【应用】Keysight软件ADS简化手机耗电大户PA模块基板设计

时间： 2020-03-20 来源：Keysight

技术问答

随着科技的进步，物联网生活模式的兴起，资料传输速度需求的增加，促进了通讯规格的演进。从2G的通话﹑3G的网页浏览﹑4G的影音到如今的5G互联网，各代的射频芯片制作也有所不同，引起智能手机耗电量也大幅度增加。

目前，我们已经进入了5G时代，5G手机下载1G高清电影只需要3秒 —5G芯片支持5G通信频段，包括低频、毫米波、高频；支持5G通信标准等，可以让手机实现最高10Gbps的理论数据下载速率，而这个速率远远超过4G，达到前所未有的新高度，让更多应用有了实现的可能，同时也增加了手机的耗电量。

智能手机的电池续航能力成为制约智能手机发展的一个重要阻碍，而除了显示屏外，手机中最大的耗电大户就是射频功放了。特别是随着手机向5G演进，手机中的RF前端将会非常复杂，一个手机将需要多颗不同频段、不同制式的功放(PA)、滤波器与双工器等。

值得一提的是，手机灵魂部件功率放大器(PA Module)在RF模块中是功率消耗最大且性能要求严苛的组件，在整体RF模块中是消耗时间最多难度最大的组件之一。如果可以大幅度降低手机PA的耗电量，就可以大幅度提高智能手机的续航能力。

本文内容着重描述如何利用是德科技的软件 - ADS，结合基板设计套件(Laminate PDK)，让PA模块设计工程师简化设计流程，提高设计效率与设计品质。

什么是功放基板设计？

在手机无线收发的部件中，PA模块(PA Module)是功率消耗最大的部件，其性能往往直接决定了手机的电池使用时间。为了了解功放基板设计的概念，首先，我们从功放开始谈起，功率放大器模块由这些部件组成 :

•功率放大器芯片(PA)

•切换开关(Switch)

•控制芯片(Control)

•整合模块基板(Laminate)

•表面贴附被动组件(SMD)

•表面声波滤波器(SAW Filter)

•双工器(Duplexer)

让我们通过下图一窥功率放大器模块内部的组成(下图即为进阶的muRata PAMid 功率放大器模块) :

上图的PA，由于进阶的LTE与5G(sub-6G)应用加入CA(载波聚合，Carrier Aggregation)，运用多频段同时传输提升传输速度。在组件上多了多任务器(Duplexer)与表面声波滤波器(SAW Filter)，但不变的，依然利用基板(Laminate)进行整个功率放大器模块的整合，所设计的基板直接影响到功率放大器模块的性能与效率。

接下来我们来了解基板的概念，基板是类似PCB但更为精细的工艺，通常基板金属为铜，且最小宽度可达到40微米，金属线间距可达到50微米。基板的功能，主要是乘载各组件使功率放大器模块化，同时还可以担当功率放大器的输入匹配与输出匹配电路。

因此好的功放基板设计是可以大幅度提高功率放大器匹配调整的灵活性。基板的另一个优点是其非常适合设计低损耗高性能的匹配电感。这个优点可以从下表不同工艺下电感一般可达到的品质参数的比较中看出 :

关键匹配电感运用基板一方面虽然可达到非常优越的性能以及大幅提高功率放大器功率与效率，但另一方面也会占据大量的空间。因此基板的设计，往往非常繁琐，且需要运用大量的电磁场仿真进行运算，而这个既是挑战也是机遇，KEYSIGHT ADS相关工具可以很好的完成这个任务。

在接下来的内容，我们将对比传统基板设计流程与在ADS平台上多任务艺联合电磁场仿真流程的差异，从而介绍ADS平台上对于基板设计所提供的各式功能。

5G基板设计方式与挑战

在基板(Laminate)的设计过程中，版图设计通常在ADS的Layout环境进行，基板的效应则需要用电磁场仿真工具(EM Simulation) 进行评估。当然，由于ADS平台上所提供的精确且使用便利的设计环境，最后的整体仿真性能评估，都会是在ADS上进行。

下面列举几个5G基板设计方式 (版图设计是在ADS的Layout环境实现的) :

下列参考上述资料，使用者可能用不同EM工具进行仿真的设计流程对比 :

方式1：ADS平台上将FEM或Momentum结果手动代入Schematic仿真

此方式如下图所示，可运用layout look-alike symbol，让组件的连接更直觉，但是还需要将EM的结果手动带入电路进行仿真。

方式2：手动将第三方EM仿真代入Schematic中进行仿真

部分使用者有其喜爱使用的EM工具，但代入ADS的工法上较为麻烦，可能是个耗时费工又易出错的手动步骤。以下图示为第三方EM工具藉由SnP file，将EM效应带入ADS中进行仿真 :

实际上，方式1和方式2都暴露出一些缺点，很难应对5G时期PA基板设计的各种挑战。一方面，二者皆需要不少手动流程，增加了出现错误的几率以及大大降低了基板设计的效率，无法应对5G时期的相应的工作。另一方面，后者引入了第三方的工具，也会带来数据兼容性以及后期仿真的debug不同工具之间互相推诿的问题。

