Next Generation RF Design Automation Platform for Multi-antenna Assessment and Performance Optimization

Jaakko Juntunen、Joni Lappalainen、Jussi Rahola，芬兰Optenni有限公司

随着无线技术的变革，在许多便携式设备中，无线电系统的数量不断增加，而且随着新兴物联网和5G的应用，这种趋势仍在持续增长。这种趋势为射频设计者们带来了挑战，因为他们既需要保证几个同时工作的无线电系统的性能，又需要最大限度地减少干扰和功率损耗。

本文从天线角度阐述了多系统设计方面的问题。设备中天线元件数量的增加是天线演化的主要趋势，与上文提到的多系统趋势一致。但是天线多样性、多输入多输出和波束成形技术进一步推动了这一进程。同时，因设备尺寸不能变大，天线密度会越来越大。这反过来将导致耦合作用增强，这是多天线系统设计中的主要挑战之一。

天线之间的耦合

由于天线本质上是谐振结构，因此相近的天线之间可能会产生耦合。如果天线之间距离非常接近，并且它们的工作频率彼此接近，则谐振就更强。与其他物理结构类似，天线通常也在其最低频率或基频的谐波倍数处发生谐振。因此，适用于3GPP频段3（1710 -1880 MHz）的天线与5 GHz天线（5170 - 5835 MHz）可能出现三次强烈的谐波共振。紧凑型设备中的天线辐射方向图通常是各向同性，虽然通过交叉极化，天线定向可以用作隔离，但是这种方式仅在最简单的情况下才起作用。例如，在最理想情况下，沿偶极轴具有零辐射的偶极方向图，通过其方向图属性仅能隔离三个天线。周边天线数目往往超过位于彼此近场中的天线数目（图1），并且工业设计无法以最佳电磁定位的方式摆放天线。因此，我们不得不应对一定程度的耦合。

图1：便携式移动设备图示，其中包含多个天线和无线电系统。

不同的无线电系统被射频前端的滤波器有效隔离，但是依然存在多个缘由，需要谨慎处理天线之间的耦合效应。首先，多输入多输出系统与不同类天线之间具有相同的频带。其次，谐波频率下的强耦合可能导致发送器A的互调信号耦合到接收器B的工作频带 - 滤波器也可能表现出与通带天线相似的谐波周期性。再次，滤波器阻带通常适用于50欧姆的电路环境，而天线阻抗可能是50欧姆以外的任何值，导致实际通带显著偏离设计值，因此仅当阻带靠近通带时性能通常较好。这意味着系统A的滤波器可能泄漏从系统B到系统A的耦合功率，导致系统A的灵敏度降低和系统B的功率损耗。最后，紧凑型天线的辐射效率可能非常差。也就是说即使无线电系统被完全滤波，周边的天线也会消耗很大一部分耦合功率。

为了避免以上问题，我们需要对天线系统提出新颖全面的分析和优化方法。

为什么现有分析方法无法应对？

以往，我们采用了三种不同的天线系统分析方法：

1.       基于测量的方法：多端口系统的S参数通过多端口矢量网络分析仪（VNA）表征，并且每个天线对应的辐射方向图是用位于消声室的人工测量装置完成测定。

2.       通用射频模拟器可以分析天线系统的电路，但对辐射相关的数量和效率毫无作用。

3.       天线系统的电磁模拟系统采用灵活的虚拟模型取代了人工测量装置，并且常规电磁软件也包含了大量的模拟数据后处理功能。

所有上述方法无法正确处理多天线系统中的相互耦合项。对于方法1，因为辐射效率依赖于每个端口的终端和3D辐射方向图的叠加，所以如何正确计算辐射效率同样是棘手的问题。而且辐射效率数据通常借助频率格点定义，而并非S参数，这可能使总效率计算更加复杂。一个典型的12天线系统涉及132个互耦项，我们需要在计算总效率的方程式中手动编写这么多耦合项 。

