Rohde & Schwarz, AWR i CST - partnerstwo z korzyścią dla konstruktorów układów w.cz.

Analiza sprzęźeń pomiędzy elementami wzmacniacza mikrofalowego przy użyciu modułu AXIEM

W dzisiejszych czasach nie sposób jednak projektować zaawansowanej elektroniki mikrofalowej bez wspomagania komputerem. Wykonanie prototypu układu mikrofalowego jest na tyle kosztowne, że stosowana dawniej powszechnie metoda wielokrotnych eksperymentów i dochodzenia do rozwiązania na zasadzie "cut and try" byłaby dziś za droga i zbyt czasochłonna.

Oczywiście klasyczny cykl działań składający się z projektowania, wykonania prototypu, weryfikacji pomiarowej, wprowadzenia poprawek do projektu występuje w dalszym ciągu, ale liczba powtórzeń tego cyklu jest znacząco mniejsza niż dawniej. Współczesny konstruktor modułów w.cz. pracuje dziś w środowisku składającym się z oprogramowania wspomagającego projektowanie EDA (Electronic Design Automation) i przyrządów pomiarowych T&M (Test & Measurement) pozwalających na weryfikację parametrów zaprojektowanego i wykonanego modelu.

O ile jednak kiedyś po stronie obliczeniowej był kalkulator, książki ze wzorami lub komputer z własnoręcznie napisanym programem, o tyle dzisiaj jest to profesjonalne oprogramowanie, którego wartość dorównuje lub przewyższa wartość przyrządów pomiarowych stosowanych do weryfikacji wykonanego prototypu. Warto nadmienić, że środowisko projektowe składające się z oprogramowania i aparatury pomiarowej to dzisiaj coś więcej niż sama automatyzacja etapu projektowania.

Dzięki integracji polegającej na połączeniu weryfikującego projekt przyrządu z wykorzystywanym w projektowaniu komputerem istnieje możliwość automatycznego uwzględniania wyników pomiarów wykonanego realnie prototypu w istniejącym wirtualnie projekcie, a także testowania własności kompletnego modelu, który częściowo jest już zrealizowany fizycznie, a częściowo istnieje jeszcze w przestrzeni wirtualnej.

Z punktu widzenia producenta aparatury pomiarowej na pasma w.cz. i mikrofalowe, takiego jak R&S, korzystnie jest więc mieć partnera będącego producentem oprogramowania wspomagającego projektowanie układów w wysokich pasmach częstotliwości, gdyż daje to możliwość zaoferowania kompletnego środowiska pracy do zaawansowanego i efektywnego projektowania układów elektronicznych w tym obszarze.

Firma R&S poszła tu nawet dalej, ponieważ ma dwóch partnerów z uwagi na specyfikę występującą w projektowaniu wysokoczęstotliwościowym, polegającą na możliwości dwojakiego podejścia do analizy układów: modelowania obwodowego i modelowania polowego. W przypadku małych częstotliwości operujemy pojęciami prądu i napięcia oraz modelujemy układ elementami o stałych skupionych R, L, C, tranzystorem, diodą itp.

W przypadku wielkich częstotliwości operujemy raczej pojęciem mocy sygnału w.cz. i elementami o stałych rozłożonych takimi jak linia mikropaskowa, zagięcie, złącze "T". Elementy te mają swoje modele opisane równaniami o współczynnikach wyznaczonych teoretycznie i eksperymentalnie. W przypadku projektowania układów pracujących na wysokich częstotliwościach dochodzi również problem uwzględniania sprzężeń pomiędzy liniami lub elementami układu.

Istotny zaczyna być również problem promieniowania elektromagnetycznego linii sygnałowych i szczelności obudów projektowanych modułów. Dzieje się tak dlatego, że długość fali staje się porównywalna z wymiarami linii i elementów projektowanego układu. Im wyżej idziemy w dziedzinie częstotliwości tym bardziej uprawniona staje więc się analiza polowa, która daje dokładniejsze wyniki w porównaniu z modelowaniem obwodowym.

