近幾年，隨著全球從4G到5G的演進，對于以智能手機為代表的移動終端設備來說，射頻模塊需要處理的頻段數量和頻率大幅增加，帶來手機內部射頻模塊的復雜度加劇，整個射頻系統的高效且精準的分析變得越來越重要。

工程師提出了很多亟待解決的問題：

有沒有什么辦法可以快速評估射頻通道的信號質量？

如何調節各個射頻器件或模組之間的匹配？

有沒有一種可靠的方法，能夠在降低物料成本的同時提高調試效率？

有沒有辦法，能夠規避算力限制，縮短仿真分析的時間，從而加快產品上市的進程？

1. 支持的頻段數量增加

相比于4G手機的2到4根天線，5G手機的天線數目增加到了8到12根，需要支持的頻段及頻段組合也在4G時代不超過10個頻段逐漸增加到幾十個頻段，各個band之間的匹配調試難度越來越大。同時，5G射頻復雜度和集成度的顯著提升，導致手機使用分立器件方案的射頻調試時間會增加到原來的3到5倍，僅僅通過工程師手動調試的方式已經無法滿足產品上市迭代的速度。工程師更需要在設計前期同步評估系統性能，借助于計算機輔助仿真的方式，模擬實際信號通道的質量，從而加快產品上市的時間。

2. 空間約束帶來的模組集成化趨勢

射頻元器件的數目，與天線數目及頻段強相關，這意味著隨著5G頻段的出現，射頻元器件的數目出現了急劇地增長。與此同時，由于結構設計的要求，5G手機留給射頻前端的PCB面積是有限的，采用分立元件方案的面積大大超過了可用的PCB面積。在5G手機中，就自然出現了對“高性能和高集成度”模組的需求，同時對于模組的自動化建模流程提出了考驗：一方面，仿真工具需要確保能夠精準抽取到模型材料和結構特征，另一方面仿真工具需要將建模流程設置得盡量便利流暢，兩廂結合，才能切實地幫助工程師加速模組產品的開發流程。

3. 算力需求的增大挑戰傳統IT基礎設施

在整個射頻系統設計開發的流程中，仿真和驗證變得越來越重要，這時，他們往往需要調用大規模的算力集群。所以，傳統的射頻系統工程仿真分析高度依賴于包括高性能計算集群在內的IT基礎架構。在這樣大的算力環境下，整個集群算力的管理和調度、算力集群和存儲系統的交互，需要一支非常專業的IT團隊進行操作。同時，隨著設計周期和上市時間的縮短，仿真分析對高性能計算的需求時常波動很大，且具有不可預測性，基于滿足峰值需求來創建IT基礎設施對于眾多設計企業來說，不僅變得很有挑戰而且也不經濟。云技術的無限算力與EDA技術融合，可以為開發者提供實時可用的算力、更加靈活高效的開發環境、更加優化的成本，并縮短產品上市時間。EDA上云正在成為一種趨勢。

手機終端中射頻鏈路主要包含PCB板，有源器件（PA放大器、開關等）和無源器件（電阻、電感、電容）。PCB板從早期的單層、雙層，到高密度多層板方向發展，其主要特點就是線寬和線間距逐漸縮小，同時所帶來的電磁效應不可忽略。PCB版圖一般由EDA設計工具生成，有源器件的模型一般由廠家提供的S參數表征，無源器件一般由Murata等廠商提供。芯和半導體提供了一整套關于射頻通道質量分析和優化的解決方案（見圖1），包含無源電磁提取、鏈路仿真和場路協同仿真。通過自動化的仿真流程，為工程師提供了更大的靈活性。

圖1.芯和射頻系統仿真工具XDS仿真流程

1. 射頻PCB和模組無源結構建模仿真

在5G通信系統中，射頻通道發揮著關鍵的作用，射頻系統的性能好壞會直接決定通信質量的好壞。芯和半導體的XDS工具集成了高精度2.5D全波電磁場求解器，針對射頻PCB中的無源結構，能夠準確分析過孔和傳輸線的效應。設計者可以將設計文件直接導入到XDS中完成建模，利用其強大的版圖編輯功能，工程師可靈活地對版圖進行操作。在XDS中能夠方便快捷的進行疊層和材料的設置，并能夠根據器件信息自動添加端口，為整個建模和仿真流程提供了極大的便利性。

圖2.XDS中無源結構建模

2. 電磁場和電路的聯合仿真

射頻系統包含發射端（TX）和接收端（RX），涉及到的器件眾多，包含功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、開關、雙工器、天線以及電阻、電容、電感等器件，除了對射頻 PCB進行電磁場仿真之外，要想準確的評估鏈路的質量，還需要將上述器件與射頻PCB進行場路聯合仿真，廠家一般會提供這些器件的S參數模型用于電路仿真。XDS可以生成電磁場仿真模型的symbol，再與器件S參數模型進行電路級聯，為用戶提供更便捷的場路聯合仿真方案（見圖3）。

圖3.XDS場路聯合仿真

3. 匹配調節參數的優化

由于成本控制的要求和手動調試難度加大，在匹配調節設計的過程中，我們通常希望通過仿真的手段在不同的參數組合中尋找到性能更優的目標參數，達到最優的匹配設計。XDS中提供了一系列的優化模塊（見圖4），可以幫助用戶實現快速的匹配設計。借助XDS中的參數化優化、目標優化、敏感度分析、統計分析、實時調諧等優化功能模塊，設計者可以快速實現匹配電路中器件的優化設計，快速找到物料成本最低并且性能最好的參數組合，實現系統的最優設計。使用仿真手段進行優化設計已成為產品研發的常態，XDS仿真軟件具備多種優化分析工具，能夠協助設計者快速找到仿真優化設計最優解，幫助企業更高效完成更具挑戰性的產品設計。

