射頻（RF）技術(shù)是現(xiàn)代通信的核心，它驅(qū)動著連接我們各類設(shè)備、智能家居與工業(yè)領(lǐng)域的無線系統(tǒng)。從高速5G網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(luò)提供著動力。

對于工程師來說，了解射頻設(shè)計及其挑戰(zhàn)是突破電子技術(shù)可能性邊界的關(guān)鍵所在。

射頻設(shè)計是一個獨特而復(fù)雜的領(lǐng)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(yù)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(shè)計發(fā)生了重大變化。隨著新一代射頻設(shè)計人員的到來，我們注意到現(xiàn)代設(shè)計正更加側(cè)重于通過仿真來優(yōu)化性能、建模寄生效應(yīng)，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(wù)商，同時幫助他們應(yīng)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(yīng)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(xué)家兼Qorvo模擬工程師Mike Engelhardt就射頻設(shè)計的仿真技術(shù)進行了一次“技術(shù)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(shè)計人員仿真的。

1   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(shè)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(shè)。雖然頻率行為仍然是射頻設(shè)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(shè)計流程更加精確，且更不容易出錯。

2   問：QSPICE如何應(yīng)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(shù)（與視頻游戲中使用的技術(shù)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(shù)（一種從游戲中借鑒的技術(shù)），以驚人的速度和清晰度繪制數(shù)據(jù)。利用這項技術(shù)，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。

3   問：這對從事現(xiàn)代設(shè)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(shè)計人員建立直覺、探索行為并完善設(shè)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(shè)計不同，射頻電路容易受到印刷電路板寄生效應(yīng)的影響，這些寄生效應(yīng)是印刷電路板物理布局引入的非預(yù)期電抗元件。在仿真中，設(shè)計人員可以關(guān)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(yīng)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(guān)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(xué)習(xí)提供了一個簡潔、靈活的環(huán)境。

4   問：隨著技術(shù)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(yù)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(yīng)也會對電路行為產(chǎn)生巨大影響。雖然導(dǎo)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(dǎo)線的內(nèi)置模型以應(yīng)對此類情況。

由于存在色散效應(yīng)，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(guān)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(shè)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(shè)計，充分考慮其不可避免的影響。

5   問：QSPICE在改善射頻設(shè)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(shè)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(xué)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(guān)的右鍵菜單取代了傳統(tǒng)的工具欄導(dǎo)航，這既減少了鼠標移動，也幫助用戶保持專注。這種設(shè)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(shè)計過程，避免不必要的干擾。

6   問：QSPICE針對混合信號設(shè)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(shè)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(shè)計人員輕松快速地仿真復(fù)雜的模擬數(shù)字交互。

7   結(jié)束語

對于需要應(yīng)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(shè)計人員來說，QSPICE 代表著電路仿真技術(shù)的一大進步。

（本文來源于《EEPW》202601）