近幾年，隨著全球從4G到5G的演進(jìn)，對于以智能手機(jī)為代表的移動終端設(shè)備來說，射頻模塊需要處理的頻段數(shù)量和頻率大幅增加，帶來手機(jī)內(nèi)部射頻模塊的復(fù)雜度加劇，整個射頻系統(tǒng)的高效且精準(zhǔn)的分析變得越來越重要。

工程師提出了很多亟待解決的問題：

有沒有什么辦法可以快速評估射頻通道的信號質(zhì)量？

如何調(diào)節(jié)各個射頻器件或模組之間的匹配？

有沒有一種可靠的方法，能夠在降低物料成本的同時提高調(diào)試效率？

有沒有辦法，能夠規(guī)避算力限制，縮短仿真分析的時間，從而加快產(chǎn)品上市的進(jìn)程？

1. 支持的頻段數(shù)量增加

相比于4G手機(jī)的2到4根天線，5G手機(jī)的天線數(shù)目增加到了8到12根，需要支持的頻段及頻段組合也在4G時代不超過10個頻段逐漸增加到幾十個頻段，各個band之間的匹配調(diào)試難度越來越大。同時，5G射頻復(fù)雜度和集成度的顯著提升，導(dǎo)致手機(jī)使用分立器件方案的射頻調(diào)試時間會增加到原來的3到5倍，僅僅通過工程師手動調(diào)試的方式已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品上市迭代的速度。工程師更需要在設(shè)計前期同步評估系統(tǒng)性能，借助于計算機(jī)輔助仿真的方式，模擬實際信號通道的質(zhì)量，從而加快產(chǎn)品上市的時間。

2. 空間約束帶來的模組集成化趨勢

射頻元器件的數(shù)目，與天線數(shù)目及頻段強相關(guān)，這意味著隨著5G頻段的出現(xiàn)，射頻元器件的數(shù)目出現(xiàn)了急劇地增長。與此同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，5G手機(jī)留給射頻前端的PCB面積是有限的，采用分立元件方案的面積大大超過了可用的PCB面積。在5G手機(jī)中，就自然出現(xiàn)了對“高性能和高集成度”模組的需求，同時對于模組的自動化建模流程提出了考驗：一方面，仿真工具需要確保能夠精準(zhǔn)抽取到模型材料和結(jié)構(gòu)特征，另一方面仿真工具需要將建模流程設(shè)置得盡量便利流暢，兩廂結(jié)合，才能切實地幫助工程師加速模組產(chǎn)品的開發(fā)流程。

3. 算力需求的增大挑戰(zhàn)傳統(tǒng)IT基礎(chǔ)設(shè)施

在整個射頻系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的流程中，仿真和驗證變得越來越重要，這時，他們往往需要調(diào)用大規(guī)模的算力集群。所以，傳統(tǒng)的射頻系統(tǒng)工程仿真分析高度依賴于包括高性能計算集群在內(nèi)的IT基礎(chǔ)架構(gòu)。在這樣大的算力環(huán)境下，整個集群算力的管理和調(diào)度、算力集群和存儲系統(tǒng)的交互，需要一支非常專業(yè)的IT團(tuán)隊進(jìn)行操作。同時，隨著設(shè)計周期和上市時間的縮短，仿真分析對高性能計算的需求時常波動很大，且具有不可預(yù)測性，基于滿足峰值需求來創(chuàng)建IT基礎(chǔ)設(shè)施對于眾多設(shè)計企業(yè)來說，不僅變得很有挑戰(zhàn)而且也不經(jīng)濟(jì)。云技術(shù)的無限算力與EDA技術(shù)融合，可以為開發(fā)者提供實時可用的算力、更加靈活高效的開發(fā)環(huán)境、更加優(yōu)化的成本，并縮短產(chǎn)品上市時間。EDA上云正在成為一種趨勢。

