כלי תכנון מתקדמים לפיתוח פתרונות IoT בטכנולוגיית 5G

במהלך חמש השנים הבאות יתמודדו מהנדסי תכנון של 5G ו IoT (Internet of Things) עם מגמות מוכרות: הגדלת גודל התכנון, אינטגרציה ומורכבות תכנון גבוהות יותר, מעבר מתכנוני IC יחיד למודולים עם מספר שבבים, אינטגרציה של מספר טכנולוגיות (למשל GaAs, GaN, SiGe/Si/SOI ו-CMOS) ומפרטי תקנים מאתגרים יותר. צוותי תכנון קטנים עם תקציבים מוגבלים ימשיכו להוות מגמה עיקרית, וכל זה יגביר יוזמות לשיפור היעילות באמצעות תכנון יעיל יותר.

אף שלמגמות אלה ישנם מספר יתרונות חשובים, הן גם מאלצות מהנדסי תכנון של 5G ו-IoT להתמודד עם אתגרים חדשים, שרבים מהם הינם הרחבה של אתגרים שהתעשיה התמודדה עימם במשך העשור האחרון. עיקר האתגרים כוללים מקסום נצילות חשמלית, טיפול בהשפעות אלקטרו-תרמיות והתמודדות עם בעיות הולכות וגוברות בהדמיית מעגלים שנובעות מתכנונים מורכבים יותר, ובו-זמנית טיפול בצימוד האלקטרומגנטי (electromagnetic coupling) שנובע מתכנונים קומפקטיים יותר. אתגרים אחרים כוללים אינטגרציה, הערכה ובחירה של שילוב הטכנולוגיות “הנכון” ואימות הביצועים בהתאם למפרטי תקנים בתעשייה בספקטרום רחב של תדרים.

כדי להישאר בחזית מגמות אלה וכדי להתגבר על אתגרים אלה, מהנדסי התכנון כיום דורשים פתרונות תכנון גמישים וחזקים שיכולים לשמור על הקצב של מגמות ותקנים חדשים. וכאן נכנס לתמונה ה EDA (Electronic Design Automation), כלי התכנון האלקטרוני של Keysight. כספקית המובילה של תוכנות אוטומציה לתכנון אלקטרוני בתכנון מוצרי תקשורת, תוכנת EDA מספקת כלים המשמשים כיום יותר משני-שלישים ממהנדסי תכנון RF וגלי מיקרו בעולם כולו. התוכנה מתמקדת באופן ספציפי בפתירת אתגרי תכנון של מערכות תקשורת, במיוחד בתכנון IC ו-PCB וסימולציה של יישומים כולל רשתות אלחוטיות מסוג 5G ו-802.11xx, וכן Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee ו-Wi-SUN ל-IoT.

ההוכחה לכך: לקוחות Keysight המבססים את תכנוניהם על תוכנת ה EDA מובילים את התעשיה בפיתוח פתרונות ל 5G ו IoT. כדוגמא ניתן לציין את Renesas Electronics ו Plextek RF integration.

Renesas Electronics – פתרון אלחוטי חכם של BLE ליישומי IoT

יישומי IoT רבים דורשים מכשירים קטנים המופעלים בסוללה כדי לפעול במשך פרקי זמן ארוכים – במשך חודשים או אף שנים, על סוללת כפתור יחידה. כתוצאה מכך, צריכת חשמל ממוזערת היא מגבלת תכנון עיקרית ביישומי IoT.

Renesas הכריזה לאחרונה על טכנולוגיה חדשה ועל קבוצה של מיקרו-בקרים (microcontrollers) שמשלבת מקלט-משדר RF של BLE עם יכולת לפעול במשך שנתיים או יותר באמצעות סוללת כפתור CR2032. העיצוב מנצל מתג Tx/Rx משולב, ממיר DC/DC ושימוש חוזר מתאים ברשת/מסנן כדי להקטין את השבב ואת צריכת החשמל. ממירי DC/DC עם יעילות גבוהה דורשים בדרך כלל קצבי מיתוג וספירלות סיליקון קומפקטיות (compact silicon spirals), שמפיקים רכיבי תדר RF והשפעות אלקטרומגנטיות בלתי רצויות.

