射頻前端系統(tǒng)仿真全流程解決方案

隨著5G網(wǎng)絡(luò)開始商用，5G基站、移動終端設(shè)備需求大幅度提升，催生了一系列5G產(chǎn)業(yè)鏈。射頻前端是天線和射頻模塊交互的基礎(chǔ)元件，是5G通信最重要的一部分。射頻前端主要由射頻濾波器、低噪放、功率放大器、射頻收發(fā)器、射頻開關(guān)等組成。

在5G標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)有的移動通信、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域被進一步放大，射頻前端頻段數(shù)量大幅增加，每增加一個頻段就需要增加1個射頻功放，1個雙工器，1個射頻開關(guān)以及2個濾波器。面對快速增長的市場需求，對于國內(nèi)從事射頻開發(fā)公司來說是新的挑戰(zhàn)也是機遇。5G高速率、高吞吐量、低延時、低功耗的需求背景下，如何高效的設(shè)計出更低損耗、更大帶寬、更高線性度的射頻器件、復(fù)雜射頻系統(tǒng)，這儼然是國內(nèi)射頻設(shè)計公司所需面臨的挑戰(zhàn)。

除了5G射頻技術(shù)挑戰(zhàn)以外，設(shè)計公司還需面臨設(shè)計過程中服務(wù)器硬件資源的投入問題（投資成本高、資源利用率低下及設(shè)備老化）。因此，云平臺仿真解決方案應(yīng)運而生，仿真工具、仿真調(diào)度平臺等可部署在云端，用戶可通過Web頁面登錄仿真平臺提交和管理仿真任務(wù)，即可快速獲得彈性、可靠、安全的仿真服務(wù)。

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射頻前端市場概況

自2020年起，得益于5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，全球射頻前端芯片市場需求將迎來快速增長，市場規(guī)模由202.16億美元增長至2022年的272.21億美元。射頻芯片一直被稱為“模擬芯片皇冠上的明珠”，其技術(shù)難度高、研發(fā)時間長，因此長時間被國外所壟斷。目前，全球射頻前端市場集中在Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata四家企業(yè)，其占整體市場的85%。

2004年，首顆國產(chǎn)射頻前端芯片2G PA實現(xiàn)了零的突破，經(jīng)過十年來的奮斗，國產(chǎn)射頻前端器件從2G發(fā)展到5G，技術(shù)上從落后國外廠商到齊頭并進。首先在LNA、射頻開關(guān)市場實現(xiàn)了國產(chǎn)化的替代，而后國產(chǎn)射頻Phase2/Phase5N PA和SAW/BAW/IPD濾波器也相繼問世，為后續(xù)5G射頻前端器件設(shè)計積累了技術(shù)和工程基礎(chǔ)，最后發(fā)展到目前高集成度的PAMiD、PAMiF、DiFEM、LFEM等射頻模組。中國射頻前端的技術(shù)發(fā)展，需要研發(fā)人員一步一步的突破技術(shù)難點，實現(xiàn)產(chǎn)品的迭代升級，將在5G賽道上與國外產(chǎn)品一決高下。

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射頻前端設(shè)計中的挑戰(zhàn)

1. PCB射頻版圖電磁場分析挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)頻段主要分為Sub-6G頻段和毫米波(mmWave)頻段，國內(nèi)在5G Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成熟之后，開始部署對5G毫米波網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。由于毫米波頻段工作頻率達到了20GHz以上，往常Sub-6G中使用雙工器、聲表濾波器等射頻器件已無法滿足毫米波頻段性能需求，為了兼顧產(chǎn)品物料成本，用戶會在高頻PCB板材上通過PCB微帶走線搭建濾波器、雙工器、分頻器、定向耦合器等射頻電路。

毫米波工作頻率相比Sub-6G高出好幾倍，走線寄生參數(shù)對射頻性能影響尤其突出，導(dǎo)致PCB微帶走線搭建的射頻電路效果會比理論計算的有不少偏差。如果用戶直接根據(jù)理論計算及經(jīng)驗去畫PCB版圖，回板測試結(jié)果若不理想，則得重新修改PCB版圖尺寸。再打板驗證，來回不斷的迭代驗證需要耗費用戶大量的研發(fā)時間，給毫米波產(chǎn)品研發(fā)周期帶來極大的挑戰(zhàn)。

高頻板材下，PCB微帶線濾波器實物圖

2.封裝與PCB聯(lián)合系統(tǒng)仿真挑戰(zhàn)

