射頻，通常指包括高頻、甚高頻和超高頻，其頻率在3 MHz-10 000 MHz ，是無線通信領域最為活躍的頻段。在最近十幾年里，無線通信技術得到了飛躍式的發(fā)展，射頻器件快速的代替了使用分立半導體器件的混合電路，這些技術都是對設計者的挑戰(zhàn)。

RFIC（射頻集成電路）是90年代中期以來隨著IC工藝改進而出現(xiàn)的一種新型器件。RFIC的技術基礎主要包括：1）工作頻率更高、尺寸更小的新器件研究；2）專用高頻、高速電路設計技術；3）專用測試技術；4）高頻封裝技術。本文將從IC技術的角度對該領域近期出現(xiàn)的一些新動向進行簡要的綜述和分析。

CMOS出現(xiàn)之初速度較慢，RF電路多采用雙極型器件。然而隨著半導體工藝以摩爾定律飛速進步，MOS管的溝道長度大大縮小，其工作速度大為提高，功耗也大大下降，成為RFIC的一種經濟性很好的平臺。例如，Intel今年發(fā)布了CMOS Wi-Fi RFIC。 目前隨著各芯片制造跨入90nm時代，CMOS電路已經可以工作在40GHz以上，甚至達到100GHz。這一進步可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)率在100Mbit/s到1Gbit/s的無線通信芯片，服務于寬帶無線通信系統(tǒng)和高數(shù)據(jù)率交換裝置，如無線高速USB2.0接口。

目前，Tiebout等人已報道了集成有LNA和混頻器、PLL的RFIC樣品，針對17.1GHz到17.3GHz的ISM頻段應用；Tiebout還報道了注入閉鎖分頻器樣品，其工作頻率已經高達40GHz。CMOS技術的進步為低成本RFIC向高頻段發(fā)展提供了可能，可以大大降低微波波段的RF裝置的成本，因此該技術對傳統(tǒng)上微波頻段占據(jù)統(tǒng)治地位的GaAs技術構成了挑戰(zhàn)。

化合物半導體方面，GaAs是目前的技術主流，但進入21世紀以來，Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體，如GaN、AIN、InN等，受到了人們的關注。這些材料的電子飽和速度很高，工作頻率可以到亞毫米波和準光波、光波頻段，可望用于需要大功率、高速、高溫工作的應用。另外，SiC也是一種耐高溫和可承受大功率的半導體材料。目前，這些化會物半導體材料在單晶襯底制備、加工工藝等方面存在一定的困難，一般以單個器件為主，相應的IC在成本上與硅基CMOS工藝相比沒有優(yōu)勢。預計在今年和明年初，相應的加工技術將獲得大的突破，屆時將進入大規(guī)模產業(yè)化階段。SiGe材料是近年來廣受重視的材料，它的出現(xiàn)使得人們可以將在化合物半導體異質結器件中廣泛運用的能帶工程理論運用于硅基器件。在硅雙極晶體管和MOS工藝基礎上通過將常規(guī)Si基區(qū)用GeSi合金應變層替代等辦法可以制成SiGe HBT（異質結晶體管）和應變溝道PMOSFET等，其工藝成本低，且與現(xiàn)有工藝兼容性好。SiGeHBT主要得益于SiGe/Si異質結價帶邊的失配，器件的電流增益與SiGe/Si價帶邊差呈現(xiàn)指數(shù)關系，這樣基區(qū)可以有很高的摻雜濃度，器件的噪聲系數(shù)相應得以降低。此外，也由于帶邊效應，電流增益具有負溫度系數(shù)，對電流增益有自抑制作用，器件工作相對穩(wěn)定，具有優(yōu)良的熱性能和功率性能。目前，SiGe HBT的fT超過200GHz，2GHz下噪聲系數(shù)小于0.5dB，不但可用于移動通信，并完全可滿足局域網和光纖通信的要求。SiGe技術已經實現(xiàn)了幾乎所有的無線通信單一功能電路，其最佳的應用領域是無線通信手機（特別是3G手機）的射頻前端芯片及功率放大器模塊，其它應用領域包括無線接入、衛(wèi)星通信、GPS定位導航、有線通信（千兆以太網、SONET/SDH等）、汽車雷達、智能電子收費系統(tǒng)乃至軍事通信。SiGe的崛起將大大改變傳統(tǒng)的Si、GaAs的市場分劃。預計2005年SiGe RFIC將達19億美元。另外，利用InP材料也可以制成HBT。IBM公司是SiGe技術的主要開拓者，它為Alcatel、Intersil、Nortel等許多公司提供SiGe芯片制造服務，還與Siemens、RF MicroDevices等公司聯(lián)合開發(fā)SiGe芯片。其主流工藝技術是在8英寸晶圓片上工業(yè)化的SiGeBiCMOS 5HP工藝。其它擁有SiGe HBT技術的公司有Freescale、Maxim、Lucent、ST、Infineon、Philips等。