手機(jī)終端中射頻鏈路主要包含PCB板，有源器件（PA放大器、開關(guān)等）和無源器件（電阻、電感、電容）。PCB板從早期的單層、雙層，到高密度多層板方向發(fā)展，其主要特點就是線寬和線間距逐漸縮小，同時所帶來的電磁效應(yīng)不可忽略。PCB版圖一般由EDA設(shè)計工具生成，有源器件的模型一般由廠家提供的S參數(shù)表征，無源器件一般由Murata等廠商提供。芯和半導(dǎo)體提供了一整套關(guān)于射頻通道質(zhì)量分析和優(yōu)化的解決方案（見圖1），包含無源電磁提取、鏈路仿真和場路協(xié)同仿真。通過自動化的仿真流程，為工程師提供了更大的靈活性。

圖1.芯和射頻系統(tǒng)仿真工具XDS仿真流程

1. 射頻PCB和模組無源結(jié)構(gòu)建模仿真

在5G通信系統(tǒng)中，射頻通道發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，射頻系統(tǒng)的性能好壞會直接決定通信質(zhì)量的好壞。芯和半導(dǎo)體的XDS工具集成了高精度2.5D全波電磁場求解器，針對射頻PCB中的無源結(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確分析過孔和傳輸線的效應(yīng)。設(shè)計者可以將設(shè)計文件直接導(dǎo)入到XDS中完成建模，利用其強大的版圖編輯功能，工程師可靈活地對版圖進(jìn)行操作。在XDS中能夠方便快捷的進(jìn)行疊層和材料的設(shè)置，并能夠根據(jù)器件信息自動添加端口，為整個建模和仿真流程提供了極大的便利性。

圖2.XDS中無源結(jié)構(gòu)建模

2. 電磁場和電路的聯(lián)合仿真

射頻系統(tǒng)包含發(fā)射端（TX）和接收端（RX），涉及到的器件眾多，包含功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、開關(guān)、雙工器、天線以及電阻、電容、電感等器件，除了對射頻 PCB進(jìn)行電磁場仿真之外，要想準(zhǔn)確的評估鏈路的質(zhì)量，還需要將上述器件與射頻PCB進(jìn)行場路聯(lián)合仿真，廠家一般會提供這些器件的S參數(shù)模型用于電路仿真。XDS可以生成電磁場仿真模型的symbol，再與器件S參數(shù)模型進(jìn)行電路級聯(lián)，為用戶提供更便捷的場路聯(lián)合仿真方案（見圖3）。

圖3.XDS場路聯(lián)合仿真

3. 匹配調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化

由于成本控制的要求和手動調(diào)試難度加大，在匹配調(diào)節(jié)設(shè)計的過程中，我們通常希望通過仿真的手段在不同的參數(shù)組合中尋找到性能更優(yōu)的目標(biāo)參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)的匹配設(shè)計。XDS中提供了一系列的優(yōu)化模塊（見圖4），可以幫助用戶實現(xiàn)快速的匹配設(shè)計。借助XDS中的參數(shù)化優(yōu)化、目標(biāo)優(yōu)化、敏感度分析、統(tǒng)計分析、實時調(diào)諧等優(yōu)化功能模塊，設(shè)計者可以快速實現(xiàn)匹配電路中器件的優(yōu)化設(shè)計，快速找到物料成本最低并且性能最好的參數(shù)組合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計。使用仿真手段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計已成為產(chǎn)品研發(fā)的常態(tài)，XDS仿真軟件具備多種優(yōu)化分析工具，能夠協(xié)助設(shè)計者快速找到仿真優(yōu)化設(shè)計最優(yōu)解，幫助企業(yè)更高效完成更具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品設(shè)計。

