Advanced RF and Microwave Design Optimization: A Journey and a Vision of Future Trends

In this paper, we outline the historical evolution of RF and microwave design optimization and envisage imminent and future challenges that will be addressed by the next generation of optimization developments. Our journey starts in the 1960s, with the emergence of formal numerical optimization algorithms for circuit design. In our fast historical analysis, we emphasize the last two decades of documented microwave design optimization problems and solutions. From that retrospective, we identify a number of prominent scientific and engineering challenges: 1) the reliable and computationally efficient optimization of highly accurate system-level complex models subject to statistical uncertainty and varying operating or environmental conditions; 2) the computationally-efficient EM-driven multi-objective design optimization in high-dimensional design spaces including categorical, conditional, or combinatorial variables; and 3) the manufacturability assessment, statistical design, and yield optimization of high-frequency structures based on high-fidelity multi-physical representations. To address these major challenges, we venture into the development of sophisticated optimization approaches, exploiting confined and dimensionally reduced surrogate vehicles, automated feature-engineering-based optimization, and formal cognition-driven space mapping approaches, assisted by Bayesian and machine learning techniques.ITESO, A.C

An Early History of Optimization Technology for Automated Design of Microwave Circuits

This paper outlines the early history of optimization technology for the design of microwave circuits—a personal journey filled with aspirations, academic contributions, and commercial innovations. Microwave engineers have evolved from being consumers of mathematical optimization algorithms to originators of exciting concepts and technologies that have spread far beyond the boundaries of microwaves. From the early days of simple direct search algorithms based on heuristic methods through gradient-based electromagnetic optimization to space mapping technology we arrive at today’s surrogate methodologies. Our path finally connects to today’s multi-physics, system-level, and measurement-based optimization challenges exploiting confined and feature-based surrogates, cognition-driven space mapping, Bayesian approaches, and more. Our story recognizes visionaries such as William J. Getsinger of the 1960s and Robert Pucel of the 1980s, and highlights a seminal decades-long collaboration with mathematician Kaj Madsen. We address not only academic contributions that provide proof of concept, but also indicate early formative milestones in the development of commercially competitive software specifically featuring optimization technology.ITESO, A.C

Design specification management with automated decision-making for reliable optimization of miniaturized microwave components

Funding Information: The authors would like to thank Dassault Systemes, France, for making CST Microwave Studio available. This work is partially supported by the Icelandic Centre for Research (RANNIS) Grant 217771 and National Science Centre of Poland Grant 2020/37/B/ST7/01448. Publisher Copyright: © 2022, The Author(s). © 2022. The Author(s).The employment of numerical optimization techniques for parameter tuning of microwave components has nowadays become a commonplace. In pursuit of reliability, it is most often carried out at the level of full-wave electromagnetic (EM) simulation models, incurring considerable computational expenses. In the case of miniaturized microstrip circuits, densely arranged layouts with strong cross-coupling effects make EM-driven tuning imperative to achieve the optimum performance. The process is even more challenging due to a typically large number of geometry parameters, and the lack of reasonable initial designs. The latter often encourages the use of global search procedures, which may be prohibitively expensive. In this paper, a novel automated framework for reliable optimization of miniaturized microwave components is proposed. Our methodology is based on design specification management, where the performance requirements imposed on the system are temporarily relaxed if the current design is unlikely to be improved (e.g., due to being away from the target operating frequency). The specifications are re-adjusted at each iteration of the algorithm, and eventually converge to their original values. Using two examples of compact microstrip couplers and a power divider, the presented technique is demonstrated to significantly improve the efficacy of local search routines under challenging design scenarios.Peer reviewe

EM-driven miniaturization of high-frequency structures through constrained optimization

