RF/Microwave EDA Tools Address Requirements for 5G Design, Simulation and Verification

是德科技，www.keysight.com

  （本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

Keysight PathWave Design 2021系列EDA工具专注于5G设计、仿真和验证。对于射频/微波应用，PathWave高级设计系统（ADS）解决了其他EDA工具无法满足的5G产品开发的三个关键要求：

•在多工艺模块上组装和执行3D电磁（EM）-电路联合仿真

•使用调制信号模拟性能，并使用5G调制标准验证性能

•分析多器件放大器在小信号和大信号下的稳定性

行业趋势

从4G到5G，工作频率增加了40倍，即从700MHz到2600MHz，再到28GHz到40GHz。系统集成的密度和复杂性在不断增加，例如，增加相控阵天线，数字调制已经取代了模拟调制。这些变化对射频/微波组件设计的影响有很多：

多工艺组件——设计流程需要支持多工艺组件（射频集成电路、MMIC、晶圆级封装、相控阵天线、层压板和PCB）组装和互连到密集、复杂的射频模块和子系统中。用于制造签核的设计规则检查（DRC）和布局与原理图对照（LVS）必须扩展到整个多工艺结构。

三维电磁效应——毫米波电磁效应会降低电路性能，增加损耗、耦合和频率偏移。因为意外的性能表现可能会导致重新设计，所以电路设计师需要在设计探索、调整和优化过程中了解封装和互连的三维电磁效应，而不仅仅是在完成设计的最终验证时。

EVM仿真——数字调制射频信号需要误差矢量幅度（EVM）作为电路设计和优化的新指标。3G和4G的传统模拟规则可能导致性能不符合规范或过度设计电路，从而导致更大的功耗。

稳定性——结合更高的晶体管增益（以抵消毫米波的高频损耗）和来自密集集成电路的不必要的耦合会导致放大器不稳定。需要分析非线性大信号条件下的放大器稳定性以避免不稳定的硬件。

历史设计流程不足以确保5G、汽车雷达和其他毫米波应用的设计成功。系统中的每个组件都不能独立设计；它们必须作为一个集成系统一起分析。从晶体管到天线远场，电磁、电路和电热分析应跨技术进行集成。用现有的设计工具来分析封装中的集成电路并非易事，而且在多工艺的三维结构中，分析电磁和真实信号几乎不可能理解调制波形的影响。Keysight利用其在测量和仿真领域的专业知识开发了PathWave ADS 2021来解决这些难题。

多工艺模块协同仿真

ADS 2021是一个基于开放存取（OA）数据库架构的开放式EDA平台，用于3D集成射频模块的高效组装和布线：

•基于OA的射频集成电路和芯片级天线布局（例如Virtuoso、EMPro）

•基于ODB++的PCB和层压板布局（例如Allegro、Expedition、Zuken）

•ADS本地MMIC和RF布局

一种称为SmartMount的独特组装技术可自动处理不同的单位（例如集成电路为µm和nm；PCB和层压板为mm、mil和英寸）、方向（例如顶部/底部安装、倒装芯片）和相邻技术叠加定义。组装完成后，ADS布局表现为一个封装和一个IC布局工具：构建像IC工具一样的分层子结构和像封装工具一样的“规避路径”3D互连。这使得构建和组装包变得简单明了，同时也考虑了封装对IC性能的影响（图1）。另一个称为模块级DRC和LVS的独特功能确保了构建硬件的多工艺模块的正确性。

ADS 2021中的RFPro是一种自动化的三维电磁-电路协同仿真功能，能够轻松分析设计的任何部分的电磁性能，而无需在布局图上局部切割和对端口、接地参考和三维电磁仿真参数进行繁琐的设置。三维电磁分析结果自动与电路仿真相结合，即时分析封装、互连和耦合对电路性能的影响。这使得电路设计师能够无缝地执行三维电磁分析和电磁-电路协同仿真，避免了手动设置发生错误或等待稀缺的专家来执行电磁分析。其结果是电磁-电路协同仿真的速度快了一个数量级：从数周和数月到数秒和数分钟。

电路EVM仿真

5G、汽车雷达、Wi-Fi 6E和IoT——几乎所有的无线应用——都采用数字调制信号，而EVM是测量数字调制电路或系统的线性性能的常用指标。特别是随着信号带宽和调制密度的增加，传统的经验法则如P1dB或IP3作为线性指标已经过时。

ADS 2021拥有第一个电路EVM仿真功能，使用Keysight的快速EVM测量和紧凑的测试信号算法（图2）。该功能使设计人员能够调整和优化EVM的设计，从而在设计数字调制组件或系统时不需要不准确的经验法则和猜测。

ADS 2021还在预配置的5G虚拟测试台（VTB）中提供Keysight的仪器级5G源和解调算法，从而避免了5G符合性测试的复杂设置。VTB在硬件构建之前为RF组件设计提供精确的符合性验证，从而在开发周期的早期建立信心。

电信号稳定性

随着在毫米波频率（5G和汽车雷达，分别为40和77GHz）中的应用，晶体管的增益已经增加以抵消毫米波的损耗。然而，高增益和密集集成增加了不稳定放大器发生意外耦合的风险。ADS 2021提供了一个独特的放大器稳定性分析工具，称为Winslow技术，一个统一的仿真取代了28个分立的仿真（图3）。这个单一、全面的稳定性分析工具可评估放大器在小信号和大信号工作区的稳定性。

小结

Pathwave ADS 2021能够为5G和其他无线应用设计、仿真和验证射频集成电路（RFIC）、MMIC、射频模块和射频PCB组件和子系统。使用ADS 2021进行设计，公司可以对其设计过程有更大的信心，并早期实现设计成功。

图1：60GHz多工艺WiGig模块在ADS中组装和仿真。来源：Global Foundries和Fraunhofer IIS/EAS/IZM。

图2：ADS 2021使用Keysight的测试信号和失真EVM算法实现了数字调制信号电路的快速EVM仿真。

图3：ADS 2021中的Winslow稳定性分析工具将所有传统稳定性测试与一个仿真相结合。