圖4.XDS中優(yōu)化匹配方法

4. EDA+云

解決了前面幾個挑戰(zhàn)，面對越來越多設(shè)計企業(yè)對仿真算力的需求，芯和半導(dǎo)體發(fā)布了“電子系統(tǒng)設(shè)計仿真云平臺”解決方案。該平臺已登錄包括微軟Azure、亞馬遜AWS、華為云在內(nèi)的全球領(lǐng)先的云服務(wù)平臺，全面進(jìn)入EDA云平臺時代，保證了高性能EDA仿真任務(wù)所需的擴(kuò)展性和敏捷性。

芯和半導(dǎo)體“電子系統(tǒng)設(shè)計仿真云平臺”解決方案（圖5）集成了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)，使芯片、封裝、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。芯和云平臺解決方案通過使用優(yōu)秀的管理系統(tǒng)和管理策略，達(dá)到資源統(tǒng)一分配和管理，不僅增加了各計算中的資源利用率，降低了計算中心的維護(hù)和部署成本，同時發(fā)揮芯和仿真軟件的多尺度電磁引擎、智能網(wǎng)格與并行計算能力，為電子系統(tǒng)設(shè)計中的芯片，封裝，PCB，系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模復(fù)雜電磁場仿真提供了可能。

圖5. Xpeedic EDA 云平臺架構(gòu)

芯和半導(dǎo)體的XDS射頻系統(tǒng)仿真平臺基于自主知識產(chǎn)權(quán)的電磁場算法技術(shù)，支持多核并行和分布式并行，非常適合云環(huán)境的應(yīng)用，并通過自帶的調(diào)度程序JobQueue，管理計算資源和安排仿真作業(yè)的優(yōu)先順序，為工程師提供了高效的從射頻芯片、射頻模組到射頻系統(tǒng)的整體解決方案。云服務(wù)平臺能提供充沛的算力及彈性供給、及安全可靠的本地化IT 基礎(chǔ)設(shè)施。兩者有機(jī)結(jié)合，能為國內(nèi)的射頻設(shè)計企業(yè)提供快速響應(yīng)市場需求、自如伸縮計算資源的能力，極大地降低設(shè)計與仿真的耗時與成本。

1.產(chǎn)品介紹

XDS提供從原理圖的路級設(shè)計仿真到版圖結(jié)構(gòu)的設(shè)計與電磁仿真的全流程支持。XDS內(nèi)置線性電路網(wǎng)絡(luò)求解器與強大的多層結(jié)構(gòu)矩量法加速求解技術(shù)，可以支持進(jìn)行場路聯(lián)合仿真。XDS可導(dǎo)入主流第三方版圖設(shè)計文件，對版圖進(jìn)行切割，優(yōu)化，原理圖化分析仿真等。

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)計思路，可以幫助用戶抽象設(shè)計思想，提高底層電路模塊重復(fù)利用的效率。可以對原理圖進(jìn)行頻域掃描分析，Noise分析以及在基礎(chǔ)分析之上進(jìn)行高級分析。支持基本元件Element包含如R、L、C、S參數(shù)、Spice Netlist等；支持常用微帶線，帶狀線，同軸線等傳輸線；支持常用微帶結(jié)構(gòu)如階梯躍變、拐彎、T連接等；支持常用RF行為模型，如混合橋、定向耦合器、環(huán)形器、功分器、移相器、移時器等；支持理想傳輸線的基于電長度和物理長度配置的開路、短路模型；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L,C的庫導(dǎo)入管理。

版圖設(shè)計環(huán)節(jié)支持用戶進(jìn)行常規(guī)的2D幾何編輯，如支持對線、矩形、圓型、多邊形、扇形進(jìn)行布爾運算，并且支持對象的參數(shù)化設(shè)計。支持將外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入版圖設(shè)計環(huán)境，并支持版圖和原理圖之間的同步設(shè)計。XDS內(nèi)置強大的多層結(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。

XDS內(nèi)置Smith Chart功能，能夠為用戶提供便捷的匹配網(wǎng)絡(luò)生成功能。匹配元件包括L，C，R，Transformer等，可以支持一鍵將匹配網(wǎng)絡(luò)添加到原理圖。

