RF電路設計工具中的關(guān)鍵技術(shù)
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WiFi802.11a/b/g、超寬帶和藍牙技術(shù)等不斷擴充而在更復雜的無(wú)線(xiàn)通信中被廣泛應用。 [52RD.com]
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RF電路特點(diǎn) [52RD.com]
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射頻電路的設計一向是很困難的，由于缺乏恰當的檢測儀器，使高頻信號的分析復 [52RD.com]
雜化了。工程師們不得不采取間接的測量方法，并根據他們能夠觀(guān)察到的電路行為狀態(tài) [52RD.com]
來(lái)推斷電路特性。隨著(zhù)工程師們在同一塊芯片上實(shí)現數字電路、模擬電路和射頻電路， [52RD.com]
種種集成問(wèn)題就使這一問(wèn)題進(jìn)一步復雜化。 [52RD.com]
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射頻電路中尚缺乏準確而有效的有源器件和無(wú)源元件模型。由于射頻電路的工作頻 [52RD.com]
率較高，許多在低頻數字電路中并不明顯的問(wèn)題開(kāi)始彰顯出來(lái)。例如，射頻集成電路中 [52RD.com]
，襯底損耗或通過(guò) IC 表面輻射影響等各種寄生效應和耦合效應并沒(méi)有得到完全的認識 [52RD.com]
和分析，這些潛在的影響大多會(huì )結合在一起，從而使最初的硅片存在各種問(wèn)題。 [52RD.com]
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射頻電路系統級的準確而快速的仿真工具還比較缺乏。即使有了準確的元器件模型 [52RD.com]
，當用這些元器件組成電路之后，元器件之間的各種耦合效應也會(huì )對電路的性能產(chǎn)生很 [52RD.com]
大的影響。目前惟一能精確考慮這些因素的方法就是對這個(gè)電路的物理版圖進(jìn)行全面的 [52RD.com]
電磁場(chǎng)分析，但是由于它的計算量過(guò)于龐大而變得不現實(shí)。 [52RD.com]
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RF電路對EDA工具的要求 [52RD.com]
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利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開(kāi)始設計電子系統，并可以將 [52RD.com]
電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計算機上自動(dòng)處 [52RD.com]
理完成。由于RF電路的特殊性，它對EDA 工具也有特殊的要求。 [52RD.com]
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用于微波射頻IC設計的電路分析方法 [52RD.com]
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射頻和微波集成電路設計一般都在頻域進(jìn)行，因為微波元件、傳輸線(xiàn)的模型都是在 [52RD.com]
頻域給出的，而且高頻系統的性能用頻域來(lái)描述更為直接。當然通過(guò)對時(shí)域瞬態(tài)分析的 [52RD.com]
數據進(jìn)行傅氏變換也可以獲得頻域結果。 [52RD.com]
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頻域分析主要有伏特拉級數法和諧波平衡法，在專(zhuān)業(yè)的微波電路軟件中這兩種技術(shù) [52RD.com]
比較常見(jiàn)。伏特拉級數法利用頻域解析的方法求解非線(xiàn)性電路的響應，計算速度比較快 [52RD.com]
，適用于弱的非線(xiàn)性電路；諧波平衡法實(shí)際上是時(shí)域和頻域結合的一種分析非線(xiàn)性電路 [52RD.com]
的方法，它避免了時(shí)域法中的瞬態(tài)求解過(guò)程，具有很高的分析效率。頻域分析可計算電 [52RD.com]
路的非線(xiàn)性特性，如放大器的諧波、IIP3、IM3、混頻器的頻譜分布、變頻增益、振蕩器 [52RD.com]
的非線(xiàn)性振蕩平衡條件、諧波特性等。 [52RD.com]
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對于更復雜的信號如通信中的數字調制信號、脈沖調制信號等，包絡(luò )分析是一種更 [52RD.com]
為有用的手段，這種方法可以分析調制信號的頻譜、放大器的瞬態(tài)響應和功率放大器對 [52RD.com]
調制信號的響應、鎖相環(huán)路的瞬態(tài)過(guò)程、振蕩器的起振過(guò)程、射頻微波AGC(自動(dòng)增益控 [52RD.com]
制)電路的增益控制過(guò)程等。 [52RD.com]
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電磁場(chǎng)分析 [52RD.com]
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電磁場(chǎng)分析在射頻微波集成電路的設計中發(fā)揮著(zhù)重要作用，主要體現在高頻元件的 [52RD.com]
仿真、建模、驗證和互連線(xiàn)高頻效應分析。在微波射頻電路中電阻、電容，特別是電感 [52RD.com]
元件都要考慮分布效應。雖然對特定的電感可以通過(guò)實(shí)測的方式得到參數值，但對于很 [52RD.com]
