电热单片微波集成电路设计流程

在电子电路设计中，开始通常假设元器件在室温下工作。单片微波集成电路设计，尤其是，当直流电流流过体积日益缩小的器件时导致热量成两倍，三倍甚至四倍高于室温，就违反了元器件在室温下工作的假设。此种情况下会对设计工作于室温下的元器件相位，增益，效率，噪声和互调失真产生影响。电路设计人员需要将电——热集成在一起的分析工具，以解决这些性能问题。

随着雷达和通信设备功率密度的不断增加，设备的可靠性变成了一个设计问题。基站及固定无线应用的产品生命周期要远远长于终端，因此，现场故障的代价是昂贵的。能够保持超过规定的使用寿命性能的高度可靠的设备是必须的。安装在赤道地区的基站，室外安装的组件需要在85°C的环境下操作。为了确保能够连续的操作，元器件的可靠性平均故障值通常需要超过106个小时。

场效应管失效与节点温度直接相关——由流过场效应管沟道的直流电流产生热源。为了最大限度的提高平均无故障时间，要使相对于环境的峰值节点温度达到最小。单个设备的温度受到与其它设备在芯片上的相对位置的影响。因此，设计者需要有一个可以快速评估一个特定的布局的峰值结点温度的能力。一旦布局好一个器件后，有各种不同的技巧测量温度【参考1】。然而，这并不能在设计阶段提供帮助，并在几何分辨率上有一个限制，使亚微米级别的场效应管的沟道长度的设计极具挑战性。

节点温度可以采用热分析软件确定，并可提供足够的细节以及材料特性[参考2-4]。SYMMIC™ from CapeSym是专门为单片微波集成电路设计者设计的在设计阶段使用的热分析工具，并且此工具与AWR公司的射频/微波设计软件Microwave office™集成在一起。与非集成的热求解器相比，这个集成是基于脚本的并且需要最少的人工干预。Microwave office软件中电路的布局可以轻松的导入到SYMMIC里进行整个单片集成微波电路温度的评估。雷达和通信系统的单片微波集成电路可以被进一步的分析来确定在单个场效应管的子系统设计对峰值节点温度的影响。

什么使得SYMMIC不同

大多数热分析工具是为了一般的用途而设计优化的。这种通用化，使他们难以适用于特殊问题，比如单片微波集成电路的热行为的分析。用户使用通用的热软件包的挑战包括定义详细的单片微波集成电路的结构布局和半导体/介质/导体层的堆栈以及射频/直流工作条件。SYMMIC应用需要一个完全不同的方法来显着的降低一个单片微波集成电路的设计者所面对的复杂性和障碍。

SYMMIC的基于模板的方法，允许用户在电路布局中分别定义工艺技术和热堆栈。不同的设计可以重复使用这些模板。一旦一个砷化镓场效应管被定义成一个模板，例如，仅仅运行Microwave office设计环境里的一个脚本，设计者就可以方便的把射频砷化镓单片微波集成电路的设计转换到热分析。基于模板的热设计免除电气工程师几乎所有的负担，建立可靠的模拟。一般，难以设置的热分析通常是在模板中包含的，因此，一旦为一个设计定义，工程师可以自由地操纵剩余下的设计，以探讨其热性能。了解热边界条件和材料性能的影响可以作为设计过程的一部分，而不仅仅将其做为设计的前期工作。SYMMIC是第一个工具，为单片微波集成电路设计带来了热分析。

SYMMIC也提供快速分析。对于使用多核桌面工作站和64位AXIeM、Microwaveoffice的设计者，SYMMIC可以充分利用硬件配置。下文所述的仿真案例运行在8核16GB的Windows中运行64位XP的PC上。这是极有利于考虑到热条件以及电磁行为方面的场效应管偏置点的选择的迭代设计流程——支持可靠性和电气性能的单片微波集成电路的并行设计。

射频收发器的热分器

为了演示Microwave office和SYMMIC软件的集成，我们用一个使用Microwave office设计的单片集成微波电路高功率放大器标准案例，作为出发点。这个设计是一个使用AWR MeSFet PdK设计的1W X-波段的功率放大器。通过在设计中复制两个场效应管来添加一个低噪声放大器，重新设置它们的偏置点，使它们的漏极电流是功率放大器中场效应管漏极电流的10%左右（图1）。这个低噪放-功率放大器的单芯片的解决方案是用来设计一个集成的收发器的单片微波集成电路。必须对功率放大器到低噪放之间的热耦合进行管理，以实现最小的噪声系数。

图1：AWR软件中高功率放大器和低噪声放大器的MMIC设计。