Jednocześnie następuje przejście od modelowania planarnego "2D" - płytka z obwodem drukowanym do modelowania przestrzennego "3D" - struktura przewodząco-promieniująca. Analiza polowa "3D" polega na podziale całej struktury na małe komórki, dla których oblicza się przepływ prądu lub propagację fali EM, korzystając z równań Maxwella. Stosuje się również rozwiązanie mieszane, tzw. "2,5D" do struktur przestrzennych warstwowych - płytek wielowarstwowych.

Korzystne partnerstwo

Jak wspomniano wcześniej, firma R&S zaprosiła do współpracy dwóch specjalistów od opisanych wyżej metod projektowania. Partnerem w zakresie oprogramowania wspomagającego projektowanie układów w.cz. i mikrofalowych, które bazuje na analizie obwodowej oraz polowej 2D i 2,5D jest firma AWR Corporation z USA, natomiast partnerem R&S, zapewniającym doskonałe narzędzia do symulacji polowej 3D, jest firma CST AG z Niemiec.

AWR Corporation (dawniej Applied Wave Research) to producent znanego w Polsce oprogramowania Microwave Office. Warto nadmienić, że firmę tworzyli programiści, którzy opuścili firmę EEsof po jej przejęciu przez Hewlett-Packarda. EEsof był m.in. producentem programu Touchstone, który przez wiele lat wyznaczał standard dla mikrofalowych symulatorów liniowych i utrwalił powszechny dziś format pliku S2P, opisujący własności liniowego dwuwrotnika mikrofalowego w funkcji częstotliwości.

CST - Computer Simulation Technology AG, to z kolei producent oprogramowania Microwave Studio - kompleksowego narzędzia do analizy polowej 3D dowolnych struktur przestrzennych. CST stworzyli byli pracownicy Uniwersytetu w Darmstadt - wiodącego europejskiego ośrodka w zakresie komputerowej symulacji pól elektromagnetycznych.

Przymiotnik "microwave" występujący w nazwach obu produktów wyraźnie wskazuje na obszar ich stosowania. Zaimplementowane w nich algorytmy działają wprawdzie również dla niskich częstotliwości, ale ich stosowanie tam byłoby nieefektywne. Jest wiele dostępnych tanich lub nawet darmowych narzędzi do analizy stałoprądowej i niskoczęstotliwościowej. Na kolejnych stronach przedstawiono charakterystykę wybranych produktów.

AWR - Microwave Office

Obliczenia wzmacniacza mikrofalowego

Oprogramowanie Microwave Office (MWO) udostępnia wszystkie narzędzia niezbędne do projektowania układów scalonych, obwodów drukowanych i modułów pracujących na wysokich częstotliwościach:

• liniowy symulator obwodów,
• nieliniowy symulator obwodów (Harmonic Balance),
• narzędzie do analizy elektromagnetycznej (EM),
• zintegrowane narzędzie do tworzenia schematów i mozaiki ścieżek na płytce,
• narzędzie do analizy statystycznej,
• biblioteki "parametric cell" z wbudowanym mechanizmem kontroli projektu (DRC).

Microwave Office wyposażony jest w wyjątkowo przyjazny interfejs użytkownika. Jest to jedna z przyczyn, dla których środowisko to jest wybierane przez uczelnie wyższe na świecie w tym wiele Politechnik w Polsce, jako baza do nauczania projektowania układów elektronicznych z użyciem oprogramowaniem EDA. Interfejs użytkownika był zawsze na czele priorytetów twórców Microwave Office od powstania firmy i rozpoczęcia nad nim prac w 1994 r.

Przyjazny GUI to pierwsza cecha, jaką podają użytkownicy w badaniach ankietowych porównując MWO z produktami konkurencji. Druga cecha wyróżniająca MWO na tle konkurencji, to szybkość analizy układu i spójność funkcjonalna modułów składowych. W praktyce wygląda to tak, że strojąc wirtualnym suwakiem długość ścieżki filtru mikropaskowego w oknie prezentującym schemat widzimy zmiany długości fizycznej paska w oknie pokazującym mozaikę i na bieżąco przeliczaną charakterystykę filtru w oknie z pomiarem S21.

