Die Vollwellen-Anpassungsschaltungsoptimierung (FW-MCO) ist eine neue Technologie, die Vollwellen-3D-Simulationen elektromagnetischer (EM) Felder mit Schaltungsoptimierung zu einem neuartigen Ansatz zur Lösung eines seit langem bestehenden HF-Problems kombiniert: der Ermittlung der Bauteilewerte, die bei einem gegebenen Layout des Anpassungsnetzwerks die gewünschte Anpassung gewährleisten. Vorbei sind die Zeiten, in denen Komponenten in einen Prototyp ein- und ausgelötet wurden, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Dieser Artikel beschreibt den Entwurfsprozess am Beispiel des Entwurfs einer Anpassungsschaltung für eine GPS-Bluetooth-Antenne.
Die Auslegung von Anpassungsnetzwerken ist eine Herausforderung, und HF-Ingenieuren fehlt ein zuverlässiges Werkzeug, um die richtigen Bauteilwerte für den Entwurf eines Anpassungsnetzwerks auszuwählen. Das Testen einzelner Konfigurationen ist kostspielig, zeitaufwendig und führt nicht zu einer optimalen Leistung. Bestehende, auf Schaltplänen basierende Softwaretools helfen Entwicklern dabei, eine Schaltungstopologie auszuwählen, die einer Antenne entsprechend den Designzielen – wie beispielsweise der Maximierung des Wirkungsgrads – angepasst ist.
Bei niedrigen Frequenzen kann die anhand eines Schaltplans vorhergesagte Anpassung mit dem gemessenen Verhalten einer realen Schaltung vergleichbar sein, da die Verbindungen im Vergleich zur Wellenlänge sehr kurz sind, der Verlust gering ist und parasitäre Effekte sowie die Kopplung mit anderen Teilen der Geometrie minimal sind. Bei höheren Frequenzen werden ideale Leiter zu HF-Komponenten wie Strahlern oder verlustbehafteten Übertragungsleitungen. Leiterbahnen koppeln miteinander und mit anderen Teilen der Geometrie. Da die elektromagnetischen Wechselwirkungen in der Regel komplexer sind als im Schaltplan dargestellt, kann die resultierende physikalische Leistung von der im Schaltplan vorhergesagten abweichen.
Glücklicherweise erfasst die Vollwellen-Elektromagnetfeldsimulation diese komplexen Wechselwirkungen, sodass eine Optimierung durchgeführt werden kann, die die richtigen Werte für die Schaltungskomponenten ermittelt, ohne dass ein mühsames Ausprobieren erforderlich ist. FW-MCO schließt diese Lücke im Entwicklungsprozess, indem es die HF-Effekte modelliert und diese Informationen bei der Auswahl der Komponenten nutzt.
Workflow für die Netzwerkauslegung
Der Arbeitsablauf bei der Entwicklung eines neuen Geräts ist iterativ und mit zahlreichen Fehlstarts, Abzweigungen und Herausforderungen verbunden. In dem Maße, wie Ingenieure die Problembereiche besser verstehen und effizientere Prozesse entwickeln, wird der Arbeitsablauf linearer, und die Führungskräfte senken ihre Erwartungen hinsichtlich der Dauer des Entwicklungszyklus. Abgesehen von diesen iterativen Schleifen sind im Folgenden die vier Hauptschritte zur Entwicklung einer angepassten Antenne aufgeführt.
Ausgehend von einer nicht angepassten Antenne – sei es ein physischer Prototyp oder ein CAD-Modell – besteht die erste Aufgabe eines HF-Ingenieurs darin, die Eingangsimpedanz undden entsprechendenS11-Wert der Strahlungsstruktur zu bestimmen. Für diese Erörterung wird die in Abbildung 1 dargestellte GPS-Bluetooth-Antenne herangezogen. Zur Bestimmung ihrer Eingangsimpedanz werden zwei Haupttechniken verwendet. Traditionell – und in vielen Fällen nach wie vor bevorzugt – wird die Impedanz mit einem Netzwerkanalysator im Labor gemessen. In jüngster Zeit hat sich der Einsatz von Vollwellen-3D-EM-Simulationen durchgesetzt; Remcoms XFdtd und ANSYS’ HFSS sind zur Standardmethode für die Charakterisierung von Antennen geworden. Abbildung 2 zeigt den Reflexionskoeffizienten der nicht angepassten Antenne.
Abbildung 1: Nicht angepasste GPS-Bluetooth-Antenne.
