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邻信道干扰(ACI)的来源以及射频设计实践
随着无线联网技术以及其他无线技术在无许可限制的同一频谱范围内的迅速推广应用，Wi-Fi(802.11)产品遭受的射频(RF)干扰与日俱增，从而严重影响无线局域网(WLAN)的数据吞吐性能。与此同时，对诸如多媒体音频与视频、流媒体、WLAN语音以及其他需要服务质量(QoS)功能与较低分组误差率的应用等新型WLAN应用，市场要求更高的数据吞吐速率。由于在环境中对WLAN设备的带内干扰与邻带干扰不断增加，因此射频与数字过滤的设计至关重要。本文分析了邻信道干扰(ACI)的来源以及射频设计实践，通过此实践可以改善WLAN的相邻信道抑制(ACR)而全面提高其性能。 概述 在2.4GHz与5.xGHx无许可限制的频带中，ACI问题以及改善RF接收机的Wi-Fi与WLAN技术性能的需求已倍受制造商、系统设计人员、集成商与美国联邦通信委员会(FCC)的关注。事实上，在FCC发布用于802.11WLAN的额外250MHz频谱(起始于5.4GHz)时，它就注明了不久将要针对WLAN拥挤频谱带调整有关规定。FCC近期可能发布一个“调查通知”(NOI)，以收集有关建立在该频谱中设计射频接收机的政府标准的可能性信息。 何谓标桩？ 在干扰问题解决之前，WLAN市场的未来发展将大受影响。目前，WLAN接入点设备(AP)或客户端基站将受到其它相邻WLANAP与基站以及在同一无许可限制的频带中运行的非802.11设备的干扰。该情况与移动电话行业面临的问题类似，其使用信道频率重用解决方案使该问题得以解决。随着802.11市场的发展与WLAN技术的使用密度不断增大，该问题在如下应用中将愈演愈劣： ●公司/企业部署 ●密集商务热点部署(商业街等等) ●住宅公寓楼宇部署 ●高密度市内部署 许多干扰源会对WLAN的性能造成不利影响，包括以下非802.11设备： ●无绳电话(2.4或5.xGHz) ●蓝牙个人区域联网设备(2.4GHz) ●蓝牙无线耳机是特殊的情况 ●脉冲雷达(美国正在研究将5.4GHz频带用于脉冲雷达) ●微波炉(在2.4GHz频带中50%的忙闲度将产生脉冲干扰) ●低能量RF光源(2.4GHz) ●采用包括蜂窝、蓝牙与WLAN在内的多种无线技术的集成设备、手持终端与PDA中假讯号RF噪声 ●满足新兴"全频段"要求的宽频带5GHz设备 干扰还可能来源于相邻的信道。在这种情况下，802.11系统的RF子系统与数字过滤的设计还可以对AP或基站的性能造成极大影响。此外，WLAN网络的物理设计可以消除带内干扰的很多反射。通常由信号干扰比率(S/I或SIR)决定WLAN的性能，该比率的定义是数据信号与干扰信号的比率。对于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的图1解释了这一概念。 显然，由商用无线设备生成的信号不尽完美。的确，从802.11射频发出的信号生成超出其许可频带范围的一些能量，称之为边带发射。这种情况也会出现在其他无线设备上，如蓝牙、无绳电话以及其他与802.11占用相同频带的设备。虽然通过过滤可以将来自相邻信道的RF干扰降至最低，但是此干扰还会生成旁瓣能量(sidelobeenergy)，此能量属于802.11WLAN信号的通频带范围内。如果ACI比802.11信号强，来自ACI的边带能量将主导信道的噪声层。如图2所示。 WLANRF接收机可以设计为带有有效的ACR，其可发送约具有802.11信号0.10带宽的窄带信号。这些窄带信号包括无绳电话以及蓝牙信号。然而，宽带ACI可生成大量进入802.11接收机通频带的边带能量。在这些条件下，链路裕度的数量或SIR的大小将对WLAN的数据吞吐量造成决定性的影响。 提供可跨越全世界无许可限制频带中所有频率的5.xGHz射频架构是无线行业的发展趋势。下图(图3)展示了这些所谓的"全频段"射频是如何从5.150GHz到5.875GHz运行的。若此波段射频含有将于2007年生效的日本分配，则该范围还可以扩展到从4.9GHz到5.875GHz。假设此频带中存在某些高功率干扰源，如雷达与导航系统，那么全频段射频还需要一些级别的信道选择性过滤才能避免由这些高功率干扰源造成的任何性能下降。 以上述内容为背景，本白皮书的其余内容将主要介绍以下内容： ●可以对干扰提供相邻信道抑制(ACR)的RF接收机设计； ●ACR过滤技术，可以在蓝牙与802.11技术共存于同一产品平台上的嵌入式应用中实施该技术。特别强调在无线耳机中遇到的问题； ●在密集的用户环境中由相邻802.11单元(cell)产生的干扰。 提供ACR的接收机设计 RF系统抑制源自相邻信道干扰的能力主要取决于接收机的架构。虽然目前可以使用几种接收机架构，但是由于在WLAN系统中普遍使用直接转换(DC)与双通道转换或超外差(super-het)架构，因此本白皮书只对这两种架构进行分析。 为了在WLAN接收机的设计中融入有效的ACR功能，必须在接收机链路中考虑两个要点。如下所示： ●低噪声放大器(LNA)与IP3的输入信号饱和度； ●在系统的信号基带处理器中模数转换器(A/D)的当前信号级别。 在802.11系统中，大多数LNA的输入信号级别在-20到-30dBm之间达到饱和。如果出现了超过此级别的强输入信号，LNA将停止提供增益，并且实际上将抑制信号的非线性失真。精心设计的LNA能够以高达-10至-15dBm的输入级别进行操作。当输入信号超过-10至-15dBm时，一些系统能够绕过LNA。从而使输入信号可高达+4dBm，但是折衷的结果是造成较低的接收机灵敏度。 在LNA的RF处理链路的另一端将输入系统的A/D转换器。这些转换器具有有限的动态范围。因此，无法过滤出ACI，从而造成数字噪声层在接收的信号中占据主导地位。假设WLAN射频设计为至少具有20dB的数字过滤，那么ACI噪声与802.11信号在A/D上的信号功率应该是相同的(相等功率点)。 表1显示了2.4GHz频带中干扰源的示例。此表中有效的干扰数字(第5列)解释了LNA的饱和点之所以如此重要的原因。 表1中的大多数干扰源均为窄带设备，如：无绳电话或蓝牙产品等。在很多情况下，该类产品可以在一米之内或WLAN客户端设备中进行操作。即使有传播损失，这些干扰源仍然可以为位于802.11接收机链路一端的LNA提供高达0dBm。 802.11接收机架构 图4将超外差接收机架构与DC接收机架构之间的差别进行了对比。此示例假设源自无绳电话的相邻窄带强干扰为-15dBm，并且接收的WLAN信号级别的目标是-80dBm。也就是说在干扰与WLAN信号之间的接收功率相差将近65dBm。这种情况很容易发生，如某用户可能一边在与本地WLAN相连的便携电脑上进行工作，一边用无绳电话聊天。 图4显示了超外差接收机架构的过滤设计可以将ACI降低至可接受的级别。在至少具有20dB数字相邻信道过滤的条件下，超外差接收机在不增加分组误差率的情况下每秒能够接收11兆位(Mbps)CCK或22MbpsPBCC802.11Wi-Fi信号。 如果采用DC架构，去除了中频(IF)上的声表面波(SAW)滤波器，从而导致接收机链路中A/D转换器上的干扰信号是40dB，高于可接受的程度。采用A/D上的过采样与回递抽取过滤(recursivedecimationfiltering)，仍然可以恢复802.11信号。例如，GSM接收机使用DC架构，并且通过在大约26MHz上过采样大约300KHz的带宽GSM信号提供大约80dB的ACR。不幸的是，由于技术的局限性与电池供电产品的低功耗要求，过采样所采用的信号几乎百分之百都是像GSM信号这样的窄带信号，不可能是像802.11信号那样的宽带信号。 