射频集成电路设计讲座报告（射频集成电路设计中所用到的设计工具和测试设备介绍）

毫米波电路通常使用无源器件，这可能是波长的很大一部分, 因此在这些器件中传播的波具有相关的电场和磁场，这些电场和磁场决定了器件的终端负载特性以及对附近部件和元件的耦合效应。 这些特性必须量化，以实现设备建模、布局评估或新的结构设计。 为了获得场分布和相关的散射参数，有必要计算复杂电磁方程的解。 然而，随着仿真软件的使用，这一任务已经大大简化。 目前大部分工程师都能够使用由Ansoft和Agilent提供的EM软件，例如高频仿真软件(HFSS)，ADS，Sonnet的微波工作室和AWR的微波工作室等。 通常，不同模拟器是所需的模拟时间和结果的准确性之间的权衡。

图1、用Ansoft的HFSS三维电磁仿真软件设计的无源结构

图2、安捷伦（Keysight）的矩量2.5-D仿真模拟软件，用于评估布局

图3、安捷伦（Keysight）的高级设计系统(ADS)所使用的谐波平衡电路仿真器

除了获得电路中所使用的器件的特性外，还必须使用仿真软件来设计和评估电路自身的性能。 今天有各种电子设计辅助(EDA)工具可供电路设计人员使用，它们大致可分为三类：瞬态、周期稳态(PSS，periodic steady state)和谐波平衡。 如果系统中存在周期信号，PSS算法实际上是对瞬态仿真引擎的射频仿真扩展。 该方法由Cadence设计系统的商用SpectreRF仿真工具来实现。 谐波平衡引擎是一种纯频域方法。 如果输入信号足够小，电路中的非线性元件不会使输出信号显著失真，那么小信号仿真就能给出了有效的结果。 然而，随着输入信号越来越大，输出将会出现新的频率分量。 谐波平衡对每个新频率分量进行求解， 高级设计系统（Advanced Design System，ADS）软件就采用了这种仿真方法。

由于多样性，仿真软件的选择将在很大程度上取决于用户想要模拟的电路，包括复杂性、感兴趣的频率和可用的器件模型等因素。

图4、采用Cadence布局设计工具的芯片的物理布局图

在电路设计和仿真验证后，电路必须通过布局放置在要制作的芯片上。 这是通过使用布局编辑软件来完成的，常用的软件是Cadence的IC布局编辑器，其屏幕截图如图4所示， 布局编辑器处理绘制成gds文件格式的图层，用于创建光刻过程中所使用的掩膜（mask）， 光刻工艺是芯片制造中的一个重要的步骤，因为最终导致实现芯片中的物理结构。 图5显示了使用45nm工艺的金属互连线的结构。

图5、IC物理结构的可视化是模拟射频布局设计成功的关键

对于高频电路布局，设计者有必要理解和采取步骤，以避免基板和不同金属层之间的相互作用而引起的可能寄生源。 从电路原理图中的布局变化也应该仔细评估，以确定其对性能的影响； 为了实现这些目标，将电路布局看作是三维物理结构可能是有用的。

为了验证制作芯片的特性，采用了高频精密测量设备。 由于要进行的测量的具体类型取决于电路类型，因此这里只对最重要的测量设备进行简要描述。 其中，矢量网络分析仪(VNA)用于测量散射参数。 散射参数是基于端口发射和反射电压波相互作用的电路端口特性的有用描述。 VNA主要进行低功率测量，以保证待测设备(DUT)的线性。 图6显示了VNA与晶圆探针台的设置。

图6、频率扩展到110GHz的用于S参数测量的晶圆级测量探针台

探针台将接触探针降低到芯片上设计的用于输入和输出连接的垫片上。 每个垫片的尺寸通常小于150um×150um。 探针的特写视图如图7所示； 对于测量多端口设备，如巴伦，可以使用四端口VNA来代替； 运行VNA需要使用一套满足既定标准的初始校准步骤：

• ·短路-开路-负载-直通(SOLT，Short-Open-Load-Through)
• 直通-反射-负载(TRL，Through-Reflection-Load)
• 负载-反射-匹配(LRM，Load-Reflection-Match)

图7、四探针设置的特写视图

校准是准确提取测量数据所需要定义的端口位置。

图8（a）

图8、(a)信号发生器；(b)与信号发生器、频谱分析仪和源模块连接的功率测量装置

大功率器件上进行的功率特性测量是无法通过VNA来精确测量的。 测量是困难的，因为功率测量中的任何“频率扫描”都必须仔细考虑相应的设备、电缆和探头在各个频率点上的损耗。 测量设置取决于要测量的电路类型，而主要由信号发生器组成，如图8所示，需要用到频谱分析仪，谐波混合器，毫米源模块以及D.C.电源。 测量是使用在晶圆探针台使用校准的电缆长度在测试设备中的连接，如图8（b）所示。

图9、噪声系数分析仪的前面板

噪声测量对于接收机来自电路的噪声影响接收信号的质量的表征来说是非常重要的。 对于噪声系数测量可以用到噪声系数分析仪(NFA)，如图9中的Agilent N8975A。 该NFA将校准的噪声源驱动到DUT中，并计算来自DUT本身的贡献以获得噪声系数； 而对于高频噪声系数的测量，需要一个谐波混频器来降低频率。