多特殊情形還需設計者自己考慮以保證設計精度。對于電容元件，高頻條件下不同的連 [52RD.com]
接方向和位置對分布效應影響的阻抗特性是不同的。在版圖中要考慮的問(wèn)題，一是面積 [52RD.com]
因素，盡量在較小的面積內達到電路性能；二是各種元件之間的相互影響。集成電路進(jìn) [52RD.com]
入深亞微米階段，互連線(xiàn)是嚴重影響電路性能的重要組成部分，不僅要考慮分布電容， [52RD.com]
還要考慮分布電感。在微波單片集成電路中，10千兆以上頻段常常用微帶線(xiàn)進(jìn)行電路匹 [52RD.com]
配，帶線(xiàn)的連接、拐彎、交叉、相鄰都要影響電磁場(chǎng)的傳播。數值電磁場(chǎng)分析軟件是微 [52RD.com]
波射頻集成電路必不可少的工具，這方面的工作已經(jīng)很多。電磁場(chǎng)分析要折衷考慮精度 [52RD.com]
、效率的關(guān)系。三維場(chǎng)分析精確度高但是效率較低，在微波射頻集成電路中，基于矩量 [52RD.com]
法的平面電磁場(chǎng)仿真能較好地保證精度并占用相對較少的計算機資源，因而在微波和射 [52RD.com]
頻電路設計中被廣泛采用。 [52RD.com]
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電路設計與系統設計 [52RD.com]
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電路的設計是根據系統的要求進(jìn)行的，與系統設計密不可分。功能電路單元要從系 [52RD.com]
統的角度來(lái)考察驗證，尤其高度集成的單片射頻系統芯片本身就是一個(gè)系統。因此系統 [52RD.com]
設計手段也被應用到 RFIC的設計中，要求電路單元與系統模型能夠協(xié)同仿真。由于單片 [52RD.com]
系統日益提高的復雜性，研發(fā)成本不斷提高，市場(chǎng)的需求要求盡量縮短研發(fā)時(shí)間，系統 [52RD.com]
設計需要深入到芯片內部。EDA工具將系統設計和芯片設計結合起來(lái)，可以?xún)?yōu)化系統的性 [52RD.com]
能，提高芯片的成品率，降低研發(fā)成本，加速產(chǎn)品的市場(chǎng)化進(jìn)程。 [52RD.com]
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主流RF EDA軟件和算法 [52RD.com]
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目前，射頻領(lǐng)域主要的EDA 工具首推Agilent 公司的ADS 軟件和Ansoft 公司的HFS [52RD.com]
S、Designer 軟件以及CST，其次是比較小型的AWR、Serenade 等電路設計軟件。這些E [52RD.com]
DA仿真軟件與電磁場(chǎng)的數值解法密切相關(guān)，不同的仿真軟件是根據不同的數值分析方法 [52RD.com]
來(lái)進(jìn)行仿真的。 [52RD.com]
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基于矩量法仿真的微波EDA仿真軟件 [52RD.com]
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基于矩量法仿真的EDA軟件主要包括ADS（Advanced Design System）、Sonnet電磁 [52RD.com]
仿真軟件、IE3D和Microwave office。 [52RD.com]
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Agilent ADS軟件是為系統和電路工程師提供的，可開(kāi)發(fā)各種形式的射頻設計，它允 [52RD.com]
許工程師定義頻率范圍、材料特性、參數的數量和根據用戶(hù)的需要自動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵的無(wú)源 [52RD.com]
器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統級的設計和分析。尤其是其強大的 [52RD.com]
仿真設計手段可在時(shí)域或頻域內實(shí)現對數字或模擬、線(xiàn)性或非線(xiàn)性電路的綜合仿真分析 [52RD.com]
與優(yōu)化，并可對設計結果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率 [52RD.com]
，使之成為設計人員的有效工具。 [52RD.com]
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Sonnet是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，提供面向3D平面高頻電路設計系統以及 [52RD.com]
在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設計的EDA工具。Sonnet應用于平面高頻電磁 [52RD.com]
場(chǎng)分析，頻率從一MHz到幾千GHz。 [52RD.com]
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IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結 [52RD.com]
構的電流分布問(wèn)題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應、不 [52RD.com]
連續性效應、耦合效應和輻射效應問(wèn)題。IE3D在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF印制 [52RD.com]