下面的图5显示了在A/D转换器上强ACI的效果。高级别的ACI导致产生在802.11信道的SIR中占据主导地位的噪声层，从而由于造成要处理大气噪声与量化而削弱了WLAN信号的强度。 对于已经实施OFDM调制方案的WLAN来说，从一个频率接收器到另一个频率接收器的往返传输过程中，接收机链路中的快速傅里叶变换(FFT)已经有所损耗。从而导致带外抑制层平均大约为25dB。图6解释了每个FFT接收器的SinX/X响应。 接收机 虽然已经超出了本白皮书探讨的范围，但是值得一提的是802.11接收机链路中的ACR过滤可以降低功耗，因为基带处理器中A／D的采样速率会有所下降。为了满足防混淆的要求，将加重其他模拟过滤的负担，而不是以更高的速率进行采样。在5GHz频带所谓的全频段射频中，这种防混淆的问题尤为关键，因为这些射频的前端是将近1GHz频宽的信号。这就意味着为接收机链路中的A／D转换器提供数百兆赫的频谱。包含在此信号中的可以是高功率脉冲雷达信号，该信号将在接收机链路中占据主导地位。 到目前为止，汇聚已经成为电子领域的主要趋势。在手机与PDA市场中，这意味着汇聚的手持终端、智能电话、无线PDA以及多媒体设备，其中包括三种无线技术：蜂窝技术、802.11Wi-FiWLAN与蓝牙。很多专家预测，具有成本优势的汇聚设备在2004年就将问世。这种新型的移动手持终端将侧重MP3音乐、视频流等多媒体应用。为了提供引人注目的用户体验，这些新型设备必须能够充分利用由新一代蜂窝协议与基础设施提供的更高数据速率以及高速WLAN连接。无线蓝牙耳机及其他类型的外设将为这些设备的便捷性与易用性增色不少。 蓝牙与WLAN共存的问题 图7解释了在WLAN热点中如何使用这类设备。在这种情形中，用户可以通过WLAN在IP语音(VoIP)连接上进行通信或可以通过设备的802.11调制解调器下载MP3或视频流。此外，汇聚的设备还可以与蓝牙耳机相连，以便进行专用监听。 图7中描绘的这种使用情况不久就会出现于市场，但是用户需要共存的解决方案才能充分利用此应用中的所有无线技术。由于汇聚蜂窝电话／PDA设备中的蓝牙与WLAN调制解调器是在同一无许可限制的频带中运行的，因此它们会彼此相互干扰。此外，该区域中的其他802.11客户端设备也将竞相访问作为汇聚蜂窝电话／PDA的同一WLAN接入点。 在当前蓝牙标准1。0版本中指定的唯一共存解决方案需要蓝牙与WLAN共享系统的媒体接入控制器(MAC)功能，以便在WLAN或蓝牙的传输过程中，其他技术将保持空闲。在预定义的一段时间内独占MAC之后，蓝牙或WLAN将由其他技术对MAC进行控制。 在WLAN上的流量较小，并且存在最少QoS激活的环境中，这种MAC时间共享的安排方式既可以避免WLAN与蓝牙之间出现共存干扰问题，同时也能够提供可接受的性能。在这种环境中，WLAN接入点可以实施主动的自动请求协议，以重新传输丢失或延迟的包。不幸的是，随着高级节能技术的部署及QoS服务的需求猛增，将迅速降低WLAN接入点(AP)单元中的性能。 例如，WLAN与蓝牙共存的形势越来越严峻，导致802.11AP无法感测相关的客户端是否正在遭受来自蓝牙设备或无绳电话的非WLAN干扰。采用排队算法或调度例程对需要QoS功能的应用对AP进行编程并不会缓解带内干扰的问题，因为AP并不能意识到干扰是否存在，因此根本无法围绕干扰进行调度。 即使AP具备802.11的自动响应队列(ARQ)功能，链路的容错能力也只能够达到5%。随着接近并超过这一个百分点，必须增加AP上的包队列大小，以便它们能够存储与重新汇编零星达到的包。通常需要QoS功能的多媒体应用(如高质量音频或MPEG2视频)很快就背离了802.11标准对QoS的定义。作为一个备选方案，将从需要QoS的链路中删除ARQ，在这种情况下，语音性能会稍有改进，具有低于2%的可接受包误差率，但是任何种类的媒体流的性能都是不可接受的。 切记在传输模式中，WLAN客户端只使用802.11WLAN很小一部分带宽。根据典型的经验法则，80%客户端的活动WLAN时间用来进行接收，而只有20%的时间用来进行传输。在进行传输时，客户端通常向AP发送简短的确认包。此法则的例外情况是从客户端进行文件传输，但是在这些文件在传输过程中始终要被划分为不超过1，500字节的包，并且以"可用比特速率"(ABR)进行传输。 通过对图7中列举的汇聚WLAN／蓝牙PDA示例应用此信息与802.11操作的其他特点，得出的结论是在适度加载WLANAP的环境中需要同时进行WLAN与蓝牙操作。对此状态的具体分析如下。 在图7中列举的与无线PDA相连的蓝牙耳机最多具有700Kbps的链接带宽，并不带有协议开销。如果PDA的用户从Internet上的服务器播放MP3音频流文件，那么此应用将需要大约128Kbps的蓝牙带宽，而总蓝牙带宽为700Kbps。蓝牙信号在空中传输的时间占18%。与此相比，相同的应用只使用128Kbps的PDAWLAN带宽，而总带宽为11Mbps。此外，802.11操作将涉及确认的传输(ACK)，同时接收MP3流。这些ACK的数量相当于WLAN带宽的1／16。也就是说，客户端执行802.11传输只需花费不到0。1%的时间。 如果WLAN与蓝牙传输阻塞或彼此干扰，那么蓝牙将对WLAN传输造成18%的时间干扰，因为蓝牙需要在空中传输也需相同长度的时间。反过来，WLAN传输将对蓝牙传输造成不到1%的时间干扰。从而导致的结果是：加载适当数量的AP时，必须进行蓝牙传输，同时接收WLAN信号，简言之，必须同时运行PDA的蓝牙与WLAN功能。 但是问题随之而来：在采用WLAN与蓝牙技术的汇聚设备中，WLAN是否能够从AP不断接收下载内容，而不必考虑该设备蓝牙子系统的操作模式？经过对蓝牙实施制定仔细的设计、规划与部署决策，答案是肯定的。首先，设计人员必须利用蓝牙1。2的功率控制(第3类设备)功能，以及蓝牙的自适应跳频(AFH)。下面的图8展示了AFH如何避免与WLAN操作发生直接的带内干扰。 如果系统要部署功率控制技术，那么将按比例降低接收机链路中LNA上的蓝牙功率，以便使边带能量级别落在2.4GHz频带内，而不必考虑ACR过滤。预计蓝牙信号将达到-40到-50dBm的传播损失。从而使蓝牙传输的功率在-25dBm至-15dBm范围内，以便保持链路中的低误差率。图9解释了功率控制技术如何降低蓝牙信道中的频谱发送。 检查具有蓝牙与802.11，以及其他一些操作特点的手持终端设备进一步说明了共存的问题。在此示例中，假设手持终端设备具有一个0dBm蓝牙发送器与一个802.11接收机，具有以下性能之一： 1)功率控制技术可以提供在蓝牙与WLAN之间20dB的隔离。 2)在蓝牙与802.11之间存在0dB的隔离，但是系统能够在RF接收机链路中断开LNA。系统并不具有功率控制功能。 为了简便起见，在此讨论的内容将局限在采用超外差架构的接收机设计。图10展示了接收机可以运行的情形之一。在上述的第一种情况中，设备的蓝牙与WLAN之间存在20dB的隔离，那么接收机必须具有至少15dB的数字过滤。在第二种情况中，蓝牙与WLAN之间不存在隔离，因此必须具有30dB的过滤和数字增益。针对第二种情况，还可以选择将接收机限制在大约大于-60dBm的802.11信号上，其中对专门的过滤没有任何要求。 此示例显示了超外差接收机可通过采用功率控制技术获得20dB的隔离，从而实现连续的802.11与排序的蓝牙(collatedBluetooth)操作。如果在系统的蓝牙与802.11之间添加MAC级别的时间协调，那么WLAN传输干扰对蓝牙发送器所造成的影响将会降至最低。从而实际上可以在WLAN单元上存在任何流量负载或覆盖要求的情况下，几乎无缝同步操作蓝牙以及WLAN。 带内干扰与链路预算 本部分讨论了带内干扰及其对限制WLAN的RF链路的影响。