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射频前端优化的设计自动化
材料来源:《微波杂志》2019年11/12月号           录入时间:2019/12/6 11:01:08

Design Automation for RF Front End Optimization

Jaakko Juntunen、Joni Lappalainen和Jussi Rahola

芬兰Optenni有限公司

在RF前端中实现载波聚合时会遇到一些新的难题,主要都跟在阻抗动态变化的环境中部署滤波器有关。本文将详细阐述其中的一些问题,并提出一种设计方法来自动处理大量电路级候选解决方案,从而减轻设计人员的负担,并相对方便地筛选出可行的解决方案。

设计难题在哪里?

图1为双向带间下行链路载波聚合(DL CA)系统的一种可行架构的简化框图,其中频带3的RX分支可以动态地与频带1的TX/RX分支并行连接。这个设计可以很简单地扩展到多个分量载波和不同的交换配置。例如,《英飞凌移动通信应用指南》(www.infineon.com/appguide_rf_mobile)建议使用单天线和双天线下行链路RFFE架构,最多支持5个CA分量载波。其基本的构建模块是开关、双工器和带通滤波器,这些模块都已经为人所熟知、质量过硬并且在手机中有广泛使用,因此,现在的问题是除了互调的架构选择和频率规划的处理以外,还有没有需要特别关注的问题?

1RF前端中单天线两个下行链路频带载波聚合原理的简化框图。

不幸的是,答案是肯定的:这其中的一大设计瓶颈就是,滤波器一旦并联之后就必然会显著影响彼此的性能,例如,图2显示了频带8和频带1滤波器单独连接以及连接到公共节点时的频率响应。值得注意的是,频带1滤波器的性能完全被频带8滤波器所破坏,而频带8滤波器的性能基本上不因频带1滤波器的存在而改变。

2:频带1和频带8的滤波器处于隔离状态(上行)和连接到公共节点时(下行)的性能。

这两个滤波器的频带外抑制性能都非常好,因此即便存在滤波器漏电流,也不能解释频带1滤波器的损坏。但是,我们看图3a中,频带8滤波器在频带1频率下的输入阻抗,可以注意到频带8滤波器看起来像是一条终端开路的传输线,电气长度约为67度,而不是开路。当使用频带1滤波器将其连接到公共节点时,频带8滤波器将以类似于开路短截线的方式加载频带1滤波器的性能,而这将完全改变滤波器的性能!

这时我们已经能猜到为什么频带1滤波器的存在并没有破坏频带8滤波器的性能。如果观察频带1滤波器在频带8频率下的输入阻抗(图3b),我们会发现,频带1滤波器本质上是个开路,这纯粹是碰巧而已。知道这点以后,我们就可以构思出一个实际目标,就是设计匹配电路(移相器)来既保留滤波器的通带行为,同时又将其他分量载波频率的响应映射到开路中。如果成功实现此目标,那么筛选器就相当于彼此透明,并且可以在任何CA配置中连接。我们将设计过程的这一部分称为“滤波器匹配”。

3:频带1频率下的频带8滤波器的输入阻抗(a)看起来像是约67度长的终端开路传输线,而频带8频率下的频带1滤波器输入阻抗(b)几乎像是开路,因此不影响频带8滤波器并联时的性能。

解决滤波器匹配问题的挑战

匹配的解决方案只有在比较偶尔的情况下才能成为或多或少完美的解决方案。对于具有宽频率间隔的分量载波,例如在低频带(LB)对和高频带(HB)对之间,通常就是这种情况。当必须将一个以上的分量载波频率映射到开路时,就比较难实现相互开路。此外,在不显著影响通带行为的前提下,邻近频率的分量载波可能很难进行匹配。还有一点是实际中通常会有冲突约束,导致只能使用极少数量的外部匹配分量。因此,理想情况是预先设计好声学滤波器,以使其能够胜任某些匹配分量极少的CA方案,但是滤波器本身仍然没有足够的设计自由度能够完全消除对外部匹配的需求。

所以,我们的设计过程就仍然只能是先尝试进行匹配,如果成功,就知道CA基本可以工作。在使用滤波器协同匹配的设计过程中,我们常常不得不接受无法在分量载波频率上提供精确开路的解决方案,从而在滤波器之间留下大量的相互作用和负载。参照图1,我们还具有连接这些相互作用的开关,并且开关的电气尺寸足够大,所以它们也能够帮助将一个滤波器有效地负载到另一个滤波器。

总之,要一并解决这些难题,就要求对包含开关、滤波器和外部匹配电路在内的完整模型进行微调。

示例:频带1+频带3下行载波聚合

考虑图1的情况,分量载波频带彼此相对靠近。将代表性的公共领域S参数模型用于频带1双工器和频带3 RX滤波器,以及支持并行抛出状态的通用半导体SP2T模型。在非CA配置中,开关将天线连接到频带1分支;在CA配置中,开关将天线连接到频带1和频带3分支。因此,应优化匹配电路,使其能够胜任这两种配置。我们给频带1分配开关RF1节点,为频带3分配RF2节点,并使用库LQW03AW_00(电感器)和GJM03(电容器)的0201封装尺寸村田分立元件模型设计匹配电路。

我们首先尝试对频带3滤波器进行匹配。在所有匹配任务中,我们都使用RF设计自动化软件平台OptenniLab,因为它可以自动合成和优化大量候选拓扑。这个软件对于我们的设计至关重要:即使最多只有2个匹配分量,每个电路也会有17种不同的拓扑选择,而且当没有明显的解决方案来实现良好匹配时,通常很难预先判断哪种拓扑组合能够实现最佳性能。例如,对于单个双工器,如果每个分支最多具有2个匹配分量,则一共能有173=4913种不同的拓扑。大部分拓扑注定会失败,但RF设计自动化软件平台可以轻松优化和自动排序超过100种相关拓扑,同时还能兼顾解决方案对分量公差的敏感性。这极大地帮助了设计过程,使我们基本不会遗漏性能最佳和公差稳定性最强的拓扑组合,否则如果只靠手动来推演有限的几个拓扑,就很容易错过这样的方案。