5G技術(shù)的發(fā)展，對射頻前端無源系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求，考慮到5G通信中，低功耗、高線性度及高帶寬的特點，對系統(tǒng)的鏈路插損、loadpull的收斂性、帶內(nèi)平坦度等指標(biāo)提出了更高的要求，相比數(shù)字信號，其要求更為苛刻敏感。在系統(tǒng)全鏈路上，封裝鍵合線的寄生電感、C4bump的焊盤、及封裝與PCB銜接處的焊盤和焊球、走線阻抗等，都對射頻無源指標(biāo)有著明顯的影響，寄生電感、電容的過大，都會導(dǎo)致阻抗偏離，即使通過匹配電路將阻抗修正，但也會犧牲系統(tǒng)一定的帶寬和帶內(nèi)平坦度。

因此，系統(tǒng)工程師為了保證產(chǎn)品有更好的性能發(fā)揮，需要對封裝+PCB進行全鏈路3D仿真，以分析優(yōu)化全鏈路的射頻性能。一般封裝上走線寬度只有幾十um，傳統(tǒng)的仿真求解器為了保證仿真精度，會給整個封裝+PCB模型的網(wǎng)格剖分尺寸設(shè)置幾十um的大小，而PCB一般線寬為100um或以上，使用幾十um的尺寸剖分PCB部分，會導(dǎo)致網(wǎng)格剖分過密，未知量過多，造成計算速度慢及計算機資源的浪費。

圖 2

封裝+PCB示意圖

3.PCB復(fù)雜射頻架構(gòu)系統(tǒng)挑戰(zhàn)

5G通信產(chǎn)品為了滿足高吞吐量需求，產(chǎn)品需支持多頻段的CA、EN-DC等組合，使得產(chǎn)品射頻系統(tǒng)架構(gòu)越趨復(fù)雜，要調(diào)試的匹配元件數(shù)量翻倍增長，且PCB走線更加密集，使走線的阻抗連續(xù)性及隔離度成為了PCB layout風(fēng)險點。另外PCB回板后，工程師需求進行大量的調(diào)試工作，相比4G通信產(chǎn)品，人力成本投入更高，研發(fā)調(diào)試周期更長。PCB layout風(fēng)險點的增加、調(diào)試難度的加大、人力成本的上升，企業(yè)要從中取得最優(yōu)解，使用計算機軟件工具代替人力是唯一的途徑。

圖 3

5G產(chǎn)品復(fù)雜的射頻系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.大規(guī)模求解對高性能運算（HPC）的需求

對于射頻前端器件來說，傳統(tǒng)RC提取工具無法滿足精度要求，復(fù)雜射頻系統(tǒng)版圖器件間的互連線及片上和封裝的聯(lián)合仿真，都需要強大的全波三維電磁仿真引擎進行快速分析。由于互連結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，需要在進行網(wǎng)格剖分和未知量求解時采用多機器、多核心、多任務(wù)來進行仿真任務(wù)管理，仿真分析時間在很大程度上決定產(chǎn)品的迭代周期。

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芯和XDS射頻系統(tǒng)解決方案

XDS集成原理圖環(huán)境和版圖環(huán)境兩個設(shè)計仿真模塊，和與之配套的電路仿真引擎和EM電磁場仿真引擎。另外提供了完整的高級分析輔助模塊，可以幫助用戶提高設(shè)計效率、優(yōu)化性能、統(tǒng)計分析等。

原理圖支持層次化的設(shè)計，提高底層電路模塊重復(fù)利用的效率?？梢詫υ韴D進行頻域分析、時域分析、諧波平衡分析及NF分析等。支持基本的RLGC元件、傳輸線模型、RF行為級模型、SNP文件、spice網(wǎng)表等；支持BAW的mBVD和mason模型，支持SAW的COM模型，支持對第三方分立器件電容電感庫導(dǎo)入管理并進行離散元器件的自動優(yōu)化功能。

版圖設(shè)計環(huán)節(jié)支持用戶進行常規(guī)的模型的編輯，并且支持對象的參數(shù)化設(shè)計。支持主流設(shè)計文件（Allegro、GDS、DXF、ODB++等）的版圖導(dǎo)入和主流工藝庫（ircx、itf、ltd等）文件導(dǎo)入，并支持版圖和原理圖之間的場路聯(lián)合仿真。XDS內(nèi)置強大的MoM多層結(jié)構(gòu)矩量法加速技術(shù)，快速精確模擬復(fù)雜電磁效應(yīng)，包括導(dǎo)體趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和多介質(zhì)損耗。XDS支持多核計算的核心求解器能顯著降低EM仿真時間、提高設(shè)計效率。

