Network Synthesis Wizard Automates Interactive Matching-Circuit Design

David Vye, AWR Group, NI

为了缩短产品开发时间，设计工具和流程必须能够支持和加快开发的各个阶段，无论是将性能要求转换为初始设计，还是设计优化、物理布局以及最终EM验证，所有这些都需要在制造和测试之前完成。本文探讨了网络综合(Network synthesis)领域中用于开发阻抗匹配电路的新型电子设计自动化(EDA)软件技术。在射频/微波应用中，网络综合技术可最大程度降低由阻抗失配引起的负载信号反射，从而确保在电负载的输入阻抗或其相应信号源的输出阻抗下，功率传输达到最大。

射频/微波元件设计流程必须提供设计输入(design entry)（通常基于原理图），并能够让工程师进行非线性仿真、查看结果、根据原理图生成物理（布局）设计，以及进行电磁(EM)分析，以分析/验证物理设计的电气响应。网络综合工具应利用此流程来处理任何给定设计项目中的设备数据，并以模拟器可识别的原理图形式生成网络。例如，NI AWR设计环境平台提供了这样的流程，因为它可以让工程师在制造之前处理设计输入和进行仿真，同时允许以最少的设计迭代平稳过渡到制造和测试。

网络综合向导

除了这些功能外，自动化设计平台的进步以及负载牵引分析等专业设计向导的创新也进一步帮助解决了这些挑战。NI AWR设计环境平台的最新版本新增了用于阻抗匹配网络开发的网络综合向导工具，如图1所示。该功能有助于加快初期设计，使设计人员能够更全面地探索设计选项，创建优化的双端口匹配网络，并根据用户定义的性能目标设计分布式组件。在设计的最初阶段，网络综合有助于根据器件性能极限、器件尺寸（取决于有源器件外围）、分立封装晶体管的部件选择和其他早期设计决策，来确定合理的性能目标。

图1. 网络综合技术有助于解决多频段匹配挑战。

网络综合解决方案特别适用于复杂的单级和多级宽带放大器以及天线/放大器匹配网络，并可作为附加模块使用。该工具还可帮助设计人员为前端组件开发阻抗匹配网络。为了满足市场对小型嵌入式无线电设备（如物联网智能设备）的需求（参见图2），RF组件也在日益小型化，网络综合向导可帮助设计人员节省空间，直接在组件之间转换阻抗，而不需要转换为中间特性阻抗（例如50Ω），使得组件-组件匹配网络更加稳固。

图2. 可穿戴无线设备的嵌入式天线和RF前端（图片由Stiiv提供）。

此外，网络可以针对噪声、功率或级间匹配进行优化。最佳反射系数应在特定频率下指定，可以通过负载牵引数据、网络参数数据文件或电路原理图的形式表示。网络拓扑规范也对串联和并联组件的类型以及最大拓扑区数量进行了规定。网络综合算法根据一组用户输入的规范（性能要求）来搜索电路拓扑，并优化组件参数值，以便生成功率放大器和低噪声放大器所需的候选匹配网络，以及级间和组件间阻抗匹配网络。

优化技术

由于计算机处理能力的进一步提升和遗传算法的引入，新型网络综合向导成为了可能，而且该技术已经过证明对于解决电路响应问题非常有效。新型网络综合向导利用了AntSyn™天线设计、综合和优化模块首次采用的算法，生成严谨的优化器。优化器通过重组和选择，快速、主动地探索设计空间中随机分布的无数个点。这样可以更高效、更快速地研究各种设计可能性并确定最佳解决方案。

基于搜索的综合引擎根据用户规范中串联和并联槽(series and shunt slot)所使用的元件类型，例如电容器、电感器和传输线，来确定候选电路拓扑。然后，网络综合工具执行穷举搜索，将解决方案扩展到用户定义的最大区数量，以此来探索所有可能的拓扑，如图3所示。而启发式方法则用于确定现有元素后面可以跟随哪个元素。通过这一自学过程，综合器将理解哪些元件可以串联放置，例如串联两条不同宽度的传输线，以形成阶梯型阻抗变换器或用于更高频率的全分布传输线网络。另一方面，从匹配的角度看，将两个电容器串联是没有任何意义的；因此，就不需要进行搜索。

图3. 搜索引擎可将解决方案扩展到用户定义的最大区数量，以探索所有可能的拓扑。

在向导中，优化目标通过一组专用综合测量参数来定义，非常类似于设计环境平台中通常定义的优化目标。输入噪声匹配、放大器输出功率匹配和级间匹配都需要专门的测量。最佳反射系数应在特定频率下指定，可以通过负载牵引数据、网络参数数据文件或电路原理图的形式表示。