因此,我们采用频带3滤波器模型为基础,并以频带1的开路目标和在频带3 RX的良好插入损耗为目标来合成匹配电路。由于频带1和频带3彼此非常接近,因此我们面临的共同匹配的挑战如下:频带1的频率在史密斯圆图的边缘上跨越了一条长弧,尝试将其放置在开路点附近的结果势必对通频带响应造成相当大的折衷。有许多拓扑方案可以选择,其中有些具有更好的插入损耗,有些则可以更好地映射到开路,鱼与熊掌难以兼得。图4为频带3 RX和频带1的阻抗,并比较了未匹配滤波器和我们选择的协同匹配滤波器,包含滤波器输入端的3个匹配分量和输出端的2个分量。

4:频带3滤波器未匹配(蓝色)和匹配(绿色)时的输入阻抗。开关连接到左侧的端口1,端口2连接到右侧的接收器节点。

对于频带1双工器,事实证明,在TX/RX路径插入损耗和频带3协同匹配之间选择合理折衷的电路是比较直观的。每个分支上都需要两个分量,双工器天线节点处的最终阻抗如图5所示。

5:频带1双工器未匹配(蓝色)和匹配(绿色)时的天线节点阻抗。端口1=TX,端口2=天线节点(连接到开关),端口3=RX

现在,可以将这些电路与图6所示的开关模型结合起来,并使用给定的拓扑和分量值来检查性能。结果如图7所示。可以看到性能不是很高,但是仍然比没有匹配电路要好,特别是在CA配置中。请注意,对于此方案,总共使用了11个匹配分量。只需要重新优化这些分量值即可显著改善非CA和CA配置中的信号路径插入损耗。这就意味着首先对单个滤波器进行匹配,然后在CA配置中进行组合的方法可以提供良好的候选拓扑,但是必须重新优化匹配的分量值。注意,现在的优化目标是使开关公共节点与活动Tx/Rx节点之间的信号路径插入损耗最小化,同时保持频带之间所需的滤波器抑制。我们对非CA和CA配置设置了不同的目标,而开关状态在不同配置当中也会发生变化。

6:匹配的B1双工器和B3滤波器与开关组合在一起。11个匹配分量。

7:具有未匹配和协同匹配滤波器的非CACA配置的信号插入损耗。

不过,也可以从前面的组合图开始,将开关、双工器和滤波器放置在适当的位置,并将匹配电路作为各个位置的黑匣子。然后,RF设计自动化软件平台为信号路径插入损耗和抑制目标合成了许多新的拓扑组合,而无需单独考虑中间的协同匹配问题。这样一来,设计人员只需要检查合成拓扑列表即可寻找到仍能充分发挥作用的最简单拓扑。我们称这种方法为“全图优化”。

事实证明,仅使用八个匹配分量,实际上就可以实现与使用滤波器协同匹配作为中间步骤(具有11个匹配分量)所实现的完全相同的性能。最佳匹配电路如图8所示,相应的结果以及优化的11分量电路的结果如图9所示。为了量化电路(包括开关)的性能,可以引入指标“CA匹配效率”,该指标表示与隔离的双工器/滤波器相比,CA模式下插入损耗的下降,用它作为完全不支持CA的架构中的单个信号插入损耗的参照值。结果是:B1 RX为-1.2dB,B1 TX为-0.7dB,B3 RX为-1.3dB,平均约为-1.0dB。该指标实际上包含了开关损耗,在这种情况下其大小约为0.4dB。还要注意的是,本研究中使用的B1双工器模型没有预先匹配,标称的隔离性能本身已经需要两个匹配分量,因此整个CA配置的真正匹配分量计数开销仅为6。

8:全图优化产生的最佳匹配拓扑。8个匹配分量。

9:优化后的滤波器协同匹配方法和全图优化方法所得到的非CACA配置的信号插入损耗。性能几乎相同。

结论

载波聚合的好处是显而易见的,但是不幸的是,CA体系结构的实现涉及重大的设计难题。这些问题归根究底就在于将不同频带的滤波器连接到一个公共节点时,它们会相互影响,并且经常导致基本的滤波器性能被完全破坏。纠正办法是设计辅助匹配电路,将滤波器相互映射到开路,从而使滤波器彼此不可见。

本文比较了两种匹配CA滤波器的方法。在“协同匹配”方法中,首先对滤波器进行单独匹配,目的是在另一个滤波器的频率下实现开路。将这些子问题的结果合并后进行微调,通常就会得到一个可行的解决方案。但是,此过程基本上只能得到一种匹配拓扑,或者需要费时费力将各个子问题的候选结果进行手动组合。因此,我们提出了第二种方法,称为“全图优化”,该方法省略了协同匹配步骤,直接按照实际性能指标(即信号插入损耗和抑制)来搜索最佳电路。这样就能非常有效地识别最经济的解决方案。对于实际当中更复杂的CA体系结构,将两种方法混用可能更有帮助,我们可以对某些功能块使用“全图优化”设计,随后又将其组合在一起并进行微调,类似于“协同匹配”方法。在所有这些方法中,我们采用的RF设计自动化平台都起到了核心作用,因为它免去了设计人员在解决CA问题时原本必须花费在设计软件上的绝大部分人工操作。


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