1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，無線產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越豐富，涉及到民用和軍事應用的各個方面。微波單片集成電路（MMIC）與射頻集成電路（RFIC）的水平在很大程度上決定著各種微波和射頻無線系統(tǒng)的技術水平。

微電子加工技術的進步使得傳統(tǒng)器件做到了更高的工作頻率，同時MMIC和RFIC向著高度集成和多功能化的方向發(fā)展，尤其是深亞微米的CMOS技術在10GHz以下的某些領域己能同傳統(tǒng)的GaAs微器件一爭高下，而且在成本和集成度方面還更具優(yōu)勢，比如WLAN和Bluetooth的射頻部分可以完全由一到兩塊CMOS射頻芯片實現(xiàn)：在高端，GaAs器件還占據(jù)主導地位：工作頻率方面，GaAsMMIC已經(jīng)做到了w波段：集成度方面，Ka波段和V波段已經(jīng)有將LNA、MIXER等集成在同一GaAs襯底上的高度集成的接收前端單片電路。為實現(xiàn)在高端的更大規(guī)模集成，有人改進標準GaAs工藝，建立了三維MMIC工藝。微波射頻系統(tǒng)中越來越多的以單片集成電路來實現(xiàn)多塊組件和模塊的功能，系統(tǒng)芯片（SOC）的概念已經(jīng)擴展到了微波射頻集成電路領域。

高頻模擬電路的分析、綜合和驗證與數(shù)字電路相比要困難得多，而且隨頻率的升高，元器件行為和寄生效應更加復雜。射頻和微波集成電路設計技術的發(fā)展同工藝水平的不斷提高相比相對滯后。微波射頻集成電路的復雜性對設計者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，CAD技術是設計者必不可少的工具。本文討論了MMIC和RFIC設計中的CAD問題，討論了高度集成的MMIC和RFIC的CAD設計中對器件模型的要求和挑戰(zhàn)：對無源元件在射頻微波集成電路中的模型問題作了分析；最后，著重討論了微波射頻集成電路設計對EDA仿真環(huán)境的需求，包括仿真功能及算法、數(shù)值電磁場分析的應用、芯片的系統(tǒng)級仿真等。

2 器件模型和應用

2．1器件模型的種類

器件模型不僅是電路設計者進行電路分析、結構設計和綜合的起點，也是用計算機進行分析的基礎。為了精確進行電路設計，就需要精確的模型來描述器件特性。微波射頻的器件模型從建立方式上分有物理模型、半經(jīng)驗模型、表格模型等；從應用的角度上分有小信號模型和大信號模型。

物理模型是基于半導體器件的物理方程進行理論分析，主要為器件的設計服務，從設計電路的角度來看應用不方便，而且仿真計算非常耗費資源，另外工藝的容差使得器件的實際特性與理論值可能會產(chǎn)生較大的偏差。從測量數(shù)據(jù)中提取模型參數(shù)是射頻微波器件建模最為實用的方法，這種模型屬于半經(jīng)驗模型，其精度取決于測量精度和等效電路的形式及其數(shù)學描述。表格模型的產(chǎn)生是由于工藝水平的提高，器件的溝道越來越小，行為非常復雜，用傳統(tǒng)的模型描述起來困難。表格模型通過將器件的不同工作區(qū)分離，分段描述端口特性來提高模型精度可以獲得很高的精度，且不依賴于工藝，但是這種模型物理意義

性不強，難以定標，現(xiàn)在支持它的仿真器還不多。

2．2微波射頻集成電路設計對器件模型的挑戰(zhàn)