为了说明该问题，我们简单介绍由两个802.11接入点引起的干扰，但该分析同样适用于由蓝牙、无绳电话或微波炉引起的带内干扰。 802.11AP的信号传播损耗取决于环境，但一般而言，信号损耗是AP到用户之间距离的函数。在理想的视距条件下，信号损耗与距离的平方(R2)成正比。一般在实际环境中，信号损耗可表示成距离的立方(R3)。在不利的条件下，信号损耗通常等于距离的四次方(R4)。 此外，特殊802.11AP的范围也是几个其它因子的函数，包括AP的传送功率(通常为20dBm)、天线增益以及用于某调制的接收机的灵敏度。在本例中，假设天线为一般的全向天线，其增益为0dB。更复杂的调制方案需要更高的信噪比(SNR)，以便能够以某个位误差率(BER)接收802.11信号。要获得更高的SNR，接收机必须具有更高的灵敏度与／或发射信号的范围必须成比例缩小。 表2显示了802.11g与802.11b的不同调制方案如何影响SNR、接收机灵敏度及信号范围。请注意，采用CCK调制的802.11b与采用PBCC调制的802.11b具有相同的SNR。 从该表可以看出，如果在实际设置中，信号传播损耗一般为R3，则采用CCK调制的11-MbpsAP或采用PBCC调制的22-MbpsAP的相应范围大约为400英尺。假设一般郊区范围大约为200英尺，随着802.11的部署越来越密集，相邻小区AP的户与户之间的干扰发生的机率也越大。单个居住单元的最不利情形为并排房屋中的两个AP可能仅间隔10英尺的空间及两堵墙。在复杂的公寓式结构中，两个或多个AP的间隔可能仅为一堵墙或一层地板，因而使得带内干扰面临更严峻的挑战。一般公寓的宽度不大于100英尺，仅为郊区房屋宽度的一半。 值得一提的是，通过具有22-MbpsAP的802.11电池(采用TI开发的PBCC调制方案)的平均数据吞吐量非常合理。表3显示了在不同级别的信号传播损耗下，不同调制的平均数据吞吐速率。假设在大多数现有设置的情况下，信号损耗通常为R3。最重要的是，从表3中可以看出，在整个电池上，PBCC的平均数据速率几乎比CCK调制高出了一倍。PBCC与CCK具有相同的灵敏度，因此也具有相同的范围。此外，从这些平均数据速率图形中可以看出，当一个电池中采用多种调制方案时，可以使吞吐量稍微提高5%至10%。借助多个调制方案，可以为客户提供最佳的数据速率及范围。PBCC调制的802.11b具有相同的SNR。 带内信号与干扰分析 图11说明了两个相邻的AP怎样才会产生相互干扰的问题。当两个RF信号源(如两个AP)放得很近时，热噪声与路径损失就成为第二大要考虑的因素，因为带内干扰将对AP的有效范围及数据速率产生主要影响。如图所示，带内RF干扰会使AP在其覆盖区域的大部分范围内失效。 表4对图11中所示的两个AP的带内干扰问题进行了定量分析。这一分析假设未实施任何技术(如电源控制)来缓解某些问题。表4中的数据来源于两个802.11AP的一般城区部署。这两个AP的发射功率均为20dBm，它们相隔的距离为25米(大约75英尺)，并且它们的信号传播损耗为R3。根据每个AP到这两者中点的距离来分析SIR。表4显示了不同距离的SIR以及各SIR级所支持的数据速率。 这一分析指出了带内干扰的致命影响。例如，采用PBCC调制的AP通常有效范围为135米以上，但带内干扰会使其有效范围缩小到仅为7。5米。而且，采用54MbpsOFDM调制的802.11gAP应具有近40米的有效范围，但由于带内干扰的影响，其覆盖范围仅限于2。5米。 如今，由于802.11WLAN应用相对较少，而大多数应用均要求较小的WLAN带宽，而且可快速纠正发射过程中出现的错误，因此很少会注意到从一个AP到另一个AP的带内RF干扰。但是，随着WLAN技术变得越来越普及，要求QoS能力的较高带宽应用越来越多，使得带内干扰也随之增加。实际上，由802.11技术引起的带内干扰在高密度办公室以及诸如市区住宅、住户共有公寓及公寓等住所将变得越来越严重。 电源控制对带内干扰的影响 过去，需要在移动设备中使用先进的电源控制技术来降低功耗并延长电池使用寿命。现在，电源控制的另一个优势脱颖而出。在采用802.11的系统或设备中，电源控制可以降低带内干扰。例如，假设开环电源控制的精度为1dB，在同一个RF信道上，相互距离较近的两个AP之间的平均干扰可降低6dB。在较小的802.11电池中，电源控制可更进一步降低干扰。 表5显示了电源控制技术对不同距离AP的SIR以及各SIR级支持的相应调制功能的影响。 即使信号仍受带内干扰的限制，电源控制技术也能将带内干扰平均降低6dB，从而可将AP的范围提高25%。在实际应用中，随着部署的WLAN越来越多，高宽带QoS应用变得越来越规范，可能会采用包括电源控制、自动选频以及多频带(2.4GHz与5.xGHz)在内的几种战略措施来增加RF信道选项。 预期的干扰问题 在未来几年内，随着无线局域网在居民及办公环境中变得越来越普遍，设备制造商在进行接收机设计时必须谨慎考虑两个潜在的问题。这两个问题是： 1)RF源因信道靠近无许可限制的802.11频带产生的非WLAN干扰。这可能来自蓝牙设备、无绳电话或微波。 2)由一个802.11AP或客户机到另一个802.11AP或客户机引起的带内干扰。随着WLAN技术的广泛应用及其越来越密集，该问题必然会更加严重。 通过遵循考虑周到的设计实践，可以采用适当的邻信道抑制(ACR)功能来开发802.11接收机，以克服WLAN部署中遇到的大量邻信道干扰(ACI)问题。此外，还可在WLAN接收机及发送器的设计中采用电源控制及其它战略，以便在出现带内RF干扰时大大提高AP与客户机的数据吞吐量及范围性能。 总之，那些可提供令人满意、引人注目的用户体验的802.11WLAN设备供应商将在市场中取得成功。注重在WLAN设备中实施WLAN芯片组的设计质量，将对确保用户满意度起着重要的作用。
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射频设计中的热量管理方案
热量管理是所有电路设计人员都关心的一个问题，特别是针对大信号时。在射频/微波电路中，大信号常见于功率放大器和系统发送端元件。不管是连续波(CW)信号还是脉冲信号，如果产生的热量得不到有效疏导，它们都将导致印制电路板(PCB)上和系统中的热量积聚。对电子设备来说，发热意味着工作寿命的缩短。 防止电路热量积聚需要一定的想象力：可以想象成热量从一个热源(如功率晶体管)流向一个目的地(如散热片或设备底座)。 理解热量在系统各射频/微波元件中是如何产生的也有助于热量分析。例如，功率放大器发热不是仅因其工作在大功率级，诸如放大器效率、放大器输出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器输出的热路径等因素都会影响放大器热量的产生。尽管具有50%效率的功率放大器似乎已经很不错，但这也会浪费掉系统供给它的一半能量，其中大部分以热量的形式损失掉了。 除功率放大器外，像滤波器和功率分配器这样的无源器件的插入损耗以及元件、同轴电缆和其它互连器件连接处的阻抗不匹配(高VSWR)也会导致“散热障碍”。高效的热管理需要了解热量从源(例如放大器)流过所有连接电缆和其它元件再到散热终点的热量流动过程。 在电路层面，热管理也是放大器自身的一个问题，因为热量从放大器的有源器件向外流动——有些热量通过电路板材料，有些进入周围元件，有些流入电路板上下方周围的空气。理想情况下，可以提供一条让热量从有源器件正确地散发出来的路径，因为这些器件周围的热量积聚也会缩短它们的工作寿命。此外，这些热量可能对某些器件造成有害影响，比如在硅双极型晶体管中温度的不断上升，即通常所说的“热失控”。 在散热不当的情况下，有些器件相比其它器件更易受到损坏。例如，GaAs半导体衬底的导热率大约只有硅器件的三分之一。