工程上常用ADS進(jìn)行射頻功率放大器裸芯片電路級(jí)設(shè)計(jì)，然后將裸芯電路原理圖或版圖與設(shè)計(jì)好的基板進(jìn)行聯(lián)合仿真。常用的裸芯與基板聯(lián)合仿真方法包括使用ADS + Momentum或ADS嵌套技術(shù)或ADS+HFSS等。由于射頻電路的實(shí)際寄生很難準(zhǔn)確模擬，在射頻功率放大器芯片的設(shè)計(jì)研制過(guò)程中，工程師們常對(duì)應(yīng)采用什么樣的基板聯(lián)合仿真方法感到困惑。

　　本文以自主研制的工作頻率2GHz的射頻功率放大器芯片為例，從仿真器的算法理論、聯(lián)合仿真的具體建模方法、建模復(fù)雜度、仿真時(shí)間、對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果等幾個(gè)方面對(duì)上述幾種常用的基板聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了比較探討，嘗試歸納總結(jié)出對(duì)實(shí)際射頻功率放大器芯片工程設(shè)計(jì)有幫助的仿真經(jīng)驗(yàn)。

　　引言

　　工程上常用ADS進(jìn)行射頻功率放大器（PA）裸芯片（Die） 電路級(jí)設(shè)計(jì)。為了提高仿真準(zhǔn)確度，會(huì)將裸芯電路原理圖或版圖與設(shè)計(jì)好的基板進(jìn)行聯(lián)合仿真。常用的裸芯與基板聯(lián)合仿真方法包括使用ADS+Momentum或ADS嵌套技術(shù)（Nested Technology）或ADS+HFSS等。由于射頻電路的實(shí)際寄生很難準(zhǔn)確模擬，在射頻功率放大器芯片的設(shè)計(jì)研制過(guò)程中，工程師們常對(duì)應(yīng)采用什么樣的基板聯(lián)合仿真方法感到困惑。本文以利用ADS2014和HFSS 15.0自主研制的工作頻率2GHz的射頻功率放大器芯片（PA#L03）為例，從仿真器的算法理論、聯(lián)合仿真的具體建模方法、建模復(fù)雜度、仿真時(shí)間、對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果等幾個(gè)方面對(duì)上述幾種常用的基板聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了比較探討，嘗試歸納總結(jié)出對(duì)實(shí)際射頻功率放大器芯片工程設(shè)計(jì)有幫助的仿真經(jīng)驗(yàn)。

　　本例射頻功率放大器芯片PA#L03的電路設(shè)計(jì)原理圖（頂層）如圖1所示。

　　1 各種仿真器算法比較

　　ADS是由美國(guó)安捷倫（Agilent）公司推出的一款基于矩量法（MoM）的射頻電路仿真工具，它的EM 仿真器包括Momentum Microwave和FEM。其中Momentum的算法基于矩量法（MoM，Method of Moment），F(xiàn)EM的算法基于有限元法（FEM，F(xiàn)initeElement Method）。HFSS是Ansoft公司推出的基于有限元法的針對(duì)高頻結(jié)構(gòu)的電磁仿真軟件。下面扼要介紹一下矩量法和有限元法［1，2］。

　　（1）有限元法（FEM）

　　有限元方法是在20世紀(jì)40年代被提出，后來(lái)這種方法得到發(fā)展并被非常廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題中。有限元法是以變分原理為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。應(yīng)用變分原理，把所要求解的邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問(wèn)題，利用對(duì)場(chǎng)域的剖分、插值離散化變分問(wèn)題為普通多元函數(shù)的極值問(wèn)題， 進(jìn)而得到一組多元的代數(shù)方程組， 求解代數(shù)方程組就可以得到所求邊值問(wèn)題的數(shù)值解。一般要經(jīng)過(guò)如下步驟：

