隨著5G網絡開始商用，5G基站、移動終端設備需求大幅度提升，催生了一系列5G產業鏈。射頻前端是天線和射頻模塊交互的基礎元件，是5G通信最重要的一部分。射頻前端主要由射頻濾波器、低噪放、功率放大器、射頻收發器、射頻開關等組成。

在5G標準下，現有的移動通信、物聯網產品的應用領域被進一步放大，射頻前端頻段數量大幅增加，每增加一個頻段就需要增加1個射頻功放，1個雙工器，1個射頻開關以及2個濾波器。面對快速增長的市場需求，對于國內從事射頻開發公司來說是新的挑戰也是機遇。5G高速率、高吞吐量、低延時、低功耗的需求背景下，如何高效的設計出更低損耗、更大帶寬、更高線性度的射頻器件、復雜射頻系統，這儼然是國內射頻設計公司所需面臨的挑戰。

除了5G射頻技術挑戰以外，設計公司還需面臨設計過程中服務器硬件資源的投入問題（投資成本高、資源利用率低下及設備老化）。因此，云平臺仿真解決方案應運而生，仿真工具、仿真調度平臺等可部署在云端，用戶可通過Web頁面登錄仿真平臺提交和管理仿真任務，即可快速獲得彈性、可靠、安全的仿真服務。

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射頻前端市場概況

自2020年起，得益于5G網絡的發展，全球射頻前端芯片市場需求將迎來快速增長，市場規模由202.16億美元增長至2022年的272.21億美元。射頻芯片一直被稱為“模擬芯片皇冠上的明珠”，其技術難度高、研發時間長，因此長時間被國外所壟斷。目前，全球射頻前端市場集中在Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata四家企業，其占整體市場的85%。

2004年，首顆國產射頻前端芯片2G PA實現了零的突破，經過十年來的奮斗，國產射頻前端器件從2G發展到5G，技術上從落后國外廠商到齊頭并進。首先在LNA、射頻開關市場實現了國產化的替代，而后國產射頻Phase2/Phase5N PA和SAW/BAW/IPD濾波器也相繼問世，為后續5G射頻前端器件設計積累了技術和工程基礎，最后發展到目前高集成度的PAMiD、PAMiF、DiFEM、LFEM等射頻模組。中國射頻前端的技術發展，需要研發人員一步一步的突破技術難點，實現產品的迭代升級，將在5G賽道上與國外產品一決高下。

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射頻前端設計中的挑戰

1. PCB射頻版圖電磁場分析挑戰

5G網絡頻段主要分為Sub-6G頻段和毫米波(mmWave)頻段，國內在5G Sub-6GHz網絡建設成熟之后，開始部署對5G毫米波網絡的建設。由于毫米波頻段工作頻率達到了20GHz以上，往常Sub-6G中使用雙工器、聲表濾波器等射頻器件已無法滿足毫米波頻段性能需求，為了兼顧產品物料成本，用戶會在高頻PCB板材上通過PCB微帶走線搭建濾波器、雙工器、分頻器、定向耦合器等射頻電路。

毫米波工作頻率相比Sub-6G高出好幾倍，走線寄生參數對射頻性能影響尤其突出，導致PCB微帶走線搭建的射頻電路效果會比理論計算的有不少偏差。如果用戶直接根據理論計算及經驗去畫PCB版圖，回板測試結果若不理想，則得重新修改PCB版圖尺寸。再打板驗證，來回不斷的迭代驗證需要耗費用戶大量的研發時間，給毫米波產品研發周期帶來極大的挑戰。

高頻板材下，PCB微帶線濾波器實物圖

2.封裝與PCB聯合系統仿真挑戰

5G技術的發展，對射頻前端無源系統設計提出了更高的要求，考慮到5G通信中，低功耗、高線性度及高帶寬的特點，對系統的鏈路插損、loadpull的收斂性、帶內平坦度等指標提出了更高的要求，相比數字信號，其要求更為苛刻敏感。在系統全鏈路上，封裝鍵合線的寄生電感、C4bump的焊盤、及封裝與PCB銜接處的焊盤和焊球、走線阻抗等，都對射頻無源指標有著明顯的影響，寄生電感、電容的過大，都會導致阻抗偏離，即使通過匹配電路將阻抗修正，但也會犧牲系統一定的帶寬和帶內平坦度。

因此，系統工程師為了保證產品有更好的性能發揮，需要對封裝+PCB進行全鏈路3D仿真，以分析優化全鏈路的射頻性能。一般封裝上走線寬度只有幾十um，傳統的仿真求解器為了保證仿真精度，會給整個封裝+PCB模型的網格剖分尺寸設置幾十um的大小，而PCB一般線寬為100um或以上，使用幾十um的尺寸剖分PCB部分，會導致網格剖分過密，未知量過多，造成計算速度慢及計算機資源的浪費。

