芯和半导体射频系统仿真解决方案全面进入云平台时代

近几年，随着全球从4G到5G的演进，对于以智能手机为代表的移动终端设备来说，射频模块需要处理的频段数量和频率大幅增加，带来手机内部射频模块的复杂度加剧，整个射频系统的高效且精准的分析变得越来越重要。

工程师提出了很多亟待解决的问题：

有没有什么办法可以快速评估射频通道的信号质量？

如何调节各个射频器件或模组之间的匹配？

有没有一种可靠的方法，能够在降低物料成本的同时提高调试效率？

有没有办法，能够规避算力限制，缩短仿真分析的时间，从而加快产品上市的进程？

1. 支持的频段数量增加

相比于4G手机的2到4根天线，5G手机的天线数目增加到了8到12根，需要支持的频段及频段组合也在4G时代不超过10个频段逐渐增加到几十个频段，各个band之间的匹配调试难度越来越大。同时，5G射频复杂度和集成度的显著提升，导致手机使用分立器件方案的射频调试时间会增加到原来的3到5倍，仅仅通过工程师手动调试的方式已经无法满足产品上市迭代的速度。工程师更需要在设计前期同步评估系统性能，借助于计算机辅助仿真的方式，模拟实际信号通道的质量，从而加快产品上市的时间。

2. 空间约束带来的模组集成化趋势

射频元器件的数目，与天线数目及频段强相关，这意味着随着5G频段的出现，射频元器件的数目出现了急剧地增长。与此同时，由于结构设计的要求，5G手机留给射频前端的PCB面积是有限的，采用分立元件方案的面积大大超过了可用的PCB面积。在5G手机中，就自然出现了对“高性能和高集成度”模组的需求，同时对于模组的自动化建模流程提出了考验：一方面，仿真工具需要确保能够精准抽取到模型材料和结构特征，另一方面仿真工具需要将建模流程设置得尽量便利流畅，两厢结合，才能切实地帮助工程师加速模组产品的开发流程。

3. 算力需求的增大挑战传统IT基础设施

在整个射频系统设计开发的流程中，仿真和验证变得越来越重要，这时，他们往往需要调用大规模的算力集群。所以，传统的射频系统工程仿真分析高度依赖于包括高性能计算集群在内的IT基础架构。在这样大的算力环境下，整个集群算力的管理和调度、算力集群和存储系统的交互，需要一支非常专业的IT团队进行操作。同时，随着设计周期和上市时间的缩短，仿真分析对高性能计算的需求时常波动很大，且具有不可预测性，基于满足峰值需求来创建IT基础设施对于众多设计企业来说，不仅变得很有挑战而且也不经济。云技术的无限算力与EDA技术融合，可以为开发者提供实时可用的算力、更加灵活高效的开发环境、更加优化的成本，并缩短产品上市时间。EDA上云正在成为一种趋势。

手机终端中射频链路主要包含PCB板，有源器件（PA放大器、开关等）和无源器件（电阻、电感、电容）。PCB板从早期的单层、双层，到高密度多层板方向发展，其主要特点就是线宽和线间距逐渐缩小，同时所带来的电磁效应不可忽略。PCB版图一般由EDA设计工具生成，有源器件的模型一般由厂家提供的S参数表征，无源器件一般由Murata等厂商提供。芯和半导体提供了一整套关于射频通道质量分析和优化的解决方案（见图1），包含无源电磁提取、链路仿真和场路协同仿真。通过自动化的仿真流程，为工程师提供了更大的灵活性。

图1.芯和射频系统仿真工具XDS仿真流程

1. 射频PCB和模组无源结构建模仿真

在5G通信系统中，射频通道发挥着关键的作用，射频系统的性能好坏会直接决定通信质量的好坏。芯和半导体的XDS工具集成了高精度2.5D全波电磁场求解器，针对射频PCB中的无源结构，能够准确分析过孔和传输线的效应。设计者可以将设计文件直接导入到XDS中完成建模，利用其强大的版图编辑功能，工程师可灵活地对版图进行操作。在XDS中能够方便快捷的进行叠层和材料的设置，并能够根据器件信息自动添加端口，为整个建模和仿真流程提供了极大的便利性。