在高温下，GaAs晶体管也可能遭受记忆效应的影响(也就是说即使温度已经下降，器件仍可能工作在高温时的特定增益状态)，进而导致器件线性性能变差。 热量分析实质上是基于对器件或电路中使用的不同材料的研究，以及这些材料的热阻或其对热量流动的阻力。当然，反过来说就是材料的导热率，这是衡量材料导热能力的一个指标。热材料(比如导热胶和电路板材料)的数据手册中一般都列有这一参数，参数值越高，代表这种材料处理大功率级和发热量的能力就越高。 热阻可以用温度变化(该数值是作为所采用功率的函数)来描述，通常单位为℃/W。在为器件、电路板和系统建立热量模型时，必须考虑所有热效应的影响，这不仅包括器件的自发热效应，还包括其对周边器件的影响。由于这些交互作用的存在，热建模一般是通过构建一个带有全部发热器件的热矩阵来完成的。 在电路上，即使像电容这样的无源电路元件也可能对散热起作用。American Technical Ceramics公司的应用笔记《陶瓷电容中的ESR损耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就讨论了不同类型电容可以安全散发多大的功率，依据的是这些电容的等效串联电阻(ESR)额定值。该笔记还详细介绍了具有高 ESR值的电容会如何泄漏便携式设备中电池的电能，进而导致电池寿命的缩短。另一个有用的参考是Hittite Microwave公司的应用笔记《表贴元件的热量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》，它介绍了如何将表面贴装元件包含进电路级热量模型中。 当然，为了使系统能考虑到所有的热量规划，正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中 功率和热量等级的PCB层压材料开始。在选择电路板层压材料时，不应只是简单地选择具有最高导热率的材料，还需要考虑在不同温度下的电气和机械稳定性。 例如，层压板可由其在所有三个方向(长、宽、厚)上的热膨胀系数(CTE)以及介电常数的热系数来描述。第一个参数代表了材料随温度变化而膨胀或收缩的程度，而第二个参数表明了介电常数随温度的变化情况。第一个参数对可靠性有很大影响，而第二个参数可能引起介电常数在不同温度下发生偏离，最终导致微带电路中的阻抗发生变化(例如，这种变化可能改变带通滤波器的中心频率)。 由于很多系统(包括商业通信和战术军事系统)都需要具有高可靠性和稳定的电气性能，电路板材料供应商近年来非常关注热管理问题，开发出的材料不仅能够处理类似功率放大器等电路中的较高功率级，而且在高温下不会发生电气性能改变。例如，Rogers Corporation公司最近发布的RT/duroid 6035HTC电路材料就是一种陶瓷填充PTFE复合材料，其导热率高达1.44 W/m/K，是标准FR-4型电路板材料的好几倍(见图1)。这种材料整合了稳定的机械与电气性能以及导热性能，因此可作为高频功率放大器的理想材料。 选择正确的材料有助于热量管理，但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度，那么正确的热量分析会非常耗时。为了帮助分析，安捷伦科技(Agilent Technologies)公司推出的先进设计系统(ADS)工具等商业软件仿真工具近年来都进行了升级，针对热建模专门增加了功能或软件工具。例如，Computer Simulation Technology公司的EM Studio电磁(EM)软件已被用于模拟双模滤波器中的温度分布情况，这套软件使用该公司的CST Microwave Studio软件工具首次计算了滤波器导电金属中的电流密度分布。
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射频设计与测试整合需求渐增，AWR推进亚太市场
射频和无线通信系统的快速设计周期和日益增加的复杂度要求设计和测试之间实现更好地整合。将AWR公司的通信系统设计软件Visual System Simulator与美国国家仪器公司(NI)的图形化编程软件环境LabVIEW和测试测量仪器结合在一起，将能够满足当今复杂的无线通信设计需求。今年7月，NI并购了全球高频EDA工具的领先供应商AWR公司。这次并购旨在扩展NI在RF和微波电子系统领域的设计、试验和测试。并购后，AWR公司将作为NI的全资子公司，并保留原有的领导团队。 “NI是测试测量领域的领导厂商，在全球市场表现杰出;而AWR拥有强大的射频设计工具、专利和技术，我们的射频领域专家专注于开发射频软件，并在射频设计领域享有强大的客户基础。”AWR公司市场行销副总裁Sherry Hess表示。AWR的产品支持开放的设计流程，且用户界面友好。通过将AWR的完整设计工具套件和NI的射频测试平台相结合，凭借双方的技术优势，可以帮助客户缩短射频设计周期，简化设计流程，提升仿真的准确度，最终加快产品面市。这无疑也将加快AWR在亚太地区的扩展速度，同时推进针对微波与射频领域的大学计划的展开。 射频和无线通信系统的快速设计周期和日益增加的复杂度要求设计和测试之间实现更好地整合。将AWR公司的通信系统设计软件Visual System Simulator与美国国家仪器公司(NI)的图形化编程软件环境LabVIEW和测试测量仪器结合在一起，将能够满足当今复杂的无线通信设计需求。今年7月，NI并购了全球高频EDA工具的领先供应商AWR公司。这次并购旨在扩展NI在RF和微波电子系统领域的设计、试验和测试。并购后，AWR公司将作为NI的全资子公司，并保留原有的领导团队。 射频和无线通信系统的快速设计周期和日益增加的复杂度要求设计和测试之间实现更好地整合。将AWR公司的通信系统设计软件Visual System Simulator与美国国家仪器公司(NI)的图形化编程软件环境LabVIEW和测试测量仪器结合在一起，将能够满足当今复杂的无线通信设计需求。今年7月，NI并购了全球高频EDA工具的领先供应商AWR公司。这次并购旨在扩展NI在RF和微波电子系统领域的设计、试验和测试。并购后，AWR公司将作为NI的全资子公司，并保留原有的领导团队。 “NI是测试测量领域的领导厂商，在全球市场表现杰出;而AWR拥有强大的射频设计工具、专利和技术，我们的射频领域专家专注于开发射频软件，并在射频设计领域享有强大的客户基础。”AWR公司市场行销副总裁Sherry Hess表示。AWR的产品支持开放的设计流程，且用户界面友好。通过将AWR的完整设计工具套件和NI的射频测试平台相结合，凭借双方的技术优势，可以帮助客户缩短射频设计周期，简化设计流程，提升仿真的准确度，最终加快产品面市。这无疑也将加快AWR在亚太地区的扩展速度，同时推进针对微波与射频领域的大学计划的展开。 AWR公司成立于1998年，其EDA产品广泛用于手机，卫星通信系统和其他无线通信电子产品的设计与仿真。应用AWR产品进行设计，工程师可以快速开发出技术含量高，稳定可靠的新产品，并可大幅提高设计效率，降低成本。AWR的产品及应用领域包括Microwave Office：射频、微波模块及MMIC/PCB设计工具;AXIEM：三维平面电磁分析工具;Analog Office：Analog/RFIC设计工具;Visual System Simulator(VSS)：通信系统设计工具。 AWR看到了亚洲市场近年来的巨大潜力。“AWR对中国市场的扩张计划正在进行中，”Sherry Hess指出，“我们已在上海设立办公室并有两位技术支持工程师在提供服务，业务的快速增长驱动我们在未来招聘更多的技术支持人员。”而韩国和日本市场的雇员人数也在不断增加中。此外，AWR公司始终专注于大学培养计划，通过设计竞赛等一系列活动帮助学生理解真实应用与理论之间的联系。据Sherry Hess透露，AWR将与4至5家在微波与射频专业享有优势的中国大学合作，推动微波与无线通信设计在中国的发展和进步。 Sherry Hess最后表示，AWR始终专注于创新技术的开发，计划将在2012年推出Analyst 3D、FEM(Finite Element Method)、EM(Electromagnetic Analysis)设计工具，可用于MMIC模块上的键合线设计。在日前于中国举办的IME展会上，AWR展示了其最新的2011 软件平台，包括Microwave Office射频/微波电路设计软件，AXIEM 3D平面电磁场分析软件和Visual System Simulator(VSS)雷达、通信系统仿真软件。
