前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，各種無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些無(wú)線通信系統(tǒng)包括了應(yīng)用于移動(dòng)通信的 5G,4G-LTE 技術(shù)，應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的 WIFI 技術(shù)，應(yīng)用于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）的 Bluetooth 技術(shù)和應(yīng)用于導(dǎo)航定位的 GPS 技術(shù), ISM（IndustrialScientificMedical Band）等，這些系統(tǒng)的工作頻段如表所示。可以看出，常用的無(wú)線通信系統(tǒng)大多在 1-6GHz 一個(gè)寬頻段內(nèi)，

在工作頻段內(nèi)，便攜式通信移動(dòng)設(shè)備中必須設(shè)計(jì)多帶多標(biāo)準(zhǔn)片上收發(fā)機(jī)，才能滿足兼容多種通信系統(tǒng)應(yīng)用的要求。實(shí)現(xiàn)多帶多標(biāo)準(zhǔn)片上收發(fā)機(jī)的傳統(tǒng)技術(shù)是混合單模收發(fā)機(jī)，即采用多個(gè)單模射頻前端實(shí)現(xiàn)每個(gè)系統(tǒng)的調(diào)制收發(fā)，通過(guò)射頻前端如射頻開關(guān)等技術(shù)在不同的工作系統(tǒng)之間進(jìn)行切換。盡管該技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)多帶多標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)的應(yīng)用，但是這種結(jié)構(gòu)為每一個(gè)系統(tǒng)都設(shè)計(jì)一條收發(fā)鏈路，較為復(fù)雜，器件很多，成本較高，而且功耗和面積都存在局限性。因此，多帶多標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)應(yīng)用的方向之一是采用寬帶收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，采用單個(gè)寬帶兼容收發(fā)機(jī)處理射頻信號(hào)的調(diào)制收發(fā)，而不同標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)則采用各自的基帶系統(tǒng)進(jìn)行處理。

圖1通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通常射頻前端由射頻低噪聲放大器(LNA)、射頻開關(guān)（Switch）、射頻功率放大器(PA)、雙工器 (Duplexers)、射頻濾波器(Filter)等五大器件組成。而低噪聲放大器（LNA）作為射頻收發(fā)機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它能有效提高接收機(jī)的接收靈敏度，進(jìn)而提高收發(fā)機(jī)的傳輸距離。 同時(shí)寬帶低噪聲放大器作為寬帶接收機(jī)中第一級(jí)有源電路，其噪聲系數(shù)決定了整個(gè)射頻接收鏈路的噪聲性能，從而決定了整個(gè)寬帶接收機(jī)的信號(hào)處理能力，而且其帶寬需要覆蓋多種通信系統(tǒng)的工作頻段，因此，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)是否良好，關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。如何設(shè)計(jì)低噪聲系數(shù)和寬帶的低噪聲放大器電路是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

圖2LNA工作原理

本文以工作范圍為0.4至2.2 GHz的 LNA低噪聲放大器為例，介紹了利用芯和射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)XDS仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器電路的方法及步驟，設(shè)計(jì)評(píng)估一個(gè)雙級(jí)低噪聲放大器電路在700MHz的增益指標(biāo)等。單級(jí)增益32dB,雙級(jí)要達(dá)到50dB以上。

XDS射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)仿真流程

1.模型導(dǎo)入

XDS支持導(dǎo)入ODB、GDSII和Allegro .brd/.mcm /*.sip等版圖文件，自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，疊層和器件，并且支持從原始版圖中切割任意區(qū)域進(jìn)行仿真，簡(jiǎn)化仿真模型，并可以高亮信號(hào)布線。同時(shí)還內(nèi)置豐富的RFIC,RFPCB,TGV等模板方便快速建模。

圖3導(dǎo)入的兩級(jí)LNA放大器電路

對(duì)于低噪聲放大器而言，通常使用低電壓設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)的功耗，而為了得到合適的增益，需要將多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)在一起形成級(jí)聯(lián)放大器，以提供足夠的增益。DUT為單片放大器件。

圖4單級(jí)LNA電路圖

2.疊層修改

XDS會(huì)自動(dòng)識(shí)別brd等版圖文件的疊層信息，支持疊層的分層設(shè)定與疊層的增加，保存和刪除，可以對(duì)疊層信息如介電常數(shù)，介質(zhì)厚度等進(jìn)行修改編輯操作。并支持材料信息的增加，修改和刪除操作。金屬材料包含溫度系數(shù)設(shè)定，材料包含DK/DF模型設(shè)定等。可以幫助評(píng)估不同工藝對(duì)低噪聲放大器性能的影響。

