什麼是射頻積體電路 (RFIC)？

從行動電話、無線網際網路存取到雷達和導航系統，射頻 (RF) 傳輸技術讓世界更加緊密連結。由於技術不斷進步，射頻積體電路 (RFIC) 在自身和整合到系統單晶片 (SoC) 解決方案中變得更加複雜。射頻積體電路的設計可在高頻率下運作，通常是在數百 MHz 到數 GHz 的範圍內。

無線電電路設計的目標是在來源和目的地之間，以可接受的品質傳送和接收訊號，同時不產生高昂的成本。這可以通過使用經過驗證的設計方法來實現。射頻積體電路通常會將放大器、濾波器、混波器、振盪器，調變器/解調器等元件結合在單一晶片上。

RF（射頻）電路設計是一種結合低頻類比設計技術和微波電路設計方法的離散技術。微波設計與低頻類比設計之間的主要差異，在於傳輸線原則的重要性。微波設計大量依賴於傳輸線概念，而低頻類比設計則否。因此，阻抗等級的選擇和對於訊號大小、雜訊和失真的描述都會受到影響。

射頻積體電路設計的主要元件為：

天線：用於發射和接收無線電頻率訊號。

濾波器：限制特定頻段內的訊號。這可以是帶通濾波器 (BPF)，允許特定頻率範圍通過；低通濾波器 (LPF)，讓低於特定等級的頻率通過，或是允許高於特定等級的頻率通過的高通濾波器 (HPF)。

阻抗匹配：匹配來源和負載的阻抗，以最小化訊號反射或最大化電力傳輸。

低雜訊放大器 (LNA)：放大微弱訊號並濾除雜訊回應，因為接收的訊號不夠強，不足以直接通過混波器。

調變器：用於訊號調變。它會以特定方式編碼訊號，以符合通訊頻道要求。它在發射器中作為「上變頻器」，將低頻模擬信號與本地振盪器信號結合，生成射頻信號。

解調器：解碼接收端上的訊號。它會從調變的載波中擷取原始的資訊載波訊號。

功率放大器：用於將混波器的輸出放大到更高功率以進行傳輸。覆蓋範圍會隨著傳輸效率而增加。

RF 切換器：可透過傳輸路徑傳送高頻訊號。

射頻積體電路的使用案例和優點

1. 無線通訊與連線：射頻積體電路在手機、物聯網 (IoT) 裝置、家電等無線通訊中有廣泛的應用。具備射頻積體電路的裝置已成為日常生活不可中或缺的一部分。小巧整合、電源管理，以及高速資料傳輸，是其最大的優勢。
2. 汽車雷達系統：汽車雷達系統的射頻積體電路應用，包括避免碰撞、主動定速控制系統和停車協助等。由於外型尺寸小巧，因此可輕鬆安裝在車內，以強化安全性。
3. 無線感應器網路：射頻積體電路用於無線感應器網路，應用於環境監控、智慧農業和工業自動化等。感應器節點之間的無線連線，免除了大量佈線和基礎架構。因為基於射頻積體電路的網路能輕鬆擴展或重新設定，所以使用基於射頻積體電路的應用，能提供更大的靈活性和擴充性。
   
4. 衛星通訊：射頻積體電路用於衛星通訊系統，以進行訊號放大、頻率轉換和調變等工作。其眾多優點包括寬廣的涵蓋範圍、高資料傳輸率，以及高效率的訊號處理等。

現代射頻積體電路的設計與驗證

在過去數十年的時間裡，類比/混合訊號設計 (AMS) 一直被視為一門藝術，而射頻積體電路設計師有自己的手工技術，可以讓他們透過電路圖和配置階段來進行實體驗證和電路模擬。然而，這會墊高專案時間和預算的成本。

這類傳統的設計和驗證方法缺乏效率，無法符合現代的射頻積體電路設計標準。隨著設計師嘗試將類比、數位和射頻結合至大型系統單晶片，而且操作頻率不斷增加，要使用預先特徵化的設備庫，或其他傳統方法來設計積體電路變得相當困難。此外，高頻率的電磁相互作用會導致訊號反射、串音干擾和電磁干擾 (EMI) 等寄生效應，這會降低電路性能，而應在設計週期中儘早考慮。

現代的射頻積體電路開發流程，必須縮短每一次設計迭代的周轉時間 (TAT)，同時仍要達到最佳的電路性能。因此，在迭代過程中，設計與模擬密不可分。設計會根據模擬的輸出而有數次調整。這是一個漫長的過程，設計師有時會在電路性能方面妥協，以在非常激進的專案時程中達成交付。為實現絕不妥協的性能，射頻積體電路的設計師需要先進的電子設計自動化 (EDA) 工具以及優異的模擬功能，而且這些工具和功能應要具體著重於 IC 設計。

EDA 工具 (具體而言是電路圖和配置工具) 與矽最佳化模擬軟體的無縫整合是射頻積體電路成功設計的關鍵。這些工具的超融合提供了從早期的電路圖階段，到成熟配置階段的快速而準確的電路建模，同時使用用於矽的電磁求解器，以及內建的動態電壓下降、電遷移和其他問題的檢查。Ansys 與 Synopsys 合作提供整體解決方案，能滿足現代射頻積體電路設計師的需求，確保可靠性和穩健性。

Ansys 矽最佳化的電磁模擬工作流程從設計週期的早期階段開始。使用 Ansys VeloceRF，就可以達成快速準確的裝置合成與建模。為了在平面規劃階段做出資訊充分的決定，射頻積體電路設計師可以使用專為晶片設計和工作流程而設計的電磁求解器 Ansys RaptorX。RaptorX 可以對配置的所有被動元件和佈線建立模型，然後共同分析多個區塊或晶片與封裝之間的耦合。射頻積體電路設計師可以將 IC 資料庫移交給 Ansys HFSS 進行透過 Ansys RaptorH 介面的系統級模擬，在其中可以進行完整的晶片、封裝和 PCB 的電磁模擬。在簽核階段，Ansys Exalto 利用電磁模型為具關鍵電磁重要性的任何 RF 電路部分強化單純 RC 的結果。電磁模型會自動反向註記在 RC 測試台，以便在具有電磁信心的情況下進行快速的配置後模擬。 

Ansys為設計射頻積體電路提供的這一全面解決方案，提供高度可靠和穩健的解決方案，更高的產量，以及縮短的週轉時間。

VeloceRF、RaptorX、RaptorH 和 Exalto 是領先業界的電磁解決方案，可協助設計師將設計週期時間大幅減少，並大幅提升射頻積體電路的效能。

對於 5G 等更快速、更可靠的無線連線能力的需求，需要更複雜精密的射頻積體電路，而這正推動新 RF 技術的開發。為了解決這些挑戰，設計師可以使用先進的設計方法、全方位模擬工具和最佳化的演算法，來簡化設計程序並縮短上市時間。

協同合作式的射頻積體電路設計開發與驗證方法，讓設計師能交付高品質、可靠的 IC。設計師們可利用 VeloceRF、RaptorX、RaptorH 和 Exalto 解決方案輕鬆整合其 EDA 設計工具，使準確度獲得提升，並縮短上市時間。

在線上研討會「Foundations of Silicon-optimized Electromagnetic Methodology for RFICs」(射頻積體電路矽最佳化電磁方法基礎) 中，進一步瞭解 Ansys 電磁方法的基礎知識。