圖 2

封裝+PCB示意圖

3.PCB復雜射頻架構系統挑戰

5G通信產品為了滿足高吞吐量需求，產品需支持多頻段的CA、EN-DC等組合，使得產品射頻系統架構越趨復雜，要調試的匹配元件數量翻倍增長，且PCB走線更加密集，使走線的阻抗連續性及隔離度成為了PCB layout風險點。另外PCB回板后，工程師需求進行大量的調試工作，相比4G通信產品，人力成本投入更高，研發調試周期更長。PCB layout風險點的增加、調試難度的加大、人力成本的上升，企業要從中取得最優解，使用計算機軟件工具代替人力是唯一的途徑。

圖 3

5G產品復雜的射頻系統架構圖

4.大規模求解對高性能運算（HPC）的需求

對于射頻前端器件來說，傳統RC提取工具無法滿足精度要求，復雜射頻系統版圖器件間的互連線及片上和封裝的聯合仿真，都需要強大的全波三維電磁仿真引擎進行快速分析。由于互連結構的復雜程度，需要在進行網格剖分和未知量求解時采用多機器、多核心、多任務來進行仿真任務管理，仿真分析時間在很大程度上決定產品的迭代周期。

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芯和XDS射頻系統解決方案

XDS集成原理圖環境和版圖環境兩個設計仿真模塊，和與之配套的電路仿真引擎和EM電磁場仿真引擎。另外提供了完整的高級分析輔助模塊，可以幫助用戶提高設計效率、優化性能、統計分析等。

原理圖支持層次化的設計，提高底層電路模塊重復利用的效率。可以對原理圖進行頻域分析、時域分析、諧波平衡分析及NF分析等。支持基本的RLGC元件、傳輸線模型、RF行為級模型、SNP文件、spice網表等；支持BAW的mBVD和mason模型，支持SAW的COM模型，支持對第三方分立器件電容電感庫導入管理并進行離散元器件的自動優化功能。

版圖設計環節支持用戶進行常規的模型的編輯，并且支持對象的參數化設計。支持主流設計文件（Allegro、GDS、DXF、ODB++等）的版圖導入和主流工藝庫（ircx、itf、ltd等）文件導入，并支持版圖和原理圖之間的場路聯合仿真。XDS內置強大的MoM多層結構矩量法加速技術，快速精確模擬復雜電磁效應，包括導體趨膚效應、鄰近效應和多介質損耗。XDS支持多核計算的核心求解器能顯著降低EM仿真時間、提高設計效率。

圖 4

芯和XDS全套射頻系統解決方案

1.毫米波PCB微帶版圖電磁仿真分析優化

5G毫米波網絡的建設已經被提上了日程，由于毫米波工作頻率高、大帶寬特性及產品集成化的需求，以往基于壓電晶體的聲表濾波器、體積龐大的腔體濾波器無法滿足產品需求，通過高頻板材的PCB微帶走線實現濾波器、耦合器、分頻器的設計成為了可能。為了使客戶加速迭代產品，芯和XDS為此提供了完整的射頻系統仿真解決方案。

前仿真：用戶可首先根據理論計算得到PCB微帶版圖走線尺寸設計，并在芯和XDS原理圖環境中調用TML模型庫里所需的傳輸線模型完成各個微帶走線的連接（圖5），軟件同時為用戶提供靈活的參數化建模功能，用戶可根據實際需要，對各模型感興趣的部位尺寸值設置為變量。

圖 5

XDS原理圖設計環境

優化分析：通過原理圖環境，用戶可完成頻域分析之余，可根據之前設置的變量進行DOE、Yield、tuning、自動優化、掃描等高級分析（圖6），完成微帶版圖上各部位敏感度分析及良率情況的預測，從而更好的指導用戶如何在后仿真中優化產品設計。

圖 6

XDS高級分析工具

后仿真：經過前兩步的初步仿真，用戶已經得到了一個優化程度較為完善的模型，接下來針對優化后的模型版圖進行全波電磁場仿真分析，高精度的模擬實際產品回板后的射頻性能，用戶同時可調用XDS的電磁場場分布功能，分析電流、電場密度分布，判是否有過載可能，提高產品的可靠性設計。

圖 7

XDS版圖仿真環境電磁場密度分析

2.封裝與PCB射頻系統聯合仿真分析

終端通信產品射頻前端器件集成化的設計需求，企業利用SIP方式下，整合了PAMiD、PAMiF、DiFEM、LFEM等先進封裝工藝的射頻模組。在此場景中，用戶需要對封裝、封裝+PCB進行聯合系統結構電磁仿真，以評估整個系統級別的射頻性能。該設計下，由于模型尺寸跨度較大大，難以進行統一的網格剖分。基板封裝走線在50um左右，而PCB走線能達到100um左右（圖8），如果對封裝使用PCB的剖分機制，精度顯然是不夠的，同樣，如果對PCB使用封裝的網格剖分機制，那么對規模和速度上又會是巨大的挑戰。

