利用EDA工具克服航太電子設計挑戰

誓

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。






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





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



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。



完整天線系統和模擬結果如圖所示。




多模饋線網路

地面站Ka頻段天線使用單脈衝追蹤饋入器，其饋入鏈採用獨特的多模擷取器設計。擷取圓形波導的前5個高階模態是一種新的概念，如圖6所示。多模擷取器會耦合圓形波導前5個傳播模態TE11、TE110 (TE11正交模式)、TM01、TE21和TE21O (TE21正交模式)，包括高頻單脈衝追蹤系統使用的三種追蹤訊號(即總和訊號、仰角訊號、方位角訊號)，以及發射和接收訊號用的兩個Ka頻段通訊通道。此種設計是根據圓形波導中激發的較高階模態TM01、TE21和TE21O的振幅和相位特性。TE21和TE21O模態由圓形波導擷取，TE10模態由矩形波導擷取(圓形波導研磨出的兩條縱向狹縫)。TE11模態是利用兩條耦合狹縫和一個H平面功率合成器耦合出來。此外還使用十字轉門接面來擷取TM01和TE11O模態。此多模追蹤系統專為地面站天線設計，可用來追蹤軌道衛星。



由於這是一種複雜設計，整個設計是使用GPU卡，並透過FDTD技術來模擬。有限差分法是被廣泛使用的高度平行演算法，用來解微分方程式。為了提升此方法的運算速度，並透過複雜的數值模型實現大型運算，因此採用統一運算架構(CUDA)的多GPU環境。使用四顆GPU的運算速度比使用一顆CPU快了約20倍。

在29.3附近的0.25%頻段，我們發現此硬體模擬出來的回返損耗和插入損耗特性優於-20dB和0.4dB的插入損耗，如圖所示。





高速互連介面：SI的挑戰

背板使用的是SATA和USB 3.0連接器將衛星遙測資料傳輸到伺服器。我們運用3D電磁模擬以及暫態電路求解器，對此種高速互連介面以及RF電路板差動佈線執行SI分析。

高速數位(HSD)設計(例如多個電源和接地層、不同I/O晶片和高速連接器)面臨提升 IC運作速度和密度的需求。假如分別模擬電路板和連接器的話，這些技術通常會產生阻抗不連續，進而導致SI和電磁干擾效應，這是其中的一大挑戰。高速和高密度互連介面，以及高速電路板佈線的全波3D電磁數值分析被視為相當大的挑戰。此電磁模擬法可為這樣的3D元件模擬提供一種全新的程序，例如連接器使用FEM求解器，而電路板設計使用力矩法(MoM)電磁求解器。針對SATA轉USB模組，必須分析其資料訊號的反射、串擾、電源層雜訊耦合問題，因為這些問題可能造成訊號傳輸錯誤。設計程序如下圖所示，此種獨特的方法可大幅縮減設計所需的時間 。





然後必須執行佈線後SI分析(包括連接器和RF電路板)，以便瞭解系統級設計的波形品質、串擾和時序。在這個專案中，我們使用整合式RF電路板及高速SATA和USB連接器來進行通道模擬，而非單獨使用連接器和RF電路板的S參數來進行SI分析。整合式系統的SI分析可提供準確的結果，並可避開容易出錯和耗時的量測，如圖所示。




在ADS中，如圖10所示的通道模擬器可用來檢查整個通道的眼圖開度。通道模擬器可協助高速數位設計人員進行編碼、等化和串擾模擬。眼圖探棒可準確分析眼圖特性，包括BER輪廓、遮罩相符性、密度、寬度和高度等。通道插入損耗主要取決於系統阻抗特性、使用的材料以及阻抗不匹配，而產生串擾的來源則是訊號路徑間的電容或電感特性。






利用最新的EDA技術，可實現典型的遙測衛星系統。透過電路和電磁模擬技術，可以進行系統T/R模組、相位陣列天線、多模追蹤系統以及高速互連介面等不同區塊的設計。本文介紹的最新EDA技術有助於設計可靠的航太系統，這些技術包括可互通的PDK、多技術SoC設計、電磁模擬技術、強大的GPU運算和SI分析。