היסיאסו סאטו, מנהל צוות התכנון של Renesas ומומחה מוסמך של Keysight, תכנן בהצלחה את המקלט-משדר באיטרציית תכנון יחידה באמצעות תוכנת הסימולציה GoldenGate Silicon RFIC and Momentum של Keysight. המשדר-מקלט, שמתגאה בניקוז זרם הנמוך ביותר בתעשייה, יתפקד כטכנולוגיית ליבה לתקשורת אלחוטית למרחק קצר במכשירים לבישים ויישומי IoT אחרים. חדשנות זו מאפשרת ל-Renesas להאיץ את השימוש במכשירים מוטבעים ביישומי IoT והובילה לאחרונה להשקתם של המיני-בקרים החדשים RL78/G1D (תמונה 1).

Plextek RF integration: מגבר כוח IC28GHz, 4 ערוצים, פאזה מתכוונת ליישומי5G

5G אלחוטי צפוי להעניק למשתמשים את התפישה של קיבולת כמעט אינסופית ל”הכל, בכל מקום ותמיד מחובר”. כדי להגשים חזון זה, מכשירים ידרשו קצבי נתונים מהירים בהרבה ופעולות בתדרי גלים מילימטרים (mmWave) עם רוחב פס מספק. עם זאת, התפשטות האות ב-mmWave היא מאתגרת יותר לעומת תדרים אלחוטיים ניידים רגילים.

כדי להתמודד עם אתגר זה, סטיוארט גליון וליאם דווליון, מנכ”לי “Plextek RF Integration” ומומחים מוסמכים של Keysight, השתמשו בתוכנת ADS (Advanced Design System) של Keysight כדי לפתח תכנון PA IC חדשני עם 4 ערוצים, 28GHz , 5G עם פאזה מתכווננת לשימוש בקצה קדמי של רדיו ב-5G (תמונה 2). הוא תוכנן באמצעות תהליך 0.15-µm GaAs pHEMT הזמין באופן מסחרי ומיועד להיות מותקן במארז SMT בעלות נמוכה לייצור בנפח גדול. ב-IC ניתן להשתמש גם במכשירים ניידים או בתחנות בסיס שפועלים ב- 5G.

מה שהופך את ה IC של Plextek RF Integration לייחודי, הוא שלכל אחד מהערוצים שלו יש PA מחליף פאזות סיפרתי אינטגרלי בין 4 סיביות, שמספק אמצעי קומפקטי להיגוי קרן (beam steering) (תמונה 3). רכיבים חדשניים כמו זה הם קריטיים להפעלת התכנון של חומרה שתתאים לתדרי mmWave עם רוחב פס מספק.

סיכום

ככל שמערכות 5G לתקשורת אלחוטית ו-IoT ממשיכות להתפתח, כלי EDA יהיו חיוניים לקידום המערכות האקלימיות שלהם והפיכת ההבטחה של תעשיות אלה למציאות. Renesas ו-Plextek RF Integration הן רק שתי דוגמאות לחברות מובילות שהשתמשו בהצלחה בפתרונות EDA של Keysight לפיתוח 5G ו-IoT. בנוסף לתמיכה בלקוחותיה , Keysightעובדת באופן הדוק עם ועדות תקינה, חברות שותפים ומוסדות השכלה. מהנדסי המחקר והפיתוח של Keysight החברים בוועדות התקינה השונות מהווים חלק חשוב בצוותי הפיתוח של כלי התכנון, האוטומציה, הבדיקה והמדידה השונים ובכך מסייעים לקדם את טכנולוגיית ה 5G ותקנים מתקדמים אחרים, כמו גם IoT. המובילות הטכנולוגית בכלי התכנון והמדידה מאפשרת ללקוחות Keysight לפתור גם את אתגרי התכנון הקשים ביותר שלהם, היום ובעתיד.