La tecnologia dei parametri X si è sviluppata rapidamente da quando fu presentata come tecnica pioneristica da Agilent applicata nel suo analizzatore di reti vettoriale non lineare PNA-X (NVNA) nel 2008 con la possibilità di integrarne i risultati all'interno del suo sistema di progettazione e simulazione Advanced Design System (ADS).

La definizione dei parametri X ha dato origine a un insieme completo di strumenti commerciali hardware e software basati sui  che stanno già ridefinendo le modalità di lavoro dei tecnici impegnati nella caratterizzazione, modellazione e progetto di componenti e sistemi non lineari, in particolare nel campo degli amplificatori di potenza a radiofrequenza a microonde.

In pratica, i parametri X permettono di progettare predicendo il comportamento delle non linearità del sistema e utilizzando blocchi costituitivi importanti fondamentalmente non lineari.

Dal punto di vista matematico, definiscono delle relazioni tra le onde incidenti e riflesse in ingresso e uscita dei dispositivi a due o più porte, secondo una modellazione chiamata distorsione poliarmonica (Polyarmonic Distorsion Modeling), la quale, a differenza dei classici parametri S applicabili ai soli sistemi lineari, tiene conto dei fenomeni di distorsione dovuti alla non linearità.

I parametri X risolvono, ora, in maniera più completa e con più vantaggi, importanti problemi che l’industria deve affrontare, in una frazione del tempo che occorrerebbe per realizzare soluzioni diverse molto più limitate e non standard.

Ecco perché molte tra le più importanti aziende si stanno attrezzando per integrare i parametri X nelle loro normali metodologie di caratterizzazione, modellazione e flussi di progettazione.

Un esempio di come i fornitori di componenti si stanno muovendo è la stessa Agilent Tecnologies, che offre selettivamente sul mercato esterno dei circuiti integrati MMIC in GaAs e InP accompagnandoli con modelli a parametri X. Infatti, sia l’amplificatore HBT (codice prodotto Agilent HMMC 5200) e il mixer integrato in InP da 50 GHz (codice prodotto Agilent 1GC1-8068) saranno tra i primi circuiti integrati ad essere disponibili con i modelli a parametri X.

Progettazione con parametri X

I parametri X di un componente permettono agli integratori di sistemi di adottare tale componente nel suo progetto e di confrontare quanto bene (o quanto male) esso si comporta inserito nel sistema.

Quando vengono usati in un software di progettazione simulazione come ADS, i parametri X funzionano con una “scheda tecnica (data sheet) non lineare elettronica” che offre decisamente più informazioni sul componente necessarie in applicazioni con grandi segnali rispetto a quelle disponibili nelle classiche pile di carte o fogli Excel ricavate da misure convenzionali e di difficile applicabilità.

L’utilizzo dei parametri X in simulatori come ADS elimina la lunga e costosa realizzazione dei prototipi di un componente reale su basette sperimentali (bread-board).

La scheda tecnica elettronica costituita dal file dei parametri X è anche un potenziale vantaggio competitivo per il fornitore di amplificatori o di altri componenti non lineari, che può offrire ai suoi clienti un “campione virtuale a parametri X” dei componenti stessi semplicemente facendolo scaricare dal suo sito web.

Infatti, i parametri X proteggono completamente la proprietà intellettuale di un componente, ma costituiscono una rappresentazione fedele delle prestazioni non lineare reali (se misurate) o del modello dal quale è stata generata (se generati dalla simulazione).

I parametri X consentono di predire le figure di merito non lineare di blocchi funzionali non lineari in cascata che interagiscono tra loro.

Prendiamo in esame come caso specifico il rapporto di potenza nel canale adiacente o ACPR (Adjacent Channel Power Ratio). Il parametro ACPR è un fattore di merito scalare.

Non è generalmente possibile predire l’ACPR di un’intera catena di componenti non lineari solo dalla conoscenza dell’ACPR della parti che la costituiscono.

I parametri X contengono le proprietà vettoriali (modulo e fase) di distorsione delle quali è possibile effettuare predizioni, utilizzando simulatori come ADS, su come i componenti interagiscono o su come la distorsione di propaga lungo la catena di componenti non lineari.

Con i parametri X è possibile predire, usando il simulatore ADS, non solo l’ACPR del componente, ma anche come l’ACPR varia in funzione degli effetti del disadattamento ai quali si va incontro inserendo il componente in un circuito o sistema.

Infatti, i parametri X permettono di mettere in cascata i componenti non lineari, così come si fa con i parametri S con i componenti lineari.

Quindi, i parametri di merito non lineari complessivi possono essere calcolati con grande accuratezza nella fase progettuale a partire dalla sola conoscenza dei parametri X dei componenti non lineari che lo compongono. Si tratta di un vero e proprio cambio delle carte in tavola nella progettazione di circuiti non lineari.

Simulazione con parametri X

Il flusso di progettazione a parametri X basato sulla simulazione eseguita con un simulatore commerciale come la release ADS 2009Update1 di Agilent Technology offre un ventaglio di vantaggi supplementari per soddisfare le esigenze di progettazione e simulazioni a lungo manifestate ma precedentemente non risolvibili.

