人們習(xí)慣上將高于數(shù)百兆赫茲的頻率稱為射頻（RF）或者微波（MW）。射頻集成電路在近十年內(nèi)得到廣泛重視，并在無線通信領(lǐng)域取得快速發(fā)展。目前射頻電路在 WiFi802.11a/b/g、超寬帶和藍牙技術(shù)等不斷擴充而在更復(fù)雜的無線通信中被廣泛應(yīng)用。

RF電路特點

射頻電路的設(shè)計一向是很困難的，由于缺乏恰當(dāng)?shù)?a target="_blank">檢測儀器，使高頻信號的分析復(fù)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)來推斷電路特性。隨著工程師們在同一塊芯片上實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路和射頻電路，種種集成問題就使這一問題進一步復(fù)雜化。

射頻電路中尚缺乏準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，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識和分析，這些潛在的影響大多會結(jié)合在一起，從而使最初的硅片存在各種問題。

射頻電路系統(tǒng)級的準確而快速的仿真工具還比較缺乏。即使有了準確的元器件模型，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)也會對電路的性能產(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電路的物理版圖進行全面的電磁場分析，但是由于它的計算量過于龐大而變得不現(xiàn)實。

RF電路對EDA工具的要求

利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。由于RF電路的特殊性，它對EDA 工具也有特殊的要求。

用于微波射頻IC設(shè)計的電路分析方法

射頻和微波集成電路設(shè)計一般都在頻域進行，因為微波元件、傳輸線的模型都是在頻域給出的，而且高頻系統(tǒng)的性能用頻域來描述更為直接。當(dāng)然通過對時域瞬態(tài)分析的數(shù)據(jù)進行傅氏變換也可以獲得頻域結(jié)果。

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)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)，計算速度比較快，適用于弱的非線性電路;諧波平衡法實際上是時域和頻域結(jié)合的一種分析非線性電路的方法，它避免了時域法中的瞬態(tài)求解過程，具有很高的分析效率。頻域分析可計算電路的非線性特性，如放大器的諧波、IIP3、IM3、混頻器的頻譜分布、變頻增益、振蕩器的非線性振蕩平衡條件、諧波特性等。

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（自動增益控制）電路的增益控制過程等。

電磁場分析

電磁場分析在射頻微波集成電路的設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在高頻元件的仿真、建模、驗證和互連線高頻效應(yīng)分析。在微波射頻電路中電阻、電容，特別是電感元件都要考慮分布效應(yīng)。雖然對特定的電感可以通過實測的方式得到參數(shù)值，但對于很多特殊情形還需設(shè)計者自己考慮以保證設(shè)計精度。對于電容元件，高頻條件下不同的連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，一是面積因素，盡量在較小的面積內(nèi)達到電路性能;二是各種元件之間的相互影響。集成電路進入深亞微米階段，互連線是嚴重影響電路性能的重要組成部分，不僅要考慮分布電容，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行電路匹配，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、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算機資源，因而在微波和射頻電路設(shè)計中被廣泛采用。

電路設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計

電路的設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行的，與系統(tǒng)設(shè)計密不可分。功能電路單元要從系統(tǒng)的角度來考察驗證，尤其高度集成的單片射頻系統(tǒng)芯片本身就是一個系統(tǒng)。因此系統(tǒng)設(shè)計手段也被應(yīng)用到 RFIC的設(shè)計中，要求電路單元與系統(tǒng)模型能夠協(xié)同仿真。由于單片系統(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)時間，系統(tǒng)設(shè)計需要深入到芯片內(nèi)部。EDA工具將系統(tǒng)設(shè)計和芯片設(shè)計結(jié)合起來，可以優(yōu)化系統(tǒng)的性能，提高芯片的成品率，降低研發(fā)成本，加速產(chǎn)品的市場化進程。

主流RF EDA軟件和算法

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HFSS、Designer 軟件以及CST，其次是比較小型的AWR、Serenade 等電路設(shè)計軟件。這些EDA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)值分析方法來進行仿真的。

基于矩量法仿真的微波EDA仿真軟件

基于矩量法仿真的EDA軟件主要包括ADS（Advanced Design System）、Sonnet電磁仿真軟件、IE3D和Microwave office。

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，它允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)用戶的需要自動產(chǎn)生關(guān)鍵的無源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(shè)計和分析。尤其是其強大的仿真設(shè)計手段可在時域或頻域內(nèi)實現(xiàn)對數(shù)字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優(yōu)化，并可對設(shè)計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，使之成為設(shè)計人員的有效工具。