圖 8

封裝和PCB系統的物理尺度

對此，XDS射頻系統仿真平臺內置了芯和的AI智能網格剖分融合技術，能夠根據結構特點選擇不同的網格尺寸，徹底解決封裝到PCB的不同尺度所帶來的聯合仿真問題。圖9中，封裝與PCB堆疊結構下，用戶可在仿真器配置中為PCB與封裝分別設置不同的剖分網格尺寸（Mesh Size）。

圖 9

封裝+PCB場景下網格配置

3.復雜射頻系統的PCB場路聯合仿真

5G終端產品的PCB版圖設計中，企業為了提高產品利潤優勢，PCB疊層由原來的12層任意一階板降到了8層三階板的設計，而對于5G復雜射頻系統架構來說，每次降額設計意味著風險進一步增加，工程師以往的經驗難以覆蓋現設計風險點，且難以做到產品的最優化設計。另外，相比4G系統，5G射頻系統的頻段及mimo數量增加，射頻匹配元器件數量翻倍，且使用封裝較小的01005器件，造成PCB回板后，造成人工調試工作量及調試難度增加，導致項目研發周期延長。

XDS射頻系統仿真平臺可通過其EM仿真的電磁場分布分析功能，協助用戶完成PCB版圖的設計風險點的評估。對于射頻系統匹配仿真，XDS也有自己全套的解決方案——場路聯合仿真，在原理圖中，軟件支持第三方元件庫文件（Murata、TDK等）的批量導入（圖10），可支持snp、spice網表格式及csv格式。

圖 10

支持第三方元件庫文件批量導入

版圖仿真完畢后，可將版圖拖拽到原理圖設計環境中，完成版圖與第三方匹配元器件的全鏈路搭建，利用XDS的Smith chart工具完成鏈路拓撲的初步匹配架構設定，最后使用高級分析工具的自動優化功能，對導入的第三方匹配元件進行離散掃描，最終實現全鏈路的射頻匹配優化。

圖 11

Smith匹配及第三方匹配元件離散掃描優化

全鏈路匹配優化完畢后，可調用頻域分析、時域分析、諧波平衡分析、噪聲分析、穩定性分析等求解器完成最終射頻系統的全性能仿真。

圖 12

XDS集成了噪聲分析、時域/頻域分析、

諧波平衡分析等求解器

XDS射頻系統仿真平臺的場路聯合仿真，為用戶提供了從版圖到原理圖的全鏈路優化分析解決方案，從PCB的導入、自動切板、端口一鍵添加到版圖EM電場仿真求解，版圖數據可無縫鏈接到原理圖中進行全鏈路的匹配優化、系統分析，使得用戶免調試率達到70%以上，減輕了工程師的匹配調試工作量，有效縮短了項目研發周期。

圖 8

XDS射頻系統場路聯合仿真全流程

4.支持云平臺的高性能計算

對于復雜的射頻系統模型，其進行3D全波仿真時，由于網格密度高，普通單臺服務器難以快速仿真結果，在很大程度上影響了用戶產品的迭代周期，拖延項目時間，降低產品的競爭力。芯和XDS射頻設計仿真云平臺可支持微軟、亞馬遜、華為云等領先平臺，其解決方案集成核心差異化的電磁場仿真技術與軟件、本地集群仿真技術、MPI仿真技術、云計算技術和分布式集群管理技術，使封裝、PCB、系統設計大規模電磁仿真EDA的資源管理和資源統一調度使用成為了可能，通過使用優秀的管理系統和管理策略，達到資源統一分配和管理，增加了各計算中的資源利用率，降低了計算中心的維護和部署成本，為電子系統設計中的封裝，PCB，系統進行大規模復雜電磁場仿真提供了可能。

圖 14

芯和EDA 云平臺架構

總結

本文首先講述了5G射頻前端的發展現狀和市場情況，然后總結了5G射頻前端PCB、封裝仿真分析中所面臨的挑戰。針對這些挑戰，芯和半導體推出的5G射頻前端封裝、PCB、系統仿真方案，解決方案集成了差異化的電磁場仿真技術、內置了AI智能網格剖分融合技術、跨尺度快速電磁場求解算法、HPC加速技術、云平臺的高性能計算，使射頻前端設計從封裝到PCB、系統的大規模電磁仿真成為可能。同時，利用其場路聯合仿真分析功能，在原理圖中實現了與版圖仿真的無縫鏈接，大大減少數據交換風險，并利用高級分析功能、頻域/時域分析、諧波分析等為用戶提供射頻系統仿真全流程解決方案，減少了用戶射頻設計的迭代。

審核編輯：劉清