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射频设计中的热量管理方案
热量管理是所有电路设计人员都关心的一个问题，特别是针对大信号时。在射频/微波电路中，大信号常见于功率放大器和系统发送端元件。不管是连续波(CW)信号还是脉冲信号，如果产生的热量得不到有效疏导，它们都将导致印制电路板(PCB)上和系统中的热量积聚。对电子设备来说，发热意味着工作寿命的缩短。 防止电路热量积聚需要一定的想象力：可以想象成热量从一个热源(如功率晶体管)流向一个目的地(如散热片或设备底座)。 理解热量在系统各射频/微波元件中是如何产生的也有助于热量分析。例如，功率放大器发热不是仅因其工作在大功率级，诸如放大器效率、放大器输出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器输出的热路径等因素都会影响放大器热量的产生。尽管具有50%效率的功率放大器似乎已经很不错，但这也会浪费掉系统供给它的一半能量，其中大部分以热量的形式损失掉了。 除功率放大器外，像滤波器和功率分配器这样的无源器件的插入损耗以及元件、同轴电缆和其它互连器件连接处的阻抗不匹配(高VSWR)也会导致“散热障碍”。高效的热管理需要了解热量从源(例如放大器)流过所有连接电缆和其它元件再到散热终点的热量流动过程。 在电路层面，热管理也是放大器自身的一个问题，因为热量从放大器的有源器件向外流动——有些热量通过电路板材料，有些进入周围元件，有些流入电路板上下方周围的空气。理想情况下，可以提供一条让热量从有源器件正确地散发出来的路径，因为这些器件周围的热量积聚也会缩短它们的工作寿命。此外，这些热量可能对某些器件造成有害影响，比如在硅双极型晶体管中温度的不断上升，即通常所说的“热失控”。 在散热不当的情况下，有些器件相比其它器件更易受到损坏。例如，GaAs半导体衬底的导热率大约只有硅器件的三分之一。在高温下，GaAs晶体管也可能遭受记忆效应的影响(也就是说即使温度已经下降，器件仍可能工作在高温时的特定增益状态)，进而导致器件线性性能变差。 热量分析实质上是基于对器件或电路中使用的不同材料的研究，以及这些材料的热阻或其对热量流动的阻力。当然，反过来说就是材料的导热率，这是衡量材料导热能力的一个指标。热材料(比如导热胶和电路板材料)的数据手册中一般都列有这一参数，参数值越高，代表这种材料处理大功率级和发热量的能力就越高。 热阻可以用温度变化(该数值是作为所采用功率的函数)来描述，通常单位为℃/W。在为器件、电路板和系统建立热量模型时，必须考虑所有热效应的影响，这不仅包括器件的自发热效应，还包括其对周边器件的影响。由于这些交互作用的存在，热建模一般是通过构建一个带有全部发热器件的热矩阵来完成的。 在电路上，即使像电容这样的无源电路元件也可能对散热起作用。American Technical Ceramics公司的应用笔记《陶瓷电容中的ESR损耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就讨论了不同类型电容可以安全散发多大的功率，依据的是这些电容的等效串联电阻(ESR)额定值。该笔记还详细介绍了具有高ESR值的电容会如何泄漏便携式设备中电池的电能，进而导致电池寿命的缩短。另一个有用的参考是Hittite Microwave公司的应用笔记《表贴元件的热量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》，它介绍了如何将表面贴装元件包含进电路级热量模型中。 当然，为了使系统能考虑到所有的热量规划，正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中 功率和热量等级的PCB层压材料开始。在选择电路板层压材料时，不应只是简单地选择具有最高导热率的材料，还需要考虑在不同温度下的电气和机械稳定性。 例如，层压板可由其在所有三个方向(长、宽、厚)上的热膨胀系数(CTE)以及介电常数的热系数来描述。第一个参数代表了材料随温度变化而膨胀或收缩的程度，而第二个参数表明了介电常数随温度的变化情况。第一个参数对可靠性有很大影响，而第二个参数可能引起介电常数在不同温度下发生偏离，最终导致微带电路中的阻抗发生变化(例如，这种变化可能改变带通滤波器的中心频率)。 由于很多系统(包括商业通信和战术军事系统)都需要具有高可靠性和稳定的电气性能，电路板材料供应商近年来非常关注热管理问题，开发出的材料不仅能够处理类似功率放大器等电路中的较高功率级，而且在高温下不会发生电气性能改变。例如，Rogers Corporation公司最近发布的RT/duroid 6035HTC电路材料就是一种陶瓷填充PTFE复合材料，其导热率高达1.44 W/m/K，是标准FR-4型电路板材料的好几倍(见图1)。这种材料整合了稳定的机械与电气性能以及导热性能，因此可作为高频功率放大器的理想材料。 选择正确的材料有助于热量管理，但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度，那么正确的热量分析会非常耗时。为了帮助分析，安捷伦科技(Agilent Technologies)公司推出的先进设计系统(ADS)工具等商业软件仿真工具近年来都进行了升级，针对热建模专门增加了功能或软件工具。例如，Computer Simulation Technology公司的EM Studio电磁(EM)软件已被用于模拟双模滤波器中的温度分布情况，这套软件使用该公司的CST Microwave Studio软件工具首次计算了滤波器导电金属中的电流密度分布。
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专家教你解决射频设计中的热问题
