Designverständnis von Antennensystemen (HF-Simulation, Teil 3)

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Abbildung nichtlinearer Bauteileigenschaften

Bei der oben beschriebenen Schaltungsanalyse handelt es sich um eine lineare Netzwerkanalyse im Frequenzbereich. Folglich wird von einem linearen Verhalten der einzelnen Komponenten des Systems ausgegangen, was bei diesen passiven Strukturen der Fall ist.

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Die Systemsimulation lässt sich aber auch verwenden, um nicht-lineare Bauteileigenschaften wie zum Beispiel die von Transistoren, Dioden oder komplexeren Baugruppen wie Mixern oder Verstärkern effizient abzubilden. Dafür stehen je nach vorliegendem Anwendungsfall und aktueller Fragestellung verschiedene Analysetypen im ANSYS Electronics Desktop bereit:

1. Transiente Analysen zur Abbildung nicht-periodischer Signale oder von Signalen mit sehr scharfen Schaltflanken, also mit einem sehr großen Frequenzgehalt.

2. DC-Analysen zum Bestimmen von Arbeitspunkten aktiver Bauteile.

3. Nicht-lineare Frequenzbereichsanalysen zur Berechnung des Oberwellengehalts periodischer Signale.

4. Modulationsanalysen zur Untersuchung der Einhüllenden von nicht-periodischen Signalen auf hochfrequenten Trägerwellen.

5. Augendiagrammanalysen zur Analyse der digitalen Signalqualität.

Beim Design eines rauscharmen Verstärkers (LNA – Low Noise Amplifier) ist das Zusammenspiel des verstärkenden Transistors mit den Anpassungsnetzwerken des Ein- und Ausgangs von besonderem Interesse. Da ein LNA möglichst linear operieren soll, interessiert bei seiner Auslegung speziell auch die Abweichung von der Linearität. Deshalb muss in einer Simulation besonders das nicht-lineare Verhalten des Transistors abgebildet werden.

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Entscheidungen können früher fallen

Durch Simulationsmethoden lassen sich wichtige Entscheidungen bereits in einer sehr frühen Phase der Antennenentwicklung fällen. Die Simula-tion trägt zum tiefen Verständnis des Verhaltens des Antennendesigns bei, da sich nicht nur Einzelkomponenten berechnen lassen, sondern auch die Untersuchung von Gesamtsystemen möglich wird.

Emissionspektrum bestimmen

So lassen sich zum Beispiel ungewollte Antennen entdecken. Dazu zählen etwa Leiterbahnen und Kabel, die Teil des Gesamtsystems sind. Durch Feld- und Systemsimulationen ist es möglich, diese ungewollten Antennen aufzuspüren und zu ermitteln, wie stark sie im Betrieb angeregt werden. So lässt sich das Emissionsspektrum bestimmen.

Zahl der diskreten Bauelemente verringern

Die Impedanzen der Anpassungsnetzwerke werden oft durch spezielle Leiterbahnführungen erreicht. Auf diese Weise wird die Anzahl der diskreten Bauelemente reduziert und auch Induktivitäten, die nicht dem Standard entsprechen, sind sehr einfach realisierbar. Der gesamte LNA ist daher in einer Systemsimulation (siehe Bild 2) abzubilden, in die sowohl die Impedanzen des Layouts aus einer Feldsimulation als auch ein gutes nicht-lineares Verhaltensmodell des Transistors eingebunden werden.

Die Untersuchung des LNA erfolgt mit mehreren Analysen:

1. Der Arbeitspunkt des Transistors wird in einer DC-Analyse bestimmt.

2. Der Frequenzgang des Kleinsignalverhaltens lässt sich in einer linearen Netzwerkanalyse ermitteln. Hierbei geben die S-Parameter Auskunft über die Verstärkung und die Reflexionsdämpfung an beiden Eingängen sowie über die Bandbreite des Verstärkers. In dieser Analyse wird der Arbeitspunkt verwendet, der in der DC-Analyse bestimmt wurde.

3. Das nicht-lineare Verhalten des LNA kann in einer ‚Harmonic Balance‘-Analyse untersucht werden. Beispielsweise wird es bei einer gegebenen Eingangsleistung und Frequenz durch die angeregten höheren harmonischen Anteile im Ausgangssignal charakterisiert bzw. durch die Kennlinie, der Ausgangsleistung gegen die Eingangsleistung bei der Grundfrequenz.

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