手機射頻系統(tǒng)市場概況

手機射頻單元承擔(dān)的是手機射頻信號的收發(fā)功能（見圖1），它主要包括：收發(fā)信單元、功率放大單元、開關(guān)單元和天線單元。射頻接收電路負(fù)責(zé)接收信號的濾波、放大、調(diào)制等功能；射頻發(fā)射電路則負(fù)責(zé)基帶信號的調(diào)制、變頻和功率放大等功能。各類射頻器件被廣泛地應(yīng)用于 5G 技術(shù)中，天線、濾波器、功率放大器和開關(guān)等射頻器件將迎來快速增長期。目前全球射頻市場由五大射頻巨頭（四家美國射頻公司Skyworks、Qualcomm、Qorvo、Broadcom與日本的Murata）占領(lǐng)。5G 驅(qū)動下，射頻器件有望量價齊升，手機射頻市場規(guī)模在 2023 年有望達到 234 億美元。

圖1 手機射頻系統(tǒng)

手機終端射頻系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1.支持的頻段數(shù)量增加

相比于4G手機的2到4根天線，5G手機的天線數(shù)目增加到了8到12根，需要支持的頻段及頻段組合也在4G的基礎(chǔ)上顯著增加，由最初不超過10個頻段逐漸增加到幾十個頻段，各個band之間的匹配調(diào)試難度越來越大。從成本角度來考慮，企業(yè)需要購置更貴的5G測試設(shè)備、聘用更多熟悉5G測試的工程師。然而，4G手機使用分立器件方案的射頻調(diào)試時間，一般在一周以內(nèi)；而隨著5G射頻復(fù)雜度和集成度的顯著提升，調(diào)試時間可能會增加到原來的3到5倍，僅僅通過工程師手動調(diào)試的方式已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品上市迭代的速度。工程師更需要在設(shè)計前期同步評估系統(tǒng)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(zhì)量，從而加快產(chǎn)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(shù)目，與天線數(shù)目及頻段強相關(guān)，這意味著隨著5G頻段的出現(xiàn)，射頻元器件的數(shù)目出現(xiàn)了急劇地增長。與此同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(zhǔn)抽取到模型材料和結(jié)構(gòu)特征，另一方面仿真工具需要將建模流程設(shè)置得盡量便利流暢，兩廂結(jié)合，才能切實地幫助工程師加速模組產(chǎn)品的開發(fā)流程。

3.SAW/BAW濾波器需求趨勢增大

一般而言，手機每多支持一個頻段，就需要增加一個接收濾波器和一個發(fā)射濾波器。5G 時代新增頻段的大幅增加，帶動移動設(shè)備濾波器數(shù)量大幅增加。由于SAW和BAW濾波器的插入損耗小、帶外抑制高、性能穩(wěn)定和頻帶寬等特點，被廣泛應(yīng)用于手機等終端產(chǎn)品中，所以對于SAW/BAW的設(shè)計需求也在不斷加大。濾波器的設(shè)計指標(biāo)眾多，為了滿足5G時代的需求，設(shè)計者需要根據(jù)不同的頻帶設(shè)計出滿足不同指標(biāo)的SAW和BAW濾波器?？上У氖?，長久以來，市場上并沒有特別適合濾波器設(shè)計的EDA工具。

綜上所述，在手機終端射頻系統(tǒng)的設(shè)計中我們將面臨“支持的頻段數(shù)量增加，空間約束帶來的模組集成化趨勢，SAW/BAW濾波器需求趨勢增大”等諸多挑戰(zhàn)。接下來，我們將為您介紹芯和手機終端射頻系統(tǒng)解決方案是如何解決上述難題的。

手機終端射頻系統(tǒng)仿真解決方案

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(guān)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(fā)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(yīng)不可忽略。PCB一般由EDA設(shè)計工具如Allegro、PADS、Zuken等生成，有源器件的模型一般由廠家提供的S參數(shù)表征，無源器件一般由murata等廠商提供。某公司提供了一整套關(guān)于射頻通道質(zhì)量分析和優(yōu)化的解決方案（見圖2），包含無源電磁提取、鏈路仿真和場路協(xié)同仿真。軟件通過自動化的仿真流程，為工程師提供了更大的靈活性。