為了輔助設(shè)計分析，軟件支持用戶對設(shè)計變量Tuning并實時觀察變量對結(jié)果的影響程度；XDS能夠優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，內(nèi)置了豐富的優(yōu)化引擎，如Quasi Newton(梯度)，Pattern Search, Genetic Algorithm，Random等；為了提高設(shè)計的魯棒性，內(nèi)置了DOE分析，平衡設(shè)計參數(shù)對設(shè)計目標(biāo)的影響，內(nèi)置Yield分析功能，通過設(shè)計變量的來評估設(shè)計指標(biāo)的性能分布。

圖6.射頻微波系統(tǒng)分析方案

2. 產(chǎn)品特色

XDS作為射頻系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺，可以對無源射頻電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、仿真、優(yōu)化分析，輸出插損、回?fù)p、隔離度等射頻指標(biāo)。獨特的SAW/BAW濾波器的設(shè)計流程，支持濾波器原理圖設(shè)計優(yōu)化和快速版圖生成。

XDS的主要特色有：

集成射頻系統(tǒng)原理圖與版圖設(shè)計環(huán)境，并支持多維度協(xié)同設(shè)計流程，包括原理圖-版圖協(xié)同設(shè)計、場-路協(xié)同仿真和芯片-封裝協(xié)同設(shè)計；

內(nèi)建專門為SAW/BAW濾波器定制的設(shè)計流程。支持常用拓?fù)涞囊绘I生成，BAW元件支持mBVD、Mason模型，SAW支持COM模型；

內(nèi)置多種業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的電磁仿真引擎和SAW仿真引擎，滿足射頻系統(tǒng)從DC至THz的仿真要求，內(nèi)嵌3D MoM Solver可以快速精確模擬復(fù)雜電磁效應(yīng)，充分考慮導(dǎo)體趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和多介質(zhì)損耗；基于2D RLGC求解器，可以對各種傳輸線進(jìn)行仿真；內(nèi)嵌線性電路網(wǎng)絡(luò)求解器（Linear Network Analyzer）；內(nèi)嵌COM仿真引擎，支持對SAW的優(yōu)化設(shè)計；

內(nèi)嵌多種算法以支持射頻系統(tǒng)和濾波器優(yōu)化、調(diào)諧、DOE和Yield分析，從而快速幫助用戶自動調(diào)優(yōu)，找出最佳設(shè)計點并提高產(chǎn)品良率；

內(nèi)置Smith Chart和強大的仿真后處理能力，以快速實現(xiàn)多端口網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配以及S參數(shù)后處理。

3. 主要功能

集成層次化的原理圖與Layout設(shè)計環(huán)境，便于用戶抽象設(shè)計思想，重復(fù)利用底層電路模塊，提高設(shè)計效率。并且能夠支持層次化設(shè)計后的場路聯(lián)合求解仿真；

支持版圖編輯與參數(shù)化，可以對版圖進(jìn)行基本圖形操作與可變圖形用戶參數(shù)定義；

支持原理圖中所有元件的參數(shù)化；

支持LC無源濾波器拓?fù)渖上驅(qū)?，可一鍵生成目標(biāo)濾波器拓?fù)洌?/p>

支持Smith Chart輔助用戶尋找匹配網(wǎng)絡(luò)，并將匹配網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入用戶原理圖；

支持Noise Figure仿真分析；

支持電路穩(wěn)定性分析（mu）；

新增一種端口類型Explicit Grounding；

新增理想傳輸線基于電長度和物理長度配置的開路、短路模型TMLE、TMLEOC、TMLESC、CTMLE、微波無源電路等；

支持Yield分析，利用設(shè)計參數(shù)和實際物理參數(shù)概率分布來評估設(shè)計指標(biāo)良品率。

審核編輯：湯梓紅