法动杯赛题分析

赛题任务

基于法动科技EDA工具（EMOptimizer®、UltraEM®、FDSPICE®），设计一款Sub-6GHz 5G宽带射频芯片模组

 http://univ.ciciec.com/nd.jsp?id=875#_jcp=1 （赛题链接）

题目解读

关键词： Sub-6GHz 5G 射频芯片模组 AI优化 电磁仿真 IPD工艺

1、Sub-6GHz 5G宽带射频芯片模组是什么？

Sub - 6GHz 5G 宽带射频芯片是一种用于 5G 通信系统的关键芯片，主要用于高速通信。而“Sub - 6GHz” 是指其工作频段在 6 GHz以下的频率范围。该芯片可以用于发射或接收信号，而其发射和接收过程需要进行复杂地信号调制，功率放大等步骤，这便是设计该芯片的难点。

2、射频芯片模组的核心需求是什么？

  • 宽带性能：需在3.3-6GHz频段内实现低插损（<1.2dB）、高带外抑制（7-10GHz>20dB）。
  • 多模块协同：滤波器、耦合器、匹配网络需协同设计，避免相互干扰。
  • 工艺限制：采用IPD（集成无源器件）工艺，需在有限面积内实现高性能。

3、AI工具（EMOptimizer®）的作用是什么？

  • 快速优化：通过机器学习算法自动优化电路参数（如滤波器阶数、耦合器尺寸），缩短设计周期。
  • 多目标权衡：在插损、面积、相位平衡等矛盾指标中找到最优解。

4、为什么完成设计后需要进行电磁仿真？

  • 验证设计准确性：UltraEM®用于芯片级三维全波仿真，确保后仿结果与理论一致。
  • 进阶任务支撑：SuperEM®可模拟天线馈电与辐射特性，实现右旋圆极化。

设计指标（基础）

1. 宽带滤波器

  • 频段：3.3-6GHz
  • 插损：<1.2dB
  • 带外抑制：7-10GHz>20dB，1-2GHz>23dB
  • 回损：>15dB

2. Hybrid 90°耦合器

  • 插损：<1.5dB
  • 隔离度：>20dB
  • 相位不平衡：85°~95°
  • 幅度不平衡：<1dB

3. 匹配网络

  • S12：>-0.3dB
  • S11：<-15dB

设计指标（进阶）

  1. 面积最小化：优化版图布局，减少IPD工艺的芯片面积。
  2. 整体电磁仿真：将滤波器、耦合器、匹配网络整合后进行全频段仿真，验证系统级性能。
  3. 圆极化天线馈电：
    • 使用SuperEM®设计贴片天线馈电结构。
    • 仿真验证轴比（Axial Ratio<3dB）和右旋圆极化特性。

设计流程与工具链

1. 工具链说明

工具名称用途学习资源
EMOptimizer®AI驱动的电路参数优化法动科技官方教程
UltraEM®芯片级三维电磁仿真用户手册第3章
FDSPICE®系统级电路仿真与协同优化在线研讨会视频
SuperEM®高速PCB/天线电磁仿真案例库

2. 分步设计流程

步骤1：滤波器设计

  • 拓扑选择：采用阶梯阻抗谐振器（SIR）或交指型结构，平衡带宽与尺寸。
  • AI优化：输入目标频段和插损，EMOptimizer®自动生成参数组合。
  • 仿真验证：UltraEM®验证带外抑制，调整谐振单元间距优化抑制特性。

步骤2：耦合器设计

  • 结构设计：使用分支线耦合器或Lange耦合器，确保90°相位差。
  • 幅度平衡：通过微调线宽和耦合长度减少幅度不平衡。
  • 联合仿真：在FDSPICE®中与滤波器联调，优化整体匹配。

步骤3：匹配网络设计

  • 拓扑生成：EMOptimizer®自动生成LC或传输线匹配网络。
  • 寄生效应抑制：在UltraEM®中提取版图寄生参数，迭代优化S参数。

步骤4：版图整合与验证

  • 面积优化：采用蛇形走线或3D堆叠减少布局面积。
  • 全系统仿真：在UltraEM®中导入完整版图，检查端口隔离度和插损一致性。

步骤5：进阶任务实现

  • 天线设计：在SuperEM®中设计微带贴片天线，调整馈电点位置实现右旋圆极化。
  • 联合馈电仿真：将耦合器输出端口连接天线，仿真轴比和辐射方向图。

评分标准与策略

1. 初赛

完成基本设计要求，提供完整的设计报告即可通过初赛

  • 性能指标（60分）：优先满足插损、带外抑制等硬性指标，确保仿真报告完整。
  • 版图质量（15分）：布局需清晰标注关键模块，AI与电磁仿真结果需一致。

2.分区决赛

关于电磁仿真：初赛和分区赛要求各个无源器件独立做AI及电磁仿真即可

  • 优化指标（20分）：通过创新结构（如混合耦合器）或算法（如遗传算法优化）争取加分。
  • 附加题（20分）：右旋圆极化仿真需提供轴比图和3D辐射方向图。

3. 全国总决赛

关于电磁仿真：总决赛要求电路中的无源器件做整体的AI及电磁仿真

  • 同分区决赛

Tips

  • PPT要点：突出AI优化效率、电磁仿真精度、创新设计点。
  • 仿真报告：包含多频点S参数曲线、版图寄生参数提取过程。

学习资源推荐

1. 基础理论

  • 书籍：
    • 《射频微电子学》（Razavi）：射频电路设计基础。
    • 《微波工程》（David M. Pozar）：深入理解传输线、滤波器设计。
  • 论文：
    • 在IEEE TMTT等期刊上搜索相关设计的论文，重点关注宽带滤波器设计。

2. 工具实操

  • EMOptimizer®：完成官方提供的“5G滤波器AI优化”示例项目。
  • UltraEM®：学习如何导入GDSII版图并设置端口激励。

3. 进阶实战

  • 开源项目：
    • GitHub搜索“5G RF Frontend Design”，参考开源IPD设计案例。
  • 在线课程：
    • Coursera“RF and Millimeter-Wave Circuit Design”（侧重实际应用）。