文章主要介紹了當前射頻集成電路研究中的半導體技術和CAD技術,，并比較和討論了硅器件和砷化鎵器件,、射頻集成電路CAD和傳統(tǒng)電路CAD的各自特點,。
近年來，無線通信市場的蓬勃發(fā)展,，特別是移動電話,、無線因特網(wǎng)接入業(yè)務的興起使人們對無線通信技術提出了更高的要求。體積小,、重量輕,、低功耗和低成本是無線通信終端發(fā)展的方向，射頻集成電路技術(RFIC)在其中扮演著關鍵角色,。RFIC的出現(xiàn)和發(fā)展對半導體器件,、射頻電路分析方法，乃至接收機系統(tǒng)結構都提出了新的要求,。
半導體器件技術
在RF領域中, 性能,、工藝的要求要比數(shù)字集成電路本身復雜得多。其中,，功耗,、速度、成品率是最主要的參數(shù),。同時,，RF IC還要考慮到噪聲(寬帶和窄帶)、線性度,、增益和功效,。這樣, 應用于RF IC中的優(yōu)化器件一直在不斷完善和發(fā)展,。不同的RF功能部分將在不同的半導體器件工藝上實現(xiàn)。目前,，RFIC中使用的半導體工藝主要有Si,、SiGe、 GaAs和InP,。
● 硅器件：硅集成電路計有硅雙極晶體管(Si-Bipolar Transistor),、硅-互補式金氧半導體(Si-CMOS)、硅雙極互補式金氧半導體(Bi-CMOS)或硅鍺異質接面雙極晶體管(SiGe HBT),。
目前通信的頻率大抵在2 GHz以下，除功率放大器外,，硅集成電路在射頻/中頻模塊較占優(yōu)勢,，硅工藝因具有大量的產能，可以由射頻/中頻/基頻組成單芯片混合模式集成電路 (single chip mixed mode IC),，并且可以單電源操作,，在價格、積體化程度上遠超過砷化鎵器件,，砷化鎵與硅集成電路,，因為材料特性的不同，設計的方法也大不相同,，硅材料由于沒有半絕緣基板(Semi-insulation substrate),，等于在一個高損耗的基板上做電路設計，再加上器件本身的增益較低,，若要達到與砷化鎵相當?shù)母哳l電性,，硅RFIC全系于晶體管微小化 (如次微米RF CMOS)或材料結構的改善(如SiGe異質接面晶體管)，來提高器件的特征頻率fT,。也必須借助溝槽隔離(trench isolation)等工藝,，提高電路間的隔離度與Q值，工藝繁復,、光罩數(shù)眾多,，不良率與成本也大幅提高，高頻模型也因為雜散效應明顯,，不易掌握,。目前硅工藝已可勝任超過5 GHz以上的RFIC，但對具低噪聲放大器,、高功率放大器與開關器等射頻前端仍有不足,，故硅工藝的器件，將被定位于中頻模塊或低層(low tier)的射頻模塊,。
需要特別指出的是,，在無線收發(fā)器中,，數(shù)字信號處理部分使用標準Si-CMOS工藝，通常占到芯片面積的75%以上,集成度及功耗等指標的要求使得他不可能用CMOS以外的其他工藝實現(xiàn),所以只有實現(xiàn)CMOS集成射頻前端,才能實現(xiàn)單片集成的收發(fā)器并最終實現(xiàn)單片集成的移動通信產品,。目前隨著CMOS 工藝的發(fā)展,它的單位增益截止頻率已經(jīng)接近GaAs水平,同時出現(xiàn)了一些采用CMOS工藝實現(xiàn)的射頻前端的單元電路及收發(fā)器,。這也使得采用CMOS工藝實現(xiàn)移動通信產品的單芯片集成成為可能。此外,，CMOS工藝與其它工藝相比,，集成度更高，成本低,，功耗低,，使得對它成為RFIC發(fā)展的主流方向。
● 砷化鎵器件：砷化鎵器件在高頻,、高功率,、高效率、低噪聲指數(shù)的電氣特性均遠超過硅器件,，空乏型砷化鎵場效晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管 (HEMT/PHEMT),，在3 V電壓操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: power added efficiency)，非常適用于高層(high tier)的無線通信中長距離,、長通信時間的需求,，然而二者皆需要負電源，將增加產品使用的成本,，HEMT器件繁復的長晶與閘級寬度的控制,，也影響工藝之一致性及易產性。增進型(enhancement mode) E-mode MESFET/ HEMT,，因為無需負電源,，同時可維持其功率放大器之優(yōu)良特性，惟其輸出功率將被限制,。異質雙極晶體管(HBT)是另外一無需負電源的砷化鎵器件,，其功率密度(power density)、電流推動能力(current drive capability)與線性度(linearity)均超過FET,，適合設計高功率,、高效率、高線性度的微波放大器,，HBT為最佳器件的選擇,。而HBT 器件在相位噪聲，高gm,、高功率密度,、崩潰電壓與線性度上占優(yōu)勢，另外它可以單電源操作,，因而簡化電路設計及次系統(tǒng)實現(xiàn)的難度,，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制,，特別是微波信號源與高線性放大器等電路。