The trends afoot for miniaturization of high-frequency electronic devices require integration of active and passive high-frequency circuit elements within a single system. This high level of accomplishment not only calls for a cutting-edge integration technology but also necessitates accommodation of the corresponding circuit components within a restricted space in applications such as implantable devices, internet of things (IoT), or 5G communication systems. At the same time, size reduction does not remain the only demand. The performance requirements of the abovementioned systems form a conjugate demand to that of the size reduction, yet with a contrasting nature. A compromise can be achieved through constrained numerical optimization, in which two kinds of constrains may exist: equality and inequality ones. Still, the high cost of electromagnetic-based (EM-based) constraint evaluations remains an obstruction. This issue can be partly mitigated by implicit constraint handling using the penalty function approach. Nevertheless, securing its performance requires expensive guess-work-based identification of the optimum setup of the penalty coefficients. An additional challenge lies in allocating the design within or in the vicinity of a thin feasible region corresponding to equality constraints. Furthermore, multimodal nature of constrained miniaturization problems leads to initial design dependency of the optimization results. Regardless of the constraint type and the corresponding treatment techniques, the computational expenses of the optimization-based size reduction persist as a main challenge. This thesis attempts to address the abovementioned issues specifically pertaining to optimization-driven miniaturization of high frequency structures by developing relevant algorithms in a proper sequence. The first proposed approach with automated adjustment of the penalty functions is based on the concept of sufficient constraint violation improvement, thereby eliminating the costly initial trial-and-error stage for the identification of the optimum setup of the penalty factors. Another introduced approach, i.e., correction-based treatment of the equality constraints alleviates the difficulty of allocating the design within a thin feasible region where designs satisfying the equality constraints reside. The next developed technique allows for global size reduction of high-frequency components. This approach not only eliminates the aforementioned multimodality issues, but also accelerates the overall global optimization process by constructing a dimensionality-reduced surrogate model over a pre-identified feasible region as compared to the complete parameter search space. Further to the latter, an optimization framework employing multi-resolution EM-model management has been proposed to address the high cost issue. The said technique provides nearly 50 percent average acceleration of the optimization-based miniaturization process. The proposed technique pivots upon a newly-defined concept of model-fidelity control based on a combination of algorithmic metrics, namely convergence status and constraint violation level. Numerical validation of the abovementioned algorithms has also been provided using an extensive set of high-frequency benchmark structures. To the best of the author´s knowledge, the presented study is the first investigation of this kind in the literature and can be considered a contribution to the state of the art of automated high-frequency design and miniaturization

SCEE 2008 book of abstracts : the 7th International Conference on Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE 2008), September 28 – October 3, 2008, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland

This report contains abstracts of presentations given at the SCEE 2008 conference.reviewe

Una aproximación multinivel para el diseño sistemático de circuitos integrados de radiofrecuencia.

