RF电路设计工具中的关键技术

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　　人们习惯上将高于数百兆赫兹的频率称为射频(RF)或者微波(MW)。射频集成电路在近十年内得到广泛重视，并在无线通信领域取得快速发展。目前射频电路在 WiFi802.11a/b/g、超宽带和蓝牙技术等不断扩充而在更复杂的无线通信中被广泛应用。

　　RF电路特点
　　射频电路的设计一向是很困难的，由于缺乏恰当的检测仪器，使高频信号的分析复杂化了。工程师们不得不采取间接的测量方法，并根据他们能够观察到的电路行为状态来推断电路特性。随着工程师们在同一块芯片上实现数字电路、模拟电路和射频电路，种种集成问题就使这一问题进一步复杂化。

　　射频电路中尚缺乏准确而有效的有源器件和无源元件模型。由于射频电路的工作频率较高，许多在低频数字电路中并不明显的问题开始彰显出来。例如，射频集成电路中，衬底损耗或通过 IC 表面辐射影响等各种寄生效应和耦合效应并没有得到完全的认识和分析，这些潜在的影响大多会结合在一起，从而使最初的硅片存在各种问题。

　　射频电路系统级的准确而快速的仿真工具还比较缺乏。即使有了准确的元器件模型，当用这些元器件组成电路之后，元器件之间的各种耦合效应也会对电路的性能产生很大的影响。目前惟一能精确考虑这些因素的方法就是对这个电路的物理版图进行全面的电磁场分析，但是由于它的计算量过于庞大而变得不现实。

　　RF电路对EDA工具的要求
　　利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。由于RF电路的特殊性，它对EDA 工具也有特殊的要求。

　　用于微波射频IC设计的电路分析方法
　　射频和微波集成电路设计一般都在频域进行，因为微波元件、传输线的模型都是在频域给出的，而且高频系统的性能用频域来描述更为直接。当然通过对时域瞬态分析的数据进行傅氏变换也可以获得频域结果。

　　频域分析主要有伏特拉级数法和谐波平衡法，在专业的微波电路软件中这两种技术比较常见。伏特拉级数法利用频域解析的方法求解非线性电路的响应，计算速度比较快，适用于弱的非线性电路;谐波平衡法实际上是时域和频域结合的一种分析非线性电路的方法，它避免了时域法中的瞬态求解过程，具有很高的分析效率。频域分析可计算电路的非线性特性，如放大器的谐波、IIP3、IM3、混频器的频谱分布、变频增益、振荡器的非线性振荡平衡条件、谐波特性等。

　　对于更复杂的信号如通信中的数字调制信号、脉冲调制信号等，包络分析是一种更为有用的手段，这种方法可以分析调制信号的频谱、放大器的瞬态响应和功率放大器对调制信号的响应、锁相环路的瞬态过程、振荡器的起振过程、射频微波AGC(自动增益控制)电路的增益控制过程等。

　　电磁场分析
　　电磁场分析在射频微波集成电路的设计中发挥着重要作用，主要体现在高频元件的仿真、建模、验证和互连线高频效应分析。在微波射频电路中电阻、电容，特别是电感元件都要考虑分布效应。虽然对特定的电感可以通过实测的方式得到参数值，但对于很多特殊情形还需设计者自己考虑以保证设计精度。对于电容元件，高频条件下不同的连接方向和位置对分布效应影响的阻抗特性是不同的。在版图中要考虑的问题，一是面积因素，尽量在较小的面积内达到电路性能;二是各种元件之间的相互影响。集成电路进入深亚微米阶段，互连线是严重影响电路性能的重要组成部分，不仅要考虑分布电容，还要考虑分布电感。在微波单片集成电路中，10千兆以上频段常常用微带线进行电路匹配，带线的连接、拐弯、交叉、相邻都要影响电磁场的传播。数值电磁场分析软件是微波射频集成电路必不可少的工具，这方面的工作已经很多。电磁场分析要折衷考虑精度、效率的关系。三维场分析精确度高但是效率较低，在微波射频集成电路中，基于矩量法的平面电磁场仿真能较好地保证精度并占用相对较少的计算机资源，因而在微波和射频电路设计中被广泛采用。

　　电路设计与系统设计
　　电路的设计是根据系统的要求进行的，与系统设计密不可分。功能电路单元要从系统的角度来考察验证，尤其高度集成的单片射频系统芯片本身就是一个系统。因此系统设计手段也被应用到 RFIC的设计中，要求电路单元与系统模型能够协同仿真。由于单片系统日益提高的复杂性，研发成本不断提高，市场的需求要求尽量缩短研发时间，系统设计需要深入到芯片内部。EDA工具将系统设计和芯片设计结合起来，可以优化系统的性能，提高芯片的成品率，降低研发成本，加速产品的市场化进程。

　　主流RF EDA软件和算法
　　目前，射频领域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 软件和Ansoft 公司的HFSS、Designer 软件以及CST，其次是比较小型的AWR、Serenade 等电路设计软件。这些EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。

　　基于矩量法仿真的微波EDA仿真软件
　　基于矩量法仿真的EDA软件主要包括ADS(Advanced Design System)、Sonnet电磁仿真软件、IE3D和Microwave office。

　　Agilent ADS软件是为系统和电路工程师提供的，可开发各种形式的射频设计，它允许工程师定义频率范围、材料特性、参数的数量和根据用户的需要自动产生关键的无源器件模式。该软件范围涵盖了小至元器件，大到系统级的设计和分析。尤其是其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。

　　Sonnet是一种基于矩量法的电磁仿真软件，提供面向3D平面高频电路设计系统以及在微波、毫米波领域和电磁兼容/电磁干扰设计的EDA工具。Sonnet应用于平面高频电磁场分析，频率从一MHz到几千GHz。

