前言

隨著經濟的發展與科技的進步，各種無線通信系統應運而生。這些無線通信系統包括了應用于移動通信的 5G,4G-LTE 技術，應用于無線局域網（WLAN）的 WIFI 技術，應用于無線個域網（WPAN）的 Bluetooth 技術和應用于導航定位的 GPS 技術, ISM（IndustrialScientificMedical Band）等，這些系統的工作頻段如表所示。可以看出，常用的無線通信系統大多在 1-6GHz 一個寬頻段內，

在工作頻段內，便攜式通信移動設備中必須設計多帶多標準片上收發機，才能滿足兼容多種通信系統應用的要求。實現多帶多標準片上收發機的傳統技術是混合單模收發機，即采用多個單模射頻前端實現每個系統的調制收發，通過射頻前端如射頻開關等技術在不同的工作系統之間進行切換。盡管該技術能夠很好地實現多帶多標準通信系統的應用，但是這種結構為每一個系統都設計一條收發鏈路，較為復雜，器件很多，成本較高，而且功耗和面積都存在局限性。因此，多帶多標準通信系統應用的方向之一是采用寬帶收發機結構，采用單個寬帶兼容收發機處理射頻信號的調制收發，而不同標準的信號則采用各自的基帶系統進行處理。

圖1通信系統結構示意圖

通常射頻前端由射頻低噪聲放大器(LNA)、射頻開關（Switch）、射頻功率放大器(PA)、雙工器 (Duplexers)、射頻濾波器(Filter)等五大器件組成。而低噪聲放大器（LNA）作為射頻收發機的一個重要組成部分，它能有效提高接收機的接收靈敏度，進而提高收發機的傳輸距離。 同時寬帶低噪聲放大器作為寬帶接收機中第一級有源電路，其噪聲系數決定了整個射頻接收鏈路的噪聲性能，從而決定了整個寬帶接收機的信號處理能力，而且其帶寬需要覆蓋多種通信系統的工作頻段，因此，低噪聲放大器的設計是否良好，關系到整個通信系統的通信質量。如何設計低噪聲系數和寬帶的低噪聲放大器電路是通信系統設計的關鍵和難點。

圖2LNA工作原理

本文以工作范圍為0.4至2.2 GHz的 LNA低噪聲放大器為例，介紹了利用芯和射頻系統設計與仿真平臺XDS仿真設計低噪聲放大器電路的方法及步驟，設計評估一個雙級低噪聲放大器電路在700MHz的增益指標等。單級增益32dB,雙級要達到50dB以上。

XDS射頻系統設計與仿真平臺仿真流程

1.模型導入

XDS支持導入ODB、GDSII和Allegro .brd/.mcm /*.sip等版圖文件，自動識別網絡，疊層和器件，并且支持從原始版圖中切割任意區域進行仿真，簡化仿真模型，并可以高亮信號布線。同時還內置豐富的RFIC,RFPCB,TGV等模板方便快速建模。

圖3導入的兩級LNA放大器電路

對于低噪聲放大器而言，通常使用低電壓設計降低系統的功耗，而為了得到合適的增益，需要將多級放大器級聯在一起形成級聯放大器，以提供足夠的增益。DUT為單片放大器件。

圖4單級LNA電路圖

2.疊層修改

XDS會自動識別brd等版圖文件的疊層信息，支持疊層的分層設定與疊層的增加，保存和刪除，可以對疊層信息如介電常數，介質厚度等進行修改編輯操作。并支持材料信息的增加，修改和刪除操作。金屬材料包含溫度系數設定，材料包含DK/DF模型設定等。可以幫助評估不同工藝對低噪聲放大器性能的影響。

圖5 疊層管理

3.端口設置

XDS支持通過Edge或者pin的方式給網絡添加端口，自動彈出窗口，可在端口界面配置端口參數，也可以通過器件管理器統一給某一器件或全部器件自動添加端口。

圖6通過Edge或Pin添加端口

圖7通過器件自動添加端口

圖8端口參數設置

4.版圖仿真設置

XDS提供一個直觀的界面對網格劃分與仿真進行設置，針對Conductor metal layer，via進行global自動網格劃分設置，如3D, Thick, Sheet優化網格劃分。也可以按照層別進行網格設置，還可以手動定義Mesh size。針對LNA電路，放大電路的Layout主要在Top層，Bottom層為一整片Ground，所以將TOP Layer以及VIA層的Model設置為3D，將Bottom設置為Thick提高仿真精度。

圖9網絡劃分設置

圖10 仿真Solver設置

可設置仿真頻率范圍和頻率間隔。XDS支持多核多線程計算提高仿真效率。

5.創建原理圖

圖11創建原理圖

XDS支持場路協同仿真，創建原理圖后，右擊Layout可以將Layout添加到原理圖中，進行場路協同仿真。

圖12將Layout版圖添加到新建的原理圖中

XDS集成的原理圖設計和與之配套的電路仿真引擎。原理圖支持設計Element，如E、F、G、H、 R、L、K、C、V、I等模型，支持常用微帶線，帶狀線，同軸線等常用傳輸線，支持BAW的mBVD和mason模型，還支持SAW的COM模型，支持S參數與spice模型，同時可以對第三方分立器件L,C的庫進行管理。電路的仿真需要能夠對與原理圖進行頻域掃描分析，HB分析。 在原理圖中完成電容，DUT的S參數，Port，Wire等的添加，繪制與設置，如下。

圖13原理圖分析與優化

6.原理圖仿真設置與仿真

圖14 XDS仿真設置

完成仿真設置后，即可開始XDS場路協同仿真。

7.仿真結果查看

XDS提供方便易用的分析設置界面以及直觀的仿真結果顯示。可以簡化仿真設置與后處理。波形查看功能能夠快捷地顯示了EM仿真結果的曲線。同時內設的“模板”功能，使用戶可以通過點擊預設的“模板”來繪制預設的特性曲線。

圖15單級以及雙級LNA的增益

通過結果可以得出，設計的雙級低噪聲放大器在0.7GHz的增益為63dB，滿足設計要求。

總結

5G時代，為了滿足射頻系統設計的需求，XDS提供從原理圖電路級的設計仿真到版圖設計仿真的全流程，可以對低噪聲放大器進行場路協同仿真。 在上文的仿真設計分析過程中，我們對PCB設計進行場路仿真，這樣建模可以真實仿真分析LNA性能，在設計不達標的情況下，我們可以優化原理圖以快速得出最佳性能設計參數；利用XDS的設計仿真流程，產品調試量較低，在批量生產中有較好的一致性。 此外，射頻前端市場中還會需求大量的濾波器器件，其中BAW和SAW濾波器性能突出。BAW相較于SAW的優勢在于中高頻段的性能優勢，如更小的插入損耗、更高的帶外抑制等。XDS支持BAW/SAW濾波器設計流程，為濾波器的設計提供解決方案，能夠提供從濾波器拓撲選擇、單元優化、版圖生成的設計全流程，同時支持與封裝聯合仿真。