電路CAD技術
對集成電路設計來說,，設計方法和高水平的計算機輔助設計工具是成功的關鍵,。對于通常的VLSI，有包括從綜合,、模擬,、版圖設計、驗證,、測試生成等在內的一系列工具來支持整個設計過程,。但對RFIC，目前尚不具備一整套完善的CAD工具,，主要的前端設計工具是電路級的模擬或仿真,。
SPICE仿真的不足e#●SPICE仿真的不足
通常的電路模擬使用的是以SPICE為代表的模擬技術，它支持多種仿真,。但由于RFIC的特點，用這類電路模擬技術存在很多困難,。
首先,，RFIC的設計指標大多是電路處于穩(wěn)態(tài)時的指標，如功率增益,、交調與畸變等,，用SPICE的時域模擬必須經(jīng)過一個瞬態(tài)過程才能到達穩(wěn)態(tài)，對有較長瞬態(tài)過程的電路,，要耗費大量的計算,。
其次RFIC通常存在兩個或多個頻率或變化速度相差懸殊的信號。典型的情況是混頻器,，載頻與信號頻率往往相差幾個數(shù)量級,。其它如PLL的捕捉過程，振蕩器的起振過程等,，用SPICE來模擬這些情況效率都很低,，因模擬所需時間取決于最慢分量，而時間步長取決于最快分量,。
另外RFIC中存在互連,、封裝等分布的寄生元件，SPICE也無法處理,。這些元件準確的特性要由電磁場分析給出,，一般適宜在頻域中描述，不能直接用于時域中的分析,。
最后,，噪聲是決定IC系統(tǒng)性能,，如信噪比，誤比特率的一個重要因素,，但SPICE只能對線性放大器,、且噪聲源為平穩(wěn)隨機過程的情形作噪聲分析，而對 RFIC系統(tǒng)中的非線性電路,，如混頻器,、振蕩器，因噪聲受到大信號的調制,，統(tǒng)計特性不再是平穩(wěn)的,，且混頻噪聲與振蕩器的相位噪聲特性不同，不能用 SPICE中線性電路的噪聲分析方法,。
●RF電路仿真技術
由于上述原因,，以SPICE為代表的傳統(tǒng)電路模擬無法滿足RFIC分析的需要。為此,，在過去十幾年中發(fā)展了專門針對射頻與微波通信電路的模擬,、仿真技術。
時域方法：時域仿真一般是在假設電路的穩(wěn)態(tài)相應是周期的前提下求解電路時域微分方程組,，即v(0)=v(T),其中,，v是節(jié)點電壓向量，T是周期,，v(0)是節(jié)點電壓零時刻的初始向量,，v(T)是T時刻的節(jié)點電壓向量，然后找到使方程有周期解的初始狀態(tài)v(0),。對于激勵信號是周期信號的電路,，周期T是已知量，但對于振蕩電路,，它的周期一般是未知的,，所以除了確定v(0)外，還要確定周期T,。
解上述方程組最常用的方法是牛頓試射法,。它的基本原理是：假設電路相應的周期T已知，在某個初始狀態(tài)下,，在周期T 內對電路做傳統(tǒng)的電路瞬態(tài)分析,，判斷v(0)=v(T)是否滿足，如不滿足,，令v(0)=v(T),，再做瞬態(tài)分析，如此迭代下去,，直到找到滿足 v(0)=v(T)的初始狀態(tài),。
在上述過程中,，要做大量的矩陣運算，因此這對電路的規(guī)模有限制,，目前的仿真一般不超過300個節(jié)點,。
試射法是時域中的方法，電路非線性的強弱或信號是否接近正弦不影響方程規(guī)模與內存量,，迭代的收斂性取決于v(T)與v(0)之間關系非線性的程度,，而不是電路本身的非線性，因此對一些強非線性電路也能收斂,。它的缺點是較難處理分立元件,。在時域中，要想準確地計算失真,，需要選擇合適地仿真允差和算法,。
諧波平衡法：諧波平衡是一種在頻域求電路穩(wěn)態(tài)響應的方法。首先將信號表示成為傅立葉展開的形式,，在節(jié)點處的各次諧波分量都列寫KCL方程組,，把時域中的微分方程轉化為頻域中的代數(shù)方程，然后用牛頓迭代求解傅立葉系數(shù),。需要特別注意的是由于非線性元件的特性表示是在時域中的,，因此它們的計算要先在時域中進行，再使用傅立葉變換將它們變換到頻域,。而要計算時域的非線性電阻電流與非線性電容電荷，又要先用逆傅立葉變換將激勵信號V(ω)轉換到時域,。
諧波平衡法實質上是頻域中的非線性分析方法,，適合于對非線性不強的電路做近似正弦的穩(wěn)態(tài)分析，如放大器的畸變與交調分析,。當電路的非線性較強時,，就要取基波的很多次諧波分量來模擬失真的正弦信號，失真越大,，取的諧波次數(shù)就越多,，這樣就會使方程規(guī)模增大成非線性時的另一困難是迭代時更難收斂。
近年來為了加快分析速度,，提高效率,，以適RFIC的需要，在這兩種方法的基礎上有不少新的進展,，如基于Krylov子空間迭代的方法,、包絡分析法、多變量偏微分方程法等,。有興趣的讀者可參考有關文獻,。
結語
射頻集成電路的發(fā)展方向是更高的頻率應用范圍和更寬的帶寬,，這在實現(xiàn)上需要半導體技術新工藝的不斷發(fā)展，在設計中需要更加精確和可靠的CAD技術支持,。