所幸，ADS已经成功地开发了新式的设计流程，进一步大幅简化手动的步骤，从而可以从容地应对5G时期的基板设计工作，详情请见方式3。

方式3：多任务艺联合电磁场仿真 (最佳方法 )

在基板上的EM仿真，由于工艺截然不同，通常分别设计基板与PA芯片，并且手动进行两部分仿真的连线，再进行联合仿真。

在ADS平台提供Multi-Technology联合EM仿真设定中，可将整个PA模块(基板与PA芯片)，直接进行联合EM仿真，如此不需要芯片与模块间的手动连接步骤，大幅简化步骤提高效率。一般而言，传统仿真的作业流程，一个设置周期可能就在两个小时以上。

下面两张图分别给出传统仿真和联合仿真两种工作模式的流程以及大概时间评估。从而可以看出，在联合仿真的流程上，设计者可以专注在设计的部分，简化了繁琐的设置和连接流程，大大提高了工作效率。

在ADS上轻松的画你的基板

想要轻松地进行PA的基板设计，以下两个方面的因素缺一不可，一方面要有强大的软件工具支持，另一方面还要有与之匹配的基板工艺的设计套件(Laminate PDK)。

本章先从软件工具谈起，ADS是非常优质的软件工具平台，ADS研发团队内部有许多PA模块设计资深经验的专家，拥有多年的RF设计经验，可以设计出最符合业界需求的功能模块，提供工具使用支持反馈，持续优化设计环境，给予使用者优质的使用体验。在这章节，将会简单描述几个可以让客户轻松设计基板版图的相关功能。

下图为Schematic :

是德科技专家提供的定制化基板设计套件等相关服务

实际上，“在ADS上轻松的画你的基板”部分已经提到过，优秀的PA芯片以及基板设计一方面少不了强大的软件工具ADS平台，另一方面也离不开相应的工艺设计套件(PDK)以及基板设计套件(Laminate PDK) 。制作精良的PDK可以大幅减轻相关设计工作。在芯片设计的领域，PDK是芯片厂提供给IC设计师的设计套件，设计工程师依据PDK进行电路设计与相关仿真，在芯片仿真性能达到设计要求时，则产出版图并交付芯片厂进行芯片制造。

是德科技的PDK研发团队—是德科技除了美国、中国与日本研发中心外，更设立印度研发中心，负责PDK相关研发任务。是德印度在PDK制作上，提供技术服务与功能研发，与各大国际知名芯片厂与芯片制造商密切合作，拥有丰富的产业经验。

芯片设计的PDK常见于各半导体芯片厂，但目前基板厂通常只专注于制成工艺，缺乏仿真思维与经验，更无相关PDK的提供。于是设计工程师往往在阅读板厂的设计准则与规范后，进行肉眼与手动的确认，繁琐且易出错。部分PA设计公司只能自行研发简易的PDK，进行设计上的简化，然而简易的PDK可能难以满足PA模块设计所需的各项功能。

是德PDK团队提供定制化基板PDK开发服务—在基板设计的领域，是德科技的技术团队提供定制化的基板PDK开发以及相应的技术培训服务，可以大幅提高设计者的设计效率与质量。是德所提供的PDK，可依据客户所使用的板厂与对应的工艺进行定制化开发，还可以交付包含技术培训与源文件在内的附加服务，便于使用者自行修改与建立相关衍生的基板工艺，提高维护效率与建构成本。

一般而言，是德团队提供的Laminate PDK开发服务主要包括以下功能开发：

一般基板上的器件，通常如下图所示 :

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系列,E3640A,DSOXBODE,AC6800B,N2874A,EDU33211A,RP7942A,6002A,BN9963B,E3600,S054A,1000 X,U7106N,E36313A,DAQM900A,L2060 X,U9422B SPDT,DSOX,U7106F,U7106E,N8756A,DSOX2MSO,J7204B,N8732A,E36150A 系列,N8950A,U3851A,EXR058A,RP7941A,AC6801B,10070D,P9384B,D4000AUTB,N2752A,EDU33210A,RP7953A,BN9962B,DAQM902A,U2761A,34980A,E36300A,E36312A,N6782A,DAQM901A,U2020 X,E36106B,53220A,N8757A,AC6900 系列,N8733A,D3000PWRB,N8951A,N9952B,RP7952A,N9952A,U7108B,U7108A,P9242A,P9375B,U7108C,P9240GENC,N2751A,P9375A,U9428C,E4980A,U9428B,6004A,33500B 系列,U9428A,N7971A,ENA 系列,D4000AERB,53132A,EXG X,N6785A,B2980B,N6773A,N6761A,N8754A,N8742A,RP7963A,N9953B,RP7951A,EDU33210 系列,N7970A,EDU33212A,P9241A,P938XB,N2750A,N2871A,53230A,N8700,U3810 系列,U9424A SP4T,DSOXT3MSO,S804A,L2050 X,J7201C,J7201B,N6784A,N8755A,J7201A,N8731A,N2870A,8495D,N2797A,N9934B,N2894A,N5770A,8495B,34420A,N70412A,N7973A,E3647A,6000X 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