板電路、微帶天線(xiàn)、線(xiàn)電線(xiàn)和其他形式的RF天線(xiàn)、HTS電路及濾波器、IC的內部連接和高 [52RD.com]
速數字電路封裝方面是一個(gè)非常有用的工具。 [52RD.com]
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Microwave Office軟件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對 [52RD.com]
于由集總元件構成的電路，用電路的方法來(lái)處理較為簡(jiǎn)便。該軟件設有VoltaireXL的模 [52RD.com]
擬器來(lái)處理集總元件構成的微波平面電路問(wèn)題。而對于由具體的微帶幾何圖形構成的分 [52RD.com]
布參數微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效。該軟件采用的是EMSight的模擬器來(lái)處理 [52RD.com]
任何多層平面結構的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題。Microwave Office 2002 增加了一些新功能， [52RD.com]
包括濾波器智能綜合、智能負載牽引，提高對存在的回路的電磁仿真，包括振蕩器相位 [52RD.com]
噪聲分析和3D平面電磁仿真引擎，使對某些復雜問(wèn)題的仿真更加有效。 [52RD.com]
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基于有限元的微波EDA仿真軟件 [52RD.com]
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基于有限元的典型仿真軟件是Ansoft HFSS。Ansoft HFSS 是世界上第一個(gè)商業(yè)化的 [52RD.com]
三維結構電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結構的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特 [52RD.com]
征阻抗、傳播常數、S參數及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線(xiàn)方向圖等結果。該軟件被廣泛應用于 [52RD.com]
無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信、計算機、衛星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域。 [52RD.com]
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Ansoft HFSS采用自適應網(wǎng)格剖分、ALPS快速掃頻、切向元等專(zhuān)利技術(shù)，集成了工業(yè) [52RD.com]
標準的建模系統，提供了功能強大、使用靈活的宏語(yǔ)言，直觀(guān)的后處理器及獨有的場(chǎng)計 [52RD.com]
算器，可計算分析顯示各種復雜的電磁場(chǎng)，并可利用Optimetrics對任意的參數進(jìn)行優(yōu)化 [52RD.com]
和掃描分析。使用Ansoft HFSS，可以計算：基本電磁場(chǎng)數值解和開(kāi)邊界問(wèn)題，近遠場(chǎng)輻 [52RD.com]
射問(wèn)題；端口特征阻抗和傳輸常數；S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數；結構的本征 [52RD.com]
?；蛑C振解。 [52RD.com]
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基于時(shí)域有限差分的微波eda仿真軟件 [52RD.com]
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基于時(shí)域有限差分的仿真軟件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELITY和IMST Emp [52RD.com]
ire。 [52RD.com]
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CST MICROWAVE STUDIO (CST SD)是為快速、精確仿真電磁場(chǎng)高頻問(wèn)題而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的 [52RD.com]
EDA工具，是基于PC機Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應用于復雜設計和更高的諧振 [52RD.com]
結構。CST SD通過(guò)散射參數使電磁場(chǎng)元件結合在一起。把復雜的系統分離成更小的子單 [52RD.com]
元，通過(guò)對系統每一個(gè)單元行為的S-參數的描述，可以快速地分析和降低系統所需的內 [52RD.com]
存。 [52RD.com]
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FIDELITY是基于非均勻網(wǎng)格的時(shí)域有限差分方法的全三維電磁場(chǎng)仿真器，可以解決 [52RD.com]
具有復雜填充介質(zhì)求解域的場(chǎng)分布問(wèn)題。FIDELITY可以分析非絕緣和復雜介質(zhì)結構的問(wèn) [52RD.com]
題。它在微波/毫米波集成電路、RF印制板電路、微帶天線(xiàn)和其他形式的RF天線(xiàn)、HTS電 [52RD.com]