在同时考虑耦合损耗和终端相关的辐射效率的情况下，电磁模拟器通常更适用于多天线问题，可以计算每个天线的总效率。显然，虽然电磁模拟器仅支持本机格式的原生项目辐射方向图，但遗憾的是，辐射方向图没有标准格式。这意味着在实践中，每个电磁模拟器都有各自的辐射方向图格式，并且模式数据在不同模拟器之间无法共享，例如S参数文件。

但电磁模拟器也有盲点。当通过匹配电路、滤波器等到达天线端口终端时，我们需要电路组件及其模型。射频模拟器更注重组件库，在分析整个系统时实际组件模型通常同样重要。此外，这不仅涉及总效率，还涉及连接电路不同部分的元件损耗、电压和电流。在分析此类性能时，射频模拟器功能强大，但在分析总效率时，它们无疑差强人意。

总而言之，电磁模拟器适用于从天线输入到自由空间中，而射频电路模拟器适用于从放大器到表征天线输入的S矩阵端口中。是否存在一种分析方法能够结合以上两种方法呢？

新方法

新软件已被开发出来，它结合了电磁和射频电路模拟器在分析多天线系统状态中的优势，通过自动电路合成的方式，优化系统性能。

改善天线系统的性能一般是通过相对简单的匹配和去耦电路来完成的。但如需保证正确同时考虑上述所有因素，则必须正确地表征系统性能。

新方法已嵌入到Optenni Lab射频设计自动化软件平台中，经过多年的开发，它已经能够无缝对接多天线系统的电磁和电路问题。展望电磁领域，除了多端口S参数矩阵外，多种行业标准电磁模拟器格式下的3D辐射方向图也已得到支持。其中的主导思想是提供“最适合每个问题的工具”，因此平台在数据输入和输出方面尽可能保持中立。对于给定结构下的N天线系统而言，NxN S参数矩阵和N个辐射方向图（超频）可实现线性系统“从天线输入到自由空间”的完整表征。

多天线系统的线性度可以根据天线输入端的电压/电流值对场域进行加权和求和计算，其中电路分析不仅考虑天线端口处的匹配元件、滤波器、不同终端等，还涉及到由S参数矩阵表征的端口间功率耦合效应。通过加权叠加所有天线方向图，获得的总辐射方向图可以用来精确计算每个天线的辐射效率。电路模拟量（电压、电流）与电磁模拟量（辐射方向图）结合的过程便是关联两个场域。

如前所述，任一模拟域都不足以单独使用：电路模拟域完全忽略了辐射效率，而某些天线在实际情况下的辐射效率可低至30%或更低。电磁模拟域无法计算各个辐射方向图的相应加权值，导致辐射效率的不准确。通常更重要的是，电磁模拟域忽略了放大器和天线输入间各电路元件的损耗，而此类损耗在总损耗中占有很高的百分比。

因为这些模拟域的组合显然是有用的，所以分析工具提供了场域间不同程度的集成或协同处理。然而，与以前的所有解决方案相比，Optenni Lab具备三点完全不同的特性：1）考虑电磁模拟工具的不可知性；2）“从电路的角度”并入自动拓扑综合；3）从系统角度专门设计天线数量。

为什么采用拓扑综合？

高度耦合的紧凑型多天线问题意味着“一切都取决于一切”，换句话说，所有天线必须一致地被匹配和优化。天线A的匹配电路选择会影响到如何选择天线B、C、D等各自的匹配电路。对多端口问题而言，可能匹配的拓扑数量随着匹配组件数量和端口数量呈指数增长，所以即使对于自动合成，这种简单粗暴的方式依然不可取，更不用说手动设置每个拓扑了！但是我们可以采用一些合理简化的假设，使问题易于处理。这些假设最终决定了解决耦合多端口匹配问题的有效性，但必须注意的是，若拓扑综合方法无法正确表征系统性能，则该方法大多是无用的。因此，分析能力必须先于综合和优化能力，而从设计平台开发的角度来看，这些能力是独立的属性，但是从用户的角度来看，这些显然是密切相关的。