圖2 芯和射頻系統(tǒng)仿真工具XDS仿真流程

1.射頻PCB和模組無源結(jié)構(gòu)建模仿真

在5G通信系統(tǒng)中，射頻通道發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，射頻系統(tǒng)的性能好壞會直接決定通信質(zhì)量的好壞。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(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確分析過孔和傳輸線的效應(yīng)。設(shè)計者可以將Allegro、PADS、Zuken等主流設(shè)計文件直接導(dǎo)入到XDS中完成建模，利用其強大的版圖編輯功能，工程師可靈活的對版圖進行操作。在XDS中能夠方便快捷的進行疊層和材料的設(shè)置，并能夠根據(jù)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3 XDS中無源結(jié)構(gòu)建模

2.電磁場和電路的聯(lián)合仿真

射頻系統(tǒng)包含發(fā)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(guān)、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(zhǔn)確的評估鏈路的質(zhì)量，還需要將上述器件與射頻PCB進行場路聯(lián)合仿真，廠家一般會提供這些器件的S參數(shù)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(shù)模型進行電路級聯(lián)，為用戶提供更便捷的場路聯(lián)合仿真方案（見圖4）。

圖4 XDS場路聯(lián)合仿真

3.匹配調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化

由于成本控制的要求和手動調(diào)試難度加大，在匹配調(diào)節(jié)設(shè)計的過程中，我們通常希望通過仿真的手段在不同的參數(shù)組合中尋找到性能更優(yōu)的目標(biāo)參數(shù)，達到最優(yōu)的匹配設(shè)計。XDS中提供了一系列的優(yōu)化模塊（見圖5），可以幫助用戶實現(xiàn)快速的匹配設(shè)計。借助XDS中的Parametric參數(shù)化優(yōu)化、Optimization目標(biāo)優(yōu)化、DOE敏感度分析、Yield統(tǒng)計分析、Tuning實時調(diào)諧等優(yōu)化功能模塊，設(shè)計者可以快速實現(xiàn)匹配電路中器件的優(yōu)化設(shè)計，快速找到物料成本最低并且性能最好的參數(shù)組合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計。使用仿真手段進行優(yōu)化設(shè)計已成為產(chǎn)品研發(fā)的常態(tài)，XDS仿真軟件具備多種優(yōu)化分析工具，能夠協(xié)助設(shè)計者快速找到仿真優(yōu)化設(shè)計最優(yōu)解，幫助企業(yè)更高效完成更具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品設(shè)計。

圖5 XDS中優(yōu)化匹配方法

4.SAW/BAW濾波器的設(shè)計

目前手機終端中主要使用的是體積小性能高的聲表面波（SAW）濾波器和體聲波（BAW）濾波器。XDS提供了一套完整SAW/BAW濾波器設(shè)計的流程，設(shè)計者可借助MOM和COM算法，使用工具中內(nèi)置的Ladder和Lattice模板（見圖6），快速生成SAW/BAW濾波器的原理圖，并抽取IDT的S參數(shù)，快速助力手機射頻前端中濾波器的設(shè)計應(yīng)用。

圖6 內(nèi)置Ladder和Lattice模板的SAW和BAW設(shè)計流程

總結(jié)

本文介紹了手機終端射頻系統(tǒng)設(shè)計中面臨的多種挑戰(zhàn)，即支持的頻段數(shù)量增加、空間約束帶來的模組集成化趨勢、SAW/BAW濾波器需求增大。芯和半導(dǎo)體針對這些挑戰(zhàn)，推出了高效的手機射頻系統(tǒng)仿真解決方案：借助芯和半導(dǎo)體自主產(chǎn)權(quán)的XDS、TmlExpert、ViaExpert等軟件工具，幫助工程師實現(xiàn)射頻PCB中無源結(jié)構(gòu)建模仿真，電磁場和電路的聯(lián)合仿真，匹配調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化，SAW/BAW濾波器設(shè)計等應(yīng)用，幫助設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計方案，規(guī)避潛在的風(fēng)險，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

審核編輯：湯梓紅