Wszystko to dzięki zunifikowanej bazie danych wspólnej dla wszystkich subaplikacji. Ten prosty, a jednocześnie rewolucyjny pomysł, został zastosowany po raz pierwszy przez AWR. Spowodowało to uwolnienie mocy obliczeniowej zużywanej na potrzeby tłumaczenia danych wyjściowych jednego modułu na format danych wejściowych kolejnego modułu oprogramowania. MWO jest również wyjątkowy pod względem otwartości na wymianę danych i współpracę z innymi środowiskami.

Program wspiera multi-technology PDKs (Process Design Kits - zestawy plików udostępnianych przez producentów chipów do wykorzystania przez programy EDA). MWO udostępnia też tzw. EM Socket - interfejs dla aplikacji do elektromagnetycznego modelowania polowego, jak np. CST Microwave Studio. Pozwala to np. na analizę własności anteny z układem dopasowującym na płytce, jako jednego obiektu w środowisku MWO.

W uruchomionej równolegle aplikacji CST MWS można dokonywać zmian w strukturze przestrzennej anteny i jednocześnie stroić elementy obwodu dopasowującego w AWR MWO i obserwować zmiany współczynnika odbicia na wejściu. MWO jest wyposażony w mechanizmy LVS i DRC. LVS (Layout Versus Schematic) to metoda sprawdzania poprawności projektu mozaiki (layoutu) na zgodność z listą połączeń generowaną przez moduł Schematic a DRC (Design Rules Checker), to weryfikacja mozaiki z punktu widzenia fizycznych ograniczeń (wymiary płytki, wymiary obudów elementów itp.).

Od czasu, gdy firma AWR wykupiła fińskiego producenta oprogramowania EDA APLAC, użytkownicy MWO mogą korzystać ze sprawdzonego i wykorzystywanego przez Nokię narzędzia do analizy nieliniowej - APLAC Simulation Technology. Wydajne algorytmy APLAC do symulacji metodami harmonic balance i time-domain przeznaczone są do analizy układów silnie nieliniowych.

W szczególności stosowana jest opatentowana technika Multi-Rate Harmonic Balance (MRHB). Aczkolwiek MWO jest symulatorem obwodowym to jednak wyposażonym w symulator elektromagnetyczny 2D z możliwością dołożenia modułu AXIEM 3D Planar do analizy e-mag 2,5D. Jest to symulator, który dobrze radzi sobie z przestrzennymi strukturami planarnymi, takimi jak druki wielowarstwowe, anteny patchowe itp.

AWR - Visual System Simulator

Możliwość projektowania pojedynczych modułów w.cz., jaką zapewnia Microwave Office to nie koniec funkcjonalności oprogramowania oferowanego przez AWR. Jeśli mamy już gotowe projekty filtru, mieszacza i wzmacniacza, a chcielibyśmy przekonać się, jakie parametry będzie miał złożony z nich odbiornik, sięgamy po kolejne narzędzie - Visual System Simulator (VSS).

Tak jak MWO pozwala na analizę modułu w.cz. złożonego z pojedynczych elementów tak VSS pozwala na analizę systemu w.cz. złożonego z modułów funkcjonalnych takich jak np. filtr, wzmacniacz, tłumik itp. Mając gotowy system poskładany w VSS z modułów funkcjonalnych bez trudu obliczymy dla niego np. budżet mocy (RF budget analysis) lub narastający współczynnik szumów (Cascaded Noise Figure), które pozwalają stwierdzić, które ogniwa projektowanego systemu najbardziej znacząco wpływają na jego finalne parametry.

Moduły funkcjonalne, którymi operuje VSS mogą być definiowane na kilka sposobów. Najczęściej wykorzystywane są modele behavioralne operujące parametrami funkcjonalnymi. Na przykład model wzmacniacza opisany przez takie parametry jak wzmocnienie, współczynnik szumów, pasmo pracy i współczynnik kompresji 1dB. Inny sposób to zdefiniowanie modułu funkcjonalnego VSS przez import układu zaprojektowanego w MWO.