合成解决方案

位于天线前端的“黑盒子”是自动合成解决方案的基本形式，以此来产生优化的匹配电路。这些匹配电路的总效率将被优化（综合考虑元件损耗和天线辐射效率，并且可以获得各种分解度量，例如失配损耗、总传输/射频链损耗和总效率）。这些数据也将显示在功率平衡图中。图2和图3说明了当焦点在S₁₁时常见优化陷阱的结果。良好的阻抗匹配并不能保证良好的性能。因此，重要的是优化工具必须能够识别实际的影响变量。

图2：优化回波损耗后的天线功率平衡图。组件损耗高。

图3：图2中同一天线，优化总效率后的功率平衡图。辐射功率更高，但匹配电路更精简。

Optenni Lab离散组件库融合多家供应商产品库中的实际元件模型。由此得以精确计算每个匹配元件的损耗和电压/电流值。此外，该方法能够识别元件的额定值，并在超出额定值时警告设计人员，以免造成损坏。为支持高功率和高频设计，该方法已实现微带合成功能，并自动添加不连续模型。同时支持混合设计，集成离散元件和微带线。例如采用直流阻断电容器，或使用微带线段代替集总串联电感器。

匹配电路设计中的一个重要环节便是PCB布局。Optenni Lab通过一套电磁模拟多端口S参数模型表征PCB布局，以此支持与任意布局的集成（图4）。精简版布局表征还可以借助微带完成构建。在这两种情况下，合成关键元件均为通用电抗器，或为感抗器（电感器）或为容抗器（电容器）。因此，即便布局被固定成如Pi型或T型拓扑等特定形状，依然需要L和C的2^N维度替代组合。Optenni Lab综合所有这些结构，并根据性能对列表中的优化电路进行排序。

图4：匹配电路PCB布局电磁模型及其在配备通用电抗元件的Optenni Lab中的应用

通常，射频链中还需要考虑其他元件，如平衡-不平衡转换器、滤波器、传输线路/电缆和开关。此类射频元件适用于50欧姆的电路环境，但如前所述，天线阻抗可能会显著偏离50欧姆，因此各个元件不再处于适用的阻抗环境中。Optenni Lab推出合成模块式组件，匹配射频链上多个天线接口，以此实现设计目标的全面链优化功能，如其余部分通带和所需阻带性能的总辐射功率最大化。图5显示了设置原理图。

图5：接收器射频链中合成模块“黑盒子”应用示例。

相应地设计关注点在于匹配元件值的微小变化而引起的敏感度问题。有时，表面看似最优的解决方案在快速检查时貌似良好，但结果证明华而不实，因为元件值的微小变化会导致系统效率降低。图6显示一项示例，由于5%的元件容差率，“最优”解决方案的效率出现严重下降。相对而言，额定性能排名第3的拓扑结构却显示出最为稳定的响应值。Optenni Lab自动根据此容差敏感度重新排序，相比手动分析，成本实现大幅节约：数十种或数百种备选拓扑结构可供选择。

图6：考虑到元件值的敏感度，看似最佳的拓扑结构（蓝色曲线）可能出现严重波动。额定性能稍微偏低的方案可能显示更加稳定的结果。

多天线特定分析和综合功能

传统的多天线设计依赖辐射元件在所需频率上达到谐振，并且通过物理分离实现天线之间的隔离，但这受到工业设计因素的限制。对于紧凑型设备，物理分离可能存在局限性，并且耦合效应可能带来巨大挑战。此外，对于最佳设计，重要的是能够计算匹配系统的辐射方向图和辐射效率。

当耦合效应较强时，天线A出现励磁，因此天线B出现感应电流，进而影响天线A的远场辐射方向图。这些感应电流取决于天线B的端口终端。与计算天线元件上的感应分布电流不同的是，该方法抵消天线馈电点上的感应电流，并且通过复合远场的叠加来计算总辐射方向图。然后从总远场计算辐射效率。