不管是CMOS器件，還是MESFET，PHEMT，HBT器件的建模，都有許多實踐和理論的問題需要解決，而且隨工藝的發(fā)展，仿真設計要求的提高還會遇到許多新問題。設計者要根據(jù)電路性能指標的要求，定性地選擇器件及其工作點，進行結構設計、版圖設計。用CMOS工藝進行射頻電路設計的研究主要是從20世紀90年代開始的，而傳統(tǒng)的BSIM模型主要應用于較低頻率（幾百兆以下）的模擬和數(shù)字電路，應用到GHz及以上頻率則要考慮更多的高頻寄生效應。圖1是將BISM3模型加上部分主要影響高頻效應的等效元件，從而比較好地反映在射頻條件下的阻性損耗和襯底耦合效應。不僅如此，異質(zhì)結雙極型器件應用到微波毫米波電路中，也必須將傳統(tǒng)的雙極器件模型加上更多的寄生。

GaAsMESFET，PHEMT和HBT都是微波集成電路的理想器件，設計者根據(jù)電路性能指標和性價比選擇特定工藝，如功率、低噪聲、開關工藝等。不同工藝有不同的側重點，工藝線提供的模型也不相同，很難以通用的模型表征不同工藝的特性。例如功率電路設計需要進行非線性仿真分析，為了用戶能精確設計必須提供非線性的大信號模型，低噪聲電路中器件工作在小信號狀態(tài)且更關心噪聲性能，因此需要小信號模型和噪聲參數(shù)。為了降低研制成本，縮短研發(fā)周期，進行MMIC和RFIC設計時，要求器件模型既能夠反映非線性電特性又能反映低頻噪聲、熱噪聲、溝道噪聲等噪聲特性。圖2是L波段的GaAsMMIC單片收發(fā)機芯片的結構框圖，整個芯片包括LNA，MIXER，PA，VCO等電路。VCO，MIXER是非線性電路，二者的設計最好用非線性模型，它們同時要分別設計相位噪聲和變頻噪聲特性。LNA雖然是小信號電路，但在通信系統(tǒng)中注重IIP3，ACPR等非線性特性，而這樣的指標只有非線性分析才能給出。從這個角度來看，射頻系統(tǒng)級芯片需要更完備的器件模型以完成復雜的非線性分析和噪聲特性分析。這就為模型研究人員提出三方面的問題：（1）如何充分描述器件的非線性特性，尤其是準確描述高階非線性；（2）模型的完備性，即模型要包含更多設計人員關心的信息，如噪聲特性、非常用工作區(qū)（如擊穿區(qū)）特性、溫度特性等：（3）器件模型參數(shù)的精確提取。器件模型的成熟和實用化還必須有商用的EDA仿真器的支持，EDA軟件解讀模型參數(shù)，進行器件特性的仿真計算：另外EDA-E具還應具有開放性，用戶能夠根據(jù)需求自建模型和對模型進行處理和完善。

3 無源元件模型和應用

無源元件在MMIC和RFIC中也是必不可少的重要部分，大體上可分為集總元件和分布元件。集總元件主要指電阻、電容、電感；分布元件主要指傳輸線，傳輸線作為半導體集成電路的匹配元件通常只有頻率達到X波段才采用。

3．1電阻

在集成電路中電阻主要有擴散電阻、外延層電阻、薄膜電阻；從設計者的角度來看可分為高阻電阻和高精度電阻。高阻電阻在電路主要用于柵極和基極偏置等微電流或小電流的場合，對高頻信號成高阻態(tài)；高精度電阻主要用于電路匹配和自偏壓偏

在GaAs工藝中，高精度電阻主要由NiCr薄膜淀積而成，NiCr同GaAs襯底具有很好的粘附性和很好的溫度特性，阻值一般為幾十歐姆／口，典型的應用范圍為幾歐姆到上千歐姆。薄膜電阻如圖3所示。在高頻下薄膜電阻并非只具有簡單的阻性，也存在高頻的寄生效應，尤其是阻值較大、工作頻率較高時，高頻效應更加顯著。高頻效應主要有頻率色散、電介質(zhì)損耗、趨膚效應等。圖4是典型電阻的高頻等效電路模型，等效電路的參數(shù)可以通過電磁場分析或測量參數(shù)優(yōu)化后得到。

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