与 Qorvo 技术对话：推动射频电路仿真

射频 (RF) 技术是现代通信的核心，它驱动着连接我们各类设备、智能家居与工业领域的无线系统。从高速 5G 网络和卫星通信到物联网设备和汽车雷达系统，射频系统一直为我们的世界塑造无形网络提供着动力。对于工程师来说，了解射频设计及其挑战是突破电子技术可能性边界的关键所在。 

射频设计是一个独特而复杂的领域，需要同时具备理论知识、实践专长和创造性解决问题的能力。与信号是二进制且可预测的数字系统不同，射频在动态模拟域中运行，即使是微小的调整也会对性能产生重大影响。 

在过去 50 年中，射频设计发生了重大变化。随着新一代射频设计人员的到来，我们注意到现代设计正更加侧重于通过仿真来优化性能、建模寄生效应，并最终缩短开发周期。在 DigiKey，我们发端于业余无线电，现在已发展成为帮助射频系统工程师处理信号完整性、电源管理和降噪等因素的核心服务商，同时帮助他们应对现实世界中的各种限制，如尺寸、成本和合规性。DigiKey 通过供应包括芯片、天线和射频连接器在内的各种优质硬件元件，持续为射频社区提供支持。 

最近，我与著名物理学家兼 Qorvo 模拟工程师 Mike Engelhardt 就射频设计的仿真技术进行了一次“技术交流”。Mike 因其对 LTspice 和 QSPICE 等电路仿真软件的贡献而闻名。下面的访谈改编自我们的对话，内容涵盖 Qorvo 的 QSPICE 开发及其是如何改变射频工程师和混合信号设计人员仿真的。 

问：与 SPICE 相比，射频工程师传统上更喜欢使用频域仿真器。是什么促使我们需要一种新方法？

答：传统上，射频工程师非常倚重频域或谐波平衡仿真器，这主要是因为 SPICE 工具难以准确仿真杂散谐波的产生和低级非线性。QSPICE 能够进行精确的时域仿真，提供更全面、更逼真的电路行为视图，从而改变了游戏规则。 

时域仿真允许设计人员直接使用物理偏置点和全电路非线性，捕捉实际功率耗散，避免频域分析中固有的假设。虽然频率行为仍然是射频设计的核心，但 QSPICE 从第一原理出发，在真实偏置点对实际电路进行线性化处理，从而使设计流程更加精确，且更不容易出错。 

问：QSPICE 如何应对大量仿真数据可视化的挑战？

答：可视化通常是仿真工具的一个瓶颈，因为传统 SPICE 程序生成的数据多于可有效绘制的数据。QSPICE 利用基于 GPU 的图形技术（与视频游戏中使用的技术相同）解决了这一问题。这能够让它在不压缩或不损失保真度的情况下，将海量数据的渲染速度提高到老工具的 10 万倍。 

图形引擎采用三角形细分技术（一种从游戏中借鉴的技术），以惊人的速度和清晰度绘制数据。利用这项技术，用户可以查看真实的、未压缩的仿真结果，并执行精确的 FFT，轻松识别杂散信号和谐波。 

问：这对从事现代设计的射频工程师有什么具体好处？

答： 仿真的核心价值在于加深理解。仿真可以帮助设计人员建立直觉、探索行为并完善设计，而这在物理工作台上往往是不可能实现的。对于射频电路来说，这一点尤为重要。 

与基带设计不同，射频电路容易受到印刷电路板寄生效应的影响，这些寄生效应是印刷电路板物理布局引入的非预期电抗元件。在仿真中，设计人员可以关闭这些寄生，以隔离并研究核心电路行为。这种解耦寄生效应的能力能够让我们更清楚地了解哪些元件会真正影响性能。 

在工作台上，这种分析几乎是不可能的。您无法“关闭物理印刷电路板中的寄生”，也无法轻松重新布线或修改嵌入多层电路板中的组件。仿真为测试、迭代和学习提供了一个简洁、灵活的环境。 

问：随着技术向千兆赫范围推进，仿真高频现象的最大挑战是什么？

答：最大的挑战是准确识别寄生，即物理布局中出现的非预期电感、电容或电阻元件。在高频率下，即使是很小的寄生效应也会对电路行为产生巨大影响。虽然导线或走线电感的基本公式能解决多数问题，但真正的困难出现在集总元件模型失效时。QSPICE 提供了螺线管、带状线和直导线的内置模型以应对此类情况。 

由于存在色散效应，组件特性会随着频率的变化而变化。介电材料和磁性材料在原子层面表现出频率相关的属性，这使得创建宽带集总模型变得几乎不可能。在这种情况下，设计人员必须转变思路，从试图彻底消除寄生现象，转向进行防御性设计，充分考虑其不可避免的影响。 

问：QSPICE 在改善射频设计人员的用户体验方面做了哪些改进？

答：大多数电子 CAD 工具在现代用户界面设计方面都比较落后。QSPICE 突破性地将重点放在符合人体工程学的直观交互上。例如，它采用就地文本编辑来替代会中断工作流程的模态弹出对话框，使用户在视觉和思维上都能始终专注于电路原理图。此外，QSPICE 利用上下文相关的右键菜单取代了传统的工具栏导航，这既减少了鼠标移动，也帮助用户保持专注。这种设计理念将工作流的顺畅度和效率置于优先位置，助力工程师沉浸于设计过程，避免不必要的干扰。 

问：QSPICE 针对混合信号设计人员做了哪些改变？

答：QSPICE 具有卓越的混合模式仿真性能，可为所有设计人员提供高级功能。它可将 C++ 和 Verilog 直接编译成可执行目标代码，并在仿真期间运行。这使得数字逻辑的评估速度比真实硬件更快，但在运行频率低于 5 GHz 的处理器上仿真高频信号（如 5 GHz）时除外。 

过程很简单：在原理图上拖出一个方框，输入代码并运行即可。QSPICE 包括了所有必要编译器，开箱即用，简化了体验，能够让设计人员轻松快速地仿真复杂的模拟数字交互。 

结语

对于需要应对 GHz 级挑战的射频工程师和需要集成逻辑仿真的混合信号设计人员来说，QSPICE 代表着电路仿真技术的一大进步。