圖5 疊層管理

3.端口設(shè)置

XDS支持通過(guò)Edge或者pin的方式給網(wǎng)絡(luò)添加端口，自動(dòng)彈出窗口，可在端口界面配置端口參數(shù)，也可以通過(guò)器件管理器統(tǒng)一給某一器件或全部器件自動(dòng)添加端口。

圖6通過(guò)Edge或Pin添加端口

圖7通過(guò)器件自動(dòng)添加端口

圖8端口參數(shù)設(shè)置

4.版圖仿真設(shè)置

XDS提供一個(gè)直觀的界面對(duì)網(wǎng)格劃分與仿真進(jìn)行設(shè)置，針對(duì)Conductor metal layer，via進(jìn)行g(shù)lobal自動(dòng)網(wǎng)格劃分設(shè)置，如3D, Thick, Sheet優(yōu)化網(wǎng)格劃分。也可以按照層別進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置，還可以手動(dòng)定義Mesh size。針對(duì)LNA電路，放大電路的Layout主要在Top層，Bottom層為一整片Ground，所以將TOP Layer以及VIA層的Model設(shè)置為3D，將Bottom設(shè)置為Thick提高仿真精度。

圖9網(wǎng)絡(luò)劃分設(shè)置

圖10 仿真Solver設(shè)置

可設(shè)置仿真頻率范圍和頻率間隔。XDS支持多核多線程計(jì)算提高仿真效率。

5.創(chuàng)建原理圖

圖11創(chuàng)建原理圖

XDS支持場(chǎng)路協(xié)同仿真，創(chuàng)建原理圖后，右擊Layout可以將Layout添加到原理圖中，進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真。

圖12將Layout版圖添加到新建的原理圖中

XDS集成的原理圖設(shè)計(jì)和與之配套的電路仿真引擎。原理圖支持設(shè)計(jì)Element，如E、F、G、H、 R、L、K、C、V、I等模型，支持常用微帶線，帶狀線，同軸線等常用傳輸線，支持BAW的mBVD和mason模型，還支持SAW的COM模型，支持S參數(shù)與spice模型，同時(shí)可以對(duì)第三方分立器件L,C的庫(kù)進(jìn)行管理。電路的仿真需要能夠?qū)εc原理圖進(jìn)行頻域掃描分析，HB分析。 在原理圖中完成電容，DUT的S參數(shù)，Port，Wire等的添加，繪制與設(shè)置，如下。

圖13原理圖分析與優(yōu)化

6.原理圖仿真設(shè)置與仿真

圖14 XDS仿真設(shè)置

完成仿真設(shè)置后，即可開始XDS場(chǎng)路協(xié)同仿真。

7.仿真結(jié)果查看

XDS提供方便易用的分析設(shè)置界面以及直觀的仿真結(jié)果顯示。可以簡(jiǎn)化仿真設(shè)置與后處理。波形查看功能能夠快捷地顯示了EM仿真結(jié)果的曲線。同時(shí)內(nèi)設(shè)的“模板”功能，使用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊預(yù)設(shè)的“模板”來(lái)繪制預(yù)設(shè)的特性曲線。

圖15單級(jí)以及雙級(jí)LNA的增益

通過(guò)結(jié)果可以得出，設(shè)計(jì)的雙級(jí)低噪聲放大器在0.7GHz的增益為63dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

總結(jié)

5G時(shí)代，為了滿足射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，XDS提供從原理圖電路級(jí)的設(shè)計(jì)仿真到版圖設(shè)計(jì)仿真的全流程，可以對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真。 在上文的仿真設(shè)計(jì)分析過(guò)程中，我們對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行場(chǎng)路仿真，這樣建模可以真實(shí)仿真分析LNA性能，在設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)的情況下，我們可以優(yōu)化原理圖以快速得出最佳性能設(shè)計(jì)參數(shù)；利用XDS的設(shè)計(jì)仿真流程，產(chǎn)品調(diào)試量較低，在批量生產(chǎn)中有較好的一致性。 此外，射頻前端市場(chǎng)中還會(huì)需求大量的濾波器器件，其中BAW和SAW濾波器性能突出。BAW相較于SAW的優(yōu)勢(shì)在于中高頻段的性能優(yōu)勢(shì)，如更小的插入損耗、更高的帶外抑制等。XDS支持BAW/SAW濾波器設(shè)計(jì)流程，為濾波器的設(shè)計(jì)提供解決方案，能夠提供從濾波器拓?fù)溥x擇、單元優(yōu)化、版圖生成的設(shè)計(jì)全流程，同時(shí)支持與封裝聯(lián)合仿真。