射頻 (RF) 技術是現(xiàn)代通信的核心，它驅(qū)動著連接我們各類設備、智能家居與工業(yè)領域的無線系統(tǒng)。從高速 5G 網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信到物聯(lián)網(wǎng)設備和汽車雷達系統(tǒng)，射頻系統(tǒng)一直為我們的世界塑造無形網(wǎng)絡提供著動力。對于工程師來說，了解射頻設計及其挑戰(zhàn)是突破電子技術可能性邊界的關鍵所在。 

射頻設計是一個獨特而復雜的領域，需要同時具備理論知識、實踐專長和創(chuàng)造性解決問題的能力。與信號是二進制且可預測的數(shù)字系統(tǒng)不同，射頻在動態(tài)模擬域中運行，即使是微小的調(diào)整也會對性能產(chǎn)生重大影響。 

在過去 50 年中，射頻設計發(fā)生了重大變化。隨著新一代射頻設計人員的到來，我們注意到現(xiàn)代設計正更加側(cè)重于通過仿真來優(yōu)化性能、建模寄生效應，并最終縮短開發(fā)周期。在 DigiKey，我們發(fā)端于業(yè)余無線電，現(xiàn)在已發(fā)展成為幫助射頻系統(tǒng)工程師處理信號完整性、電源管理和降噪等因素的核心服務商，同時幫助他們應對現(xiàn)實世界中的各種限制，如尺寸、成本和合規(guī)性。DigiKey 通過供應包括芯片、天線和射頻連接器在內(nèi)的各種優(yōu)質(zhì)硬件元件，持續(xù)為射頻社區(qū)提供支持。 

最近，我與著名物理學家兼 Qorvo 模擬工程師 Mike Engelhardt 就射頻設計的仿真技術進行了一次“技術交流”。Mike 因其對 LTspice 和 QSPICE 等電路仿真軟件的貢獻而聞名。下面的訪談改編自我們的對話，內(nèi)容涵蓋 Qorvo 的 QSPICE 開發(fā)及其是如何改變射頻工程師和混合信號設計人員仿真的。 

問：與 SPICE 相比，射頻工程師傳統(tǒng)上更喜歡使用頻域仿真器。是什么促使我們需要一種新方法？

答：傳統(tǒng)上，射頻工程師非常倚重頻域或諧波平衡仿真器，這主要是因為 SPICE 工具難以準確仿真雜散諧波的產(chǎn)生和低級非線性。QSPICE 能夠進行精確的時域仿真，提供更全面、更逼真的電路行為視圖，從而改變了游戲規(guī)則。 

時域仿真允許設計人員直接使用物理偏置點和全電路非線性，捕捉實際功率耗散，避免頻域分析中固有的假設。雖然頻率行為仍然是射頻設計的核心，但 QSPICE 從第一原理出發(fā)，在真實偏置點對實際電路進行線性化處理，從而使設計流程更加精確，且更不容易出錯。 

問：QSPICE 如何應對大量仿真數(shù)據(jù)可視化的挑戰(zhàn)？

答：可視化通常是仿真工具的一個瓶頸，因為傳統(tǒng) SPICE 程序生成的數(shù)據(jù)多于可有效繪制的數(shù)據(jù)。QSPICE 利用基于 GPU 的圖形技術（與視頻游戲中使用的技術相同）解決了這一問題。這能夠讓它在不壓縮或不損失保真度的情況下，將海量數(shù)據(jù)的渲染速度提高到老工具的 10 萬倍。 

圖形引擎采用三角形細分技術（一種從游戲中借鑒的技術），以驚人的速度和清晰度繪制數(shù)據(jù)。利用這項技術，用戶可以查看真實的、未壓縮的仿真結(jié)果，并執(zhí)行精確的 FFT，輕松識別雜散信號和諧波。 

問：這對從事現(xiàn)代設計的射頻工程師有什么具體好處？

答： 仿真的核心價值在于加深理解。仿真可以幫助設計人員建立直覺、探索行為并完善設計，而這在物理工作臺上往往是不可能實現(xiàn)的。對于射頻電路來說，這一點尤為重要。 

與基帶設計不同，射頻電路容易受到印刷電路板寄生效應的影響，這些寄生效應是印刷電路板物理布局引入的非預期電抗元件。在仿真中，設計人員可以關閉這些寄生，以隔離并研究核心電路行為。這種解耦寄生效應的能力能夠讓我們更清楚地了解哪些元件會真正影響性能。 

在工作臺上，這種分析幾乎是不可能的。您無法“關閉物理印刷電路板中的寄生”，也無法輕松重新布線或修改嵌入多層電路板中的組件。仿真為測試、迭代和學習提供了一個簡潔、靈活的環(huán)境。 

問：隨著技術向千兆赫范圍推進，仿真高頻現(xiàn)象的最大挑戰(zhàn)是什么？

答：最大的挑戰(zhàn)是準確識別寄生，即物理布局中出現(xiàn)的非預期電感、電容或電阻元件。在高頻率下，即使是很小的寄生效應也會對電路行為產(chǎn)生巨大影響。雖然導線或走線電感的基本公式能解決多數(shù)問題，但真正的困難出現(xiàn)在集總元件模型失效時。QSPICE 提供了螺線管、帶狀線和直導線的內(nèi)置模型以應對此類情況。 

由于存在色散效應，組件特性會隨著頻率的變化而變化。介電材料和磁性材料在原子層面表現(xiàn)出頻率相關的屬性，這使得創(chuàng)建寬帶集總模型變得幾乎不可能。在這種情況下，設計人員必須轉(zhuǎn)變思路，從試圖徹底消除寄生現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向進行防御性設計，充分考慮其不可避免的影響。 

問：QSPICE 在改善射頻設計人員的用戶體驗方面做了哪些改進？

答：大多數(shù)電子 CAD 工具在現(xiàn)代用戶界面設計方面都比較落后。QSPICE 突破性地將重點放在符合人體工程學的直觀交互上。例如，它采用就地文本編輯來替代會中斷工作流程的模態(tài)彈出對話框，使用戶在視覺和思維上都能始終專注于電路原理圖。此外，QSPICE 利用上下文相關的右鍵菜單取代了傳統(tǒng)的工具欄導航，這既減少了鼠標移動，也幫助用戶保持專注。這種設計理念將工作流的順暢度和效率置于優(yōu)先位置，助力工程師沉浸于設計過程，避免不必要的干擾。 

問：QSPICE 針對混合信號設計人員做了哪些改變？

答：QSPICE 具有卓越的混合模式仿真性能，可為所有設計人員提供高級功能。它可將 C++ 和 Verilog 直接編譯成可執(zhí)行目標代碼，并在仿真期間運行。這使得數(shù)字邏輯的評估速度比真實硬件更快，但在運行頻率低于 5 GHz 的處理器上仿真高頻信號（如 5 GHz）時除外。 

過程很簡單：在原理圖上拖出一個方框，輸入代碼并運行即可。QSPICE 包括了所有必要編譯器，開箱即用，簡化了體驗，能夠讓設計人員輕松快速地仿真復雜的模擬數(shù)字交互。 

結(jié)語

對于需要應對 GHz 級挑戰(zhàn)的射頻工程師和需要集成邏輯仿真的混合信號設計人員來說，QSPICE 代表著電路仿真技術的一大進步。