（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

增强亚太赫兹射频EDA工作流程以应对6G挑战

5G系统一直是先进的射频电子设计自动化（EDA）工具的试验场。这些工具利用准确可靠的行为模型和真实波形来进行多域仿真。在一个可信赖的、准确的虚拟工作空间中，设计团队能够更高效地应对挑战，减少硬件的重新设计。

6G对元件、模块和系统的性能提出了多维度的重大改进。我们今天认为的对现实世界的毫米波效应所了解的一切，如复杂的调制、信道传播、信噪比、能源效率和电力输送，开始变得不同。图1说明了6G研究人员瞄准的具有较高连续带宽的潜在的亚太赫兹（THz）频率范围，尽管规范仍在变化中。

一个紧迫的问题是，今天在这些较高频率范围内的商用硬件非常少。D波段（110至170GHz）的硬件很少，而H波段（220至330GHz）更是几乎无人涉足。此外，有许多先进的技术，包括半导体工艺、测试和测量设备、建模和仿真技术以及人工智能（AI）的各个层面，还没完全到位，以应对6G的高期望值。

这对射频EDA的影响是巨大的。研究项目和概念验证设计曾经在真正的物理原型设计工作之前依赖于一些仿真，出于需要，它们将把大量的资源转移到虚拟空间，直到有更多的元件和测试及测量设备出现。最终，只有在利用下一代多域仿真平台来充分理解了满足严格要求的可预测的硬件设计，一切才可测量。

在正式的6G规范发布前几年，也许在最初的6G网络推出前十年，预测对射频EDA工作流程的所有需求仍然是一个充满争议的话题。然而，毫米波EDA的进展有助于在认真的6G系统设计计划之前确定亚太赫兹创新的领域，这是非常有价值的。主要的例子包括信道建模、混合信号环境以及应对6G挑战的可扩展的企业级解决方案。

信道测量和端到端信道建模

无线通信系统曾经享有选择最佳载波频率在空中传播的奢侈。这是在频谱稀缺和复杂的数字调制方案出现之前。管理信道意味着创建一个有足够余量的链接预算，以防止链路中断。

6G改变了信道的方程式。单个连接的数据速率期望值上升到每秒数百G字节，连接密度增长到每平方公里数百万台设备，而且较低的频率已被占用，迫使系统使用亚太赫兹频谱。这种环境并不理想。传播损失随着频率在亚太赫兹范围内的升高而攀升。建筑物、植被和地形等的反射会增加大气效应，如雨和浓雾。当系统在较低的信噪比环境中运行时，由于发射功率的限制，链路预算较紧张，任何干扰都有可能造成误差矢量幅度（EVM）下降和相应的误码率上升。

动态信道评估和建模成为6G研究的关键任务，这并不像它们看起来那么简单。载波频率、发射功率、同时使用的发射信道数量以及调制方案和波形都会影响结果。在这个阶段，6G的波形仍然是未知的，但通过对802.11ay特性的理解，有可能合成一个宽带亚太赫兹的波形，具有合适的互补累积分布函数（CCDF）和信道测量所需的其他特性。

推导出有用的6G虚拟信道模型始于物理测量。信道测量通过向信道发送一个复信号，在通过信道后捕获它并比较结果来测量脉冲响应。天线配置和环境中的反射路径有助于对信道损伤的理解。图2描述了一个带有暗室的基本测量设置，它提供了一个没有大气影响的最佳环境。

PathWave矢量信号分析仪（89600 VSA）软件中预先配置的程序可以自动完成信道测量。图3突出了信道在时域的脉冲响应（底部曲线），有助于评估延迟、反射和相位。

确保仿真和测试仪器之间的一致性对于可靠的结果至关重要。Keysight RF EDA环境的一个显著优势是，它使用了与相应测试和测量平台的相同分析引擎。PathWave System Design重用了PathWave Signal Generation的波形，并整合了PathWave 89600 VSA和其他分析仪的测量结果。在PathWave System Design中创建的虚拟模型可以表示6G射频信号端到端的链路，包括详细的信道建模，如图4所示。

早期的6G研究揭示了与射频信号链路同步的天线结构的准确性能仿真需求、综合建模和数字驱动控制。决策以毫秒为单位展开，随着信道行为的转变和设备的移动而调整配置和处理方式。一个具有挑战性的建模问题是，当天线以一个或多个波束向不同方向扫描时，捕捉到功率放大器和天线单元之间的更多相互影响。PathWave高级设计系统（ADS）模型，结合PNA-X网络分析仪的测量结果，将提供阻抗和功率放大器效率变化的详细视图。将该模型纳入PathWave系统设计中的射频系统级仿真可提高准确度。

评估具有非线性行为的混合信号的射频性能

历史上，射频设计主要是一门模拟学科。然而，现代通信系统具有更多的混合信号特征。数字调制已经是主流，在6G中随着更多点的星座和更紧密的间距的出现，其复杂性也在增加。对6G射频前端、功率放大器、混频器、滤波器、开关和其他元件的要求不断增加，以在更宽的带宽上实现可预测的性能。这使得准确的仿真变得至关重要。