在开发综合器时需要考虑的另一个实际因素是在拓扑搜索中限制DC开路和短路的能力。例如，用户可以规定设备旁边的匹配电路为DC开路，以免漏极或集电极短路。用户还可以规定组件的上下限值和离散值，以反映实际可用的（分立）供应商部件，也可对网络中第一个和最后一个组件添加限制条件。这种限制可帮助设计人员确保综合网络的物理实用性，例如确保大型外围设备附近的低阻抗传输线不会因太宽而不实用。此外，现有偏置或馈电网络的影响也可以整合到综合网络中。随着每次进行扩展，搜索结果都会以最佳状态到最糟状态（满足性能目标的能力）的顺序呈现。

直观的用户界面

理想的网络综合用户界面（UI）应允许设计者交互式地开发数量不限的网络，并针对放大器级之间或放大器和天线等不同组件之间的噪声、功率或匹配网络进行优化。最佳反射系数应在特定频率下指定，可以通过负载牵引数据、网络参数数据文件或电路原理图的形式表示。在“综合定义”选项卡（参见图4）中，用户可以设置默认阻抗或所需源/负载网络的阻抗以及所需的匹配频率。

图4. 用户可以在综合定义对话框中设置基本网络参数。

“组件”选项卡可让用户从自动填充的项目网络列表（原理图）中指定要匹配的两个目标网络，以及设置匹配网络的约束条件，包括区数量、拓扑、组件类型和配置（串联/并联）。拓扑的有效性取决于所选组件的类型和“最大区数量”的设置值。每个区均为一个串联或并联组件。向导优先考虑具有最大区数（例如N）的拓扑，然后逐步减少，直至具有N-3个区的拓扑。

负载牵引示例

如果设计人员需要基于非线性负载敏感性能数据开发匹配网络，则综合器可直接与软件内的负载牵引数据相连接。例如，在给定频率范围内根据等功率附加效率（PAE）和等功率曲线生成的阻抗轨迹可绘制在如图5所示的5Ω史密斯圆图上（63% PAE和1 dB功率压缩，约125 W或51 dBm，5个频率点在1.8 - 2 GHz范围内）。或者，设计人员可以绘制重叠等值线，来表示PAE和1 dB增益压缩等值线的交点，如图5b所示。

图5. 电源和PAE的负载牵引等值曲线（a），以及这些曲线的交叉点（b），这些有助于网络综合器确定阻抗目标。

设计人员可以选择直接在软件中指定负载牵引结果，而不是设置阻抗目标。用户只需设置好目标（在本例中，目标是63% PAE和51 dBm输出功率），而无需为每个频率点设置特定阻抗值。在这种情况下，综合器内置的自动化程序就会基于性能目标而非阻抗开始工作，这提供了一种更直观的方法。综合器为子频带提供此功能，以支持多频带匹配网络。目标也可以利用网络综合器支持的所有优化器内置功能（例如斜率目标）以不同的方式进行加权。

综合器也可添加其他非基于负载牵引的目标。图6显示了负载牵引重叠等值线与频率的关系，以及初始综合匹配网络，该网络沿着所需带宽内等值线的频率轨迹进行工作。用户指定的目标也可以添加进去，以解决谐波终端问题，提高线性度和效率。扩展分析的频率范围后可以看到，综合器生成的匹配网络可在目标基频以及二次和三次谐波频率上提供所需的阻抗。

图6. 三个基频下的负载牵引重叠等效率/等功率曲线以及用户为二次和三次谐波终端定义的其他目标。

综合结果查看

综合器运行结束时，会按照用户定义的数量生成候选网络。这为设计人员提供了一种简单快捷的方法来比较每个网络的性能结果以及生成的布局图，从而为设计人员提供了视觉辅助，如图7所示。

图7. 候选匹配网络和相应的性能为用户提供了一种比较不同结果的方法，帮助他们选择最合适的电路。

结论

为了加快整个设计周期，NI AWR软件中新增了一个新型网络综合向导，可高效地自动生成阻抗匹配电路。综合工具根据用户定义的目标、拓扑搜索中要使用的建议元素类型以及元素约束/限制等要素生成对应的候选网络。搜索引擎通过将解决方案扩展到用户定义的最大区数来探索可能的拓扑。