手机终端射频系统仿真解决方案

手机射频系统市场概况

手机射频单元承担的是手机射频信号的收发功能（见图1），它主要包括：收发信单元、功率放大单元、开关单元和天线单元。射频接收电路负责接收信号的滤波、放大、调制等功能；射频发射电路则负责基带信号的调制、变频和功率放大等功能。各类射频器件被广泛地应用于 5G 技术中，天线、滤波器、功率放大器和开关等射频器件将迎来快速增长期。目前全球射频市场由五大射频巨头（四家美国射频公司Skyworks、Qualcomm、Qorvo、Broadcom与日本的Murata）占领。5G 驱动下，射频器件有望量价齐升，手机射频市场规模在 2023 年有望达到 234 亿美元。

图1 手机射频系统

手机终端射频系统面临的挑战

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的基础上显著增加，由最初不超过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。从成本角度来考虑，企业需要购置更贵的5G测试设备、聘用更多熟悉5G测试的工程师。然而，4G手机使用分立器件方案的射频调试时间，一般在一周以内；而随着5G射频复杂度和集成度的显著提升，调试时间可能会增加到原来的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.SAW/BAW滤波器需求趋势增大

一般而言，手机每多支持一个频段，就需要增加一个接收滤波器和一个发射滤波器。5G 时代新增频段的大幅增加，带动移动设备滤波器数量大幅增加。由于SAW和BAW滤波器的插入损耗小、带外抑制高、性能稳定和频带宽等特点，被广泛应用于手机等终端产品中，所以对于SAW/BAW的设计需求也在不断加大。滤波器的设计指标众多，为了满足5G时代的需求，设计者需要根据不同的频带设计出满足不同指标的SAW和BAW滤波器。可惜的是，长久以来，市场上并没有特别适合滤波器设计的EDA工具。

综上所述，在手机终端射频系统的设计中我们将面临“支持的频段数量增加，空间约束带来的模组集成化趋势，SAW/BAW滤波器需求趋势增大”等诸多挑战。接下来，我们将为您介绍芯和手机终端射频系统解决方案是如何解决上述难题的。

手机终端射频系统仿真解决方案

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一般由EDA设计工具如Allegro、PADS、Zuken等生成，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。某公司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2），包含无源电磁提取、链路仿真和场路协同仿真。软件通过自动化的仿真流程，为工程师提供了更大的灵活性。

图2 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。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Allegro、PADS、Zuken等主流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，工程师可灵活的对版图进行操作。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3 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4）。

图4 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5），可以帮助用户实现快速的匹配设计。借助XDS中的Parametric参数化优化、Optimization目标优化、DOE敏感度分析、Yield统计分析、Tuning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5 XDS中优化匹配方法

4.SAW/BAW滤波器的设计

目前手机终端中主要使用的是体积小性能高的声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器。XDS提供了一套完整SAW/BAW滤波器设计的流程，设计者可借助MOM和COM算法，使用工具中内置的Ladder和Lattice模板（见图6），快速生成SAW/BAW滤波器的原理图，并抽取IDT的S参数，快速助力手机射频前端中滤波器的设计应用。

图6 内置Ladder和Lattice模板的SAW和BAW设计流程

总结

本文介绍了手机终端射频系统设计中面临的多种挑战，即支持的频段数量增加、空间约束带来的模组集成化趋势、SAW/BAW滤波器需求增大。芯和半导体针对这些挑战，推出了高效的手机射频系统仿真解决方案：借助芯和半导体自主产权的XDS、TmlExpert、ViaExpert等软件工具，帮助工程师实现射频PCB中无源结构建模仿真，电磁场和电路的联合仿真，匹配调节参数的优化，SAW/BAW滤波器设计等应用，帮助设计者优化设计方案，规避潜在的风险，缩短了产品开发周期。

审核编辑：汤梓红