NI AWR Design Environment является мощным, эффективным и простым в применении инструментом проектирования устройств и систем любой сложности, способным значительно упростить и ускорить выход готового продукта на рынок продукт, причем с минимальными усилиями со стороны пользователя.

Структура процесса проектирования

Рассматриваемый нами пример начинается с системного уровня проектирования при помощи модуля системного проектирования Visual System Simulator (VSS) (рис. 2), на котором определяются ключевые характеристики будущего приемопередатчика, 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 решетка для модуля создается в инструменте синтеза и оптимизации антенных устройств AntSyn; мастера синтеза пассивных компонентов также используются для автоматического создания некоторых элементов модуля. Итоговым этапом проекта становится верификация полученного приемопередатчика на системном уровне.

Рис. 2. Упрощенная схема модуля в разрезе

Шаг 1. Системное проектирование в VSS

На рис. 3 представлена системная диаграмма приемопередатчика, созданная на основе тестовой схемы в VSS. В левой и правой части диаграммы находятся блоки — источники передаваемых и принимаемых гармонических сигналов соответственно, при этом сам приемопередающий модуль добавлен в виде подсхемы и расположен в центре. На рис. 4 показана структурная диаграмма подсхемы приемопередатчика, собранной из поведенческих блоков VSS: фильтров, усилителей и переключателей.

Рис. 3. Системная диаграмма проекта System T/R module used as a SUBCKT — модуль в виде подсхемы

Рис. 4. Структура подсхемы модуля

Для каскадного анализа полученной системы был применен 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) помогает моделировать системы в частотной области и проводить анализ спуров в режиме передачи (рис. 5) и приема (рис. 6), а также находить источники определенных паразитных компонентов спектра.

Рис. 5. Каскадный и спуровый анализ в режиме передачи

Рис. 6. Каскадный и спуровый анализ в режиме приема Frequency (GHz) — частота (ГГц)

Шаг 2. Создание печатной платы и LTCC-модуля в Microwave Office

Печатная плата создаваемого приемопередатчика состоит из двух слоев; 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 слоев 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). Формирование двух отдельных библиотек для разных техпроцессов в одном проекте позволяет использовать возможности САПР по мультитехнологическому проектированию и моделированию в рамках единого процесса. Единожды подготовив необходимые библиотеки (рис. 8), создать топологии печатной платы, LTCC-модуля или их комбинации становится гораздо проще.

Рис. 7. Инструмент создания библиотеки техпроцесса

Рис. 8. Инструмент генерирует глобальные переменные, файл техпрцоесса и ячейки топологии

Шаг 3. Синтез антенны при помощи AntSyn

Следующим этапом процесса является проектирование антенн. Решетка 22 элемента была создана при помощи инструмента ЭМ-синтеза и оптимизации AntSyn. В качестве входных данных AntSyn использует спецификации антенны и типы ее возможной конструкции, после чего эволюционные алгоритмы находят оптимальные решения автоматически (рис. 9).

Рис. 9. Интерфейс инструмента синтеза антенн AntSyn

На основе заданных параметров антенной решетки AntSyn синтезировал оптимизированную конструкцию антенны, отвечающую указанной спецификации, которая была экспортирована напрямую для дальнейшего анализа в планарный ЭМ-симулятор AXIEM (рис. 10).

Рис. 10. Результат синтеза в AntSyn

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).

Рис. 11. Конструкция (слева) и ДН (справа) синтезированной антенны в AXIEM

Шаг 4. Импорт МИС усилителя мощности и МШУ

Поддержка мультитехнологических проектов позволяет применить различные техпроцессы в рамках одного проекта. Помимо ранее добавленных библиотек печатной платы и низкотемпературной керамики, NI AWR Design Environment разрешает импортировать файл МИС с определениями всех параметров техпроцесса, включая разделы глобальных параметров, схему, топологию МИС, линейные и нелинейные модели (рис. 12).