Tesis reducida por acuerdo de confidencialidad.En un mercado bien establecido como el de las telecomunicaciones, donde se está evolucionando hacia el 5G, se estima que hoy en día haya más de 2 Mil Millones de usuarios de Smartphones. Solo de por sí, este número es asombroso. Pero nada se compara a lo que va a pasar en un futuro muy próximo. El próximo boom tecnológico está directamente conectado con el mercado emergente del internet of things (IoT). Se estima que, en 2020, habrá 20 Mil Millones de dispositivos físicos conectados y comunicando entre sí, lo que equivale a 4 dispositivos físicos por cada persona del planeta. Debido a este boom tecnológico, van a surgir nuevas e interesantes oportunidades de inversión e investigación. De hecho, se estima que en 2020 se van a invertir cerca de 3 Mil Millones de dólares solo en este mercado, un 50% más que en 2017. Todos estos dispositivos IoT tienen que comunicarse inalámbricamente entre sí, algo en lo que los circuitos de radiofrecuencia (RF) son imprescindibles. El problema es que el diseño de circuitos RF en tecnologías nanométricas se está haciendo extraordinariamente difícil debido a su creciente complejidad. Este hecho, combinado con los críticos compromisos entre las prestaciones de estos circuitos, tales como el consumo de energía, el área de chip, la fiabilidad de los chips, etc., provocan una reducción en la productividad en su diseño, algo que supone un problema debido a las estrictas restricciones time-to-market de las empresas. Es posible concluir, por tanto, que uno de los ámbitos en los que es tremendamente importante centrarse hoy en día, es el desarrollo de nuevas metodologías de diseño de circuitos RF que permitan al diseñador obtener circuitos que cumplan con especificaciones muy exigentes en un tiempo razonable. Debido a las complejas relaciones entre prestaciones de los circuitos RF (por ejemplo, ruido de fase frente a consumo de potencia en un oscilador controlado por tensión), es fácil comprender que el diseño de circuitos RF es una tarea extremadamente complicada y debe ser soportada por herramientas de diseño asistido por ordenador (EDA). En un escenario ideal, los diseñadores tendrían una herramienta EDA que podría generar automáticamente un circuito integrado (IC), algo definido en la literatura como un compilador de silicio. Con esta herramienta ideal, el usuario sólo estipularía las especificaciones deseadas para su sistema y la herramienta generaría automáticamente el diseño del IC listo para fabricar (lo que se denomina diseño físico o layout). Sin embargo, para sistemas complejos tales como circuitos RF, dicha herramienta no existe. La tesis que se presenta, se centra exactamente en el desarrollo de nuevas metodologías de diseño capaces de mejorar el estado del arte y acortar la brecha de productividad existente en el diseño de circuitos RF. Por lo tanto, con el fin de establecer una nueva metodología de diseño para sistemas RF, se han de abordar distintos cuellos de botella del diseño RF con el fin de diseñar con éxito dichos circuitos. El diseño de circuitos RF ha seguido tradicionalmente una estrategia basada en ecuaciones analíticas derivadas específicamente para cada circuito y que exige una gran experiencia del diseñador. Esto significa que el diseñador plantea una estrategia para diseñar el circuito manualmente y, tras varias iteraciones, normalmente logra que el circuito cumpla con las especificaciones deseadas. No obstante, conseguir diseños con prestaciones óptimas puede ser muy difícil utilizando esta metodología, ya que el espacio de diseño (o búsqueda) es enorme (decenas de variables de diseño con cientos de combinaciones diferentes). Aunque el diseñador llegue a una solución que cumpla todas las especificaciones, nunca estará seguro de que el diseño al que ha llegado es el mejor (por ejemplo, el que consuma menos energía). Hoy en día, las técnicas basadas en optimización se están utilizando con el objetivo de ayudar al diseñador a encontrar automáticamente zonas óptimas de diseño. El uso de metodologías basadas en optimización intenta superar las limitaciones de metodologías previas mediante el uso de algoritmos que son capaces de realizar una amplia exploración del espacio de diseño para encontrar diseños de prestaciones óptimas. La filosofía de estas metodologías es que el diseñador elige las especificaciones del circuito, selecciona la topología y ejecuta una optimización que devuelve el valor de cada componente del circuito óptimo (por ejemplo, anchos y longitudes de los transistores) de forma automática. Además, mediante el uso de estos algoritmos, la exploración del espacio de diseño permite estudiar los distintos y complejos compromisos entre prestaciones de los circuitos de RF. Sin embargo, la problemática del diseño de RF es mucho más amplia que la selección del tamaño de cada componente. Con el objetivo de conseguir algo similar a un compilador de silicio para circuitos RF, la metodología desarrollada en la tesis, tiene que ser capaz de asegurar un diseño robusto que permita al diseñador tener éxito frente a medidas experimentales, y, además, las optimizaciones tienen que ser elaboradas en tiempos razonables para que se puedan cumplir las estrictas restricciones time-to-market de las empresas. Para conseguir esto, en esta tesis, hay cuatro aspectos clave que son abordados en la metodología: 1. Los inductores integrados todavía son un cuello de botella en circuitos RF. Los parásitos que aparecen a altas frecuencias hacen que las prestaciones de los inductores sean muy difíciles de modelar. Existe, por tanto, la necesidad de desarrollar nuevos modelos más precisos, pero también muy eficientes computacionalmente que puedan ser incluidos en metodologías que usen algoritmos de optimización. 2. Las variaciones de proceso son fenómenos que afectan mucho las tecnologías nanométricas, así que para obtener un diseño robusto es necesario tener en cuenta estas variaciones durante la optimización. 3. En las metodologías de diseño manual, los parásitos de layout normalmente no se tienen en cuenta en una primera fase de diseño. En ese sentido, cuando el diseñador pasa del diseño topológico al diseño físico, puede que su circuito deje de cumplir con las especificaciones. Estas consideraciones físicas del circuito deben ser tenidas en cuenta en las primeras etapas de diseño. Por lo tanto, con el fin de abordar este problema, la metodología desarrollada tiene que tener en cuenta los parásitos de la realización física desde una primera fase de optimización. 4. Una vez se ha desarrollado la capacidad de generar distintos circuitos RF de forma automática utilizando esta metodología (amplificadores de bajo ruido, osciladores controlados por tensión y mezcladores), en la tesis se aborda también la composición de un sistema RF con una aproximación multinivel, donde el proceso empieza por el diseño de los componentes pasivos y termina componiendo distintos circuitos, construyendo un sistema (por ejemplo, un receptor de radiofrecuencia). La tesis aborda los cuatro problemas descritos anteriormente con éxito, y ha avanzado considerablemente en el estado del arte de metodologías de diseño automáticas/sistemáticas para circuitos RF.Premio Extraordinario de Doctorado U