Anhand der S-Parameter-Daten der Antenne werden im zweiten Schritt Schaltungslöser wie „Optenni Lab“ von Optenni und „ADS“ von Keysight eingesetzt. Diese verfügen über schaltplanbasierte Editoren zum Erstellen von Anpassungsnetzwerk-Topologien, wobei der Schaltplan die Liste der Komponenten und die Knotenpunkte umfasst, die diese verbinden. Schaltungslöser analysieren den Schaltplan, indem sie die Spannungs- und Stromverhältnisse zwischen den Komponenten und an den Knotenpunkten berechnen. Abbildung 3 zeigt eine vierelementige Anpassungsnetzwerk-Topologie, die eine akzeptable Anpassung in den GPS- und Bluetooth-Bändern bietet. Die entsprechende S-Parameter-Vorhersage des Schaltungslösers ist ebenfalls in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: AntenneS11 für verschiedene Fälle.
Abbildung 3: Topologie des Anpassungsnetzwerks der GPS-Bluetooth-Antenne.
Sobald eine Topologie für das Anpassungsnetzwerk und die anfänglichen Bauteilwerte festgelegt wurden, wandelt der Ingenieur die auf dem Schaltplan basierende Topologie in ein physisches Layout auf einer Leiterplatte (PCB) um. Je nach den Arbeitsabläufen des Entwicklungsteams können Maschinenbauingenieure in den Layout-Prozess eingebunden werden und dabei Softwareprodukte von Cadence oder Mentor Graphics einsetzen. Abbildung 4 zeigt das Layout des Anpassungsnetzwerks für die GPS-Bluetooth-Antenne (die konzentrierten Komponenten sind als grüne Linien dargestellt, die die Kupferbahnen verbinden).
Abbildung 4: Passendes Netzwerk-Layout.
Nach Abschluss von Schritt drei verfügt der HF-Ingenieur über einen aktualisierten physikalischen Prototyp oder ein CAD-Modell, das das Layout des Anpassungsnetzwerks enthält. Das Layout spiegelt die anfänglichen Werte der konzentrierten Elemente wider, die in Schritt zwei mithilfe des Schaltungslösers ermittelt wurden. Wenn das Gerät bei einer ausreichend niedrigen Frequenz arbeitet oder die Antenne vom Anpassungsnetzwerk isoliert wurde, zeigt eine Messung oder eine Vollwellensimulation des aktualisierten Prototyps eine gute Übereinstimmung mit dem Schaltungslöser, und der Ingenieur fährt mit den Produkttests fort. Bei höheren Frequenzen ist in der Regel ein vierter Schritt im Arbeitsablauf des Antennendesigns erforderlich, da der aktualisierte Prototyp nicht die vom Schaltungslöser vorhergesagte Leistung erbringt. Diese Abweichung lässt sich durch den Vergleich der Vorhersage des Schaltungslösers mit der FDTD-Simulation (Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode) in Abbildung 2 erkennen.
Im vierten Schritt legen die HF-Ingenieure die endgültigen Bauteilwerte fest, die in Verbindung mit dem auf der Leiterplatte angeordneten Anpassungsnetzwerk die gewünschte Leistung liefern. Bis vor kurzem standen keine Werkzeuge zur Verfügung, um dieses Problem effektiv zu lösen, sodass Ingenieure auf kostspielige Verfahren zurückgreifen mussten, die zu suboptimaler Leistung führten, wie beispielsweise das Ein- und Auslöten von Bauteilen in einem Prototyp. Die FW-MCO-Technologie überwindet diese Herausforderung, indem sie es HF-Ingenieuren ermöglicht, Tausende von Bauteilkombinationen zu prüfen und die optimale Antennenleistung zu ermitteln. Tabelle 1 zeigt den signifikanten Unterschied zwischen den vom Schaltungslöser ermittelten Bauteilwerten und den von FW-MCO ausgewählten optimalen Werten. Die letzten beiden Diagramme in Abbildung 2 zeigen, dass die von FW-MCO vorhergesagten S-Parameter mit der Validierung aus einer FDTD-Simulation übereinstimmen.