图2.XDS中无源结构建模

2. 电磁场和电路的联合仿真

射频系统包含发射端（TX）和接收端（RX），涉及到的器件众多，包含功率放大器、低噪声放大器、滤波器、开关、双工器、天线以及电阻、电容、电感等器件，除了对射频 PCB进行电磁场仿真之外，要想准确的评估链路的质量，还需要将上述器件与射频PCB进行场路联合仿真，厂家一般会提供这些器件的S参数模型用于电路仿真。XDS可以生成电磁场仿真模型的symbol，再与器件S参数模型进行电路级联，为用户提供更便捷的场路联合仿真方案（见图3）。

图3.XDS场路联合仿真

3. 匹配调节参数的优化

由于成本控制的要求和手动调试难度加大，在匹配调节设计的过程中，我们通常希望通过仿真的手段在不同的参数组合中寻找到性能更优的目标参数，达到最优的匹配设计。XDS中提供了一系列的优化模块（见图4），可以帮助用户实现快速的匹配设计。借助XDS中的参数化优化、目标优化、敏感度分析、统计分析、实时调谐等优化功能模块，设计者可以快速实现匹配电路中器件的优化设计，快速找到物料成本最低并且性能最好的参数组合，实现系统的最优设计。使用仿真手段进行优化设计已成为产品研发的常态，XDS仿真软件具备多种优化分析工具，能够协助设计者快速找到仿真优化设计最优解，帮助企业更高效完成更具挑战性的产品设计。

图4.XDS中优化匹配方法

4. EDA+云

解决了前面几个挑战，面对越来越多设计企业对仿真算力的需求，芯和半导体发布了“电子系统设计仿真云平台”解决方案。该平台已登录包括微软Azure、亚马逊AWS、华为云在内的全球领先的云服务平台，全面进入EDA云平台时代，保证了高性能EDA仿真任务所需的扩展性和敏捷性。

芯和半导体“电子系统设计仿真云平台”解决方案（图5）集成了差异化的电磁场仿真技术与软件、本地集群仿真技术、MPI仿真技术、云计算技术和分布式集群管理技术，使芯片、封装、系统设计大规模电磁仿真EDA的资源管理和资源统一调度使用成为了可能。芯和云平台解决方案通过使用优秀的管理系统和管理策略，达到资源统一分配和管理，不仅增加了各计算中的资源利用率，降低了计算中心的维护和部署成本，同时发挥芯和仿真软件的多尺度电磁引擎、智能网格与并行计算能力，为电子系统设计中的芯片，封装，PCB，系统进行大规模复杂电磁场仿真提供了可能。

图5. Xpeedic EDA 云平台架构

芯和半导体的XDS射频系统仿真平台基于自主知识产权的电磁场算法技术，支持多核并行和分布式并行，非常适合云环境的应用，并通过自带的调度程序JobQueue，管理计算资源和安排仿真作业的优先顺序，为工程师提供了高效的从射频芯片、射频模组到射频系统的整体解决方案。云服务平台能提供充沛的算力及弹性供给、及安全可靠的本地化IT 基础设施。两者有机结合，能为国内的射频设计企业提供快速响应市场需求、自如伸缩计算资源的能力，极大地降低设计与仿真的耗时与成本。

1.产品介绍

XDS提供从原理图的路级设计仿真到版图结构的设计与电磁仿真的全流程支持。XDS内置线性电路网络求解器与强大的多层结构矩量法加速求解技术，可以支持进行场路联合仿真。XDS可导入主流第三方版图设计文件，对版图进行切割，优化，原理图化分析仿真等。

XDS集成原理图环境和版图环境两个设计仿真模块，和与之配套的电路仿真引擎和电磁场仿真引擎。另外提供了完整的高级分析辅助模块，可以帮助用户提高设计效率、优化性能、统计分析等。

