知识点 | 什么是射频集成电路（RFIC）？

6月前浏览5119

本文原刊登于Ansys Blog：《What is a Radio Frequency Integrated Circuit (RFIC)?》

作者：Kelly Damalou | Ansys首席产品经理

本文摘要：（由ai生成）

射频集成电路（RFIC）是连接世界的关键技术，用于手机、无线互联网、雷达等。现代RFIC设计面临高频电磁挑战，需缩短设计迭代周期。Ansys提供EDA和仿真软件，如VeloceRF、RaptorX等，支持现代RFIC设计需求，确保可靠性与性能。随着5G等技术的需求增长，RFIC设计日益复杂，设计人员需利用先进工具和方法，简化设计流程，加速产品上市。

从手机和无线互联网接入到雷达和导航系统，射频（RF）传输技术正在让世界变得更加互联。随着该技术的不断进步，射频集成电路（RFIC）本身已成为复杂的芯片，并且还需要被集成到超大型片上系统（SoC）解决方案中。RFIC被设计为在高频下工作，通常在几百MHz到几GHz的范围内。

无线电电路设计的目标是，在信号源和目的地之间，以可接受的质量发送和接收信号，而不会产生高昂的成本。这可以通过在电路设计中使用经过验证的设计方法来实现。RFIC通常在单个芯片上包含了放大器、滤波器、混频器、振荡器和调制/解调器。

RF电路设计是一种同时采用了低频模拟设计方法和微波电路设计方法的混合技术。微波设计与低频模拟设计的主要区别在于传输线原理的重要性。微波设计在很大程度上依赖于传输线概念，而低频模拟设计并非如此。因此，阻抗水平的选择以及信号大小、噪声和失真等描述都会受到影响。

典型的射频（RF）电路结构图

RFIC设计的主要组件包括：

天线：用于发送和接收射频信号。

滤波器：滤除特定频段的信号。它包括允许特定频率范围通过的带通滤波器（BPF）、允许低于特定频率通过的低通滤波器（LPF）、以及允许高于特定频率通过的高通滤波器（HPF）。

阻抗匹配：匹配源阻抗和负载阻抗，以最大限度地减少信号反射或提高功率传输。

低噪声放大器（LNA）：放大微弱信号并过滤噪声响应（因为接收到的信号不够强，无法直接通过混频器）。

调制器：用于信号调制。它以某种方式对信号进行编码，以满足通信信道要求。它可以充当发射器中的“上变频器”，其中将低频模拟信号与本地振荡器信号相结合，以生成RF信号。

解调器：对接收信号进行解码。它从调制载波中提取携带原始信息的信号。

功率放大器：用于将混频器的输出放大到更高功率，以便进行传输。传输效率越高，覆盖范围越广。

RF开关：使高频信号通过特定的传输通道。

RFIC的用例和优势

无线通信和连接：RFIC广泛应用于手机、物联网（IoT）设备、家用电器等领域的无线通信。支持RFIC的设备已成为日常生活中不可或缺的一部分。紧凑型集成、电源管理和高速数据传输是其最大的优势所在。

汽车雷达系统：RFIC可用于汽车雷达系统，如防撞、自适应巡航控制和泊车辅助等应用。凭借紧凑的尺寸，它可以轻松地被安装到汽车上，从而提高安全性。

无线传感器网络：RFIC可用于环境监测、智慧农业和工业自动化等应用的无线传感器网络。传感器节点之间的无线连接消除了对于大量布线和基础设施的需求。RFIC应用可提供灵活性和可扩展性，因为它易于扩展或重新配置基于RFIC的网络。

卫星通信：RFIC可用于卫星通信系统的信号放大、频率转换和调制等任务。广泛的覆盖范围、高数据传输速率和高效的信号处理只是其众多优势中的一部分。

现代RFIC的设计与验证

几十年来，模拟/混合信号设计（AMS）都被认为是一门艺术，RFIC设计人员采用自己的手动方法来完成从原理图和布局阶段到物理验证和电路仿真的整个流程。然而，这将耗费大量的项目时间和预算。

这些传统的设计和验证方法无法满足现代RFIC设计标准的要求。随着设计人员试图将模拟、数字和RF整合到一个大型SoC中，以及工作频率的不断增加，很难使用之前建模的器件库或其它传统方法来设计RF集成电路。此外，高频下的电磁相互作用会导致寄生效应，如信号反射、串扰和电磁干扰（EMI），这会降低电路性能，因此应在设计周期内尽早将其纳入考虑范围。

现代RFIC开发流程要求缩短每次设计迭代的周转时间（TAT），同时尽可能实现最佳的电路性能。因此，设计和仿真在迭代过程中齐头并进。设计将根据仿真的输出进行多次调整。这是一个漫长的过程，设计人员有时会在电路性能方面做出妥协，以便能够根据非常紧迫的项目时间要求来交付产品。因此，为了保持出色的性能，RFIC设计人员需要先进的电子设计自动化（EDA）工具和专门面向IC设计的出色仿真功能。

EDA工具（具体而言是原理图和布局工具）与芯片优化仿真软件的无缝集成，对于RFIC设计成功至关重要。通过上述工具的超级融合，不仅可利用芯片专用电磁求解器，实现从早期原理图阶段到成熟布局阶段的快速、准确电路建模，而且能够对动态压降、电迁移和其它问题进行内置检查。Ansys与Synopsys协作提供的统一解决方案不仅可满足现代RFIC设计人员的需求，而且能够确保可靠性和鲁棒性。

Ansys芯片优化电磁仿真工作流程始于设计周期的早期阶段。使用Ansys VeloceRF，您可以实现快速、准确的器件综合和建模。为了在布局规划阶段制定明智的决策，RFIC设计人员采用Ansys RaptorX，这是一款专门用于片上设计和工作流程的电磁求解器。RaptorX可以对布局上的所有无源元件和走线进行建模，然后协同分析多个模块或芯片与封装之间的耦合。RFIC设计人员可以通过Ansys RaptorH界面将IC设计数据移交给Ansys HFSS，以进行系统级仿真，在该界面中，设计人员可以运行完整的芯片、封装和PCB电磁仿真。在签核阶段，Ansys Exalto会针对RF电路中的电磁关键区域，抽取得到增强RC结果的电磁模型。电磁模型会在RC测试台中自动进行反向注释，以实现具有电磁置信度的快速布局后仿真。