Tu znowu pojawia się korzyść płynąca z idei wspólnego kontenera danych (Unified Data Model). MWO i VSS mogą pracować równolegle, dzięki czemu modyfikacja pojedynczej ścieżki filtru zaprojektowanego w MWO znajdzie natychmiast odbicie w VSS, jako zmiana parametrów odbiornika, którego ten filtr jest częścią składową. Kolejny sposób definiowania modułu w VSS, to opis jego funkcjonalności przez skrypt napisany w C++ lub w Matlabie.

Wreszcie można też opisać moduł VSS poprzez zaimportowane wyniki pomiarów fizycznie istniejącego i pracującego układu. Obecnie większość zastosowań techniki układów w.cz. to aplikacje z obszaru telekomunikacji mobilnej i bezprzewodowej transmisji danych. Aby sprostać tym wyzwaniom VSS oferuje kompletne biblioteki współczesnych sygnałów mobile (GSM/EDGE, 3GPP/WCDMA, LTE) oraz wireless (WiMAX, Bluetooth, WLAN).

Opisane w nich sygnały mogą być generowane przez wirtualne generatory i demodulowane w wirtualnych demodulatorach udostępnianych przez VSS. Dostępne są również moduły mierników wyznaczających parametry charakterystyczne dla sygnałów wektorowych zmodulowanych amplitudowo-fazowo takie jak EVM (Error Vector Magnitude) lub BER (Bit Error Ratio).

AWR Test Wave

Struktura wzmacniacza MMIC z widocznymi indukcyjnościami planarnymi

Moduł Test Wave pozwala na przepływ informacji pomiędzy realnym światem fizycznie istniejącego i działającego układu rzeczywistego, a wirtualną przestrzenią układu będącego na etapie symulacji i obliczeń realizowanych przez MWO lub VSS. Bramą pomiędzy tymi światami jest przyrząd pomiarowy. Pierwszy sposób wykorzystania Test- Wave to ekstrakcja parametrów elementu biernego lub aktywnego w celu wykorzystania ich do opisu elementu w układzie projektowanym w MWO.

Załóżmy, że potrzebujemy zaprojektować wzmacniacz na konkretnym tranzystorze mikrofalowym, który mamy do dyspozycji. Moduł test Wave pozwala na pomiar parametrów tego tranzystora wektorowym analizatorem obwodów (np. R&S ZVA) i przesłanie ich jako opisu elementu do wykorzystania w MWO. W ten sposób gwarantujemy maksymalną zgodność modelu z elementem rzeczywistym, co nie zawsze ma miejsce, gdy korzystamy ze specyfikacji producenta podającej parametry uśrednione dla danego typu.

Drugi sposób wykorzystania TestWave to analiza układu, którego część jest zrealizowana fizycznie, a część istnieje w przestrzeni wirtualnej VSS. W tej metodzie używamy dwa rodzaje przyrządów pomiarowych - wektorowego analizatora sygnałów (np. R&S FSQ) i wektorowego generatora sygnałów (np. R&S SMU). Przyrządy pomiarowe pełnią w tym przypadku rolę bramy pomiędzy przestrzenią realną i wirtualną.

Sygnał wytworzony w świecie realnym jest analizowany przez wektorowy analizator sygnałów i przesyłany do przestrzeni wirtualnej i na odwrót, sygnał generowany przez układ wirtualny jest przesyłany do wektorowego generatora sygnałów i odtwarzany w świecie realnym. Takie połączenie oprogramowania i przyrządów pomiarowych pozwala na testowanie modelu całego układu, którego tylko część jest dopiero zrealizowana fizycznie. Metoda ta znacznie przyspiesza proces projektowania złożonego systemu prowadzony przez niezależne zespoły pracujące równolegle na różnymi jego fragmentami.

Jarosław Kwiatkowski
Rohde&Schwarz
www.rohde-schwarz.com