La optimización de circuitos de adaptación de onda completa (FW-MCO) es una nueva tecnología que combina la simulación electromagnética (EM) tridimensional de onda completa con la optimización de circuitos en un enfoque novedoso para resolver un problema clásico de RF: determinar qué valores de los componentes proporcionan la adaptación deseada para una disposición determinada de la red de adaptación. Atrás quedaron los días en los que había que soldar y desoldar componentes de un prototipo para intentar conseguir el rendimiento deseado. Este artículo describe el proceso de diseño utilizando el diseño de un circuito de adaptación para una antena GPS-Bluetooth.
El diseño de redes de adaptación supone un reto, y los ingenieros de radiofrecuencia carecen de una herramienta sólida que les permita elegir los valores de los componentes que deben incorporarse al esquema de una red de adaptación. Probar una sola configuración cada vez resulta caro, lento y no garantiza un rendimiento óptimo. Las herramientas de software basadas en esquemas existentes ayudan a los diseñadores a elegir una topología de circuito que se adapte a una antena de acuerdo con los objetivos de diseño, como, por ejemplo, maximizar la eficiencia.
A bajas frecuencias, la adaptación prevista a partir de un esquema puede ser comparable al rendimiento medido de un circuito físico, ya que las conexiones son muy cortas en términos de longitudes de onda, la pérdida es baja y los efectos parásitos y el acoplamiento con otras partes de la geometría son mínimos. A frecuencias más altas, los cables perfectos se convierten en componentes de RF, como radiadores o líneas de transmisión con pérdidas. Las pistas se acoplan entre sí y con otras partes de la geometría. Dado que las interacciones electromagnéticas suelen ser más complejas de lo que se representa en el esquema, el rendimiento físico resultante puede diferir de lo que predice el esquema.
Afortunadamente, la simulación electromagnética de onda completa capta estas interacciones complejas, por lo que es posible llevar a cabo una optimización que determine los valores adecuados de los componentes del circuito sin necesidad de recurrir al método de prueba y error. FW-MCO subsana esta laguna en el proceso de diseño mediante la modelización de los efectos de radiofrecuencia y el uso de esa información en el proceso de selección de componentes.
Flujo de trabajo para el diseño de redes de emparejamiento
El proceso de diseño de cualquier dispositivo nuevo es iterativo y conlleva múltiples intentos fallidos, ramificaciones y retos. A medida que los ingenieros van comprendiendo los puntos problemáticos y desarrollando procesos más eficientes, el proceso se vuelve más lineal y los responsables reducen sus expectativas en cuanto a la duración del ciclo de diseño. Sin tener en cuenta los bucles iterativos, estos son los cuatro pasos principales para diseñar una antena adaptada.
Partiendo de una antena sin acoplar —ya sea un prototipo físico o un modelo CAD—, la primera tarea de un ingeniero de RF es determinar la impedancia de entrada yel valor S11 correspondiente de la estructura radiante. Para este análisis se utilizará la antena GPS-Bluetooth que se muestra en la figura 1. Se utilizan dos técnicas principales para determinar su impedancia de entrada. Históricamente, y en muchos casos todavía se prefiere, se utiliza un analizador de redes para medir la impedancia en un laboratorio. Recientemente, el uso de la simulación EM 3D de onda completa se ha vuelto más popular; XFdtd de Remcom y HFSS de ANSYS se han convertido en herramientas habituales para caracterizar una antena. La figura 2 muestra el coeficiente de reflexión de la antena no adaptada.
Figura 1: Antena GPS-Bluetooth sin emparejar.
Una vez obtenidos los datos de los parámetros S de la antena, el segundo paso consiste en utilizar solucionadores de circuitos como Optenni Lab de Optenni y ADS de Keysight. Estos cuentan con editores basados en esquemas para crear topologías de redes de adaptación, en las que el esquema incluye la lista de componentes y los nodos que los conectan. Los solucionadores de circuitos analizan el esquema manteniendo las relaciones de tensión y corriente entre los componentes y en los nodos. La figura 3 muestra una topología de red de adaptación de cuatro elementos que proporciona una adaptación aceptable en las bandas de GPS y Bluetooth. La predicción de los parámetros S correspondiente obtenida del solucionador de circuitos también se muestra en la figura 2.
Figura 2: RelaciónS11 de la antena en distintos casos.
Figura 3: Topología de la red de adaptación de la antena GPS-Bluetooth.