　　IE3D是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。它利用积分的方式求解Maxwell方程组，从而解决电磁波的效应、不连续性效应、耦合效应和辐射效应问题。IE3D在微波/毫米波集成电路(MMIC)、RF印制板电路、微带天线、线电线和其他形式的RF天线、HTS电路及滤波器、IC的内部连接和高速数字电路封装方面是一个非常有用的工具。

　　Microwave Office软件是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便。该软件设有VoltaireXL的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效。该软件采用的是EMSight的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。Microwave Office 2002 增加了一些新功能，包括滤波器智能综合、智能负载牵引，提高对存在的回路的电磁仿真，包括振荡器相位噪声分析和3D平面电磁仿真引擎，使对某些复杂问题的仿真更加有效。

　　基于有限元的微波EDA仿真软件
　　基于有限元的典型仿真软件是Ansoft HFSS。Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件被广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域。

　　Ansoft HFSS采用自适应网格剖分、ALPS快速扫频、切向元等专利技术，集成了工业标准的建模系统，提供了功能强大、使用灵活的宏语言，直观的后处理器及独有的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，并可利用Optimetrics对任意的参数进行优化和扫描分析。使用Ansoft HFSS，可以计算：基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题;端口特征阻抗和传输常数;S参数和相应端口阻抗的归一化S参数;结构的本征模或谐振解。

　　基于时域有限差分的微波eda仿真软件
　　基于时域有限差分的仿真软件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELITY和IMST Empire。

　　CST MICROWAVE STUDIO (CST SD)是为快速、精确仿真电磁场高频问题而专门开发的EDA工具，是基于PC机Windows环境下的仿真软件。它主要应用于复杂设计和更高的谐振结构。CST SD通过散射参数使电磁场元件结合在一起。把复杂的系统分离成更小的子单元，通过对系统每一个单元行为的S-参数的描述，可以快速地分析和降低系统所需的内存。

　　FIDELITY是基于非均匀网格的时域有限差分方法的全三维电磁场仿真器，可以解决具有复杂填充介质求解域的场分布问题。FIDELITY可以分析非绝缘和复杂介质结构的问题。它在微波/毫米波集成电路、RF印制板电路、微带天线和其他形式的RF天线、HTS电路及滤波器、IC的内部连接和高速数字电路封装、EMI及EMC方面有广泛的应用。

　　IMST Empire是一种3D电磁场仿真软件。它是一种基于3D的时域有限差分的方法，这种方法已经变成RF元件设计的标准。它的应用范围从分析平面结构、互联的多端口集成到微波波导、天线、EMC问题。Empire基本覆盖了RF设计3D场仿真的整个领域。根据用户定义的频率范围，一次仿真的运行，就可以得到散射参数、辐射参数和辐射场图。

　　RF EDA 工具的发展趋势
　　整个电子过程中仿真是最花费人力、时间，且占用EDA 工具资源最多的一个环节。设计活动通常会花80% 的时间来仿真，即验证设计功能的有效性、测试设计的精度、处理各种折衷和保证设计的交接。故改善对设计周期影响最大的EDA仿真工具，正是20世纪90年代EDA工具开发者攻坚的主要方向。

　　元器件模型在短期内仍然是研究重点
　　为了使得EDA工具能有准确的仿真结果，射频电路中的元件模型一直是研究的重点问题。由于射频电路的设计也是近年来逐渐兴起，对电路的很多潜在影响因素尚缺乏深刻认识，其相关的EDA工具也因此比较缺乏，目前射频电路的设计远远不如数字电路的设计自动化程度高。许多在射频电路中比较关键的元件，如电感、电容等，仍缺乏比较实用的准确等效电路或者集准模型。而稍复杂的元件，如变压器、不平衡变压器(balun)等的深入研究更是缺乏，有效模型几乎处于真空状态，但它们在实际的电路中运用却相当普遍。因此，RF EDA工具的短期发展趋势，将会是各大EDA工具开发商投入大量精力开发尖端的元器件模型。

　　电路系统级别的版图参数提取将是中期内研究重点
　　与传统的数字电路不同，由于数字电路的互连线和晶体管模型已经比较成熟，当数字电路确定之后，布局布线的差异一般而言不会带来电路功能性的根本变化。而在射频电路中，即使拥有比较准确的元器件模型，用这些元器件组成电路之后，采用不同的布局方法，仍将会对电路性能带来极大的差异。因为元器件之间的各种耦合效应也会对电路的性能产生很大的影响。目前惟一能精确考虑这些因素的方法就是对这个电路的物理版图进行全面的电磁场分析，但是由于它的计算量过于庞大而变得不现实。因次，寻求电路系统级别的版图参数提取方法，将是在元器件模型较为成熟的时候主要考虑的问题。而由于现在电路的规模日趋庞大，如何寻求一种参数提取方法使得计算量较小很有可能成为一个研究的难点。

　　混合信号的EDA 工具将是长期开发的关键技术
　　当前的EDA工具主要集中在数字电路的设计工具方面，它们远比模拟电路和射频电路的EDA工具要多。但是高性能的复杂电子系统的集成离不开模拟集成电路，因为物理量本身是以模拟形式存在的，也离不开射频电路，因为无线通信已经成为现代数据交互的一个重要途径。从目前来看，射频电路与数字和模拟电路集成到片上的趋势也越来越明显，因此，与此相关的混合信号EDA工具将具有较大的市场。当然，由于模拟和射频集成电路EDA工具开发的难度较大，涵盖数字/模拟/射频混合信号的设计整套EDA工具在短期内仍然存在很多技术难点。


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