FW-MCO
FW-MCO wurde speziell für den letzten Schritt im Arbeitsablauf der Auslegung von Anpassungsnetzwerken entwickelt und wählt aus der Liste der zulässigen Komponenten den optimalen Satz von Werten für konzentrierte Komponenten aus. Dabei werden Wirkungsgrad- und/oder S-Parameter-Zielwerte herangezogen, um die verschiedenen Sätze gegeneinander abzuwägen, wobei die Vielzahl elektromagnetischer Phänomene berücksichtigt wird, die die Leistung des Anpassungsnetzwerks beeinflussen. FW-MCO umfasst zwei Hauptschritte: die Systemcharakterisierung und die Komponentenauswahl.
Der Schritt der Systemcharakterisierung in FW-MCO nutzt eine 3D-Vollwellen-Simulation zur elektromagnetischen Analyse, um den physikalischen Aufbau des Anpassungsnetzwerks und dessen Umgebung zu untersuchen. Im Gegensatz zu einem Schaltungslöser betrachtet FW-MCO das Anpassungsnetzwerk nicht als eine Ansammlung von konzentrierten Elementen, die über definierte Übertragungsleitungen mit Knoten verbunden sind. Stattdessen behandelt FW-MCO jede konzentrierte Komponente so, als wäre sie in ein System eingebunden, das aus einer 3D-Umgebung besteht, die Leiterbahnen, Strahlungselemente, Kunststoffgehäuse, Antennenlasten usw. enthält. Abbildung 5 zeigt, wie Schaltungskomponenten über das FDTD-Gitter direkt in die umgebende physikalische Geometrie eingebunden werden. Die Systemcharakterisierung berücksichtigt Feldwechselwirkungen innerhalb des Anpassungsnetzwerks, zwischen dem Anpassungsnetzwerk und der/den strahlenden Antenne(n) sowie im gesamten Gerät. Nach der Charakterisierung wird das System durch eine Antwortmatrix dargestellt, die die Wechselwirkung jeder Komponente mit dem System und folglich auch untereinander definiert. Da FW-MCO das System in eine Antwortmatrix abstrahiert, berücksichtigt es implizit das physikalische Layout des Anpassungsnetzwerks. So ist es beispielsweise nicht notwendig, die Länge einer Übertragungsleitung explizit anzugeben, da diese Information in der Antwortmatrix enthalten ist.
Sobald das System charakterisiert wurde, ist es möglich, eine beliebige Auswahl an Bauteilen zu treffen und die zugehörige Antennenanpassung auf der Grundlage der Antwortmatrix zu bestimmen, ohne eine Vollwellensimulation erneut durchführen zu müssen. Der zweite Schritt von FW-MCO wird somit zu einem Optimierungsproblem, bei dem die optimalen Bauteilwerte ermittelt werden. Der HF-Ingenieur definiert Bereiche zulässiger Bauteilwerte und wählt die gewünschten Ziele für eine maximale Optimierung aus. Die Liste der zulässigen Komponentenwerte stellt den Bestand an Komponenten dar, die im Entwurf verwendet werden können. Oft entspricht dies der Liste der bei einem Komponentenlieferanten verfügbaren Komponenten. Eine einzelne Komponente kann passiv oder aktiv sein; Voraussetzung ist, dass die Komponente im Frequenzbereich dargestellt werden kann. Dies bietet die Flexibilität, die Liste mit Induktivitäten, Kondensatoren und abstimmbaren Komponenten zu füllen, die als ideale Komponenten oder als realistische, durch eine *.s2p-Datei definierte Komponenten behandelt werden. Die Bauteilwerte können stufenlos variieren oder auf eine endliche Anzahl fester Werte innerhalb des gewünschten Bereichs beschränkt sein, die die vom Hersteller angegebenen tatsächlichen Werte darstellen. Zur Definition der Ziele können Strahlungseffizienz, Systemeffizienz, S-Parameter oder eine Kombination davon herangezogen werden. Darüber hinaus muss der HF-Ingenieur den zugehörigen Schwellenwert über einen bestimmten Frequenzbereich angeben. Ein Ziel könnte beispielsweise darin bestehen, einen Satz von Bauteilwerten zu finden, der über die gewünschten LTE-Bänder eine Strahlungseffizienz von mehr als 68 Prozent bietet.
Abbildung 5: In einem FDTD-Gitter simulierte konzentrierte Elemente.