Una vez generados la topología de la red de adaptación y los valores iniciales de los componentes, el ingeniero convierte la topología basada en el esquema en un diseño físico sobre una placa de circuito impreso (PCB). Dependiendo del proceso del equipo de ingeniería, los ingenieros mecánicos pueden participar en el proceso de diseño, utilizando productos de software de Cadence o Mentor Graphics. La figura 4 muestra el diseño de la red de adaptación para la antena GPS-Bluetooth (los componentes concentrados se muestran como líneas verdes que conectan las pistas de cobre).
Figura 4: Diseño de la red de correspondencias.
Al finalizar el paso tres, el ingeniero de RF dispone de un prototipo físico actualizado o un modelo CAD que incluye el diseño de la red de adaptación. El diseño reflejará los valores iniciales de los componentes concentrados determinados mediante el solucionador de circuitos en el paso dos. Si el dispositivo funciona a una frecuencia lo suficientemente baja o si la antena se ha aislado de la red de adaptación, una medición o una simulación de onda completa del prototipo actualizado mostrará una buena concordancia con el solucionador de circuitos, y el ingeniero pasará a la fase de pruebas del producto. A frecuencias más altas, suele ser necesario un cuarto paso en el flujo de trabajo del diseño de la antena, ya que el prototipo actualizado no funciona como predijo el solucionador de circuitos. Esta diferencia puede observarse comparando la predicción del solucionador de circuitos con la simulación en el dominio del tiempo por diferencias finitas (FDTD) de la figura 2.
En el cuarto paso, los ingenieros de RF determinan los valores finales de los componentes que proporcionan el rendimiento deseado con la red de adaptación tal y como está dispuesta en la placa de circuito impreso. Hasta hace poco, no existían herramientas que permitieran abordar este problema de forma eficaz, por lo que los ingenieros recurrían a técnicas costosas que ofrecían un rendimiento subóptimo, como soldar y desoldar componentes de un prototipo. La tecnología FW-MCO supera este reto al permitir a los ingenieros de RF considerar miles de combinaciones de componentes y determinar el rendimiento óptimo de la antena. La Tabla 1 muestra la diferencia significativa entre los valores de los componentes determinados por el solucionador de circuitos y los óptimos elegidos por FW-MCO. Los dos gráficos finales de la Figura 2 muestran que los parámetros S previstos por FW-MCO coinciden con la validación obtenida mediante una simulación FDTD.
FW-MCO
Creado específicamente para abordar la etapa final del flujo de trabajo de diseño de redes de adaptación, FW-MCO selecciona el conjunto óptimo de valores de componentes concentrados a partir de la lista de componentes admisibles. Utiliza objetivos de eficiencia y/o parámetros S para comparar un conjunto con otro, teniendo en cuenta la gran variedad de fenómenos electromagnéticos que afectan al rendimiento de la red de adaptación. FW-MCO consta de dos pasos principales: la caracterización del sistema y la selección de componentes.
La fase de caracterización del sistema de FW-MCO utiliza una simulación electromagnética tridimensional de onda completa para analizar la disposición física de la red de adaptación y el entorno circundante. A diferencia de un solucionador de circuitos, FW-MCO no considera la red de adaptación como un conjunto de componentes concentrados conectados a nodos mediante líneas de transmisión definidas. En su lugar, FW-MCO trata cada componente concentrado como si estuviera conectado a un sistema compuesto por un entorno 3D que contiene trazas de PCB, elementos radiantes, carcasa de plástico, carga de antena, etc. La figura 5 muestra cómo los componentes del circuito se conectan directamente a la geometría física circundante a través de la malla FDTD. La caracterización del sistema tiene en cuenta las interacciones de campo dentro de la red de adaptación, entre la red de adaptación y la(s) antena(s) radiante(s) y en todo el dispositivo. Una vez caracterizado, el sistema se representa mediante una matriz de respuesta que define la interacción de cada componente con el sistema y, por consiguiente, entre sí. Dado que FW-MCO abstrae el sistema en una matriz de respuesta, tiene en cuenta implícitamente la disposición física de la red de adaptación. Por ejemplo, no es necesario especificar explícitamente la longitud de una línea de transmisión, ya que esa información está contenida en la matriz de respuesta.