在这些混合信号电路中，只需轻触一个数字开关，射频性能就会发生变化。诸如自适应增益控制、在特定条件下切换信号路径、相控阵和波束赋形等技术，以及数字减损补偿对于更有效地将信号从噪声中提取出来是必要的。射频EDA必须同时解决这些问题：

·         仿真器必须遵守复杂的事件序列，并跟上输入和信号电路状态变化时行为的快速变化

·         在选定的频率上进行采样，随着带宽的增加，会错过异常情况。

·         单域的仿真是不够的，随着多域的相互作用，会出现异常情况。

·         模型的复杂性必须扩大，以准确描绘行为、效果细节和相互作用。

使用几个精心挑选出来的频率进行详细仿真和测量验证的日子已经过去了。这种方法只适用于狭窄的带宽，当各点之间的插值线性特性不会出现意外时。在宽带条件下，非线性行为和功率、频率、时间、温度、负载和直流偏压之间的跨域相互作用可能会意外地结合起来，在带宽的任何一点上破坏混合信号电路。(参见《Microwave Journal》2022年7月《Solving EM Densification at the Point of Design》，了解更多关于射频跨域效应和真实信号的仿真。）

非线性行为建模在最先进的射频前端中至关重要，其中数字定时和控制旋钮可调整性能，同时为模拟数字转换准备信号。例如，ADI的ADMV8818可调谐滤波器为其状态机存储了多达128个状态，以监督预设的滤波器配置。ADI有一个为其前端参考设计建模的概念，并寻求Keysight的帮助，以构建一个查找表，来协调PathWave系统设计仿真中的状态。图5显示了每个状态下的一些变量，包括射频建立时间。在仿真中加入这些细节后，ADI调整了数字设置，在2-24GHz的工作范围内实现了更平坦的频率响应，与物理测量结果相匹配。

更多的非线性行为可能会出现在6G天线上。实现更高的频谱密度，对应于在一个给定的信道中传输更多的比特，需要结合各种技术。先进的高阶调制将数据比特更紧密地打包到符号中，但这些符号只有在到达射频前端时误差在可接受的范围内才有效。

6G研究人员正在研究三种技术，以突破信道干扰，并向更多的用户设备（UE），即6G网络中的设备，可靠地传输更多比特。这三项技术是：

·         全息波束赋形，利用无源电子导向阵列（PESA）优化波束的形状，与传统的相控阵相比，增加了到达接收端的能量，具有更高的分辨率。

·         超大规模MIMO，利用成千上万的天线单元与波束赋形相配合，帮助提高信号在更远距离上克服显著的亚太赫兹传播损失和干扰。

·         可重构智能表面（RIS），将反射天线单元纳入可编程结构，可能是3D IC形式。RIS旨在通过减少每个单元的射频信号电路处理要求来简化设计。

在非地面网络（NTN）中正在酝酿一场混合信号的变化。从低轨卫星和其他高空平台上发出的信号，由于距离的延长和卫星运动导致的多普勒频移，产生了大量的延迟。保持连接需要在信号链路的多个点上对这些影响进行持续的预补偿，包括每个UE。

应对这些挑战意味着系统级射频EDA工具必须为NTN生成准确的5G以及最终的6G消息序列和信道模型。端到端的数字孪生，在测量反馈的支持下，可以帮助找到合适的预补偿算法。图6展示了针对这一挑战的初步研究，结合了用于产生真实波形的PathWave信号生成、用于核心网络时序仿真的EXata、用于信道和运动学建模的PathWave系统设计和Ansys STK以及用于消息解码和时序分析的WaveJudge。

亚太赫兹的挑战和可扩展的EDA工作流程

到目前为止，这个讨论集中在射频系统级的仿真需求上。6G设计也将需要元件和模块层面的全带宽、多域、非线性仿真能力。因此，射频EDA将从单一目的、专门的工具按顺序分享数据过渡到更加集成、可扩展的企业级工具套件，提供全面的设计体验。有几个因素将推动这一转变，包括：

·         新的半导体和材料技术将要求新的射频设计架构。

·         较短的波长和较宽的带宽会暴露出隐藏在较低频率下的效应。

·         大幅提高封装和集成密度将使问题集中爆发。

·         在更高的频率和集成度上，可制造性将成为一个重大挑战。

先进的III-V族半导体材料正在射频和电力电子领域得到采用。虽然这些材料和工艺提供了新的可能性，但系统级的挑战将加剧，如更高的底噪和更低的输出功率。高峰均功率比（PAPR）信号在毫米波频率下挤入更窄的工作窗口，在亚太赫兹频率下动态范围将进一步下降。