集成度的變革―RF SoC

SoC（系統(tǒng)芯片）是近幾年國際半導體業(yè)發(fā)展的熱點，也是未來半導體業(yè)發(fā)展方向。 隨著IC工藝達到并跨越90nm節(jié)點，芯片上單個MOS器件的工作頻率已經可以上升到微波、毫米波頻段，因此，可以將RF前端與數(shù)字基帶部分集成起來制成RF SoC。這一新概念產品將大大減少整個通信系統(tǒng)中的器件數(shù)量，從而降低產品成本，減小其體積并提高功能度，同時提高可靠性。這一技術的推廣有望引起產業(yè)鏈的變革。目前Agilent、IBM、STMicroelectronic、Frees cale等公司都在研發(fā)RF SoC產品，有望于明年投放市場。RF SoC的工藝平臺可以是CMOS、SiGe等。目前在試驗室中已經可以用CMOS技術實現(xiàn)毫米波電路。如果進一步采用SOI（Sion-Insulator，絕緣體硅）、SoN（Sion-Nothing，懸空硅）等新型襯底技術，則由于這些襯底中帶有高電阻的埋氧層，可保證射頻損耗小和器件的高速工作，而且射頻部分與基帶部分的串擾小，另外，設計者可以將nMOSFET與SiGe HBT通過BiCMOS工藝平臺結合起來，利用兩種的高速性能，實現(xiàn)低壓、低功率的30-80GHz范圍內的毫米波芯片。目前該技術已經推出了樣品。RF SoC在商業(yè)上的成功與普通SoC一樣，取決于是否能保證很短的轉向時間、很低的成本和很好的IP或設計庫復用。

新設計技術

與其他IC一樣，RFIC設計在商業(yè)上的成敗在于其設計周期和上市時間。因此，研發(fā)者選用的設計與驗證工具，應該保證設計的優(yōu)化和可測性、可靠性，并減少甚至消除流片驗證的必要。設計軟件必須包括Top-Down（自頂向下）的各層次的設計與驗證模塊，而且能讓設計者在各個流程和模塊之間自由交換設計數(shù)據(jù)和仿真結果，協(xié)調設計數(shù)據(jù)的同步更新，直到最后簽發(fā)設計文件為止；設計軟件還應該與測試系統(tǒng)接口，以便利用測試數(shù)據(jù)來修正原有的設計。

目前有代表性的設計軟件包括：Agilent的ADS，Applied Wave Research公司的Microwave Office和Analog Office等軟件工具。它們一般具有友好的設計界面，靈活、開放的架構，具有從綜合到版圖設計等不同層次的設計模塊，支持第3方設計、測試軟件，帶有使用方便的物理設計工具和模型提取工具。

其中Ansoft公司推出了具有數(shù)據(jù)輸入和可視化功能以及時間、頻率、混合模式仿真的Ansoft Designer。在系統(tǒng)級仿真時，除了其射頻與DSP元件庫以外，Ansoft Designer支持編譯型和解釋型C和C＋＋用戶自定義模型的聯(lián)合仿真，以及Mathworks公司的Matlab聯(lián)合仿真。電路仿真求解包括為獲得非線性噪聲、瞬態(tài)、數(shù)字調制、非線性穩(wěn)定性以及負載與信源拉升而進行的分析。它還具有適用于濾波器和傳輸線的設計綜合功能。該產品包括一個布局與制造模塊以及一個3D平面電磁仿真引擎。

不過，RFIC在本質上是模擬的，其設計往往必需充分利用有源/無源器件的性能，目前仍受到器件模型不準確、噪聲和非線性等問題的困擾，目前這些軟件要能像數(shù)字電路仿真軟件那樣具有極高的仿真效率，還有較長的一段路要走。

隨著RF SoC概念日益走向應用，設計者也將越來越多地面對RF、模擬和數(shù)字混合信號電路的設計問題。在頻率域中對數(shù)字電路塊的仿真是毫無意義的，模擬部分的設計也不同于射頻部分，因此各種設計方法之間常常會不匹配。設計師幾乎總是在時間域中進行數(shù)字設計，而在頻率域中進行射頻設計（為了提高仿真速度）。把兩種類型的設計集成在同一塊芯片上，可能意味著整個芯片的仿真時間會拉長到不現(xiàn)實的地步。在模擬電路設計中，現(xiàn)在人們已經努力實現(xiàn)了某種程度的Top-Down綜合能力和IP的復用，但在射頻部分的設計中，人們仍然以分析為主，而且這種分析必須包括有源和無源器件，要實現(xiàn)RF設計的綜合似乎還遙遙無期。設計者們需要一種能同時處理高速數(shù)字電路、模擬電路和RF電路的工具。

RF SoC是一個小系統(tǒng)，人們必須從系統(tǒng)的觀點來觀察和分析，因此在設計時，必須考慮到數(shù)字、模擬和RF電路集成到單塊襯底上帶來的問題，包括：集成天線和無源器件的仿真和參數(shù)提取，VCO的牽引問題，襯底的建模和信號通過襯底的耦合，快速的系統(tǒng)級仿真等。上述關于RF SoC的問題將是下一步RF IC電路設計的重點和難點。

隨著計算機計算能力的飛速發(fā)展，電磁仿真的速度、可以處理的問題的規(guī)模以及計算精度也不斷得到提高。因此未來基于CEM（計算電磁學）的仿真方法也將日益滲透到RF IC的設計中，各種全波仿真方法（如矩量法和有限元方法）從物理上保證電路實體結構（特別是連接器、平面?zhèn)鬏斁€、不連續(xù)點和無源元件）的電磁特性的獲得。它們的運用將是RF IC精度提高的根本保證，各CAD工具廠商已經在努力將基于CEM的方法融入RFIC仿真中。用戶還可以使用Agilent Momentum（一種基于矩量法的2.5D仿真技術），生成片上無源元件和互連線路的基于電磁場的精確模型。你可以直接在Cadence電路原理圖中仿真這些基于電磁波的模型，而不必進行通常的轉換來近似集總元件模型，從而使無線和高速有線設備獲得更高的精確度。Momentum電磁建模和驗證功能也是現(xiàn)有阻容提取工具的一種協(xié)作工具。它有助于關鍵的設計網絡獲得所需的建模精確度，而這些網絡出現(xiàn)的故障可能會損害整個流程的運行。明年或者后年將很有可能出現(xiàn)能對各種RF模塊中任意功能單元的無源部分進行仿真的CAD軟件。