Una vez caracterizado el sistema, es posible seleccionar cualquier conjunto de componentes y determinar la adaptación de antena asociada basándose en la matriz de respuesta, sin necesidad de volver a ejecutar una simulación de onda completa. Por lo tanto, el segundo paso de FW-MCO se convierte en un problema de optimización, en el que se determinan los valores óptimos de los componentes. El ingeniero de RF define los rangos de valores admisibles para los componentes y elige los objetivos deseados para lograr la máxima optimización. La lista de valores admisibles de los componentes representa el conjunto de componentes que pueden utilizarse en el diseño. A menudo, esto equivale a la lista de componentes disponibles de un proveedor de componentes. Un componente individual puede ser pasivo o activo; el requisito es que el componente esté representado en el dominio de la frecuencia. Esto proporciona la flexibilidad de completar la lista con inductores, condensadores y componentes sintonizables que se tratan como componentes ideales o realistas definidos por un archivo *.s2p. Los valores de los componentes pueden variar de forma continua o estar restringidos a un número finito de valores fijos dentro del rango deseado, lo que representa los valores reales disponibles del fabricante. Para definir los objetivos se puede utilizar la eficiencia de radiación, la eficiencia del sistema, los parámetros S o una combinación de estos. Además, el ingeniero de RF debe proporcionar el umbral asociado en un rango de frecuencias especificado. Por ejemplo, un objetivo podría ser encontrar un conjunto de valores de componentes que proporcione una eficiencia de radiación superior al 68 % en las bandas LTE deseadas.
Figura 5: Componentes concentrados simulados en una malla FDTD.
La optimización trata cada componente como una variable que puede adoptar un valor de la lista asociada de valores admisibles para dicho componente. Por ello, el algoritmo de optimización debe ser capaz de manejar múltiples variables e identificar el mínimo global entre la multitud de mínimos locales. Tanto la optimización por enjambre de partículas como los algoritmos genéticos son capaces de realizar esta distinción. Al finalizar la optimización, se dispondrá del conjunto óptimo de valores de los componentes. Si no se cumplen algunos objetivos, el ingeniero de RF deberá volver atrás en el flujo de trabajo y realizar un ajuste. Esto puede implicar cambiar la disposición física de la red de adaptación, o el cambio puede remontarse tan atrás en el proceso de diseño como modificar la estructura de la antena. Si se han cumplido todos los objetivos, estos componentes pueden considerarse los valores definitivos e incorporarse al prototipo para su validación y las pruebas del producto. Dado que la caracterización del sistema se completó con una simulación EM 3D de onda completa, cabe esperar una estrecha correspondencia entre la predicción de FW-MCO y los resultados medidos.
FW-MCO contra Circuit Solvers
Aunque tanto FW-MCO como los solucionadores de circuitos se utilizan para el diseño de redes de adaptación, se diferencian principalmente por los datos de los que disponen. En el caso de una antena de un solo puerto, al solucionador de circuitos se le proporcionan como entradas la impedancia de la fuente,S11 y la eficiencia de radiación.
Al analizar el esquema de una red de adaptación, los solucionadores de circuitos tienen limitaciones, ya que utilizan fórmulas empíricas para mantener las relaciones de tensión y corriente entre los componentes. No pueden tener en cuenta las interacciones de campo entre los componentes, entre estos y las antenas activas, ni entre los componentes y el resto del dispositivo. FW-MCO, por su parte, capta todas las interacciones de campo calculadas por la simulación electromagnética de onda completa y selecciona los valores de los componentes basándose en esa información. A modo de ejemplo, consideremos la topología de red de adaptación de ocho elementos de la figura 6a. Físicamente, puede disponerse como se muestra en la figura 6b o 6c. Mientras que un solucionador de circuitos solo devolverá un conjunto de valores iniciales de los componentes para esta topología, FW-MCO calculará diferentes matrices de respuesta para las dos disposiciones diferentes. Esto conduce a la selección de dos conjuntos de valores de componentes que se ajustan a las disposiciones físicas correspondientes.
Figura 6: Topología de un circuito de adaptación de ocho elementos (a) con dos disposiciones físicas (b y c).
FW-MCO no sustituye a los solucionadores de circuitos en el diseño de redes de adaptación. Ambas tecnologías son adecuadas para diferentes etapas del flujo de trabajo. Los solucionadores de circuitos identifican la topología adecuada y proporcionan los valores iniciales de los componentes en la fase intermedia del flujo de trabajo. Al final, FW-MCO analiza la disposición física y proporciona los valores finales de los componentes.