Uncertainty Quantification of the Responses of Transient Electromagnetic Disturbance Coupling to Transmission Lines Based on Stochastic Models

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Layout-level Circuit Sizing and Design-for-manufacturability Methods for Embedded RF Passive Circuits

The emergence of multi-band communications standards, and the fast pace of the consumer electronics markets for wireless/cellular applications emphasize the need for fast design closure. In addition, there is a need for electronic product designers to collaborate with manufacturers, gain essential knowledge regarding the manufacturing facilities and the processes, and apply this knowledge during the design process. In this dissertation, efficient layout-level circuit sizing techniques, and methodologies for design-for-manufacturability have been investigated. For cost-effective fabrication of RF modules on emerging technologies, there is a clear need for design cycle time reduction of passive and active RF modules. This is important since new technologies lack extensive design libraries and layout-level electromagnetic (EM) optimization of RF circuits become the major bottleneck for reduced design time. In addition, the design of multi-band RF circuits requires precise control of design specifications that are partially satisfied due to manufacturing variations, resulting in yield loss. In this work, a broadband modeling and a layout-level sizing technique for embedded inductors/capacitors in multilayer substrate has been presented. The methodology employs artificial neural networks to develop a neuro-model for the embedded passives. Secondly, a layout-level sizing technique for RF passive circuits with quasi-lumped embedded inductors and capacitors has been demonstrated. The sizing technique is based on the circuit augmentation technique and a linear optimization framework. In addition, this dissertation presents a layout-level, multi-domain DFM methodology and yield optimization technique for RF circuits for SOP-based wireless applications. The proposed statistical analysis framework is based on layout segmentation, lumped element modeling, sensitivity analysis, and extraction of probability density functions using convolution methods. The statistical analysis takes into account the effect of thermo-mechanical stress and process variations that are incurred in batch fabrication. Yield enhancement and optimization methods based on joint probability functions and constraint-based convex programming has also been presented. The results in this work have been demonstrated to show good correlation with measurement data.Ph.D.Committee Chair: Swaminathan, Madhavan; Committee Member: Fathianathan, Mervyn; Committee Member: Lim, Sung Kyu; Committee Member: Peterson, Andrew; Committee Member: Tentzeris, Mano