無線是我們這個時代最大的特點(diǎn)，無論是移動寬帶，還是衛(wèi)星導(dǎo)航，無人機(jī)，智能駕駛，都離不開射頻技術(shù)的快速發(fā)展。而射頻設(shè)計中，發(fā)展最快的當(dāng)屬射頻集成電路的發(fā)展。

對于數(shù)字集成電路，我們很多人都見證了計算機(jī)CPU的發(fā)展，從早期的386，486，到后來的酷睿，以及到現(xiàn)在的多核CPU。芯片正在以摩爾定律的速度飛速發(fā)展著，而且可能在今后很長一段時間都會按照摩爾定律的速度發(fā)展。

但有一類芯片則走出了自己的道路，那就是射頻集成電路。這種在高頻工作的芯片，在走一條自己的道路：從原來的分立器件設(shè)計，既使用低頻模擬設(shè)計技術(shù)，又使用微波電路設(shè)計的方法，將射頻電路中的調(diào)制解調(diào)器，振蕩器，混頻器，放大器，濾波器甚至天線集成到一個SOC中，來實(shí)現(xiàn)信息在電磁波中的傳輸。

常見射頻系統(tǒng)

通常一個射頻系統(tǒng)有如下部分組成，其中

天線負(fù)責(zé)信號的發(fā)射和接收，完成傳導(dǎo)射頻信號到空間電磁波的轉(zhuǎn)換；

濾波器負(fù)責(zé)信號的過濾，通常為帶通濾波器，只允許需要的信號發(fā)射出去或者接收進(jìn)來，濾除無用信號和干擾。

低噪聲放大器用來放大微弱的接收信號，并減小噪聲對信號的干擾。

功率放大器則將發(fā)射路徑的小信號放大到一定的功率電平，以保證遠(yuǎn)距離的無線傳輸。

調(diào)制器則用于信號調(diào)制，對信號進(jìn)行信道編碼，以滿足通信信道的要求。通常是“上變頻“，把信息加載到射頻載波上。

解調(diào)器則是對接收到的信號進(jìn)行解碼，從射頻載波中恢復(fù)原始信號。

下面我們結(jié)合網(wǎng)絡(luò)上的資料學(xué)習(xí)一下RFIC設(shè)計的主要流程和發(fā)展趨勢。

No.1 RFIC 主要技術(shù)簡介

RFIC開發(fā)技術(shù)主要取決于其應(yīng)用場景的要求，包括工作頻率范圍，帶寬，性能等等。SiGe（硅鍺）、GaAs（砷化鎵）、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和SOI（絕緣體上硅）都可用于RFIC開發(fā)，并且在RFIC設(shè)計領(lǐng)域各有其優(yōu)勢和應(yīng)用。

SiGe（硅鍺）：SiGe通常用于需要在微波和毫米波頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高頻性能平衡以及與CMOS技術(shù)中的數(shù)字元件集成的應(yīng)用。無線通信設(shè)備更喜歡SiGe技術(shù)。

GaAs（砷化鎵）：GaAs是高頻和高功率應(yīng)用的首選，例如雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因?yàn)镚aAs具有高電子遷移率。

CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）：CMOS技術(shù)具有成本效益，因此是在單個芯片上集成射頻和數(shù)字元件的有吸引力的選擇。此外，CMOS RFIC具有節(jié)能性，適用于智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)傳感器等電池供電的無線設(shè)備。

SOI（絕緣體上硅）：SOI技術(shù)在晶體管之間提供更好的隔離，從而減少串?dāng)_和干擾。低寄生電容還支持高頻操作。它最適合軍事和國防應(yīng)用。

No.2 RFIC設(shè)計流程

RFIC設(shè)計首先要定義RFIC的技術(shù)規(guī)格和要求，如頻率范圍、數(shù)據(jù)速率、功率規(guī)格等。然后，創(chuàng)建一個高級架構(gòu)，該架構(gòu)描繪了主要模塊并定義了它們的互連。使用高級架構(gòu)，可以創(chuàng)建一個行為模型，該模型是對設(shè)計的低級抽象。在此之后，為上述每個模塊創(chuàng)建電路設(shè)計，包括放大器、濾波器和振蕩器。最后，考慮到寄生元件和電磁兼容性（EMC）因素，為集成電路創(chuàng)建物理布局。

用于RFIC設(shè)計的一些EDA工具包括：Cadence Virtuoso RF Solution、Ansys HFSS、Agilent Genesys和Tanner EDA工具。

下圖是Agilent Genesys 的界面圖

No.3 RFIC的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

RFIC具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中不可或缺的組件。一些優(yōu)點(diǎn)是：

小型化和集成化：RFIC將無線通信所需的各種組件集成到單個芯片中。這些元件包括放大器、混頻器、振蕩器、濾波器和調(diào)制器/解調(diào)器。這種組件的小型化和集成降低了無線設(shè)備的尺寸、重量和成本，使其便攜且價格合理。