圖4.XDS中優化匹配方法

4. EDA+云

解決了前面幾個挑戰，面對越來越多設計企業對仿真算力的需求，芯和半導體發布了“電子系統設計仿真云平臺”解決方案。該平臺已登錄包括微軟Azure、亞馬遜AWS、華為云在內的全球領先的云服務平臺，全面進入EDA云平臺時代，保證了高性能EDA仿真任務所需的擴展性和敏捷性。

芯和半導體“電子系統設計仿真云平臺”解決方案（圖5）集成了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，使芯片、封裝、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。芯和云平臺解決方案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，不僅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，同時發揮芯和仿真軟件的多尺度電磁引擎、智能網格與并行計算能力，為電子系統設計中的芯片，封裝，PCB，系統進行大規模復雜電磁場仿真提供了可能。

圖5. Xpeedic EDA 云平臺架構

芯和半導體的XDS射頻系統仿真平臺基于自主知識產權的電磁場算法技術，支持多核并行和分布式并行，非常適合云環境的應用，并通過自帶的調度程序JobQueue，管理計算資源和安排仿真作業的優先順序，為工程師提供了高效的從射頻芯片、射頻模組到射頻系統的整體解決方案。云服務平臺能提供充沛的算力及彈性供給、及安全可靠的本地化IT 基礎設施。兩者有機結合，能為國內的射頻設計企業提供快速響應市場需求、自如伸縮計算資源的能力，極大地降低設計與仿真的耗時與成本。

1.產品介紹

XDS提供從原理圖的路級設計仿真到版圖結構的設計與電磁仿真的全流程支持。XDS內置線性電路網絡求解器與強大的多層結構矩量法加速求解技術，可以支持進行場路聯合仿真。XDS可導入主流第三方版圖設計文件，對版圖進行切割，優化，原理圖化分析仿真等。

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思路，可以幫助用戶抽象設計思想，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掃描分析，Noise分析以及在基礎分析之上進行高級分析。支持基本元件Element包含如R、L、C、S參數、Spice Netlist等；支持常用微帶線，帶狀線，同軸線等傳輸線；支持常用微帶結構如階梯躍變、拐彎、T連接等；支持常用RF行為模型，如混合橋、定向耦合器、環形器、功分器、移相器、移時器等；支持理想傳輸線的基于電長度和物理長度配置的開路、短路模型；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L,C的庫導入管理。

版圖設計環節支持用戶進行常規的2D幾何編輯，如支持對線、矩形、圓型、多邊形、扇形進行布爾運算，并且支持對象的參數化設計。支持將外部數據導入版圖設計環境，并支持版圖和原理圖之間的同步設計。XDS內置強大的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。

XDS內置Smith Chart功能，能夠為用戶提供便捷的匹配網絡生成功能。匹配元件包括L，C，R，Transformer等，可以支持一鍵將匹配網絡添加到原理圖。

為了輔助設計分析，軟件支持用戶對設計變量Tuning并實時觀察變量對結果的影響程度；XDS能夠優化設計目標，內置了豐富的優化引擎，如Quasi Newton(梯度)，Pattern Search, Genetic Algorithm，Random等；為了提高設計的魯棒性，內置了DOE分析，平衡設計參數對設計目標的影響，內置Yield分析功能，通過設計變量的來評估設計指標的性能分布。

圖6.射頻微波系統分析方案

2. 產品特色

XDS作為射頻系統設計與仿真平臺，可以對無源射頻電路結構進行設計、仿真、優化分析，輸出插損、回損、隔離度等射頻指標。獨特的SAW/BAW濾波器的設計流程，支持濾波器原理圖設計優化和快速版圖生成。

XDS的主要特色有：

集成射頻系統原理圖與版圖設計環境，并支持多維度協同設計流程，包括原理圖-版圖協同設計、場-路協同仿真和芯片-封裝協同設計；

內建專門為SAW/BAW濾波器定制的設計流程。支持常用拓撲的一鍵生成，BAW元件支持mBVD、Mason模型，SAW支持COM模型；

內置多種業內領先的電磁仿真引擎和SAW仿真引擎，滿足射頻系統從DC至THz的仿真要求，內嵌3D MoM Solver可以快速精確模擬復雜電磁效應，充分考慮導體趨膚效應、鄰近效應和多介質損耗；基于2D RLGC求解器，可以對各種傳輸線進行仿真；內嵌線性電路網絡求解器（Linear Network Analyzer）；內嵌COM仿真引擎，支持對SAW的優化設計；

內嵌多種算法以支持射頻系統和濾波器優化、調諧、DOE和Yield分析，從而快速幫助用戶自動調優，找出最佳設計點并提高產品良率；

內置Smith Chart和強大的仿真后處理能力，以快速實現多端口網絡阻抗匹配以及S參數后處理。

3. 主要功能

集成層次化的原理圖與Layout設計環境，便于用戶抽象設計思想，重復利用底層電路模塊，提高設計效率。并且能夠支持層次化設計后的場路聯合求解仿真；

支持版圖編輯與參數化，可以對版圖進行基本圖形操作與可變圖形用戶參數定義；

支持原理圖中所有元件的參數化；

支持LC無源濾波器拓撲生成向導，可一鍵生成目標濾波器拓撲；

支持Smith Chart輔助用戶尋找匹配網絡，并將匹配網絡導入用戶原理圖；

支持Noise Figure仿真分析；

支持電路穩定性分析（mu）；

新增一種端口類型Explicit Grounding；

新增理想傳輸線基于電長度和物理長度配置的開路、短路模型TMLE、TMLEOC、TMLESC、CTMLE、微波無源電路等；

支持Yield分析，利用設計參數和實際物理參數概率分布來評估設計指標良品率。

審核編輯：湯梓紅