　　①區(qū)域離散化。即將場(chǎng)域或物體分為有限個(gè)子域，如三角形、四邊形、四面體、六面體等；

　?、谶x擇插值函數(shù)。選擇插值函數(shù)的類型如多項(xiàng)式，用結(jié)點(diǎn)（圖形定點(diǎn)）的場(chǎng)值求取子域各點(diǎn)的場(chǎng)的近似值。插值函數(shù)可以選擇為一階（線性）、二階（二次）、或高階多項(xiàng)式。盡管高階多項(xiàng)式的精度高，但通常得到的公式也比較復(fù)雜；

　?、鄯匠探M公式的建立?？梢酝ㄟ^(guò)里茲方法或者迦遼金方法建立；

　?、?選擇合適的代數(shù)解法求解代數(shù)方程， 即可得到待求邊值問(wèn)題的數(shù)值解。

　?。?）矩量法（MoM）

　　矩量法是計(jì)算電磁學(xué)中最為常用的方法之一。自從20世紀(jì)60年代Harrington提出矩量法的基本概念以來(lái)，它在理論上日臻完善，并廣泛地應(yīng)用于工程之中。特別是在電磁輻射與散射及電磁兼容領(lǐng)域，矩量法更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。矩量法的基本思想是將幾何目標(biāo)剖分離散，在其上定義合適的基函數(shù)，然后建立積分方程，用權(quán)函數(shù)檢驗(yàn)從而產(chǎn)生一個(gè)矩陣方程，求解該矩陣方程，即可得到幾何目標(biāo)上的電流分布，從而其他近遠(yuǎn)場(chǎng)信息可從該電流分布求得。

　　根據(jù)算法原理，表1歸納對(duì)比了MoM和FEM兩種算法的性能特點(diǎn)。

　　至于ADS自帶的FEM仿真器與HFSS的FEM仿真器，算法原理上并無(wú)大區(qū)別，但在軟件算法引擎程序的具體實(shí)現(xiàn)方法以及邊界條件的設(shè)定上有區(qū)別。此外，ADS 可以仿真有源器件而HFSS不能。

　　表1 MoM和FEM兩種算法的性能特點(diǎn)對(duì)比

　　2 各種基板聯(lián)合仿真的具體建模方法

　　和相應(yīng)建模復(fù)雜度及仿真時(shí)間對(duì)比本文作者從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出以下幾種射頻功率放大器裸芯和基板聯(lián)合仿真方法：具體的輔助軟件操作方法可參考［2，3］。

　　方法1 ： 裸D i e 電路原理圖 + 基板Momentum仿真

　　第1步：在ADS里，將設(shè)計(jì)好的PA基板版圖（layout）在鉤掛有源器件、無(wú)源器件、外接電源處進(jìn)行ADS端口（PORT）設(shè)置，如圖2（a）所示。所創(chuàng)建的基板EM襯底文件（.subst）如圖2（b）所示。

　　第2步：在進(jìn)行ADS EM 仿真設(shè)置時(shí)，要?jiǎng)?chuàng)建Symbol并選擇Symbol類型為L(zhǎng)ayout look-like，運(yùn)行Momentum Microwave EM 仿真。仿真完畢會(huì)自動(dòng)更新Symbol。

　　第3步：在ADS原理圖里，將第2步所仿真好的PA基板版圖Symbol與封裝在Symbol里的PA 裸Die電路鉤掛起來(lái)，如圖3所示。

　　第4步：運(yùn)行第3步設(shè)置好的聯(lián)合仿真。

　?。╝） 基板Momentum仿真端口設(shè)置

　　（b） 基板EM襯底設(shè)置

　　圖2 基板Momentum 仿真設(shè)置和創(chuàng)建的基板EM襯底文件

　　方法2：裸Die電路原理圖 + 基板HFSS仿真（Lumped端口不去嵌）

　　第1步：在ADS里，將設(shè)計(jì)好的PA基板版圖（layout）導(dǎo)入到HFSS里建模。在鉤掛有源器件、無(wú)源器件、外接電源處進(jìn)行HFSS集總端口（LumpedPORT）設(shè)置，如圖4所示。方法2中的Lumped端口不去嵌（Deembed）。