圖 4

芯和XDS全套射頻系統(tǒng)解決方案

1.毫米波PCB微帶版圖電磁仿真分析優(yōu)化

5G毫米波網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已經(jīng)被提上了日程，由于毫米波工作頻率高、大帶寬特性及產(chǎn)品集成化的需求，以往基于壓電晶體的聲表濾波器、體積龐大的腔體濾波器無法滿足產(chǎn)品需求，通過高頻板材的PCB微帶走線實現(xiàn)濾波器、耦合器、分頻器的設(shè)計成為了可能。為了使客戶加速迭代產(chǎn)品，芯和XDS為此提供了完整的射頻系統(tǒng)仿真解決方案。

前仿真：用戶可首先根據(jù)理論計算得到PCB微帶版圖走線尺寸設(shè)計，并在芯和XDS原理圖環(huán)境中調(diào)用TML模型庫里所需的傳輸線模型完成各個微帶走線的連接（圖5），軟件同時為用戶提供靈活的參數(shù)化建模功能，用戶可根據(jù)實際需要，對各模型感興趣的部位尺寸值設(shè)置為變量。

圖 5

XDS原理圖設(shè)計環(huán)境

優(yōu)化分析：通過原理圖環(huán)境，用戶可完成頻域分析之余，可根據(jù)之前設(shè)置的變量進行DOE、Yield、tuning、自動優(yōu)化、掃描等高級分析（圖6），完成微帶版圖上各部位敏感度分析及良率情況的預(yù)測，從而更好的指導(dǎo)用戶如何在后仿真中優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。

圖 6

XDS高級分析工具

后仿真：經(jīng)過前兩步的初步仿真，用戶已經(jīng)得到了一個優(yōu)化程度較為完善的模型，接下來針對優(yōu)化后的模型版圖進行全波電磁場仿真分析，高精度的模擬實際產(chǎn)品回板后的射頻性能，用戶同時可調(diào)用XDS的電磁場場分布功能，分析電流、電場密度分布，判是否有過載可能，提高產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。

圖 7

XDS版圖仿真環(huán)境電磁場密度分析

2.封裝與PCB射頻系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

終端通信產(chǎn)品射頻前端器件集成化的設(shè)計需求，企業(yè)利用SIP方式下，整合了PAMiD、PAMiF、DiFEM、LFEM等先進封裝工藝的射頻模組。在此場景中，用戶需要對封裝、封裝+PCB進行聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電磁仿真，以評估整個系統(tǒng)級別的射頻性能。該設(shè)計下，由于模型尺寸跨度較大大，難以進行統(tǒng)一的網(wǎng)格剖分?；宸庋b走線在50um左右，而PCB走線能達到100um左右（圖8），如果對封裝使用PCB的剖分機制，精度顯然是不夠的，同樣，如果對PCB使用封裝的網(wǎng)格剖分機制，那么對規(guī)模和速度上又會是巨大的挑戰(zhàn)。

圖 8

封裝和PCB系統(tǒng)的物理尺度

對此，XDS射頻系統(tǒng)仿真平臺內(nèi)置了芯和的AI智能網(wǎng)格剖分融合技術(shù)，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)特點選擇不同的網(wǎng)格尺寸，徹底解決封裝到PCB的不同尺度所帶來的聯(lián)合仿真問題。圖9中，封裝與PCB堆疊結(jié)構(gòu)下，用戶可在仿真器配置中為PCB與封裝分別設(shè)置不同的剖分網(wǎng)格尺寸（Mesh Size）。

圖 9

封裝+PCB場景下網(wǎng)格配置

3.復(fù)雜射頻系統(tǒng)的PCB場路聯(lián)合仿真

5G終端產(chǎn)品的PCB版圖設(shè)計中，企業(yè)為了提高產(chǎn)品利潤優(yōu)勢，PCB疊層由原來的12層任意一階板降到了8層三階板的設(shè)計，而對于5G復(fù)雜射頻系統(tǒng)架構(gòu)來說，每次降額設(shè)計意味著風(fēng)險進一步增加，工程師以往的經(jīng)驗難以覆蓋現(xiàn)設(shè)計風(fēng)險點，且難以做到產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計。另外，相比4G系統(tǒng)，5G射頻系統(tǒng)的頻段及mimo數(shù)量增加，射頻匹配元器件數(shù)量翻倍，且使用封裝較小的01005器件，造成PCB回板后，造成人工調(diào)試工作量及調(diào)試難度增加，導(dǎo)致項目研發(fā)周期延長。

