RF電路設(shè)計(jì)工具中的關(guān)鍵技術(shù)
加入技術(shù)交流群
WiFi802.11a/b/g、超寬帶和藍(lán)牙技術(shù)等不斷擴(kuò)充而在更復(fù)雜的無線通信中被廣泛應(yīng)用。 [52RD.com]
[52RD.com]
RF電路特點(diǎn) [52RD.com]
[52RD.com]
射頻電路的設(shè)計(jì)一向是很困難的，由于缺乏恰當(dāng)?shù)臋z測儀器，使高頻信號的分析復(fù) [52RD.com]
雜化了。工程師們不得不采取間接的測量方法，并根據(jù)他們能夠觀察到的電路行為狀態(tài) [52RD.com]
來推斷電路特性。隨著工程師們在同一塊芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路和射頻電路， [52RD.com]
種種集成問題就使這一問題進(jìn)一步復(fù)雜化。 [52RD.com]
[52RD.com]
射頻電路中尚缺乏準(zhǔn)確而有效的有源器件和無源元件模型。由于射頻電路的工作頻 [52RD.com]
率較高，許多在低頻數(shù)字電路中并不明顯的問題開始彰顯出來。例如，射頻集成電路中 [52RD.com]
，襯底損耗或通過 IC 表面輻射影響等各種寄生效應(yīng)和耦合效應(yīng)并沒有得到完全的認(rèn)識 [52RD.com]
和分析，這些潛在的影響大多會(huì)結(jié)合在一起，從而使最初的硅片存在各種問題。 [52RD.com]
[52RD.com]
射頻電路系統(tǒng)級的準(zhǔn)確而快速的仿真工具還比較缺乏。即使有了準(zhǔn)確的元器件模型 [52RD.com]
，當(dāng)用這些元器件組成電路之后，元器件之間的各種耦合效應(yīng)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]
電磁場分析，但是由于它的計(jì)算量過于龐大而變得不現(xiàn)實(shí)。 [52RD.com]
[52RD.com]
RF電路對EDA工具的要求 [52RD.com]
[52RD.com]
利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，并可以將 [52RD.com]
電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)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]
[52RD.com]
用于微波射頻IC設(shè)計(jì)的電路分析方法 [52RD.com]
[52RD.com]
射頻和微波集成電路設(shè)計(jì)一般都在頻域進(jìn)行，因?yàn)槲⒉ㄔ?、傳輸線的模型都是在 [52RD.com]
頻域給出的，而且高頻系統(tǒng)的性能用頻域來描述更為直接。當(dāng)然通過對時(shí)域瞬態(tài)分析的 [52RD.com]
數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏變換也可以獲得頻域結(jié)果。 [52RD.com]
[52RD.com]
頻域分析主要有伏特拉級數(shù)法和諧波平衡法，在專業(yè)的微波電路軟件中這兩種技術(shù) [52RD.com]
比較常見。伏特拉級數(shù)法利用頻域解析的方法求解非線性電路的響應(yīng)，計(jì)算速度比較快 [52RD.com]
，適用于弱的非線性電路；諧波平衡法實(shí)際上是時(shí)域和頻域結(jié)合的一種分析非線性電路 [52RD.com]
的方法，它避免了時(shí)域法中的瞬態(tài)求解過程，具有很高的分析效率。頻域分析可計(jì)算電 [52RD.com]
路的非線性特性，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]
的非線性振蕩平衡條件、諧波特性等。 [52RD.com]
[52RD.com]
對于更復(fù)雜的信號如通信中的數(shù)字調(diào)制信號、脈沖調(diào)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(diào)制信號的頻譜、放大器的瞬態(tài)響應(yīng)和功率放大器對 [52RD.com]
調(diào)制信號的響應(yīng)、鎖相環(huán)路的瞬態(tài)過程、振蕩器的起振過程、射頻微波AGC(自動(dòng)增益控 [52RD.com]
制)電路的增益控制過程等。 [52RD.com]
[52RD.com]
電磁場分析 [52RD.com]
[52RD.com]
電磁場分析在射頻微波集成電路的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在高頻元件的 [52RD.com]
仿真、建模、驗(yàn)證和互連線高頻效應(yīng)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(yīng)。雖然對特定的電感可以通過實(shí)測的方式得到參數(shù)值，但對于很 [52RD.com]
多特殊情形還需設(shè)計(jì)者自己考慮以保證設(shè)計(jì)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(yīng)影響的阻抗特性是不同的。在版圖中要考慮的問題，一是面積 [52RD.com]
因素，盡量在較小的面積內(nèi)達(dá)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，互連線是嚴(yán)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進(jìn)行電路匹 [52RD.com]
配，帶線的連接、拐彎、交叉、相鄰都要影響電磁場的傳播。數(shù)值電磁場分析軟件是微 [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。電磁場分析要折衷考慮精度 [52RD.com]
、效率的關(guān)系。三維場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]
法的平面電磁場仿真能較好地保證精度并占用相對較少的計(jì)算機(jī)資源，因而在微波和射 [52RD.com]
頻電路設(shè)計(jì)中被廣泛采用。 [52RD.com]
[52RD.com]
電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì) [52RD.com]
[52RD.com]
電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行的，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)密不可分。功能電路單元要從系 [52RD.com]
統(tǒng)的角度來考察驗(yàn)證，尤其高度集成的單片射頻系統(tǒng)芯片本身就是一個(gè)系統(tǒng)。因此系統(tǒng) [52RD.com]
設(shè)計(jì)手段也被應(yīng)用到 RFIC的設(shè)計(jì)中，要求電路單元與系統(tǒng)模型能夠協(xié)同仿真。由于單片 [52RD.com]
系統(tǒng)日益提高的復(fù)雜性，研發(fā)成本不斷提高，市場的需求要求盡量縮短研發(fā)時(shí)間，系統(tǒng) [52RD.com]