Bei der Optimierung wird jede Komponente als Variable behandelt, die einen Wert aus der zugehörigen Liste zulässiger Komponentenwerte annehmen kann. Daher muss der Optimierungsalgorithmus in der Lage sein, mehrere Variablen zu verarbeiten und das globale Minimum aus der Vielzahl lokaler Minima zu identifizieren. Sowohl die Partikelschwarmoptimierung als auch genetische Algorithmen sind dazu in der Lage, diese Unterscheidung zu treffen. Am Ende der Optimierung steht der optimale Satz von Komponentenwerten zur Verfügung. Wenn einige Ziele nicht erreicht werden, muss der HF-Ingenieur im Arbeitsablauf zurückgehen und eine Anpassung vornehmen. Dies kann eine Änderung des physikalischen Layouts des Anpassungsnetzwerks erfordern, oder die Änderung kann so weit im Entwurfsprozess zurückliegen, dass die Antennenstruktur modifiziert werden muss. Wenn alle Ziele erreicht wurden, können diese Komponenten als endgültige Werte betrachtet und zur Validierung und Produktprüfung in den Prototyp eingebaut werden. Da die Systemcharakterisierung mit einer Vollwellen-3D-EM-Simulation durchgeführt wurde, ist eine gute Übereinstimmung zwischen der FW-MCO-Vorhersage und den Messergebnissen zu erwarten.
FW-MCO gegen Circuit Solvers
Zwar werden sowohl FW-MCO als auch Schaltungslöser für den Entwurf von Anpassungsnetzwerken verwendet, doch unterscheiden sie sich in erster Linie durch die ihnen zur Verfügung stehenden Daten. Bei einer Einportantenne werden dem Schaltungslöser die Quellenimpedanz,S11 und der Abstrahlwirkungsgrad als Eingangsgrößen zugeführt.
Bei der Analyse des Schaltplans eines Anpassungsnetzwerks stoßen Schaltungslöser an ihre Grenzen, da sie empirische Formeln verwenden, um die Spannungs- und Stromverhältnisse zwischen den Bauteilen aufrechtzuerhalten. Sie können Feldwechselwirkungen zwischen den Bauteilen, zwischen den Bauteilen und aktiven Antennen sowie zwischen den Bauteilen und dem Rest des Bauteils nicht berücksichtigen. FW-MCO hingegen erfasst alle Feldwechselwirkungen, die durch die Vollwellen-EM-Simulation berechnet werden, und wählt die Bauteilwerte auf der Grundlage dieser Informationen aus. Betrachten wir als Beispiel die Topologie des achtelementigen Anpassungsnetzwerks in Abbildung 6a. Physikalisch kann es wie in Abbildung 6b oder 6c dargestellt ausgelegt werden. Während ein Schaltungslöser für diese Topologie nur einen Satz von Anfangswerten für die Komponenten zurückgibt, berechnet FW-MCO unterschiedliche Antwortmatrizen für die beiden verschiedenen Layouts. Dies führt zur Auswahl von zwei Sätzen von Komponentenwerten, die den entsprechenden physikalischen Layouts entsprechen.
Abbildung 6: Topologie einer Acht-Element-Anpassungsschaltung (a) mit zwei physikalischen Anordnungen (b und c).
FW-MCO ersetzt keine Schaltungslöser beim Entwurf von Anpassungsnetzwerken. Die beiden Technologien eignen sich für unterschiedliche Schritte im Arbeitsablauf. Schaltungslöser ermitteln die geeignete Topologie und liefern erste Bauteilwerte in der Mitte des Arbeitsablaufs. Am Ende analysiert FW-MCO das physikalische Layout und gibt die endgültigen Bauteilwerte aus.
Anwendungen
Das traditionelle LC-Anpassungsnetzwerkdesign für eine einzelne Antenne im freien Raum findet im Gerätedesign breite Anwendung und lässt sich mit dem zuvor beschriebenen FW-MCO-Ansatz problemlos umsetzen. Die Anforderungen der Verbraucher an zuverlässige Konnektivität und hohe Datenraten zwingen HF-Ingenieure jedoch dazu, über das traditionelle Design hinauszugehen. Glücklicherweise ermöglicht die Flexibilität von FW-MCO die Entwicklung von Konfigurationen mit mehreren Antennenanpassungen sowie von Systemen mit mehreren Antennen.