Aplicaciones
El diseño tradicional de redes de adaptación LC para una sola antena en espacio libre se utiliza ampliamente en el diseño de dispositivos y es fácilmente compatible con el enfoque FW-MCO descrito anteriormente. Sin embargo, las exigencias de los consumidores en cuanto a una conectividad fiable y altas velocidades de transmisión de datos están llevando a los ingenieros de RF más allá del diseño tradicional. Afortunadamente, la flexibilidad de FW-MCO permite diseñar múltiples configuraciones de carga de antenas y sistemas con múltiples antenas.
Muchos dispositivos funcionan con diferentes configuraciones de carga de antena. Tomemos como ejemplo cualquier dispositivo portátil, en el que la carga de la antena será diferente según se encuentre el dispositivo en espacio libre o se sostenga con la mano. Estas dos configuraciones dan lugar a impedancias de entrada diferentes, por lo que una red de adaptación que cumpla los requisitos para el funcionamiento en espacio libre puede no ser suficiente cuando se sostiene el dispositivo. Para diseños más sencillos y económicos, el ingeniero de RF puede utilizar una red de adaptación tradicional con valores LC que se adapten mejor a ambos casos. Una solución más avanzada consistiría en incorporar un componente sintonizable en la red de adaptación y un sensor de proximidad a nivel del dispositivo. En un simulador EM 3D, se incluiría un modelo de mano fantasma en el espacio de simulación para la configuración de mano. Esto dará lugar a interacciones de campo con los componentes diferentes a las de la configuración en espacio libre. Recuerde que la matriz de respuesta se utiliza para caracterizar todas las interacciones de campo que afectan a los componentes de la red de adaptación. Por lo tanto, se necesitan dos matrices de respuesta para capturar la información de campo de las dos configuraciones de carga, que servirán como entradas para una única optimización.
En el caso avanzado con componentes sintonizables, el sensor de proximidad se utilizaría para detectar si el dispositivo está funcionando en espacio libre o si se está utilizando mientras se sostiene en la mano. A continuación, el estado del componente sintonizable se modificaría en función de la configuración de carga, lo que alteraría la impedancia adaptada. FW-MCO utiliza una lógica similar para vincular la información de la configuración de carga de la matriz de respuesta con los estados del sintonizador al configurar la optimización. Los objetivos se definirían para generar una eficiencia de radiación superior al 93 % y al 75 % en las bandas LTE para las matrices de respuesta en espacio libre y en mano, respectivamente. Como resultado, la optimización devolvería dos valores de sintonizador, uno asociado a cada matriz de respuesta. Si hubiera componentes LC en la red de adaptación, la optimización también devolvería sus valores fijos, independientemente de la configuración de carga.
El diseño de antenas múltiples también supone un reto para los ingenieros de RF, ya que la energía de la antena activa puede perderse en la antena pasiva, en lugar de irradiarse. Este fenómeno se conoce como «suck out» y puede identificarse a través deS21 o de una eficiencia de radiación reducida. El uso de FW-MCO para seleccionar los valores óptimos de los componentes que reducen el «suck out» es sencillo. Las dos antenas y las redes de adaptación correspondientes se incluirían en el espacio de simulación EM 3D. Una única simulación de matriz de respuesta caracterizaría el sistema y determinaría las interacciones de campo que afectan a todos los componentes. Por último, se definirían objetivos que maximizaran simultáneamente la eficiencia de radiación cuando la antena 1 estuviera activa y minimizaran S21. Dependiendo de las decisiones de diseño del dispositivo, FW-MCO también podría utilizarse para identificar componentes sintonizables que crean una mala adaptación en la antena 2 cuando la antena 1 está transmitiendo, pero una buena adaptación cuando la antena 2 está transmitiendo.
Conclusión
Una nueva tecnología, la optimización de circuitos de adaptación de onda completa, cubre la última laguna existente en el diseño de redes de adaptación. A diferencia de los solucionadores de circuitos basados en esquemas, tiene en cuenta todas las interacciones del campo electromagnético con los componentes. Utilizando esta información, FW-MCO es capaz de analizar miles de combinaciones de componentes para determinar el conjunto óptimo que cumple los requisitos de diseño. A medida que aumenta la complejidad del diseño de redes de adaptación para dar respuesta a los últimos requisitos de comunicación, FW-MCO se convertirá en una necesidad, ya que el número de permutaciones será inmanejable sin técnicas de optimización.
Jeff Barney y Scott Langdon
Remcom Inc., State College, Pensilvania.