原理图支持层次化的设计思路，可以帮助用户抽象设计思想，提高底层电路模块重复利用的效率。可以对原理图进行频域扫描分析，Noise分析以及在基础分析之上进行高级分析。支持基本元件Element包含如R、L、C、S参数、Spice Netlist等；支持常用微带线，带状线，同轴线等传输线；支持常用微带结构如阶梯跃变、拐弯、T连接等；支持常用RF行为模型，如混合桥、定向耦合器、环形器、功分器、移相器、移时器等；支持理想传输线的基于电长度和物理长度配置的开路、短路模型；支持BAW的mBVD和mason模型，支持SAW的COM模型，支持对第三方分立器件L,C的库导入管理。

版图设计环节支持用户进行常规的2D几何编辑，如支持对线、矩形、圆型、多边形、扇形进行布尔运算，并且支持对象的参数化设计。支持将外部数据导入版图设计环境，并支持版图和原理图之间的同步设计。XDS内置强大的多层结构矩量法加速技术，快速精确模拟复杂电磁效应，包括导体趋肤效应、邻近效应和多介质损耗。XDS支持多核计算的核心求解器能显著降低EM仿真时间、提高设计效率。

XDS内置Smith Chart功能，能够为用户提供便捷的匹配网络生成功能。匹配元件包括L，C，R，Transformer等，可以支持一键将匹配网络添加到原理图。

为了辅助设计分析，软件支持用户对设计变量Tuning并实时观察变量对结果的影响程度；XDS能够优化设计目标，内置了丰富的优化引擎，如Quasi Newton(梯度)，Pattern Search, Genetic Algorithm，Random等；为了提高设计的鲁棒性，内置了DOE分析，平衡设计参数对设计目标的影响，内置Yield分析功能，通过设计变量的来评估设计指标的性能分布。

图6.射频微波系统分析方案

2. 产品特色

XDS作为射频系统设计与仿真平台，可以对无源射频电路结构进行设计、仿真、优化分析，输出插损、回损、隔离度等射频指标。独特的SAW/BAW滤波器的设计流程，支持滤波器原理图设计优化和快速版图生成。

XDS的主要特色有：

集成射频系统原理图与版图设计环境，并支持多维度协同设计流程，包括原理图-版图协同设计、场-路协同仿真和芯片-封装协同设计；

内建专门为SAW/BAW滤波器定制的设计流程。支持常用拓扑的一键生成，BAW元件支持mBVD、Mason模型，SAW支持COM模型；

内置多种业内领先的电磁仿真引擎和SAW仿真引擎，满足射频系统从DC至THz的仿真要求，内嵌3D MoM Solver可以快速精确模拟复杂电磁效应，充分考虑导体趋肤效应、邻近效应和多介质损耗；基于2D RLGC求解器，可以对各种传输线进行仿真；内嵌线性电路网络求解器（Linear Network Analyzer）；内嵌COM仿真引擎，支持对SAW的优化设计；

内嵌多种算法以支持射频系统和滤波器优化、调谐、DOE和Yield分析，从而快速帮助用户自动调优，找出最佳设计点并提高产品良率；

内置Smith Chart和强大的仿真后处理能力，以快速实现多端口网络阻抗匹配以及S参数后处理。

3. 主要功能

集成层次化的原理图与Layout设计环境，便于用户抽象设计思想，重复利用底层电路模块，提高设计效率。并且能够支持层次化设计后的场路联合求解仿真；

支持版图编辑与参数化，可以对版图进行基本图形操作与可变图形用户参数定义；

支持原理图中所有元件的参数化；

支持LC无源滤波器拓扑生成向导，可一键生成目标滤波器拓扑；

支持Smith Chart辅助用户寻找匹配网络，并将匹配网络导入用户原理图；

支持Noise Figure仿真分析；

支持电路稳定性分析（mu）；

新增一种端口类型Explicit Grounding；

新增理想传输线基于电长度和物理长度配置的开路、短路模型TMLE、TMLEOC、TMLESC、CTMLE、微波无源电路等；

支持Yield分析，利用设计参数和实际物理参数概率分布来评估设计指标良品率。

审核编辑：汤梓红