設(shè)計(jì)需要深入到芯片內(nèi)部。EDA工具將系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)結(jié)合起來，可以優(yōu)化系統(tǒng)的性 [52RD.com]
能，提高芯片的成品率，降低研發(fā)成本，加速產(chǎn)品的市場化進(jìn)程。 [52RD.com]
[52RD.com]
主流RF EDA軟件和算法 [52RD.com]
[52RD.com]
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(shè)計(jì)軟件。這些E [52RD.com]
DA仿真軟件與電磁場的數(shù)值解法密切相關(guān)，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的數(shù)值分析方法 [52RD.com]
來進(jìn)行仿真的。 [52RD.com]
[52RD.com]
基于矩量法仿真的微波EDA仿真軟件 [52RD.com]
[52RD.com]
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]
[52RD.com]
Agilent ADS軟件是為系統(tǒng)和電路工程師提供的，可開發(fā)各種形式的射頻設(shè)計(jì)，它允 [52RD.com]
許工程師定義頻率范圍、材料特性、參數(shù)的數(shù)量和根據(jù)用戶的需要自動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵的無源 [52RD.com]
器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)和分析。尤其是其強(qiáng)大的 [52RD.com]
仿真設(shè)計(jì)手段可在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析 [52RD.com]
與優(yōu)化，并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率 [52RD.com]
，使之成為設(shè)計(jì)人員的有效工具。 [52RD.com]
[52RD.com]
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(shè)計(jì)系統(tǒng)以及 [52RD.com]
在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計(jì)的EDA工具。Sonnet應(yīng)用于平面高頻電磁 [52RD.com]
場分析，頻率從一MHz到幾千GHz。 [52RD.com]
[52RD.com]
IE3D是一個(gè)基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié) [52RD.com]
構(gòu)的電流分布問題。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，從而解決電磁波的效應(yīng)、不 [52RD.com]
連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)和輻射效應(yīng)問題。IE3D在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF印制 [52RD.com]
板電路、微帶天線、線電線和其他形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內(nèi)部連接和高 [52RD.com]
速數(shù)字電路封裝方面是一個(gè)非常有用的工具。 [52RD.com]
[52RD.com]
Microwave Office軟件是通過兩個(gè)模擬器來對微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。對 [52RD.com]
于由集總元件構(gòu)成的電路，用電路的方法來處理較為簡便。該軟件設(shè)有VoltaireXL的模 [52RD.com]
擬器來處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題。而對于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分 [52RD.com]
布參數(shù)微波平面電路則采用場的方法較為有效。該軟件采用的是EMSight的模擬器來處理 [52RD.com]
任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。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(fù)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(fù)雜問題的仿真更加有效。 [52RD.com]
[52RD.com]
基于有限元的微波EDA仿真軟件 [52RD.com]
[52RD.com]
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(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到特 [52RD.com]
征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。該軟件被廣泛應(yīng)用于 [52RD.com]
無線和有線通信、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域。 [52RD.com]
[52RD.com]
Ansoft HFSS采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分、ALPS快速掃頻、切向元等專利技術(shù)，集成了工業(yè) [52RD.com]
標(biāo)準(zhǔn)的建模系統(tǒng)，提供了功能強(qiáng)大、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨(dú)有的場計(jì) [52RD.com]
算器，可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場，并可利用Optimetrics對任意的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 [52RD.com]
和掃描分析。使用Ansoft HFSS，可以計(jì)算：基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻 [52RD.com]
射問題；端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；結(jié)構(gòu)的本征 [52RD.com]
?；蛑C振解。 [52RD.com]
[52RD.com]
基于時(shí)域有限差分的微波eda仿真軟件 [52RD.com]
[52RD.com]
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]