热量管理是所有电路设计人员都关心的一个问题，特别是针对大信号时。在射频/微波电路中，大信号常见于功率放大器和系统发送端元件。不管是连续波(CW)信号还是脉冲信号，如果产生的热量得不到有效疏导，它们都将导致印制电路板(PCB)上和系统中的热量积聚。对电子设备来说，发热意味着工作寿命的缩短。 防止电路热量积聚需要一定的想象力：可以想象成热量从一个热源(如功率晶体管)流向一个目的地(如散热片或设备底座)。 理解热量在系统各射频/微波元件中是如何产生的也有助于热量分析。例如，功率放大器发热不是仅因其工作在大功率级，诸如放大器效率、放大器输出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器输出的热路径等因素都会影响放大器热量的产生。尽管具有50%效率的功率放大器似乎已经很不错，但这也会浪费掉系统供给它的一半能量，其中大部分以热量的形式损失掉了。 除功率放大器外，像滤波器和功率分配器这样的无源器件的插入损耗以及元件、同轴电缆和其它互连器件连接处的阻抗不匹配(高VSWR)也会导致“散热障碍”。高效的热管理需要了解热量从源(例如放大器)流过所有连接电缆和其它元件再到散热终点的热量流动过程。 在电路层面，热管理也是放大器自身的一个问题，因为热量从放大器的有源器件向外流动——有些热量通过电路板材料，有些进入周围元件，有些流入电路板上下方周围的空气。理想情况下，可以提供一条让热量从有源器件正确地散发出来的路径，因为这些器件周围的热量积聚也会缩短它们的工作寿命。此外，这些热量可能对某些器件造成有害影响，比如在硅双极型晶体管中温度的不断上升，即通常所说的“热失控”。 在散热不当的情况下，有些器件相比其它器件更易受到损坏。例如，GaAs半导体衬底的导热率大约只有硅器件的三分之一。在高温下，GaAs晶体管也可能遭受记忆效应的影响(也就是说即使温度已经下降，器件仍可能工作在高温时的特定增益状态)，进而导致器件线性性能变差。 热量分析实质上是基于对器件或电路中使用的不同材料的研究，以及这些材料的热阻或其对热量流动的阻力。当然，反过来说就是材料的导热率，这是衡量材料导热能力的一个指标。热材料(比如导热胶和电路板材料)的数据手册中一般都列有这一参数，参数值越高，代表这种材料处理大功率级和发热量的能力就越高。 热阻可以用温度变化(该数值是作为所采用功率的函数)来描述，通常单位为℃/W。在为器件、电路板和系统建立热量模型时，必须考虑所有热效应的影响，这不仅包括器件的自发热效应，还包括其对周边器件的影响。由于这些交互作用的存在，热建模一般是通过构建一个带有全部发热器件的热矩阵来完成的。 在电路上，即使像电容这样的无源电路元件也可能对散热起作用。American Technical Ceramics公司的应用笔记《陶瓷电容中的ESR损耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就讨论了不同类型电容可以安全散发多大的功率，依据的是这些电容的等效串联电阻(ESR)额定值。该笔记还详细介绍了具有高ESR值的电容会如何泄漏便携式设备中电池的电能，进而导致电池寿命的缩短。另一个有用的参考是Hittite Microwave公司的应用笔记《表贴元件的热量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》，它介绍了如何将表面贴装元件包含进电路级热量模型中。 当然，为了使系统能考虑到所有的热量规划，正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中功率和热量等级的PCB层压材料开始。在选择电路板层压材料时，不应只是简单地选择具有最高导热率的材料，还需要考虑在不同温度下的电气和机械稳定性。 例如，层压板可由其在所有三个方向(长、宽、厚)上的热膨胀系数(CTE)以及介电常数的热系数来描述。第一个参数代表了材料随温度变化而膨胀或收缩的程度，而第二个参数表明了介电常数随温度的变化情况。第一个参数对可靠性有很大影响，而第二个参数可能引起介电常数在不同温度下发生偏离，最终导致微带电路中的阻抗发生变化(例如，这种变化可能改变带通滤波器的中心频率)。 由于很多系统(包括商业通信和战术军事系统)都需要具有高可靠性和稳定的电气性能，电路板材料供应商近年来非常关注热管理问题，开发出的材料不仅能够处理类似功率放大器等电路中的较高功率级，而且在高温下不会发生电气性能改变。例如，Rogers Corporation公司最近发布的RT/duroid 6035HTC电路材料就是一种陶瓷填充PTFE复合材料，其导热率高达1.44 W/m/K，是标准FR-4型电路板材料的好几倍(见图1)。这种材料整合了稳定的机械与电气性能以及导热性能，因此可作为高频功率放大器的理想材料。 图1：新开发的RT/duroid 6035HTC电路材料用来满足设计人员对改善高温性能的需求 选择正确的材料有助于热量管理，但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度，那么正确的热量分析会非常耗时。为了帮助分析，安捷伦科技(Agilent Technologies)公司推出的先进设计系统(ADS)工具等商业软件仿真工具近年来都进行了升级，针对热建模专门增加了功能或软件工具。例如，Computer Simulation Technology公司的EM Studio电磁(EM)软件已被用于模拟双模滤波器中的温度分布情况，这套软件使用该公司的CST Microwave Studio软件工具首次计算了滤波器导电金属中的电流密度分布。 Chart 1. Four different 3.5 Dk laminate materials were tested, and the RT/duroid 6035HTC most effectively dissipated heat away from the resistor to enable the lowest temperature rise. Microwave Office软件设计工具套件供应商AWR公司在今年初与CapeSym公司签署了一份协议，成为CapeSym公司单片微波集成电路(MMIC)SYMMIC热分析建模软件的全球独家零售商。 在专用热量分析工具方面，Daat Research公司提供了许多易用的建模工具，可实现从器件级直至系统级的所有层面分析，其中包括Coolit软件。对于那些对热量建模比较陌生而又想做实验的工程师，Freebyte提供了免费的热量分析软件，其中包括Harvard Thermal公司开发的TAS软件演示版和ThermoAnalytics公司开发的WinTherm软件演示版。 总结： 本文是对热量管理的一种讨论，并提出实际例子的解决方案。选择正确的材料有助于热量管理，但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度，那么正确的热量分析会非常耗时。为了使系统能考虑到所有的热量规划，正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中功率和热量等级的PCB层压材料开始。本文也正是基于这些问题的讨论和提出解决方案，并举出相关的例子为读者分析问题，并解决问题。
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利用MEMS技术实现移动电话射频设计
如果一款移动电话设计要能实现未来用户所期望的各项广泛服务，创造性思维是不可或缺的；而许多产业观察者认为，微机电系统(MEMS)将是实现这种设计的下一波技术。 事实上，MEMS元件的推出已证实了其在大量消费性市场应用中的实用性，例如麦克风和游戏机等。我们似乎可以归纳出一个结论：未能整合MEMS功能的系统就不算完整。因此，MEMS遂成为每一系统在实现其功能、弹性以及与外界互连时不可或缺的新类比元件。 虽然摩尔定律描述了电晶体密度和运算能力的进展，但MEMS的整合将以较其更多倍的速度进展，并将许多原先需要混合建置的功能直接整合在晶片上。 射频(RF)设计目前最强大的趋势是推动可配置/免频带的无线和天线设计。使RF元件可以数位化重新配置的优点与需求逐渐增加，因此能够精确且数位化地控制频率和阻抗值，并持续对系统性能进行最佳化。这种可配置的前端可在瞬间实现频率和通讯标准的切换，同时重复使用相同的信号路径。 WiSpry公司藉由结合MEMS技术和主流半导体製程技术，打造出一款具有即时数位可调且具成本效益的低损耗RF电容器，实现了动态RF技术──真正的软体定义无线电，其RF前端可透过基频进行数位化控制，且所有特殊标准功能都以数位信号处理(DSP)编程方式载入。一旦前端成为数位可调式，大多数的RF工程作业就可以转向软体部份，因而大幅减少硬体设计/再设计的数量和成本，并缩短手动调整电路所花的时间。 