I circuiti e i sistemi a radiofrequenza possono essere estremamente complicati, contenenti centinaia o persino migliaia di componenti non lineari. Simulare un intero circuito a livello di descrizione di transistor può essere impossibile, data la complessità di gestire migliaia di equazioni non lineari.

Anche se l’intero circuito può essere simulato, la simulazione può essere così lenta da precludere praticamente la possibilità per il progettista di ottimizzarne effettivamente le prestazioni.

Ora, con un simulatore come ADS è possibile applicare i parametri X ad un progetto gerarchico direttamente all’interno del simulatore.

Una nuova funzione “generazione dei parametri X” è stata integrata nel simulatore ADS, il che permette all’utilizzatore di convertire i suoi complicati modelli di componenti dallo schema direttamente in parametri X.

Ciò permette di catturare le caratteristiche prestazionali di un progetto confidenziale, che può essere inviato ai potenziali clienti proteggendo la proprietà intellettuale e garantendo la fedeltà delle funzionalità.

La nuova capacità di ADS è sufficientemente generale per generare modelli basati sulla simulazione multitono e multi porta (mixer e convertitori).

I parametri X sono intrinsecamente più veloci da gestire per il simulatore, poiché descrivono il comportamento dei componenti in un linguaggio matematico nativo per gli algoritmi di simulazione utilizzati per risolvere i problemi non lineari in modo efficiente mediante l’analisi del bilancio armonico e dell’inviluppo del circuito.

In alcuni casi, le è stato ottenuta una velocizzazione di un fattore 100 rimpiazzando i complessi i modelli dei transistor “compatti” con i parametri X.

I parametri X sono una rappresentazione comportamentale ad alta fedeltà che possono efficacemente sostituire tutti i modelli comportamentali puntuali precedentemente offerti nel simulatore ADS offrendo molti vantaggi supplementari.

La riduzione della complessità mantenendo l’accuratezza permette di simulare componenti più grandi o di simulare l’intero progetto, anziché eseguire la simulazione solo su un sottoinsieme di blocchi funzionali e sperare che la loro mutua interazione possa essere ignorata.

Prima ancora di fabbricare un dispositivo come un analizzatore di potenza, è possibile cominciare a progettare i sistemi partendo dai modelli a livello circuitale dei componenti, poi convertirli in parametri X e progettarli in modo efficiente al livello successivo di astrazione.

Alla fine, quando tutti i componenti vengono realmente prodotti, è possibile semplicemente sostituire i parametri X misurati con un analizzatore vettoriale di reti non lineare al posto dei parametri X virtuali per offrire una verifica dettagliata del progetto bottom-up basata sulle misure.

Progettazione gerarchica di sistemi non lineari

I parametri X permettono di adottare un flusso di progettazione non lineare gerarchico per cui non vi è un equivalente generico.

E’ pressoché analogo alla pratica comune legata all’utilizzo dei parametri S nella progettazione di sistemi lineari a partire da componenti lineari.

Per esempio, i parametri X di un singolo stadio di amplificazione possono essere combinati tra loro per ottenere una singola rappresentazione della struttura in cascata.

Questa rappresentazione può essere a sua volta combinata con i parametri X di un mixer o di un convertitore e l’intera sezione front end di un sistema RF non lineare può essere gerarchicamente estratta e riutilizzata.

Gli analizzatori di reti vettoriali non lineari sono disponibili ora in versioni da 13,5 GHz, 26 GHz, 43,5 GHz e 50 GHz.

I parametri X sono quindi misurabili su un’estensione di frequenza che copre le principali applicazioni a radiofrequenza e microonde ed è attualmente possibile misurare i parametri X su dispositivi di potenza fino a 250 W.

Ciò permette di sfruttare i vantaggi offerti dai parametri X in segmenti di mercato che comprendono gli amplificatori per stazioni base e i transistor ad alta potenza.

Modellazione di transistor basata sui parametri X

I parametri X offrono un approccio complementare al processo di modellazione dei transistor, confrontato con i tradizionali modelli basati sui parametri fisici o sui modelli empirici “compatti”.

I classici modelli compatti, come il modello MOSFET Berkeley BSIM 4  e il modello per il transistor bipolare etero giunzione composto Agilent HBT sono modelli molti completi con valanghe di equazioni non lineari.

Ciascuno di essi ha oltre 100 parametri che devono essere estratti per associare il modello a una determinate tecnologia di processo.

I modelli accurati allo stato dell’arte richiedono anni per essere sviluppati e possono richiedere giorni o settimane per essere estratti in modo corretto.

C’è una necessità urgente di modelli non lineari veloci, accurate e facilmente estraibili da misure sui dispositivi per i quali non esiste un buon modello compatto.

Ciò è ancor più vero in aree tecnologicamente nuove, come i componenti in GaN.

Fortunatamente, esiste una procedura più semplice e veloce basata sui parametri X che offre un’alternativa interessante.

Si misurano semplicemente i parametri X di un componente con l’analizzatore di reti vettoriale non lineare e si ricopia il file dei risultati contenente i paramatri X in un simulatore come ADS per essere subito pronti a progettare circuiti non lineari.