　　第2步：運(yùn)行HFSS仿真，仿真完畢后導(dǎo)出N端口S參數(shù)文件（.SNP）。

　　第3步：在ADS原理圖里，將第2步HFSS仿真所得到的PA基板版圖S參數(shù)文件與封裝在Symbol里的PA 裸Die電路鉤掛起來(lái)，如圖5所示。

　　第4步：運(yùn)行第3步設(shè)置好的聯(lián)合仿真。

　　圖3 裸Die電路原理圖 + 基板Momentum聯(lián)仿設(shè)置整體圖

　　方法3：裸Die電路原理圖 + 基板HFSS仿真

　?。↙umped端口去嵌）方法3步驟同方法2，不同之處在導(dǎo)出N端口S參數(shù)文件前將所有端口去嵌。

　　圖4 基板HFSS仿真設(shè)置

　　圖5 裸Die電路原理圖 + 基板HFSS聯(lián)仿設(shè)置整體圖

　　方法4：裸Die版圖Momentum仿真 + 基板HFSS仿真

　　第1步：將設(shè)計(jì)好的PA裸Die版圖（本例使用Cadence Virtuoso）導(dǎo)入到ADS layout里。

　　第2步：由于完整的PA裸Die版圖EM仿真需要設(shè)置的端口非常多，仿真所需資源和內(nèi)存也相應(yīng)非常大，在目前中等配置的仿真硬件系統(tǒng)需要非常長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，甚至無(wú)法運(yùn)行。方法4通常需要簡(jiǎn)化PA裸Die版圖。鑒于高頻寄生主要影響PA的輸出級(jí)，方法4中PA Die版圖只保留輸出級(jí)和焊盤（PAD），并把所有有源器件和電阻去掉。然后類似于方法1中的第1步對(duì)簡(jiǎn)化版圖進(jìn)行ADS端口設(shè)置，每個(gè)連接三極管的地方需要設(shè)置3個(gè)PORT分別對(duì)應(yīng)各極。如圖6所示。

　　第3步：類似于方法1中的第2步，在ADS里創(chuàng)建Symbol并選擇Symbol類型為L(zhǎng)ayout look-like，運(yùn)行Momentum Microwave EM 仿真。仿真完畢會(huì)自動(dòng)更新Symbol。

　　第4步：按方法2中第1-2步得到PA基板的HFSS仿真S參數(shù)文件。

　　第5步：在ADS原理圖里，將本方法第1-3步所仿真好的PA裸Die版圖Symbol與HFSS仿真所得到的基板S參數(shù)文件鉤掛起來(lái)。

　　第6步：運(yùn)行第5步設(shè)置好的聯(lián)合仿真。

　　圖6 簡(jiǎn)化PA裸Die版圖和ADS端口設(shè)置

　　方法5：裸Die版圖Momentum仿真 + 基板Momentum仿真

　　第1步：同方法4中的第1-3步，對(duì)PA裸Die版圖進(jìn)行Momentum仿真，得到PA裸Die版圖仿真EMModel。

　　第2步：同方法1中的第1-2步，對(duì)PA基板版圖進(jìn)行Momentum仿真，得到PA基板版圖仿真emModel。

　　第3步：在ADS原理圖里，將本方法第1步所仿真好的PA裸Die版圖EM Model與缺失的有源、無(wú)源器件以及本方法第2步所仿真好的PA基板版圖emModel鉤掛起來(lái)，局部如圖7所示。

　　第4步：運(yùn)行第3步設(shè)置好的聯(lián)合仿真。

　　圖7 PA裸Die版圖emModel 鉤掛有源、無(wú)源器件（局部）

　　方法6：裸Die版圖 + 基板ADS嵌套技術(shù)