路及濾波器、IC的內部連接和高速數字電路封裝、EMI及EMC方面有廣泛的應用。 [52RD.com]
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IMST Empire是一種3D電磁場(chǎng)仿真軟件。它是一種基于3D的時(shí)域有限差分的方法，這 [52RD.com]
種方法已經(jīng)變成RF元件設計的標準。它的應用范圍從分析平面結構、互聯(lián)的多端口集成 [52RD.com]
到微波波導、天線(xiàn)、EMC問(wèn)題。Empire基本覆蓋了RF設計3D場(chǎng)仿真的整個(gè)領(lǐng)域。根據用戶(hù) [52RD.com]
定義的頻率范圍，一次仿真的運行，就可以得到散射參數、輻射參數和輻射場(chǎng)圖。 [52RD.com]
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RF EDA 工具的發(fā)展趨勢 [52RD.com]
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整個(gè)電子過(guò)程中仿真是最花費人力、時(shí)間，且占用EDA 工具資源最多的一個(gè)環(huán)節。 [52RD.com]
設計活動(dòng)通常會(huì )花80% 的時(shí)間來(lái)仿真，即驗證設計功能的有效性、測試設計的精度、處 [52RD.com]
理各種折衷和保證設計的交接。故改善對設計周期影響最大的EDA仿真工具，正是20世紀 [52RD.com]
90年代EDA工具開(kāi)發(fā)者攻堅的主要方向。 [52RD.com]
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元器件模型在短期內仍然是研究重點(diǎn) [52RD.com]
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為了使得EDA工具能有準確的仿真結果，射頻電路中的元件模型一直是研究的重點(diǎn)問(wèn) [52RD.com]
題。由于射頻電路的設計也是近年來(lái)逐漸興起，對電路的很多潛在影響因素尚缺乏深刻 [52RD.com]
認識，其相關(guān)的EDA工具也因此比較缺乏，目前射頻電路的設計遠遠不如數字電路的設計 [52RD.com]
自動(dòng)化程度高。許多在射頻電路中比較關(guān)鍵的元件，如電感、電容等，仍缺乏比較實(shí)用 [52RD.com]
的準確等效電路或者集準模型。而稍復雜的元件，如變壓器、不平衡變壓器（balun）等 [52RD.com]
的深入研究更是缺乏，有效模型幾乎處于真空狀態(tài)，但它們在實(shí)際的電路中運用卻相當 [52RD.com]
普遍。因此，RF EDA工具的短期發(fā)展趨勢，將會(huì )是各大EDA工具開(kāi)發(fā)商投入大量精力開(kāi)發(fā) [52RD.com]
尖端的元器件模型。 [52RD.com]
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電路系統級別的版圖參數提取將是中期內研究重點(diǎn) [52RD.com]
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與傳統的數字電路不同，由于數字電路的互連線(xiàn)和晶體管模型已經(jīng)比較成熟，當數 [52RD.com]
字電路確定之后，布局布線(xiàn)的差異一般而言不會(huì )帶來(lái)電路功能性的根本變化。而在射頻 [52RD.com]
電路中，即使擁有比較準確的元器件模型，用這些元器件組成電路之后，采用不同的布 [52RD.com]
局方法，仍將會(huì )對電路性能帶來(lái)極大的差異。因為元器件之間的各種耦合效應也會(huì )對電 [52RD.com]
路的性能產(chǎn)生很大的影響。目前惟一能精確考慮這些因素的方法就是對這個(gè)電路的物理 [52RD.com]
版圖進(jìn)行全面的電磁場(chǎng)分析，但是由于它的計算量過(guò)于龐大而變得不現實(shí)。因次，尋求 [52RD.com]
電路系統級別的版圖參數提取方法，將是在元器件模型較為成熟的時(shí)候主要考慮的問(wèn)題 [52RD.com]
。而由于現在電路的規模日趨龐大，如何尋求一種參數提取方法使得計算量較小很有可 [52RD.com]
能成為一個(gè)研究的難點(diǎn)。 [52RD.com]
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混合信號的EDA 工具將是長(cháng)期開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù) [52RD.com]
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當前的EDA工具主要集中在數字電路的設計工具方面，它們遠比模擬電路和射頻電路 [52RD.com]
的EDA工具要多。但是高性能的復雜電子系統的集成離不開(kāi)模擬集成電路，因為物理量本 [52RD.com]
身是以模擬形式存在的，也離不開(kāi)射頻電路，因為無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)成為現代數據交互的一 [52RD.com]
個(gè)重要途徑。從目前來(lái)看，射頻電路與數字和模擬電路集成到片上的趨勢也越來(lái)越明顯 [52RD.com]
，因此，與此相關(guān)的混合信號EDA工具將具有較大的市場(chǎng)。當然，由于模擬和射頻集成電 [52RD.com]
路EDA工具開(kāi)發(fā)的難度較大，涵蓋數字/模擬/射頻混合信號的設計整套EDA工具在短期內 [52RD.com]
仍然存在很多技術(shù)難點(diǎn)。
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