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測試與測量  

利用EDA工具克服航太電子設計挑戰

上網時間: 2016年04月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EDA  遙測衛星  電磁模擬  PDK  航太電子設計 

作者:Anil Kumar Pandey,是德科技資深研發工程師

過去二十年來,航太產業受到各種新技術的驅動而持續轉變。航太與國防產業處於研發的最前線,並可透過尖端科技來保障國家安全。在航太產業中,理想的設計應該具備可靠性和靈活性,並且能夠承受各種極端的狀況,例如嚴苛的衝擊、振動以及寬廣的工作溫度範圍;最後,此種系統必須能因應未來的需求。開發這類系統必須考量許多因素;包括不同技術下的元件特性、環境效應、快速的設計週期以及系統總成本。

當電子電路變得更加複雜而且無所不在時,電子設計自動化(EDA)工具顯得更加至關重要,它可以讓這些電子設計持續發展。在設計航太應用中的電子電路和其他系統時,EDA提供了關鍵的技術,進而產生快速且可靠的設計解決方案。基於航太設計全新的挑戰,EDA能夠徹底改變電子工程師設計、模擬和製造電路的方式。若想要降低成本、節省時間、加快設計週期,就必須使用EDA工具,因為EDA可以自動執行各式各樣的設計工作,並且提供回饋,讓設計人員可以在進入成本高昂的製造階段之前修正設計問題。

本文探討使用最新EDA技術設計的典型遠端感測衛星系統,其中包含多技術傳送/接收(T/R)模組、複雜的大型相位陣列天線、多模追蹤系統以及背板上用來傳輸資料的高速互連介面。這些設計運用到一些EDA技術,例如可互通的製程設計套件(PDK)、多技術系統單晶片(SoC)設計、混合式電磁模擬技術、功能強大的GPU運算、電源完整性和訊號完整性(SI)分析。

遙測衛星:典型系統及其設計挑戰

衛星在遙測、導航和監視領域扮演極重要的角色。遙測衛星的目的是收集遠端感測資料,並將這些資料傳送到地面站。遙測影像為數位影像。為了要透過影像取得資訊,我們通常使用影像處理技術來增強影像,以便於查看資料。資料經處理後儲存於伺服器中,這些資料傳輸背板具有高速互連介面,如SATA和USB互連介面。SI分析(例如訊號品質)可確保資料傳輸不會發生錯誤。圖1顯示用於遙測衛星和地面站系統的衛星系統可能面臨的 4種電子設計挑戰。


圖1:遙測衛星系統

A. T/R模組:利用收發器系統傳送指令給衛星,並將資料傳回地面站。

B. 相位陣列天線:SAR系統通常使用相位陣列雷達搭配餘割平方波束,以取得所需的仰角範圍。

C. 多模追蹤耦合器:根據衛星的移動,多模耦合器使用較高階模式控制地面站的天線方向。

D. 高速互連 :利用SATA轉USB資料傳輸模組將資料儲存到伺服器上面。針對此模組進行特性分析,可將串擾 、反射以及配電網路雜訊降到最低,以免造成SI問題。

利用多技術PDK設計T/R模組

半導體技術邁向14nm後,電路設計變得空前複雜。新的航太電子產品一向十分複雜,必須藉由新一代的EDA工具,以滿足IC客製化對於低成本與高複雜度的需求。當前和新一代的晶片組可能會有好幾種不同類型、不同技術的元件嵌入單一晶片中。將許多元件整合到單一晶片中可以提供多樣化的功能。因此像這樣持續增加的整合工作,必須利用EDA工具的各種創新來設計晶片組,進而實現更優異的功能。

相位陣列天線波束成形系統會使用收發器系統。多技術功能是微波與射頻(RF)混合系統設計最新的技術,可將不同製造技術(例如RFIC、MMIC、LTCC和微帶)的多種晶片整合到同一塊RF電路板上。T/R模組的系統級方塊圖如圖2所示。T/R模組IC的設計使用了以下三種不同的技術:

MMIC技術:兩顆IC透過MMIC技術進行設計,單刀雙擲(SPDT)切換器和低雜訊放大器(LNA)的設計使用MMIC製程設計套件(PDK)

LTCC技術:低通濾波器設計採用5層的LTCC技術

QFN封裝和微帶技術:PA、LNA和SPDT切換器封裝使用標準QFN封裝技術


圖2:完整T/R SoC模組以多技術PDK為基礎

這些設計模組全部都整合於單一SoC。由於這樣的單一設計採用了多種技術,因此整個收發器系統的設計和模擬非常具有挑戰性。電磁求解器架構的先進設計系統(ADS)有限元素法(FEM)可用來分析整個模組。模組的峰值輸出增益可達到18.2dB,同時整體模組效率為21%。整個系統的效能可利用FEM模擬資料進行分析,而電路元件可使用ADS的電路協同模擬。此系統所使用的拓撲可以提升系統效能,並縮減晶片大小。主動式相位陣列使用收發器系統來顯示波束序列與相位值的變化,如圖3所示。


圖3:主動式相位陣列雷達系統中的T/R模組以及移相器、S參數資料模擬結果、天線波束偏斜與相位變化

SAR陣列天線設計

合成孔徑雷達(SAR)是一種可以產生高解析度地球影像的微波成像系統。模擬工具的功能和工具使用的方式對於設計週期和成本會有很大的影響。這項設計技術可大幅減少整體設計迭代時間。它有效利用三種不同的電磁求解器,以進行元件等級設計和整合式天線設計。

SAR天線採用8x8陣列堆疊的多層微帶,中心頻率為5.2GHz。此種天線運作在很高的峰值功率(6KW)以及PRF 1.2%,同時使用1:8方形同軸饋線網路來因應天線的高功率要求。這是一種複雜的設計,使用單一電磁求解器很難模擬整個系統。如圖4所示,使用混合式電磁模擬技術來模擬此種陣列天線,可將設計週期縮短50%。輻射陣列本質上為平面,因此使用3D平面Momentum電磁求解器來實現,而天線的高功率方形同軸線(SCL)饋入網路則透過FEM電磁求解器進行設計。此專案對模擬來說實在非常大,但是運用迭代求解器和網格細分技術後,模擬時間縮短了40%。在分別對輻射元件和饋入網路最佳化之後,接著利用時域有限差分法(FDTD)求解器模擬整個整合式天線系統。相較於FEM求解器,FDTD模擬技術可以處理更大型的設計。


圖4:混合式設計方法和電磁計算技術

完整天線系統和模擬結果如圖5所示。


圖5:完整天線陣列和模擬出來的天線回返損耗

(下一頁繼續:多模饋線網路)


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