XDS射頻系統(tǒng)仿真平臺可通過其EM仿真的電磁場分布分析功能，協(xié)助用戶完成PCB版圖的設(shè)計風(fēng)險點的評估。對于射頻系統(tǒng)匹配仿真，XDS也有自己全套的解決方案——場路聯(lián)合仿真，在原理圖中，軟件支持第三方元件庫文件（Murata、TDK等）的批量導(dǎo)入（圖10），可支持snp、spice網(wǎng)表格式及csv格式。

圖 10

支持第三方元件庫文件批量導(dǎo)入

版圖仿真完畢后，可將版圖拖拽到原理圖設(shè)計環(huán)境中，完成版圖與第三方匹配元器件的全鏈路搭建，利用XDS的Smith chart工具完成鏈路拓撲的初步匹配架構(gòu)設(shè)定，最后使用高級分析工具的自動優(yōu)化功能，對導(dǎo)入的第三方匹配元件進行離散掃描，最終實現(xiàn)全鏈路的射頻匹配優(yōu)化。

圖 11

Smith匹配及第三方匹配元件離散掃描優(yōu)化

全鏈路匹配優(yōu)化完畢后，可調(diào)用頻域分析、時域分析、諧波平衡分析、噪聲分析、穩(wěn)定性分析等求解器完成最終射頻系統(tǒng)的全性能仿真。

圖 12

XDS集成了噪聲分析、時域/頻域分析、

諧波平衡分析等求解器

XDS射頻系統(tǒng)仿真平臺的場路聯(lián)合仿真，為用戶提供了從版圖到原理圖的全鏈路優(yōu)化分析解決方案，從PCB的導(dǎo)入、自動切板、端口一鍵添加到版圖EM電場仿真求解，版圖數(shù)據(jù)可無縫鏈接到原理圖中進行全鏈路的匹配優(yōu)化、系統(tǒng)分析，使得用戶免調(diào)試率達到70%以上，減輕了工程師的匹配調(diào)試工作量，有效縮短了項目研發(fā)周期。

圖 8

XDS射頻系統(tǒng)場路聯(lián)合仿真全流程

4.支持云平臺的高性能計算

對于復(fù)雜的射頻系統(tǒng)模型，其進行3D全波仿真時，由于網(wǎng)格密度高，普通單臺服務(wù)器難以快速仿真結(jié)果，在很大程度上影響了用戶產(chǎn)品的迭代周期，拖延項目時間，降低產(chǎn)品的競爭力。芯和XDS射頻設(shè)計仿真云平臺可支持微軟、亞馬遜、華為云等領(lǐng)先平臺，其解決方案集成核心差異化的電磁場仿真技術(shù)與軟件、本地集群仿真技術(shù)、MPI仿真技術(shù)、云計算技術(shù)和分布式集群管理技術(shù)，使封裝、PCB、系統(tǒng)設(shè)計大規(guī)模電磁仿真EDA的資源管理和資源統(tǒng)一調(diào)度使用成為了可能，通過使用優(yōu)秀的管理系統(tǒng)和管理策略，達到資源統(tǒng)一分配和管理，增加了各計算中的資源利用率，降低了計算中心的維護和部署成本，為電子系統(tǒng)設(shè)計中的封裝，PCB，系統(tǒng)進行大規(guī)模復(fù)雜電磁場仿真提供了可能。

圖 14

芯和EDA 云平臺架構(gòu)

總結(jié)

本文首先講述了5G射頻前端的發(fā)展現(xiàn)狀和市場情況，然后總結(jié)了5G射頻前端PCB、封裝仿真分析中所面臨的挑戰(zhàn)。針對這些挑戰(zhàn)，芯和半導(dǎo)體推出的5G射頻前端封裝、PCB、系統(tǒng)仿真方案，解決方案集成了差異化的電磁場仿真技術(shù)、內(nèi)置了AI智能網(wǎng)格剖分融合技術(shù)、跨尺度快速電磁場求解算法、HPC加速技術(shù)、云平臺的高性能計算，使射頻前端設(shè)計從封裝到PCB、系統(tǒng)的大規(guī)模電磁仿真成為可能。同時，利用其場路聯(lián)合仿真分析功能，在原理圖中實現(xiàn)了與版圖仿真的無縫鏈接，大大減少數(shù)據(jù)交換風(fēng)險，并利用高級分析功能、頻域/時域分析、諧波分析等為用戶提供射頻系統(tǒng)仿真全流程解決方案，減少了用戶射頻設(shè)計的迭代。

審核編輯：劉清