另一个挑战涉及信号波长与器件、封装及其互连的相对尺寸所产生的影响。毫米波频率将设计推向三维导波系统，由于电流和元件的互动方式引入了额外的建模复杂性，而这个影响在较低的频率下可以被忽略。这方面的一个例子是三维电流和接地参考所带来的新挑战。损耗公式、耦合、共振和传输模式都发生了变化，影响到如何设置端口，如何进行接地参考，以及如何设计结构以抑制不需要的相互作用。在一个三维堆叠的环境中，电源和地线分布与信号完整性和稳定性有关。导波端口和激励类型需要新的校准，测量和探测技术以及封装也是如此。天线单元可以直接设计到封装中，如图7中的单片毫米波集成电路概念。虽然这减少了元件的数量和尺寸、重量和功率（SWaP），但也必须注意防止串扰、信号污染、EMI/EMC甚至是安全风险。

另一个转变是提高封装和集成密度的趋势。硅器件将与其他技术的射频前端模块相辅相成，并集成到异质异构封装中。这种模块化方法提高了产量，降低了制造成本，减少了技术风险，但它增加了工艺和工具的复杂性，同时也增加了互连、密度和系统的挑战。

流程设计套件（PDK）将在克服这些障碍方面发挥关键作用。当来自不同工艺和供应商的元件集成到一个模块中时，设计任务变得更加复杂，需要对电磁、热、稳定性和宽带调制性能进行共同验证。设计和PDK必须相互配合，以解决单一封装内的多种有效堆叠和尺寸问题。

最后，由于与较短的波长和材料特性有关的严格公差，毫米波和亚太赫兹的性能可能会有很大变化。集成电路和封装对机械和材料的可重复性以及热/环境的循环变得更加敏感。测量电缆、夹具、探头和校准也容易受到这些机械误差的影响，从而导致不确定性。这些复杂的环境带来漫长而昂贵的制造时间，建模、验证和故障排除过程需要更复杂的技能和精确的处理。所有这些因素都增加了设计成本，阻碍了创新的步伐。蒙特卡洛仿真和配合制造的设计技术可以提供帮助，但有些挑战在没有计算帮助的情况下是很难解决的。

可扩展的计算将是下一代EDA工作流程的一个基本要素。基于云的高性能计算（HPC）平台将在许多射频EDA工作流程中成为普遍现象，以最少的等待时间提供仿真结果，保持设计团队的高生产力并缩短上市时间。具有基于测量的仿真增强功能的数字孪生将在制造之前代表复杂的射频元件和子系统，实现在现实世界中不可能完成的射频系统级测试和故障排除。

为AI提供充足的空间，帮助完成6G设计

毫米波射频工作流程的复杂性正在变得难以应付，需要对整个射频EDA工作流程进行全面的数字化转型，为亚太赫兹时代做好准备。EDA供应商和代工厂已经在努力提高互操作性。这一趋势的最近一个例子是RFPro 3D EM-Circuit cockpit的创新，它可以在Cadence Virtuoso、Synopsys Custom Compiler、Keysight ADS和刚刚批准的79 GHz TSMC 16 nm参考流程之间进行互操作。

管理模型、场景、仿真数据和结果驱动的优化成为一个优先事项。人工智能技术将占据中心位置并以多种方式应用。在元件层面，人工智能将在根据产品手册或测试数据快速创建模型方面发挥重要作用。这种能力可能表现为扫描频率响应曲线并自动提取S参数。6G的信道估计和波形设计也是人工智能正在探索的领域。筛选仿真数据并识别与测量数据的不匹配也是一项非常适合人工智能的任务。最终，实时、端到端的6G网络优化，以响应任何特定时刻的连接用户数量及其流量模式，可能只有使用人工智能才能实现。人类可能无法以量化的算法形式描述能源使用、容量、延迟和其他网络指标的复杂优化。

射频EDA将在确定6G规范、创建亚太赫兹组件和提供先进的测试和测量设备方面发挥关键作用，以实现完整的6G系统设计。有关6G要求和创新进展的更多见解，请参见：

RF Enabling 6G: Opportunities and Challenges from Technology to Spectrum

https://www.keysight.com/us/en/assets/7121-1085/article-reprints/RF-Enabling-6G-Opportunities-and-Challenges-from-Technology-to-Spectrum.pdf

6G Technology: Envision the future of wireless communications

https://www.keysight.com/us/en/solutions/emerging-technologies/6g-technology.html

图1 6G亚太赫兹的带宽比前几代无线技术要宽得多。

图2 自定义调制信道测量以确定脉冲响应和其他指标。

图3 89600 VSA软件在频域和时域描绘的信道测量结果。

图4 6G研究在一个虚拟平台上开始，研究不同调制方式和信道模型下的性能。

图5 为射频前端仿真准确控制数字驱动状态（由ADI提供）。

图6 用于NTN多普勒预补偿的数字孪生平台的概念模型。

图7 顶射、底射和端射三维集成电路天线阵列概念（6G Flagship/University of Oulu提供）。