工程上常用ADS進行射頻功率放大器裸芯片電路級設計，然后將裸芯電路原理圖或版圖與設計好的基板進行聯合仿真。常用的裸芯與基板聯合仿真方法包括使用ADS + Momentum或ADS嵌套技術或ADS+HFSS等。由于射頻電路的實際寄生很難準確模擬，在射頻功率放大器芯片的設計研制過程中，工程師們常對應采用什么樣的基板聯合仿真方法感到困惑。

　　本文以自主研制的工作頻率2GHz的射頻功率放大器芯片為例，從仿真器的算法理論、聯合仿真的具體建模方法、建模復雜度、仿真時間、對比實測結果等幾個方面對上述幾種常用的基板聯合仿真方法進行了比較探討，嘗試歸納總結出對實際射頻功率放大器芯片工程設計有幫助的仿真經驗。

　　引言

　　工程上常用ADS進行射頻功率放大器（PA）裸芯片（Die） 電路級設計。為了提高仿真準確度，會將裸芯電路原理圖或版圖與設計好的基板進行聯合仿真。常用的裸芯與基板聯合仿真方法包括使用ADS+Momentum或ADS嵌套技術（Nested Technology）或ADS+HFSS等。由于射頻電路的實際寄生很難準確模擬，在射頻功率放大器芯片的設計研制過程中，工程師們常對應采用什么樣的基板聯合仿真方法感到困惑。本文以利用ADS2014和HFSS 15.0自主研制的工作頻率2GHz的射頻功率放大器芯片（PA#L03）為例，從仿真器的算法理論、聯合仿真的具體建模方法、建模復雜度、仿真時間、對比實測結果等幾個方面對上述幾種常用的基板聯合仿真方法進行了比較探討，嘗試歸納總結出對實際射頻功率放大器芯片工程設計有幫助的仿真經驗。

　　本例射頻功率放大器芯片PA#L03的電路設計原理圖（頂層）如圖1所示。

　　1 各種仿真器算法比較

　　ADS是由美國安捷倫（Agilent）公司推出的一款基于矩量法（MoM）的射頻電路仿真工具，它的EM 仿真器包括Momentum Microwave和FEM。其中Momentum的算法基于矩量法（MoM，Method of Moment），FEM的算法基于有限元法（FEM，FiniteElement Method）。HFSS是Ansoft公司推出的基于有限元法的針對高頻結構的電磁仿真軟件。下面扼要介紹一下矩量法和有限元法［1，2］。

　　（1）有限元法（FEM）

　　有限元方法是在20世紀40年代被提出，后來這種方法得到發展并被非常廣泛地應用于結構分析問題中。有限元法是以變分原理為基礎的一種數值計算方法。應用變分原理，把所要求解的邊值問題轉化為相應的變分問題，利用對場域的剖分、插值離散化變分問題為普通多元函數的極值問題， 進而得到一組多元的代數方程組， 求解代數方程組就可以得到所求邊值問題的數值解。一般要經過如下步驟：

　　①區域離散化。即將場域或物體分為有限個子域，如三角形、四邊形、四面體、六面體等；

　　②選擇插值函數。選擇插值函數的類型如多項式，用結點（圖形定點）的場值求取子域各點的場的近似值。插值函數可以選擇為一階（線性）、二階（二次）、或高階多項式。盡管高階多項式的精度高，但通常得到的公式也比較復雜；

　　③方程組公式的建立。可以通過里茲方法或者迦遼金方法建立；

　　④ 選擇合適的代數解法求解代數方程， 即可得到待求邊值問題的數值解。

　　（2）矩量法（MoM）

　　矩量法是計算電磁學中最為常用的方法之一。自從20世紀60年代Harrington提出矩量法的基本概念以來，它在理論上日臻完善，并廣泛地應用于工程之中。特別是在電磁輻射與散射及電磁兼容領域，矩量法更顯示出其獨特的優越性。矩量法的基本思想是將幾何目標剖分離散，在其上定義合適的基函數，然后建立積分方程，用權函數檢驗從而產生一個矩陣方程，求解該矩陣方程，即可得到幾何目標上的電流分布，從而其他近遠場信息可從該電流分布求得。