增強(qiáng)的性能：RFIC 可精確控制無線電信號的頻率、功率和調(diào)制，確保數(shù)據(jù)傳輸高效且無差錯。這對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍(lán)牙和衛(wèi)星通信等應(yīng)用至關(guān)重要。

頻率捷變：現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)通常在很寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，以避免干擾并最大限度地提高頻譜利用率。RFIC可以設(shè)計為支持頻率捷變，允許設(shè)備在不同頻段之間無縫切換。這種靈活性對于各種無線技術(shù)在同一環(huán)境中共存至關(guān)重要。

電源效率：RFIC被設(shè)計為高能效，以最大限度地降低功耗，同時保持無線通信系統(tǒng)的可靠性能。許多 RFIC 支持電壓調(diào)節(jié)，這允許器件根據(jù)所需的輸出功率調(diào)整其工作電壓。一些 RFIC 還實(shí)現(xiàn)了動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié) （DVFS），可根據(jù)信號強(qiáng)度和數(shù)據(jù)速率要求動態(tài)調(diào)整工作電壓和頻率。

提高信號質(zhì)量：RFIC包括濾波器和均衡器，可提高信號質(zhì)量，即使在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。

適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：無線通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議發(fā)展迅速。RFIC可以進(jìn)行配置或重新編程，以適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)和要求，而無需更改硬件。

RFIC給工程師和設(shè)計人員帶來了一些挑戰(zhàn)。RFIC設(shè)計人員和工程師面臨的一些挑戰(zhàn)包括：

成本：開發(fā)和制造 RFIC 可能非常昂貴，尤其是對于專業(yè)應(yīng)用或定制設(shè)計。

信號干擾：RFIC容易受到附近設(shè)備或環(huán)境因素的干擾。隨著越來越多的無線設(shè)備爭奪可用頻段，RFIC需要仔細(xì)的屏蔽和濾波，以應(yīng)對日益增加的干擾和擁塞。

散熱：在高頻下工作會產(chǎn)生熱量，管理熱問題可能具有挑戰(zhàn)性，尤其是在緊湊型設(shè)備中。

信號損耗：在高頻下，由于傳輸線損耗和天線效率低下等因素導(dǎo)致的信號損耗變得更加顯著，需要補(bǔ)償。

No.4 RFIC的未來趨勢

射頻集成電路（RFIC）領(lǐng)域有許多令人鼓舞的趨勢，其中一些如下所述：

毫米波和太赫茲頻率：在毫米波（mmWave）和太赫茲（THz）頻段工作的RFIC正受到廣泛關(guān)注。這些更高的頻率提供了大量的帶寬，可用于超快速無線通信，包括 5G 及以后。設(shè)計用于在這些頻率范圍內(nèi)工作的RFIC將實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更強(qiáng)大的通信系統(tǒng)，使其成為RFIC發(fā)展的首要趨勢。

節(jié)能物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 不斷發(fā)展，越來越多的設(shè)備需要無線連接。未來用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的RFIC將優(yōu)先考慮能源效率，以延長電池壽命，減少維護(hù)要求，并支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在從智能家居到工業(yè)自動化等各個行業(yè)的激增。

與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的集成：RFIC將越來越多地整合人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)功能。這些集成電路將使用 AI 算法進(jìn)行頻譜傳感、自適應(yīng)調(diào)制、干擾檢測和緩解以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等任務(wù)。這一趨勢將提高無線通信系統(tǒng)的效率和適應(yīng)性，特別是在動態(tài)和擁擠的環(huán)境中。

這三個趨勢反映了RFIC技術(shù)正在迅速發(fā)展的方向，以滿足先進(jìn)無線通信、新興技術(shù)的需求，以及對更快、更高效、更可靠的無線連接日益增長的需求。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，RFIC在實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)的無線連接和射頻信號處理方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

總之，射頻集成電路 （RFIC） 處于我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界的最前沿。這些專用集成電路可實(shí)現(xiàn)無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等。借助SiGe、GaAs、CMOS和SOI等技術(shù)，RFIC設(shè)計人員擁有了一個多功能工具包，可以滿足各種應(yīng)用的需求。EDA工具和半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步確保了RFIC將繼續(xù)發(fā)展，滿足對高性能、低功耗和高性價比解決方案日益增長的需求。由于RFIC能夠?qū)崿F(xiàn)無縫的信息交換，并為我們?nèi)粘Ｒ蕾嚨臒o線技術(shù)提供動力，因此它們在我們互聯(lián)生活中的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。RFIC的未來有望實(shí)現(xiàn)更大的創(chuàng)新，進(jìn)一步塑造現(xiàn)代通信和技術(shù)的格局。






審核編輯：劉清