　?。∟ested Technology）仿真ADS嵌套技術(shù)（Nested Technology）仿真方法詳見ADS Help。本例的仿真版圖嵌套設(shè)置和所創(chuàng)建的嵌套襯底文件如圖8所示。

　?。╝） ADS嵌套技術(shù)仿真端口設(shè)置

　?。╞） 基板嵌套裸Die EM襯底設(shè)置

　　圖8 本例的仿真版圖嵌套設(shè)置和所創(chuàng)建的嵌套技術(shù)襯底文件

　　本例采用上述各種基板聯(lián)合仿真方法對(duì)自主研制的PA芯片（PA#L03）進(jìn)行仿真，其相應(yīng)建模復(fù)雜度及仿真時(shí)間對(duì)比總結(jié)如表2所示（仿真系統(tǒng)配置：雙核 3.2GHz CPU、16GB 內(nèi)存、64位機(jī); 仿真軟件版本：ADS 2014、HFSS 15.0）。

　　表2 各種基板聯(lián)合仿真方法的建模復(fù)雜度及仿真時(shí)間對(duì)比

　　3 各種基板聯(lián)合仿真的結(jié)果、電路原理圖ADS仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

　　本例的PA#L0 3 芯片研制生產(chǎn)后進(jìn)行了調(diào)試測(cè)試。上述各種基板聯(lián)合仿真的結(jié)果、電路原理圖ADS仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表3所示（C1_1，C1_2，C2分別代表第1段匹配第1、2個(gè)電容和第2段匹配電容； Pout是輸出功率； Pin是輸入功率； PAE是功率附加效率）。圖9對(duì)表3中的數(shù)據(jù)作了更直觀的比較。

?

　　表3 各種基板聯(lián)合仿真方法的仿真結(jié)果、電路原理圖ADS仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

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　　圖9 表3數(shù)據(jù)的直觀比較

　　4 結(jié)論

　　本文以自主研制的射頻功率放大器芯片為例，從仿真器的算法理論、聯(lián)合仿真的具體建模方法、建模復(fù)雜度、仿真時(shí)間、對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果等幾個(gè)方面對(duì)幾種常用的基板聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了比較探討，嘗試歸納總結(jié)出對(duì)實(shí)際射頻功率放大器芯片工程設(shè)計(jì)可能有幫助的以下幾點(diǎn)仿真經(jīng)驗(yàn)（針對(duì)當(dāng)前所使用軟件版本）：

　?。?）電路原理圖ADS仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果已經(jīng)比較接近，但為了提高仿真準(zhǔn)確度，建議盡量進(jìn)行基板EM聯(lián)合仿真。

　?。?）采用HFSS設(shè)置Lumped端口仿真基板，不去嵌（方法2）比去嵌（方法3）的仿真結(jié)果更接近實(shí)測(cè)結(jié)果。

　?。?）采用裸Die電路原理圖+基板EM仿真的方法（方法1，2）比電路原理圖ADS仿真結(jié)果更接近實(shí)測(cè)結(jié)果：靜態(tài)電流相差約22%; 輸出功率相差約0.8～1.6dB; 效率相差約11%～33%。從準(zhǔn)確角度上看，方法1和方法2相差不大；但利用HFSS的方法2比利用Momentum的方法1仿真時(shí)間要少很多，這從FEM和MoM的算法原理上是可以理解的。

　?。?）采用裸Die版圖EM仿真+基板HFSS仿真的方法（方法4）在輸出功率和增益的仿真上比方法1，2更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，但耗時(shí)較長(zhǎng)，且對(duì)效率的仿真不夠準(zhǔn)確。

　?。?）采用裸Die版圖EM仿真+基板Momentum仿真的方法（方法5）并不準(zhǔn)確且耗時(shí)長(zhǎng)，不推薦采用。

　?。?）采用ADS 嵌套技術(shù)（方法6）并不準(zhǔn)確且耗時(shí)長(zhǎng)，也不推薦采用。