無線射頻(RF)技術是現代通訊的核心關鍵，促成了可連結裝置、家庭及產業的多樣無線系統。從高速5G網路、衛星通訊到IoT裝置與車用雷達系統，這些形塑世界的無形網路都由RF系統驅動。對工程師來說，深入了解RF設計及其相關難題，是突破電子領域疆界的重要課題。
RF設計是一門獨特且複雜的領域，不僅要具備理論知識、實務專業，更要有創意的問題解決能力。RF訊號運作於動態類比領域，無法像數位系統般完全預測，即便是微小的調整，都可能會對效能產生顯著影響。
過去50年來，RF設計經歷了重大變革。隨著新一代的RF設計人員進場，我們可看到現代化的設計越來越重視模擬，以達到效能最佳化、寄生效應建構模型，以便最終縮短開發時間。DigiKey即便以業餘無線電起家，現在已發展成協助RF系統工程師，將訊號完整性、電源管理和減少雜訊等因素納入考量，同時因應現實世界的諸多限制，如尺寸、成本及符合法規等。DigiKey將持續支援RF社群，提供優質的硬體元件，包括晶片、天線和射頻連接器。
近期，Qorvo技術行銷工程師Shawn Luke與知名物理學家暨類比工程師Mike Engelhardt進行了一場聚焦RF設計的《Let’s Talk Technical》對談。Mike以其對電路模擬軟體的貢獻(如LTspice與QSPICE)而廣為人知。本篇內容根據此次對談進行整理與改寫。
頻域模擬與SPICE新作法需求
RF工程師傳統上大多依賴頻域或諧波平衡式模擬器(Harmonic Balance Simulator)，主要是因為SPICE工具難以準確地模擬雜散諧波的產生與低階的非線性現象。QSPICE的推出改變了這個情況，可促成精確的時域模擬(Time-Domain Simulation)，因此能對電路的行為提供更完整且真實的檢視。
時域模擬可讓設計人員直接處理物理偏壓點(Bias Point)及完整的電路非線性現象，進而捕捉實際的功率耗散，並避開對頻域分析既有假設。頻率行為仍是RF設計的核心，因此QSPICE在首要原理中就進行處理，即以真實偏壓點將實際電路線性化，藉此讓設計流程更精確且錯誤率更低。
QSPICE大量資料視覺化挑戰
視覺化通常是模擬工具的瓶頸，因為傳統SPICE程式產生的資料量往往超過其可有效繪製的範圍。QSPICE可利用GPU為基礎的先進圖形技術解決此問題，如同電玩使用的高效技術一樣。如此便可渲染大量資料，速度大幅提升，且無需壓縮也完全不會失真。
圖形引擎使用三角形鑲嵌技術(Triangle Tessellation取自電玩的技術)，能以驚人的速度和清晰度進行資料繪製。透過此技術，使用者就可檢視真實且未壓縮的模擬結果並執行精確的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)，如此一來就可方便辨識雜散訊號和諧波。
RF工程師的模擬優勢
模擬的核心價值在於加深理解與洞察。模擬有助於設計人員以實際操作時無法體會的方式，培養直覺、探索行為並進一步改進整體設計。對於RF電路來說，這尤其重要且關鍵。
與基頻設計不同的是，RF電路更容易受到PCB寄生效應的影響，這些非預期反應要素會透過印刷電路板的實體布局導入。在模擬中，設計人員就可有系統地移除這些寄生效應，以隔離並研究核心電路的行為。這種分離寄生效應的能力，有助於更深入了解哪些因素對效能具實質影響。
在實驗平台上，這種分析幾乎是無法達成的。工程師無法「移除」實體PCB的寄生效應，也無法輕易重新布線或修改積層板中嵌入的元件。模擬可提供一個單純又靈活的環境，以便進行測試、反覆運算及學習。
GHz高頻模擬挑戰
最明顯的挑戰在於準確辨識寄生效應，即因實體布局而產生的非預期電感性、電容性或電阻性參數。在高頻率下，即使是微小的寄生效應也會大幅影響電路行為。基本的電線或走線電感計算公式仍有一定效果，但真正的挑戰會在集總元件模型(Lumped-Element Model)失效時出現。QSPICE內建螺線管、帶狀線及直線電線的模型因頻率分散，元件的行為會隨著頻率改變。像是介電材料與磁性材料就會在原子層級上展現頻率依賴特性，因此幾乎不可能建立一個寬頻集總模型。在這種情況下，設計人員必須改變設計策略，從試圖消除寄生效應轉為進行容錯設計，並將無法避免的影響納入考量。
QSPICE使用者體驗改善
大多數電腦輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)工具在使用者介面的現代化設計方面仍有待改進。QSPICE的突破在於專注於提供符合人體工學的直覺操作介面。例如，QSPICE取消了會打斷工作流程的模態對話框，而是採用內嵌式的文字編輯功能，以便使用者在視覺和操作上都與線路圖保持一致。此外，QSPICE以情境感知的右鍵功能表(Context-Sensitive Menu)取代傳統的工具列導航，因此可降低操作負擔，保持專注。這種設計理念優先考量流程與效率，可讓工程師專注於設計過程，減少不必要的操作中斷。
QSPICE混合訊號設計帶來改變
QSPICE提供優異的混合訊號模擬效能，能讓所有設計人員享受進階功能。提供可將C++和Verilog直接編譯成可執行物件程式碼的原生支援，以便在模擬過程中執行。如此一來，就可讓數位邏輯比實體硬體更快進行評估，但以時脈低於5GHz的處理器模擬高頻訊號(如5GHz)時除外。
流程很簡單：將一個方塊拖放到線路圖上，輸入程式碼並執行。QSPICE開箱即含有所有必要的編譯器，因此能讓體驗更順暢，並讓設計人員快速且有效率地模擬複雜的類比數位互動。
對於要因應GHz級挑戰的RF工程師，以及需要整合邏輯模擬的混合訊號設計人員來說，QSPICE是電路模擬技術的一大進步。
本文作者Shawn Luke為DigiKey技術行銷工程師