可编程前端RF可在多个平台上使用，且由于新的响应可被载入到平台的韧体中，因此它甚至可以提供一些‘未来验证标准’。 图1：未能整合MEMS功能的系统，似乎已称不上是一完整的系统 无线标准 目前，大多数无线标准在频谱分配方案规定的频段内，采用两种频率光罩来进行数据的传送和接收──也称为频率双工。由于频谱分配存在地区性差异，加上全球彼此竞争的无线通讯标准数量庞大且快速革新，使得全球移动电话平台必须支援的频率数量倍增。尽可能有效地利用无线频谱，以及使用从前未用到的频谱来支援新服务，也在在引领频率双工的趋势发展。 然而，为了能够接取到无线网路，各个装置必须实现的技术需求始终如一。事实上，用于RF前端的高性能硬体方案必须能够提供必要的选择性、线性度和隔离，同时对电路的插入损耗和功耗要求最小化。 一个典型的例子是为整合了7个频段于一支手机中，至少需要5个独立的RF元件组(链)，其中包括多个天线，另外还需要8掷或更高阶以上的开关用来选择所需的执行频段。 当首款移动电话问世，当时还只是采用单频的无线设计，但手机用户对于能够远离座位拨打电话已感到相当兴奋，而RF设计人员也只需考虑单一的频率设计。 然而，随著技术的快速进展，为了支援暴增的手机用户，双频手机顿时成了必备的功能。当用户开始携带手机旅行后，三频、四频和五频的手机设计随即成为一般的功能需求，并为设计人员增添了更多困扰。 随著更多频段的增加，更多的RF设计途径变得越来越难以解决各项衍生出来的问题。体积、成本和复杂性的增加都还算是这些问题中最为简单的。 频段覆盖范围是以趋近线性的速度而增加。首先，随著交换式解决方案随著射程数增加而持续改善，它以一种次线性的速度发展；其次，如同先前所述，每一代技术的进展都不断促使每一频段元件体积缩小且成本降低；再者，许多个别元件如今都被整合成模组，虽然减少了开销，但根本问题并未获得解决。 如今，越来越多移动电话产业均体认到，单单沿用这个方案是无法解决问题的。除了复杂性、尺寸和成本问题外，多链路方案还会加重基础性能的限制。 每一链路所对应的频段或多或少有一些不同的阻抗特性。如果每一链路都有独立的天线，整体链路便可以得到最佳化。然而，单独的天线既占空间、成本又高，而且具有显著的交叉藕合特性，因此，多条链路被迫以开关和滤波器结合成单一通道。 由于在共用电路时可能造成折衷，即使采用完美的开关，在加入新频段时还要保持所有频段的高性能也愈趋困难。 另外，由于链路中的每个元件都有其特殊的固定频率响应，因此仅能实现次佳化的频带边缘性能。 单链路解决方案 如果采用可调式的RF前端元件，那麼上述所有问题都可以避免，特别是针对目前所使用的通道可进行单链路最佳化。 单链路方案的好处正获得广泛的认同，但在其建置过程依旧面临挑战。 可调式前端元件的研究已发展了数十年，但这项必备的技术直到目前才逐渐成熟。传统的问题主要出在尺寸、成本、可重复性、可靠性和性能方面，各个问题在早期也都获得部份的解决；然而WiSpry公司首度为市场带来完整的解决方案，并适用于低成本的量產市场。 WiSpry公司率先将高Q值(high-Q)MEMS电容器元件整合到主流RF CMOS制程技术中，实现了大量生產、低成本制程以及高性能RF MEMS技术的优势。 个别的电容器元件以具有数位可变气隙的微小平行排列电容整合在晶片上。个别旁路或串列元件整合为电容值单元，接着形成可包含任一独立单元组合的阵列，最终形成了具有良好电器特性的数位化电容器；其电容值比(最大/最小)超过10且Q值在1GHz时超过200以上。 该元件的制造得益于CMOS半导体制程技术的最新进展。WiSpry公司正使用一种无晶圆制程模式，在可大量生產的主流8吋RF CMOS晶圆上，以单晶片整合可编程数位化电容器技术，因而免除了传统高性能MEMS技术上因尺寸和成本带来的困扰。 该制程流程还包含晶圆级封装，让代工厂提供的晶圆成品可在传统的自动化后端处理过程(如凸点制作、薄化、切片、封装和测试)中直接使用，而使得高可靠性的终端產品制造可藉由传统RF半导体制程来实现。 图2：个别旁路或串列元件整合为电容值单元，接着形成可包含任一独立单元组合的阵列，最终形成了具有良好电器特性的数位化电容器；其电容值比(最大/最小)超过10且Q值在1GHz时超过200以上。 无需外部电路 那麼这些元件是如何执行的？设计人员又如何使用这项技术呢？ 由于这些元件的性能如同一个整合串列介面的high-Q电容器一样，因此不需要外部电路。所有支援MEMS单元的功能都被整合在晶片上。 透过串列汇流排载入一个包含数位化电容器单元所需设置的数位字元后，内部逻辑和驱动电路将会立即使电容值设置为特定值。 这种编程能在高速下重复设置，以制作出大量应用中所需的动态RF功能。 随著可编程晶片与其他高Q值的被动、主动元件及支援电路被整合成客制化模组，WiSpry公司也将利用所產生的平台为完整的RF前端提供可编程特性。 这项工作将从具有频率可变和失配调整功能的天线开始著手，接着RF链路上的其他问题也将迎刃而解。
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下一代的模拟和射频设计验证工具
目前最先进的模拟和射频电路，正广泛应用于消费电子产品、无线通讯设备、计算机和网络设备的SoC中。它们带来了一系列验证方面的挑战，而这些挑战往往是传统SPICE、FastSPICE和射频仿真软件无法完全解决的。这些挑战包括：多于10万个器件的设计复杂度、大于几GHz的时钟主频、纳米级的CMOS工艺技术、低功耗、工艺变化、非常明显的非线性效应、极度复杂的噪声环境以及无线/有线通讯协议的支持问题。在现如今大多数传统的电路仿真软件开发时，这些挑战都还没有存在。在很多情况下，当今的模拟和射频电路在流片之前的验证工作往往就是收敛性和精度的问题。现有的验证流程并没有很好地跟上设计复杂程度的变化，因此，对于全定制的模拟/射频子系统芯片来说，设计团队往往需要花上几周甚至几个月的时间进行验证。设计者往往倾向于使用过于保守的设计方法，导致设计不够完全优化，增加了验证时间。因此，模拟/射频验证技术的不足是导致这些芯片推迟量产的主要原因。传统的SPICE模拟器不再能够满足要求。新的验证工具要求SPICE提供高精度的噪声分析、更快的验证速度，以及增加的容量。Berkeley设计自动化公司的精确电路分析工具展示了解决当今复杂验证问题的能力。本文将回顾面向消费、无线、计算机和网络应用的SoC中的模拟/射频验证技术存在的问题，并探讨新技术如何能够帮助领先的半导体公司显著降低产品验证时间，从而迅速投入批量生产。模拟/射频验证遇到的巨大挑战基于SPICE仿真的验证流程对于小规模的模拟/射频模块来说很有效。但是，由于SoC中要集成的模拟功能越来越多，同时，便携式无线以及消费设备市场中还在不断涌现新的功能模块，因此，模拟/射频模块的复杂度在高速增长。传统用于小型模拟/射频模块的验证流程已经不能有效地应用在那些复杂的大型模拟/射频电路中。仿真往往需要几天到几周，在许多情况下，甚至无法收敛。模拟电路已从原来的上百个器件增长到现在的10几万个器件。设计现在分为多层次和多模块，通常会将无源器件集成在相同的衬底上。因此，仿真器需要有对全电路进行功能仿真的能力。目前，电路频率从MHz提高到了数GHz。周期性分析成为许多高速模拟电路应用的一个重要要求。仿真器需要很好地处理瞬态和周期性分析，以更好地预测芯片实际的工作性能。另外，目前的射频电路无一例外地转向多工作频率的方式，频率之间的差别会达到几个数量级，如集成了VCO(压控振荡器)、混频器等的收发器芯片。仿真器必须能够高效率地执行瞬态分析，以适应那些有多个工作频率而且频率之间差别很大的电路。 工艺技术的不断发展和演变是验证问题日益严重的另外一个原因。模拟和射频电路从以前的微米级工艺(如双极工艺)转变为现在的CMOS纳米级工艺。