[52RD.com]
CST MICROWAVE STUDIO (CST SD)是為快速、精確仿真電磁場高頻問題而專門開發(fā)的 [52RD.com]
EDA工具，是基于PC機(jī)Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應(yīng)用于復(fù)雜設(shè)計(jì)和更高的諧振 [52RD.com]
結(jié)構(gòu)。CST SD通過散射參數(shù)使電磁場元件結(jié)合在一起。把復(fù)雜的系統(tǒng)分離成更小的子單 [52RD.com]
元，通過對系統(tǒng)每一個(gè)單元行為的S-參數(shù)的描述，可以快速地分析和降低系統(tǒng)所需的內(nèi) [52RD.com]
存。 [52RD.com]
[52RD.com]
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仿真器，可以解決 [52RD.com]
具有復(fù)雜填充介質(zhì)求解域的場分布問題。FIDELITY可以分析非絕緣和復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)的問 [52RD.com]
題。它在微波/毫米波集成電路、RF印制板電路、微帶天線和其他形式的RF天線、HTS電 [52RD.com]
路及濾波器、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝、EMI及EMC方面有廣泛的應(yīng)用。 [52RD.com]
[52RD.com]
IMST Empire是一種3D電磁場仿真軟件。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(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)、互聯(lián)的多端口集成 [52RD.com]
到微波波導(dǎo)、天線、EMC問題。Empire基本覆蓋了RF設(shè)計(jì)3D場仿真的整個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)用戶 [52RD.com]
定義的頻率范圍，一次仿真的運(yùn)行，就可以得到散射參數(shù)、輻射參數(shù)和輻射場圖。 [52RD.com]
[52RD.com]
RF EDA 工具的發(fā)展趨勢 [52RD.com]
[52RD.com]
整個(gè)電子過程中仿真是最花費(fèi)人力、時(shí)間，且占用EDA 工具資源最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。 [52RD.com]
設(shè)計(jì)活動(dòng)通常會(huì)花80% 的時(shí)間來仿真，即驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能的有效性、測試設(shè)計(jì)的精度、處 [52RD.com]
理各種折衷和保證設(shè)計(jì)的交接。故改善對設(shè)計(jì)周期影響最大的EDA仿真工具，正是20世紀(jì) [52RD.com]
90年代EDA工具開發(fā)者攻堅(jiān)的主要方向。 [52RD.com]
[52RD.com]
元器件模型在短期內(nèi)仍然是研究重點(diǎn) [52RD.com]
[52RD.com]
為了使得EDA工具能有準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，射頻電路中的元件模型一直是研究的重點(diǎn)問 [52RD.com]
題。由于射頻電路的設(shè)計(jì)也是近年來逐漸興起，對電路的很多潛在影響因素尚缺乏深刻 [52RD.com]
認(rèn)識，其相關(guān)的EDA工具也因此比較缺乏，目前射頻電路的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如數(shù)字電路的設(shè)計(jì) [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(zhǔn)確等效電路或者集準(zhǔn)模型。而稍復(fù)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(yùn)用卻相當(dāng) [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工具開發(fā)商投入大量精力開發(fā) [52RD.com]
尖端的元器件模型。 [52RD.com]
[52RD.com]
電路系統(tǒng)級別的版圖參數(shù)提取將是中期內(nèi)研究重點(diǎn) [52RD.com]
[52RD.com]
與傳統(tǒng)的數(shù)字電路不同，由于數(shù)字電路的互連線和晶體管模型已經(jīng)比較成熟，當(dāng)數(shù) [52RD.com]
字電路確定之后，布局布線的差異一般而言不會(huì)帶來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(zhǔn)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)對電路性能帶來極大的差異。因?yàn)樵骷g的各種耦合效應(yīng)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)行全面的電磁場分析，但是由于它的計(jì)算量過于龐大而變得不現(xiàn)實(shí)。因次，尋求 [52RD.com]
電路系統(tǒng)級別的版圖參數(shù)提取方法，將是在元器件模型較為成熟的時(shí)候主要考慮的問題 [52RD.com]
。而由于現(xiàn)在電路的規(guī)模日趨龐大，如何尋求一種參數(shù)提取方法使得計(jì)算量較小很有可 [52RD.com]
能成為一個(gè)研究的難點(diǎn)。 [52RD.com]
[52RD.com]
混合信號的EDA 工具將是長期開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù) [52RD.com]
[52RD.com]
當(dāng)前的EDA工具主要集中在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)工具方面，它們遠(yuǎn)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(fù)雜電子系統(tǒng)的集成離不開模擬集成電路，因?yàn)槲锢砹勘?[52RD.com]
身是以模擬形式存在的，也離不開射頻電路，因?yàn)闊o線通信已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)交互的一 [52RD.com]
個(gè)重要途徑。從目前來看，射頻電路與數(shù)字和模擬電路集成到片上的趨勢也越來越明顯 [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。當(dāng)然，由于模擬和射頻集成電 [52RD.com]
路EDA工具開發(fā)的難度較大，涵蓋數(shù)字/模擬/射頻混合信號的設(shè)計(jì)整套EDA工具在短期內(nèi) [52RD.com]
仍然存在很多技術(shù)難點(diǎn)。
評論