Viele Geräte arbeiten unter unterschiedlichen Antennenbelastungskonfigurationen. Man denke beispielsweise an ein Handgerät, bei dem die Antennenbelastung unterschiedlich ist, je nachdem, ob sich das Gerät im freien Raum befindet oder in der Hand gehalten wird. Diese beiden Konfigurationen führen zu unterschiedlichen Eingangsimpedanzen, sodass ein Anpassungsnetzwerk, das die Anforderungen für den Betrieb im freien Raum erfüllt, möglicherweise nicht ausreicht, wenn das Gerät in der Hand gehalten wird. Für einfachere, kostengünstigere Designs kann der HF-Ingenieur ein herkömmliches Anpassungsnetzwerk mit LC-Werten verwenden, die für beide Fälle am besten geeignet sind. Eine fortschrittlichere Lösung wäre die Integration einer abstimmbaren Komponente in das Anpassungsnetzwerk und eines Näherungssensors auf Geräteebene. In einem 3D-EM-Simulator würde für die Handheld-Konfiguration ein Phantomhandmodell in den Simulationsraum einbezogen werden. Dies führt zu anderen Feldwechselwirkungen mit den Komponenten als bei der Freiraumkonfiguration. Beachten Sie, dass die Antwortmatrix dazu dient, alle Feldwechselwirkungen zu charakterisieren, die die Komponenten des Anpassungsnetzwerks beeinflussen. Daher sind zwei Antwortmatrizen erforderlich, um die Feldinformationen für die beiden Belastungskonfigurationen zu erfassen, die als Eingaben für eine einzige Optimierung dienen.
Im erweiterten Fall mit abstimmbaren Komponenten würde der Näherungssensor dazu dienen, zu erkennen, ob das Gerät im freien Raum oder in der Hand betrieben wird. Der Zustand der abstimmbaren Komponente würde dann je nach Lastkonfiguration geändert, wodurch sich die angepasste Impedanz ändern würde. FW-MCO nutzt eine ähnliche Logik, um die Informationen zur Lastkonfiguration in der Antwortmatrix mit den Zuständen des Tuners bei der Einrichtung der Optimierung zu verknüpfen. Die Ziele würden so definiert, dass in den LTE-Bändern eine Strahlungseffizienz von mehr als 93 Prozent bzw. 75 Prozent für die Freiraum- und Hand-Held-Antwortmatrizen erzielt wird. Als Ergebnis würde die Optimierung zwei Tunerwerte zurückgeben, einen für jede Antwortmatrix. Wenn sich LC-Komponenten im Anpassungsnetzwerk befänden, würde die Optimierung auch deren feste Werte unabhängig von der Lastkonfiguration zurückgeben.
Der Entwurf von Mehrfachantennen stellt HF-Ingenieure zudem vor eine Herausforderung, da Energie der aktiven Antenne in der passiven Antenne verloren gehen kann, anstatt abgestrahlt zu werden. Dies wird als „Suck-out“ bezeichnet und lässt sich anhand vonS21 oder einer verminderten Abstrahlungseffizienz erkennen. Die Auswahl optimaler Bauteilwerte zur Reduzierung des Suck-outs ist mit FW-MCO unkompliziert. Die beiden Antennen und die entsprechenden Anpassungsnetzwerke würden in den 3D-EM-Simulationsraum einbezogen. Eine einzige Simulationsmatrix würde das System charakterisieren und die Feldwechselwirkungen bestimmen, die alle Komponenten beeinflussen. Schließlich würden Ziele definiert, die gleichzeitig die Strahlungseffizienz maximieren, wenn Antenne 1 aktiv ist, und S21 minimieren. Je nach den Entscheidungen beim Gerätedesign könnte FW-MCO auch dazu verwendet werden, abstimmbare Komponenten zu identifizieren, die eine schlechte Anpassung an Antenne 2 bewirken, wenn Antenne 1 sendet, jedoch eine gute Anpassung, wenn Antenne 2 sendet.
Schlussfolgerung
Eine neue Technologie, die Optimierung von Vollwellen-Anpassungsschaltungen, schließt die letzte Lücke im Design von Anpassungsnetzwerken. Im Gegensatz zu schematikbasierten Schaltungslösern berücksichtigt sie alle Wechselwirkungen des elektromagnetischen Feldes mit den Bauteilen. Anhand dieser Informationen ist FW-MCO in der Lage, Tausende von Bauteilkombinationen zu analysieren, um den optimalen Satz zu ermitteln, der die Designanforderungen erfüllt. Da die Komplexität des Designs von Anpassungsnetzwerken zunimmt, um den neuesten Kommunikationsanforderungen gerecht zu werden, wird FW-MCO unverzichtbar, da die Anzahl der Permutationen ohne Optimierungstechniken unüberschaubar wird.
Jeff Barney und Scott Langdon
Remcom Inc., State College, Pennsylvania