Рис. 12. Параметры техпроцесса импортированной МИС усилителя мощности

Импортированная модель МИС усилителя мощности была добавлена к топологии проекта, а при помощи инструмента iNets — добавлены проволочные перемычки, межслойные переходы и линии смещения (рис. 13).

Рис. 13. Проволочные выводы, перемычки и линии смещения созданы в iNets

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, созданными 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 сгенерирована топологическая ячейка, синхронизованная со схемой (рис. 14).

Рис. 14. В проект импортируются элементы библиотек сторонних разработчиков

Для создания полосопропускающего полоскового фильтра применен 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.

Рис. 15. Синтез полосового фильтра при помощи утилиты iFilter

Рис. 16. Оптимизация фильтра производится при помощи AXIEM

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.

Рис. 17. Схема и 2D-/3D-виды топологии части модуля

Для оптимизации перехода от микрополосковых линий LTCC к полоскам на печатной плате также был использован ЭМ-симулятор AXIEM (рис. 18).

Рис. 18. Переход от печатной платы к LTCC создан и оптимизирован в AXIEM

Шаг 7. Импорт МШУ для приемного 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 рис. 19 показана схема, топология и 3D-представление импортированной модели.

Рис. 19. Схема, топология и 3D-вид платы МШУ

Аналогичным образом были импортированы компоненты приемного тракта, предоставляемые их производителями (рис. 20). Итоговый вид собранного на одной схеме приемного тракта представлен на рис. 21.

Рис. 20. Импортированные модели аттенюатора и фазовращателя

Рис. 21. Сборка приемного тракта

Шаг 8. Сборка приемопередающего модуля

Проектируемый приемопередающий модуль построен на принципе временного разделения приема и передачи, для воплощения которого была добавлена модель переключателя (в виде файла S3P и топологической ячейки) от производителя. На рис. 22 показана схема, топология и проволочные выводы переключателя.

Рис. 22. Схема и топология переключателя с проволочными выводами

Приемный 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).

Рис. 23. Схема и топология модуля с перемычками и заземлениями

По завершении этого этапа происходит итоговая сборка модели приемопередатчика, включающая добавление последних оставшихся пассивных компонентов, таких как делитель мощности, который можно синтезировать при помощи встроенного мастера (рис. 24).

Рис. 24. Интерфейс и результат работы мастера синтеза пассивных компонентов

Шаг 9. ЭМ-оптимизация согласующей цепи антенны

На этом этапе выполняется согласование синтезированной ранее антенны напрямую к усилителю мощности. Для решения задачи согласования задействуются параметрические схемные элементы емкостей 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 рис. 25 показан вид согласующей схемы и результат согласования выхода усилителя мощности к антенне.

Рис. 25. Оптимизация согласующей цепи антенны

На рис. 26 представлена схема собранного приемопередатчика вместе с антенной решеткой. Топология модуля изображена на рис. 27.

Рис. 26. Схема приемопередатчика в сборе

Рис. 27. Топология собранного модуля вместе с антенной решеткой

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 (черная линия) заметно изменяется при учете ее электрической обвязки (синяя линия), поэтому возможность оценить влияние цепей питания антенны на ее характеристики на этапе моделирования становится серьезным преимуществом для разработчика.

Рис. 28. Специальные измерения позволяют учесть влияние цепи питания антенны на ее ДН

На рис. 29 сравниваются трехмерные ДН антенны без (слева) и с учетом цепи питания.

Рис. 29. Сравнение ДН антенны в зависимости от наличия цепи питания

Шаг 10. Верификация системных метрик

Финальный этап процесса проектирования — проверка характеристик созданного модуля на системном уровне в условиях реальных сигналов. Спроектированный приемопередатчик 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 рис. 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.

Рис. 30. Системные метрики модуля

Заключение

В данной статье рассмотрен процесс проектирования полноценного интегрированного приемопередающего модуля с антенной решеткой 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.