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這是射頻美學的第1374期分享。
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手機射頻系統市場概況
手機射頻單元承擔的是手機射頻信號的收發功能（見圖1），它主要包括：收發信單元、功率放大單元、開關單元和天線單元。射頻接收電路負責接收信號的濾波、放大、調制等功能；射頻發射電路則負責基帶信號的調制、變頻和功率放大等功能。各類射頻器件被廣泛地應用于 5G 技術中，天線、濾波器、功率放大器和開關等射頻器件將迎來快速增長期。目前全球射頻市場由五大射頻巨頭（四家美國射頻公司Skyworks、Qualcomm、Qorvo、Broadcom與日本的Murata）占領。5G 驅動下，射頻器件有望量價齊升，手機射頻市場規模在 2023 年有望達到 234 億美元。
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圖1 手機射頻系統
手機終端射頻系統面臨的挑戰
1.支持的頻段數量增加
相比于4G手機的2到4根天線，5G手機的天線數目增加到了8到12根，需要支持的頻段及頻段組合也在4G的基礎上顯著增加，由最初不超過10個頻段逐漸增加到幾十個頻段，各個band之間的匹配調試難度越來越大。從成本角度來考慮，企業需要購置更貴的5G測試設備、聘用更多熟悉5G測試的工程師。然而，4G手機使用分立器件方案的射頻調試時間，一般在一周以內；而隨著5G射頻復雜度和集成度的顯著提升，調試時間可能會增加到原來的3到5倍，僅僅通過工程師手動調試的方式已經無法滿足產品上市迭代的速度。工程師更需要在設計前期同步評估系統性能，借助于計算機輔助仿真的方式，模擬實際信號通道的質量，從而加快產品上市的時間。
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2.空間約束帶來的模組集成化趨勢
射頻元器件的數目，與天線數目及頻段強相關，這意味著隨著5G頻段的出現，射頻元器件的數目出現了急劇地增長。與此同時，由于結構設計的要求，5G手機留給射頻前端的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手機中，就自然出現了對“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抽取到模型材料和結構特征，另一方面仿真工具需要將建模流程設置得盡量便利流暢，兩廂結合，才能切實地幫助工程師加速模組產品的開發流程。
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3.SAW/BAW濾波器需求趨勢增大
一般而言，手機每多支持一個頻段，就需要增加一個接收濾波器和一個發射濾波器。5G 時代新增頻段的大幅增加，帶動移動設備濾波器數量大幅增加。由于SAW和BAW濾波器的插入損耗小、帶外抑制高、性能穩定和頻帶寬等特點，被廣泛應用于手機等終端產品中，所以對于SAW/BAW的設計需求也在不斷加大。濾波器的設計指標眾多，為了滿足5G時代的需求，設計者需要根據不同的頻帶設計出滿足不同指標的SAW和BAW濾波器。可惜的是，長久以來，市場上并沒有特別適合濾波器設計的EDA工具。
綜上所述，在手機終端射頻系統的設計中我們將面臨“支持的頻段數量增加，空間約束帶來的模組集成化趨勢，SAW/BAW濾波器需求趨勢增大”等諸多挑戰。接下來，我們將為您介紹芯和手機終端射頻系統解決方案是如何解決上述難題的。
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手機終端射頻系統仿真解決方案
手機終端中射頻鏈路主要包含PCB板，有源器件（PA放大器、開關等）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不可忽略。PCB一般由EDA設計工具如Allegro、PADS、Zuken等生成，有源器件的模型一般由廠家提供的S參數表征，無源器件一般由murata等廠商提供。某公司提供了一整套關于射頻通道質量分析和優化的解決方案（見圖2），包含無源電磁提取、鏈路仿真和場路協同仿真。軟件通過自動化的仿真流程，為工程師提供了更大的靈活性。
?圖2 芯和射頻系統仿真工具XDS仿真流程
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1.射頻PCB和模組無源結構建模仿真
在5G通信系統中，射頻通道發揮著關鍵的作用，射頻系統的性能好壞會直接決定通信質量的好壞。XDS工具集成了高精度2.5D全波電磁場求解器，針對射頻PCB中的無源結構，能夠準確分析過孔和傳輸線的效應。設計者可以將Allegro、PADS、Zuken等主流設計文件直接導入到XDS中完成建模，利用其強大的版圖編輯功能，工程師可靈活的對版圖進行操作。在XDS中能夠方便快捷的進行疊層和材料的設置，并能夠根據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。
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圖3 XDS中無源結構建模
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2.電磁場和電路的聯合仿真
射頻系統包含發射端（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、雙工器、天線以及電阻、電容、電感等器件，除了對射頻 PCB進行電磁場仿真之外，要想準確的評估鏈路的質量，還需要將上述器件與射頻PCB進行場路聯合仿真，廠家一般會提供這些器件的S參數模型用于電路仿真。XDS可以生成電磁場仿真模型的symbol，再與器件S參數模型進行電路級聯，為用戶提供更便捷的場路聯合仿真方案（見圖4）。
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圖4 XDS場路聯合仿真
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3.匹配調節參數的優化
由于成本控制的要求和手動調試難度加大，在匹配調節設計的過程中，我們通常希望通過仿真的手段在不同的參數組合中尋找到性能更優的目標參數，達到最優的匹配設計。XDS中提供了一系列的優化模塊（見圖5），可以幫助用戶實現快速的匹配設計。借助XDS中的Parametric參數化優化、Optimization目標優化、DOE敏感度分析、Yield統計分析、Tuning實時調諧等優化功能模塊，設計者可以快速實現匹配電路中器件的優化設計，快速找到物料成本最低并且性能最好的參數組合，實現系統的最優設計。使用仿真手段進行優化設計已成為產品研發的常態，XDS仿真軟件具備多種優化分析工具，能夠協助設計者快速找到仿真優化設計最優解，幫助企業更高效完成更具挑戰性的產品設計。
圖5 XDS中優化匹配方法
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4.SAW/BAW濾波器的設計
目前手機終端中主要使用的是體積小性能高的聲表面波（SAW）濾波器和體聲波（BAW）濾波器。XDS提供了一套完整SAW/BAW濾波器設計的流程，設計者可借助MOM和COM算法，使用工具中內置的Ladder和Lattice模板（見圖6），快速生成SAW/BAW濾波器的原理圖，并抽取IDT的S參數，快速助力手機射頻前端中濾波器的設計應用。
圖6 內置Ladder和Lattice模板的SAW和BAW設計流程
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總結
本文介紹了手機終端射頻系統設計中面臨的多種挑戰，即支持的頻段數量增加、空間約束帶來的模組集成化趨勢、SAW/BAW濾波器需求增大。芯和半導體針對這些挑戰，推出了高效的手機射頻系統仿真解決方案：借助芯和半導體自主產權的XDS、TmlExpert、ViaExpert等軟件工具，幫助工程師實現射頻PCB中無源結構建模仿真，電磁場和電路的聯合仿真，匹配調節參數的優化，SAW/BAW濾波器設計等應用，幫助設計者優化設計方案，規避潛在的風險，縮短了產品開發周期。
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