设计挑战

高的数据速率和更多功能,移动电话设计的复杂性大幅攀升,与此同时,新产品上市时间却从数年缩短至数月。这使得手机制造商要求微波半导体厂商提供高度集成的紧凑型器件,同时具有更低损耗和更强大的线性性能。

英飞凌设计了旨在优化3G/4G、LTE和LTE-Advanced移动终端和系统灵敏度的LNA微波单片集成电路(MMIC)和低噪放大器多路复用器模块(LMM),来满足这一需求。这些模块扩大了覆盖范围,以实现最大数据业务量,并通过降低传输功率和误码率,带来最高的网络效率。

位于手机天线路径中的LNA可改善接收路径中的系统噪声系数,使数据速率近乎能达到无LNA解决方案的两倍,尤其是在信号强度非常弱的环境下。英飞凌的高线性低噪声放大器即使在天线隔离不佳以及天线和收发器之间有长距离损耗的情况下,也能确保最佳的信号接收。此外,它们极低的噪声系数可使RF调制解调器的灵敏度提高约3dB,同时通过抑制信号线路以及声表滤波器(SAW)和接收器的损耗对噪声的贡献,带来系统布局灵活性。

为了提供一流的线性度和噪声系数,英飞凌设计师依赖于建全的、准确的电路仿真以及对其MMIC和模块设计中的所有组件进行精确建模,包括PCB测试板。精确的线性模型能对支持不同4G LTE-Advanced频段的应用电路系统级性能进行更快验证——目前全球有超过44个LTE频段。通过利用软件平台内置的强大的脚本功能,设计和记录新应用电路的时间从数天削减至数小时。

解决方案

英飞凌为其器件建模需求选择了NI AWR Design Environment?,在应用层面,开始了对PCB进行特征化并做LNA模块测量。 LNA和LMM PCB测试结构包括预定长度和宽度的RF输入/输出传输线。在校准测试设备端口进行的任何器件S参数和噪声系数测量将包括该传输线,以及接在测试板输入/输出端的SMA接头。测试结构响应可通过去嵌入从测量中去除,这会更准确地测量独立器件响应。测试结构可通过不同的基于测量的方法或严格的电磁仿真进行特征化。在这种情况下,工程师利用NI AWR软件(特别是Microwave Office电路设计软件)中的闭合传输线和SMA模型与三种不同的校准标准进行比较,这三种校准标准即:短路、开路和直通传输线,如图1所示。

201606 MRF Tech S4 F1 图1:实际PCB布局(左)和PCB特征化Microwave Office示意图(右)。

这三个结构的响应测量结果与闭合模型的比较(图2)体现出在感兴趣频段有合理的一致性,仿真与测量结果的差异在远高于载波频率的10GHz下低于5%。

201606 MRF Tech S4 F2 图2:S利用MWO的短路、开路和直通PCB的仿真与测量结果对比。

这些PCB和接头模型将在之后应用电路开发过程中用于拟合评估板器件测量结果与仿真结果。为了从测试装置中去嵌入受测器件,设计师使用Microwave Office 软件中的NEG块,将传输线和SMA接头的影响从原始测量数据中减去。NEG块包含一个子电路,该子电路由串联SMA接头和微带传输线构成,其中微带传输线包含涉及金属和介质叠层信息(物理尺寸和电气特性)的PCB基板定义。去嵌入块被添加到测量数据块的输入输出端,如图3所示。

201606 MRF Tech S4 F3 图3:显示测量结果去嵌入NEG块的Microwave Office示意图。

在去嵌入测量数据中生成线性器件模型后,LNA数据被纳入针对不同LTE频段的应用电路中。来自英飞凌应用笔记AN351 [1]的应用电路示意图以及英飞凌BGA7L1N6测试板(涵盖LTE Band-5)分别如图4a和4b所示。包含LNA和应用电路的后续设计利用传输线、SMA结构以及相关PCB信息进行仿真。

201606 MRF Tech S4 F4 图4a:BGA7L1N6 LTE Band 5应用电路板示意图和材料清单 图4b:BGA7L1N6评估板照片。

将器件、应用电路和测试装置一起仿真可使工程师直接比较应用电路的测量结果(在测试装置中)。如果仿真和测量结果一致,相关模型就被认可。图5为LTE Band 5应用电路仿真示意图,图6显示了仿真结果与测量结果的对比。

201606 MRF Tech S4 F5 图 5:仿真中用于生成应用笔记数据的LTE应用电路示意图。

201606 MRF Tech S4 F6 图 6:LTE Band 5应用电路的LNA仿真结果与测量结果比较。

由于应用电路板的仿真结果和测量结果的一致性在可接受程度内,因此LNA模型被用于数以百计针对不同无线应用的仿真电路中,特别是不同的LTE频段。为数以百计的应用电路生成技术资料(规格书和应用笔记)非常耗时,然而英飞凌无线射频与传感器业务部针对Microwave Office软件开发了一个应用笔记生成器插件。使用应用笔记生成器,可在几分钟内完成所有应用电路的技术资料。

生成器工具以定制的脚本文件为基础,可对整个操作实现自动化,大幅减少投入的时间和精力。通过首先运行脚本文件,可生成所有必要的图表,并带有合适的注解、轴定义、标题和标记。然后,所有图表由应用工程师进行验证。如果图表OK,将再次使用脚本,将所有图表从Microwave Office软件拷贝至指定的文档文件中,还可使用脚本,从生成的图表中找到合适的值,来填写文档文件中的表格。应用笔记生成流程参见图7,为英飞凌应用笔记AN351[1]生成的具体图表参见图8。 201606 MRF Tech S4 F7 图7:自动报告生成过程图示。 201606 MRF Tech S4 F8 图8:利用NI AWR Design Environment 创建的应用笔记生成器生成的图表(借助英飞凌应用团队开发的定制脚本)。

为什么选择NI AWR Design Environment?

使用合适的器件建模生成一致的测量结果和仿真结果,英飞凌能够轻松、快速地开发全新应用电路和生成相关技术资料。集成NI AWR软件环境可使英飞凌设计师开发出与测量结果完全契合的准确模型,生成满足应用/LTE频段性能要求的板载RF设计,报告所有必要数据以满足客户信息需求。

参考资料 http://www.infineon.com/dgdl/AN351.pdf?fileId=db3a304344e406b50144e46e4b3802ef