以下述设计为例，需要设计一套全无源3波段多天线系统：

·         3GPP频段7（2500 – 2690 MHz）

·         3GPP频段1（1920 – 2170 MHz）

·         GPS L2（1215 – 1239.5 MHz）及Galileo E6（1260 – 1300 MHz）

就传统设计方式而言，为保证元件间的良好隔离，通常元件间相隔数厘米。相反，如图7所示，由于天线间已预留一些间隔，因此设计的平行间距仅需0.5厘米。

图7：传统多天线便携式设备，其中各天线占用相同的空间。

当我们研究系统的初始性能时，如图8-9所示，我们发现天线的谐振因支撑介质材料的变化而发生偏移，并且耦合损耗非常高。对于如此紧凑的设计，这实属正常。仅根据S参数难以定量评估损失。Optenni Lab功率平衡图清晰解释了设计原理：所有天线之间均不相匹配，但是天线2与其他天线有强耦合。

图8：初始设计的S_nn与总效率

图9：功率平衡图快速揭示出设计中的问题：天线调谐能力被移除，而且实现强耦合。天线1位于左侧，天线2居中，天线3位于右侧。

如果我们依然尝试通过优化每个端口的回波损耗解决问题，则忽略了可能占主导地位的其他损耗机制：元件损耗、耦合损耗和辐射效率。当使用Coilcraft 0402DC组件库（针对电感器）和Murata GJM15组件库（针对电容器）中极低损耗匹配元件时，所达到的“S_nn优化”结果见图10。此类设计的功率平衡图见图11。

图10：优化回波损耗后设计的S_nn及总效率

图11：通过优化回波损耗，实现天线间功率传输的最大化。总效率最终得以提高，天线1除外。

这一结果合乎逻辑，但并非我们的期待值。相反，若借助默认的Optenni Lab设置优化总效率，则S参数、效率及损耗分解项将得出完全不同的结果。类似前文提及的单天线环境，我们还可以进一步分析，利用Optenni Lab根据元件容差找寻更加高效的解决方案。结果如图12-13所示，根据频带和天线计算得出的平均总效率比回波损耗优化后的系统高出2.2 dB，这主要归因于端口耦合功率减少。耦合功率越低，则交叉频带接收器敏感度越低，整个系统的SNR越高。

图12：优化效率后设计的S_nn及总效率图中同时显示出匹配电路元件容差引起的响应波动。效率曲线清晰显示出优化过程中自动生成的相互过滤作用。

图13：功率平衡图表明，通过将耦合损耗降至最低，效率得以实现最大提升

结论

本文讨论了优化天线系统的一种新方法。这种新方法在Optenni Lab射频设计平台自动实现，被称为“天线识别电路模拟器”。天线识别功能表示系统的电磁设计域采用尽可能紧凑的表征方式，这对系统的精确描述必不可少。此类表征通常使用商用电磁设备来实现，其中包括系统中每个天线的S参数矩阵和远场复杂辐射方向图。凭借这一必要且充足的数据集的通用性，Optenni Lab的配置能够兼容几种主要电磁模拟器的远场方向图数据格式。

这种新方法的另一个独特之处在于匹配电路的自动化和完全集成式综合程序，同时汇聚大量备选拓扑，以快速并行的方式实现总效率优化。鉴于Optenni Lab具备天线识别功能，因此无需任何用户说明，即可查找所有的损耗元件。对于耦合损耗项轻易超出100的多天线设计而言，这一功能尤为实用。新方法能够自动设置相关系统指标图。此外，功率平衡图为评估系统性能和记录项目结果提供便利。包含真实模型的组件库和容差分析以及自动选择最不敏感设计等功能完善了产品选择范围，使这种新方法成为天线系统设计领域内真正的革命性方案。