　　根據算法原理，表1歸納對比了MoM和FEM兩種算法的性能特點。

　　至于ADS自帶的FEM仿真器與HFSS的FEM仿真器，算法原理上并無大區別，但在軟件算法引擎程序的具體實現方法以及邊界條件的設定上有區別。此外，ADS 可以仿真有源器件而HFSS不能。

　　表1 MoM和FEM兩種算法的性能特點對比

　　2 各種基板聯合仿真的具體建模方法

　　和相應建模復雜度及仿真時間對比本文作者從實際工程經驗中總結出以下幾種射頻功率放大器裸芯和基板聯合仿真方法：具體的輔助軟件操作方法可參考［2，3］。

　　方法1 ： 裸D i e 電路原理圖 + 基板Momentum仿真

　　第1步：在ADS里，將設計好的PA基板版圖（layout）在鉤掛有源器件、無源器件、外接電源處進行ADS端口（PORT）設置，如圖2（a）所示。所創建的基板EM襯底文件（.subst）如圖2（b）所示。

　　第2步：在進行ADS EM 仿真設置時，要創建Symbol并選擇Symbol類型為Layout look-like，運行Momentum Microwave EM 仿真。仿真完畢會自動更新Symbol。

　　第3步：在ADS原理圖里，將第2步所仿真好的PA基板版圖Symbol與封裝在Symbol里的PA 裸Die電路鉤掛起來，如圖3所示。

　　第4步：運行第3步設置好的聯合仿真。

　　（a） 基板Momentum仿真端口設置

　　（b） 基板EM襯底設置

　　圖2 基板Momentum 仿真設置和創建的基板EM襯底文件

　　方法2：裸Die電路原理圖 + 基板HFSS仿真（Lumped端口不去嵌）

　　第1步：在ADS里，將設計好的PA基板版圖（layout）導入到HFSS里建模。在鉤掛有源器件、無源器件、外接電源處進行HFSS集總端口（LumpedPORT）設置，如圖4所示。方法2中的Lumped端口不去嵌（Deembed）。

　　第2步：運行HFSS仿真，仿真完畢后導出N端口S參數文件（.SNP）。

　　第3步：在ADS原理圖里，將第2步HFSS仿真所得到的PA基板版圖S參數文件與封裝在Symbol里的PA 裸Die電路鉤掛起來，如圖5所示。

　　第4步：運行第3步設置好的聯合仿真。

　　圖3 裸Die電路原理圖 + 基板Momentum聯仿設置整體圖

　　方法3：裸Die電路原理圖 + 基板HFSS仿真

　　（Lumped端口去嵌）方法3步驟同方法2，不同之處在導出N端口S參數文件前將所有端口去嵌。

　　圖4 基板HFSS仿真設置

　　圖5 裸Die電路原理圖 + 基板HFSS聯仿設置整體圖

　　方法4：裸Die版圖Momentum仿真 + 基板HFSS仿真

　　第1步：將設計好的PA裸Die版圖（本例使用Cadence Virtuoso）導入到ADS layout里。

　　第2步：由于完整的PA裸Die版圖EM仿真需要設置的端口非常多，仿真所需資源和內存也相應非常大，在目前中等配置的仿真硬件系統需要非常長的運行時間，甚至無法運行。方法4通常需要簡化PA裸Die版圖。鑒于高頻寄生主要影響PA的輸出級，方法4中PA Die版圖只保留輸出級和焊盤（PAD），并把所有有源器件和電阻去掉。然后類似于方法1中的第1步對簡化版圖進行ADS端口設置，每個連接三極管的地方需要設置3個PORT分別對應各極。如圖6所示。

　　第3步：類似于方法1中的第2步，在ADS里創建Symbol并選擇Symbol類型為Layout look-like，運行Momentum Microwave EM 仿真。仿真完畢會自動更新Symbol。

