"射频电路电子设计自动化的关键技术研发与应用"助力射频领域自主发展

　　（通讯员/张凌峰、江倩倩）射频电路是广泛应用于无线通信中的集成电路，上至卫星通信，下至手机、WiFi、共享单车，处处都有射频电路的身影。我国射频电路行业起步比较晚，与国外存在较大的差距，想要弥补差距，需要在设计、制造、测试和应用多方面共同发力。设计是射频产业链的源头，射频电子设计自动化（EDA）软件是射频电路设计的使能端，也是射频产业的重要基石。没有射频EDA软件就无法完成设计，那么射频行业的发展也就无从谈起。

　　但是射频EDA具有技术门槛高、难度大、成果积累时间长、用户惯性大、见效周期慢的特点。射频EDA领域中国外企业起步较早，目前占据着我国市场的90%以上的份额。目前仅芯和半导体科技（上海）有限公司一家国产成套射频EDA软件供应商。国内市场长期被国外垄断，限制了我国射频行业的自主发展。发展自主可控的射频EDA技术是我国射频产业发展的必由之路。

　　针对我国对自主可控的射频电路EDA软件的迫切需求，上海交通大学电子信息与电气工程学院的毛军发院士和吴林晟教授研究团队，与芯和半导体科技（上海）有限公司开展合作，在国家973项目、国家自然科学基金、国家重大专项、上海市科委科研计划项目等的支持下，提出了高效的电磁和多物理仿真建模算法，自主研发仿真软件，实现器件多物理、多功能自动化协同设计，并基于上述成果联合建立了集成无源器件知识产权（IP）库、研制了多款产品，已经在移动通信、卫星通讯和集成电路等多个领域取得推广应用，为我国在射频EDA软件领域打破国际封锁做出了重要贡献。

　　射频电路仿真建模：自主研发EDA软件，打破国际垄断

　　目前国际主流射频EDA软件主要有Cadence、ADS等，这些国外软件了垄断了市场的绝大部分。与此同时，他们仍然存在着在分析射频电路时消耗资源大、效率低、建模难度大等问题，这些问题亟需解决。

　　考虑到当前EDA软件的不足，上海交通大学团队提出了基于广义传输矩阵的精确高效电磁场分析算法和电磁-热-应力耦合多物理场仿真算法，联合研制出首套国产射频电路芯片-三维封装联合电磁场仿真建模商用软件。该软件可以解决芯片级封装的跨尺度仿真问题，可以高效精确地实现跨越从纳米到厘米7个数量级的电磁仿真，仿真效率比现有仿真工具提高10倍以上。

　　上海交通大学团队还提出了多种高效准确的电磁-热-应力耦合多物理场仿真算法，自主研发出多物理场仿真软件，突破了射频封装结构多物理场的精确高效仿真技术瓶颈。该软件的仿真效率比目前的主流商用软件提高了几十倍，占用内存明显减小。

　　多家行业龙头企业将上述两种软件应用到产品研发中，大幅缩短研制周期，降低研发成本，设计得到的产品综合性能和可靠性得到显著的改善。

　　射频电路设计优化：自动协同优化，一举多得

　　功耗低、尺寸小、散热快是射频电路希望达到的目标，但是减小尺寸很容易导致高功率电路出现过热的问题。所以，在设计时必须多方面兼顾。毛军发院士与吴林晟教授团队兼顾射频电路中电磁和热特性，提出了元件级电热协同混合设计方法，分析时间与商用软件相比提升20倍以上，该技术用于优化高功率芯片在无源电路和封装表面的贴装位置，可使电路最大温升降低30%，有效解决了电路的散热问题。

　　射频电路中有大量不同功能的无源元件和天线结构，为了实现电路尺寸的减小而单纯缩小特定元件尺寸通常会引起性能变差，毛军发院士与吴林晟教授团队实现了将6个传统元件融合为1个元件的突破，显著简化了射频系统架构，大幅降低整个系统的尺寸和损耗。

　　团队进而自主研发了一整套软件，覆盖了射频滤波器等无源电路的整个设计流程，可以用于自动优化设计，兼顾多种设计需求，也解决了高频参数敏感性带来的设计调试难题。团队使用这套软件研制了系列化的多功能无源元件和毫米波滤波天线阵列，2017年获华为优秀合作贡献奖。

　　射频电路的可重用可靠性设计：从理论到实践，让研发更高效

　　先进半导体集成工艺技术的快速演进，对可重用和可靠性设计均提出很高要求。基于上述自主研发的射频EDA算法和软件，毛军发院士、吴林晟教授团队与联合单位共同建立了集成无源器件IP库，并在研发过程中解决了IP可重用性问题，与中芯国际工艺完全兼容。

　　通过使用上述自主研发的射频EDA软件，可以精确预测器件、电路、芯片的电磁场和多物理场耦合特性，揭示模块中各个部分的物理特性变化规律，从而进行对芯片与封装一体化的电磁仿真、电热协同分析和设计。毛军发院士、吴林晟教授团队与应用单位联合研制出可用于无线通信等诸多领域的三维集成毫米波收发模块等多款射频模组产品，设计的准确性大幅提升，减少了反复优化设计与试制的迭代时间，设计和研发效率得到了大幅提高，使产品可以更快上市，也降低了研发成本，实现了组件性能、功耗和成本的最优化。这些产品已大批量应用于多个射频与无线系统中。

　　产学研结合，助力射频行业走出技术封锁

　　十多年来，上海交通大学毛军发院士、吴林晟教授团队与芯和半导体科技（上海）有限公司一直保持密切合作，瞄准当前紧迫的技术需求和国际形势，面向国产射频EDA工具缺失短板，集中力量联合攻关。上海交大负责基础理论与算法研究、核心引擎与样品研制，芯和半导体负责软件开发与芯片设计以及产品推广应用，真正做到产学研一体化，促进我国射频EDA领域的快速成长。项目团队在射频电路仿真建模、设计优化和可重用可靠性设计3个方面取得的科技创新成果，成功培育出国内唯一成套射频EDA软件供应商芯和半导体，联合研制出的首套国产射频EDA软件，在百余家单位应用；基本实现我国射频EDA软件的自主可控，促进射频行业发展；培养了一支高层次人才队伍，包括中科院院士1名、国家优青2名；走出了一条射频EDA国产化的产学研创新突围之路。

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