無線產品射頻電路設計的科學方法教程

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無線產品射頻電路設計的科學方法教程

工程師2 發表於 2018-04-28 11:05:00

從20世紀80年代開始，射頻微波電路技術的應用方向逐漸由傳統波導同軸器件轉移到微波平面PCB電路方面，微波平面電路設計一直是一項比較複雜的工作。現在的無線通信產品已經從早期的2G，逐步發展到3G、4G乃至5G。

隨著應用頻率的逐步走高，再加上多頻段電路並存與產品小型化要求等，射頻電路的設計越來越難，傳統的設計方法已經不能滿足現代射頻通信產品設計要求。因此，藉助射頻微波仿真軟體進行電路設計已勢在必行。

什麼是射頻仿真軟體？

射 頻仿真軟體是集計算電磁學和數學分析研究成果計算機化的產物，它集合了電磁學、數學分析、虛擬實驗等方法為一體，並通過仿真的方法達到預期實驗結果，得到 各種直觀數據，是射頻工程師和研究人員的有力工具。射頻仿真方法是一種科學的設計方法，它可以減少調試工作量以及產品後期可能會出現的各種不確信性因素， 進而縮短產品的研發周期，提高產品的一次性成功率。

射頻電路設計仿真軟體目前主流的是德科技Keysight ADS（高級設計系統），ADS這款軟體能夠藉助集成平臺中的無線庫以及電路系統和電磁協同仿真功能，提供基於標準的全面設計和驗證，它已被廣泛應用於 Wifi、GPS、藍牙、2G/3G/4G電路和通信系統設計中。

下面我們就以ADS軟體為例，跟大家講解下電路設計的基本過程吧！

射頻電路設計與仿真包含以下幾個步驟：

1、系統仿真階段：

在 產品立項初期，首先確定產品的系統指標和確定電路架構，其中包括：靈敏度、前端總增益、噪聲係數、工作帶寬、動態範圍等，這些需採用ADS對電路進行系統 仿真。因為我們現在大部分產品都是源自國外成熟方案，晶片與電路系統架構都是確定的，所以這個步驟目前在消費類產品中基本不會涉及到。

ADS多層次仿真

2、原理圖設計仿真階段：

根據系統指標要求進行方案及IC選型，包括低噪聲放大器LNA、濾波器、功率放大器設計以及級間匹配電路等。

RX接收鏈路系統仿真

3、PCB聯合仿真階段：

原理圖設計其實是一種很理想的狀況，它並沒有考慮到器件的寄生效應以及PCB微帶線的耦合效應。因此科學的做法是需要將設計好的PCB導入到ADS Momentum裡面進行電磁場仿真，並重新調整優化匹配元件值。根據RF sister多年的經驗，如果模型和仿真設置得足夠正常的話，仿真結果逼近程度是非常高的。

低噪聲放大器原理圖仿真

4、產品調試階段：

仿真其實僅僅只能保證設計趨勢和方向的正確性，所以樣板回來後還是需要調試優化的，記錄和保存好測試結果，並和仿真進行對比。原則上是：不管差異多大，一定要找到原因！

結合PCB低噪聲放大器聯合仿真

5、項目總結階段：

對整個仿真和實際測試結果做閉環分析——究竟是模型的問題，還是仿真參數設置的問題，又或者是PCB介電常數和介質損耗不精準的問題，是不是加工的問題呢？ 在這裡，我們就需要非常豐富的實踐經驗和問題分析能力了。最後的總結很重要，將是下一步成功的基礎，類似於華為中興等大型企業都會有寫總結文檔的習慣。

某LTE終端仿真與實測輸入阻抗對比

小貼士

方法總是美好的，但過程總是曲折。有很多小夥伴們第一次跌倒（實測和仿真差距較大）就主動放棄了，仿真和測試是否接近，其實主要取決以下幾個因素哦：

（1）仿真軟體使用的熟練程度。需懂得仿真的基本原理，知道每一項的設置的具體含義，是否會影響到參數；

（2）測試的方法、網分校準是否足夠正確。了解什麼是SOLT、TRL，它們又各有什麼優缺點；

（3）對元器件特性及S參數模型、SPICE模型的了解夠不夠深入；

（4）經驗是否足夠。對於閉環驗證沒有經驗，認為一次就可以閉環；

（5）最重要的一點：小夥伴個人有研究興趣，但因為公司產品進度趕，所以沒有做過多深入思考和更多分析的時間。

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