　　第4步：按方法2中第1-2步得到PA基板的HFSS仿真S參數文件。

　　第5步：在ADS原理圖里，將本方法第1-3步所仿真好的PA裸Die版圖Symbol與HFSS仿真所得到的基板S參數文件鉤掛起來。

　　第6步：運行第5步設置好的聯合仿真。

　　圖6 簡化PA裸Die版圖和ADS端口設置

　　方法5：裸Die版圖Momentum仿真 + 基板Momentum仿真

　　第1步：同方法4中的第1-3步，對PA裸Die版圖進行Momentum仿真，得到PA裸Die版圖仿真EMModel。

　　第2步：同方法1中的第1-2步，對PA基板版圖進行Momentum仿真，得到PA基板版圖仿真emModel。

　　第3步：在ADS原理圖里，將本方法第1步所仿真好的PA裸Die版圖EM Model與缺失的有源、無源器件以及本方法第2步所仿真好的PA基板版圖emModel鉤掛起來，局部如圖7所示。

　　第4步：運行第3步設置好的聯合仿真。

　　圖7 PA裸Die版圖emModel 鉤掛有源、無源器件（局部）

　　方法6：裸Die版圖 + 基板ADS嵌套技術

　　（Nested Technology）仿真ADS嵌套技術（Nested Technology）仿真方法詳見ADS Help。本例的仿真版圖嵌套設置和所創建的嵌套襯底文件如圖8所示。

　　（a） ADS嵌套技術仿真端口設置

　　（b） 基板嵌套裸Die EM襯底設置

　　圖8 本例的仿真版圖嵌套設置和所創建的嵌套技術襯底文件

　　本例采用上述各種基板聯合仿真方法對自主研制的PA芯片（PA#L03）進行仿真，其相應建模復雜度及仿真時間對比總結如表2所示（仿真系統配置：雙核 3.2GHz CPU、16GB 內存、64位機; 仿真軟件版本：ADS 2014、HFSS 15.0）。

　　表2 各種基板聯合仿真方法的建模復雜度及仿真時間對比

　　3 各種基板聯合仿真的結果、電路原理圖ADS仿真結果和實測結果對比

　　本例的PA#L0 3 芯片研制生產后進行了調試測試。上述各種基板聯合仿真的結果、電路原理圖ADS仿真結果和實測結果對比如表3所示（C1_1，C1_2，C2分別代表第1段匹配第1、2個電容和第2段匹配電容； Pout是輸出功率； Pin是輸入功率； PAE是功率附加效率）。圖9對表3中的數據作了更直觀的比較。

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　　表3 各種基板聯合仿真方法的仿真結果、電路原理圖ADS仿真結果和實測結果對比

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　　圖9 表3數據的直觀比較

　　4 結論

　　本文以自主研制的射頻功率放大器芯片為例，從仿真器的算法理論、聯合仿真的具體建模方法、建模復雜度、仿真時間、對比實測結果等幾個方面對幾種常用的基板聯合仿真方法進行了比較探討，嘗試歸納總結出對實際射頻功率放大器芯片工程設計可能有幫助的以下幾點仿真經驗（針對當前所使用軟件版本）：

　　（1）電路原理圖ADS仿真結果與實測結果已經比較接近，但為了提高仿真準確度，建議盡量進行基板EM聯合仿真。

　　（2）采用HFSS設置Lumped端口仿真基板，不去嵌（方法2）比去嵌（方法3）的仿真結果更接近實測結果。

　　（3）采用裸Die電路原理圖+基板EM仿真的方法（方法1，2）比電路原理圖ADS仿真結果更接近實測結果：靜態電流相差約22%; 輸出功率相差約0.8～1.6dB; 效率相差約11%～33%。從準確角度上看，方法1和方法2相差不大；但利用HFSS的方法2比利用Momentum的方法1仿真時間要少很多，這從FEM和MoM的算法原理上是可以理解的。

　　（4）采用裸Die版圖EM仿真+基板HFSS仿真的方法（方法4）在輸出功率和增益的仿真上比方法1，2更接近實測結果，但耗時較長，且對效率的仿真不夠準確。

　　（5）采用裸Die版圖EM仿真+基板Momentum仿真的方法（方法5）并不準確且耗時長，不推薦采用。

　　（6）采用ADS 嵌套技術（方法6）并不準確且耗時長，也不推薦采用。