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)計系統(tǒng)以及在微波、毫米波領(lǐng)域和電磁兼容/電磁干擾設(shè)計的EDA工具。Sonnet應(yīng)用于平面高頻電磁場分析，頻率從一MHz到幾千GHz。

IE3D是一個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)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)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個非常有用的工具。

Microwave Office軟件是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。對于由集總元件構(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，包括濾波器智能綜合、智能負載牽引，提高對存在的回路的電磁仿真，包括振蕩器相位噪聲分析和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。

基于有限元的微波EDA仿真軟件

基于有限元的典型仿真軟件是Ansoft HFSS。Ansoft HFSS 是世界上第一個商業(yè)化的三維結(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)用于無線和有線通信、計算機、衛(wèi)星、雷達、半導(dǎo)體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域。

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)標(biāo)準的建模系統(tǒng)，提供了功能強大、使用靈活的宏語言，直觀的后處理器及獨有的場計算器，可計算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場，并可利用Optimetrics對任意的參數(shù)進行優(yōu)化和掃描分析。使用Ansoft HFSS，可以計算：基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠場輻射問題;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?；蛑C振解。

基于時域有限差分的微波eda仿真軟件

基于時域有限差分的仿真軟件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELITY和IMST Empire。

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EDA工具，是基于PC機Windows環(huán)境下的仿真軟件。它主要應(yīng)用于復(fù)雜設(shè)計和更高的諧振結(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)分離成更小的子單元，通過對系統(tǒng)每一個單元行為的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)存。

FIDELITY是基于非均勻網(wǎng)格的時域有限差分方法的全三維電磁場仿真器，可以解決具有復(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。

IMST Empire是一種3D電磁場仿真軟件。它是一種基于3D的時域有限差分的方法，這種方法已經(jīng)變成RF元件設(shè)計的標(biāo)準。它的應(yīng)用范圍從分析平面結(jié)構(gòu)、互聯(lián)的多端口集成到微波波導(dǎo)、天線、EMC問題。Empire基本覆蓋了RF設(shè)計3D場仿真的整個領(lǐng)域。根據(jù)用戶定義的頻率范圍，一次仿真的運行，就可以得到散射參數(shù)、輻射參數(shù)和輻射場圖。

RF EDA 工具的發(fā)展趨勢

整個電子過程中仿真是最花費人力、時間，且占用EDA 工具資源最多的一個環(huán)節(jié)。設(shè)計活動通常會花80% 的時間來仿真，即驗證設(shè)計功能的有效性、測試設(shè)計的精度、處理各種折衷和保證設(shè)計的交接。故改善對設(shè)計周期影響最大的EDA仿真工具，正是20世紀90年代EDA工具開發(fā)者攻堅的主要方向。

元器件模型在短期內(nèi)仍然是研究重點

為了使得EDA工具能有準確的仿真結(jié)果，射頻電路中的元件模型一直是研究的重點問題。由于射頻電路的設(shè)計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認識，其相關(guān)的EDA工具也因此比較缺乏，目前射頻電路的設(shè)計遠遠不如數(shù)字電路的設(shè)計自動化程度高。許多在射頻電路中比較關(guān)鍵的元件，如電感、電容等，仍缺乏比較實用的準確等效電路或者集準模型。而稍復(fù)雜的元件，如變壓器、不平衡變壓器（balun）等的深入研究更是缺乏，有效模型幾乎處于真空狀態(tài)，但它們在實際的電路中運用卻相當(dāng)普遍。因此，RF EDA工具的短期發(fā)展趨勢，將會是各大EDA工具開發(fā)商投入大量精力開發(fā)尖端的元器件模型。

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

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)字電路確定之后，布局布線的差異一般而言不會帶來電路功能性的根本變化。而在射頻電路中，即使擁有比較準確的元器件模型，用這些元器件組成電路之后，采用不同的布局方法，仍將會對電路性能帶來極大的差異。因為元器件之間的各種耦合效應(yīng)也會對電路的性能產(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電路的物理版圖進行全面的電磁場分析，但是由于它的計算量過于龐大而變得不現(xiàn)實。因次，尋求電路系統(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候主要考慮的問題。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)提取方法使得計算量較小很有可能成為一個研究的難點。

混合信號的EDA 工具將是長期開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前的EDA工具主要集中在數(shù)字電路的設(shè)計工具方面，它們遠比模擬電路和射頻電路的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，因為物理量本身是以模擬形式存在的，也離不開射頻電路，因為無線通信已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)交互的一個重要途徑。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，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)計整套EDA工具在短期內(nèi)仍然存在很多技術(shù)難點。