在纳米级工艺中，圆片间和圆片内的工艺参数变化会极大地影响电路性能和良率。自动校准技术能够帮助解决这一问题，但代价就是额外的设计复杂度和设计面积的增大。因此，对于中等规模的电路来说，仿真器需要具有SPICE的精确性和高性能，以进行各种工艺角和蒙特卡洛分析。在这些高性能的复杂电路中，互连线和PCB板会显著影响电路在GHz频率的工作表现，特别是在纳米级的CMOS工艺下，影响更加明显。寄生参数分析非常必要，用于找出敏感的模块，并验证其在周围环境中的互连情况。因此，对于具有多模块的电路来说，仿真器需要具有像SPICE那样能够在布局后进行高效寄生参数提取的能力，同时也包括对PCB板布线的处理。最后，器件固有噪声(如热噪声和闪烁噪声)以及其它数字/模拟/射频电路引起的外部噪声已经演变为一阶效应。器件的噪声能显著影响重要的模拟和射频电路模块，如ADC、VCO、PLL等。仿真器必须能够提供精确的内部分析和外部分析，包括随机噪声源和确定噪声源。目前电路仿真工具的局限 目前来自设计团队的主要抱怨是，对于那些复杂的模块设计和全电路验证来说，能够很好地为小型模拟和射频电路工作的传统SPICE仿真流程已经无法满足要求。对于小模块设计，设计师依靠晶体管级的SPICE仿真，能够充分精确地验证他们的小电路模块。他们通常进行电路仿真、布局后仿真、参数变化分析(工艺角和蒙特卡洛分析)，还包括封装电感和传输线效应分析、噪声分析(确定的热噪声和闪烁噪声)和射频电路的周期性分析。这些仿真能够保证电路的功能和性能，而且对于小模块来说，能够大大减少芯片不工作的风险。但是，对于相对规模较大的设计来说，如果设计师想得到同样充分精确的SPICE仿真，那将是一件无法完成的任务。用传统的SPICE仿真器对大型模块，如PLL或多通道DC-DC转换器进行瞬态分析，可能需要几天或几周。另外，在许多情况下，这些仿真器很难在直流静态工作点获得收敛。数字FastSPICE仿真器是大型数字电路设计的另外一个选择，但它们不能解决模拟/射频电路的验证挑战。FastSPICE仿真器往往利用简化的假定和估计来提高仿真速度，所需的代价就是要牺牲精确性。但很多时候，精确度对于模拟和射频应用来说是非常重要的。下一代模拟/射频电路验证工具Berkeley设计自动化公司的精确电路分析(PCA)技术使电路设计师能够快速分析和验证问题，这往往是利用其它工具所无法实现的。结合在应用数学和优化数值分析上取得的研究成果，公司开发了此项技术。该技术具有与SPICE相当的精确性、5倍～10倍的性能提升，以及优异的直流和周期性稳态收敛特性。新工具无需针对特定的模块进行微调，而且和目前所有主流的SPICE仿真器、射频仿真器，以及它们的设计环境兼容。此工具的有效性已经被超过100个芯片的设计所证明，涉及的工艺流程从0.5μm到65nm。和数字FastSPICE仿真器不同，精确电路分析技术不做简化的假定或估计。它对原始电路最基本的器件方程进行求解，其精确性甚至会超越SPICE仿真器。这意味着，它不需要仿真器在模块级对电路进行微调，因此在电路的每个节点上都能提供充分的精确性。每次仿真都是对电路性能的充分仿真。这项技术的重大突破在于解决了一系列新出现的验证问题。精确电路分析产品线主要包括以下3种工具：模拟FastSPICE：可提供SPICE级别的精确电路仿真，速度提升5倍～10倍，具有优秀的直流静态工作点收敛性能，并不需要仿真器对模块进行微调；射频FastSPICE：可提供SPICE级别的精确电路周期性分析，速度提升5倍～10倍，具有优越的周期稳态收敛性能和硅精确的振荡噪声分析； PLL噪声分析器：随机非线性引擎能提供快速的闭环整数NPLL噪声分析，和实际芯片相比，精确度在～1dB以内。模拟FastSPICE使用精确电路分析多速率瞬态引擎，和SPICE相比，它能提供鲁棒性很强的直流静态工作点收敛性能、SPICE级别的精确性和更快的速度。其应用领域包括任何要求SPICE级精确度的瞬态仿真。模拟FastSPICE已经被大量电路设计所采用，包括802.11a/b/g收发器、∑-△ADC、包括带隙基准电压源和偏置电路的自动增益控制设计、高速I/O和数GHz的PLL，这些应用实例均证明了模拟FastSPICE具有优越的性能。 具体性能使用新工具来检验当今领先的消费、无线设备、计算机和网络设备等产品的电路设计时的一些性能结果如表1所示。对于列出的具有代表性的电路，新工具的瞬态仿真具有SPICE级别的精确性。 这些电路的复杂程度涵盖了两个数量级，应用包括无线收发器、复杂的模拟/混合信号芯片和消费芯片等。所有这些都是以原来的测试平台和电路配置进行的设计。所有这些结果均不需要仿真器的模块级微调。对于各个设计，电路设计师将重要信号的波形和重要节点的测量与目前使用的SPICE仿真器得出的结果进行比较，从而证明了新工具具有SPICE级别的精确度。结语流片前芯片中模拟/射频模块的验证问题对于设计团队来说是一个巨大的挑战。现有的仿真流程不能与设计复杂度同步发展，结果导致对于模拟/射频子系统来说，设计师必须花费数周甚至数月的时间来进行系统验证。传统的SPICE不再能满足要求。而Berkeley设计自动化公司的精确电路分析工具及其结果展示出其打破瓶颈并足以解决这些复杂验证问题的能力。 (周俊峰译)
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Cadence 推出射频设计方案
Cadence Design Systems, Inc.和中芯国际，今天共同宣布将 Cadence 公司的射频设计方案 (Radio Frequency Design Methodology Kit) 推向中国射频电路设计市场，中芯国际将发展支持 Cadence 射频方案的工艺设计套件 (process-design kit) 并于2006年底前完成测试芯片。 客户将可于2006年底得到0.18微米的 CMOS 射频工艺设计套件 (process-design kit)。Cadence 和中芯国际将共同合作推出射频电路的培训课程，并向中国射频设计者们提供射频工艺设计套件 (process-design kit) 的适用性咨询。 随着此项合作，国内的无线芯片设计人员将可得到必要的工具，以达到确保符合设计意图的集成电路表现,可缩短并准确的预测设计周期。此外，两家公司将为客户提供适用性培训课程。 “无线工艺中有很多特殊技术。一个带有建议方案和工具的设计套件将使我们的客户受益。我们与 Cadence 在射频设计上的合作将帮助我们的国内客户设计与推出高质量的射频器件”，中芯国际设计服务部的副总 Paul Ouyang 说。“全定制的 Cadence 射频电路设计技术与射频设计方案与中芯国际 CMOS 射频制程工艺设计套件将是高质量和高生产力的组合，并帮助我们客户的设计得以成功。我们希望与 Cadence 保持密切合作，未来可为我们的客户提供0.13微米和90纳米 CMOS 射频制程的射频电路的解决方案。” 射频设计方案 (Radio Frequency Design Methodology Kit) 包括一个802.11 b/g WLAN 无线收发器参考设计，一整套子芯片级，芯片级和系统级的测试机台，仿真设置，测试计划及射频设计与分析方案的适应性训练。设计方案着重于组织管理严密的射频电路设计和整片确认，以及从事建模，电路仿真，设计，寄生参数提取，再度仿真，与电感综合。同时着重于为集成电路环境的设计人员在系统，系统水平建模与测试机台的衡量的集成电路检测中提供帮助。“我们很高兴与中芯国际在帮助中国射频设计市场客户来改进其射频器件的质量与生产力上的合作。” Cadence 的资深产业联盟副总 Jan Willis 如是说，“我们希望在2007年能给中国客户在培训课程和射频适应性训练中提供服务”。
