基于EM的设计流程及RF软件设计分析

今年在夏威夷檀香山举行的IEEE微波理论与技术研讨会（MTT-S）与国际微波研讨会（IMS）上到处是最新的射频元器件、材料以及创新的产品。此外，测试和测量的提升尤其引人注目。然而，展区也反映了一个增长的趋势：在微波业界软件工具日益重要。其一向被认为只有大规模设计才会使用这些工具。在过去十几年里，这些软件工具不断提升的承受能力已经与其能力相结合，共同缓解在各个设计阶段的瓶颈。所以，软件设计工具目前为大部分射频工程师所使用。软件市场已随着这一成功而蓬勃发展，为设计师提供了可供广泛选择的软件产品以及软件公司。

在高频和高速器件的三维（3D）电磁仿真领域，Ansoft公司首次披露HFSS v11 （图1）。该版本保证用户可以实现结构的无限仿真，而这先前由于规模太大而无法求解。基本上，HFSS v11将新的更高阶、层次化基本功能与迭代求解相结合。这一求解采用了更小的网格提供了高精度域，因而其对大型、多波长结构产生了更高效的解。此外，容错、高质量、有限元网格算法允许HFSS对非常复杂的模型进行仿真，其比先前的版本快2至5倍，但只用了一半的内存。软件中的其它新特点如下：增强的端口求解、Floquet端口、扩大优选的遗传算法、终端的自动分配功能以及离散和插值频率扫描的自动分布求解。该版本还提供了参数扫描、敏感度以及统计分析的分布求解。对基于EM的设计流程，Ansoft将HFSS动态连接到Ansoft的组合频域和时域电路仿真器Nexxim，以及该公司的集成电路图与设计管理前端Ansoft Designer。

另一个流行的EM仿真器保证在通用形状的3D和多层结构上求解电流分布。称为IE3D的基于全波、矩量法（MoM）的仿真器属于Zeland软件 （Fremont，加利福尼亚州）公司。在三月中旬，公布了IE3D 12.12。该版本提出并实现了共轭匹配因子（CMF）。只要提供了芯片阻抗和基本配置，CMF允许设计师来判断RFID天线的品质。此外，用于实时、全波EM设计的FastEM设计包允许工程师确定平面和3D结构的参数。其可以实现对结构的高精度、高效IE3D仿真，并从仿真结果中提取FastEM信号。该信号允许用户实现实时EM调谐、优化和合成。

Zeland的IE3D版还包括了分布网络EM仿真，并对IE3D、 ZDS和ZDM 12.1进行了优化。最新实现的ZDS和ZDM保证通过一个为10的因子来帮助分布式与多许可授权IE3D用户提高仿真效率。此外，IE3D版12.12 极大提高了IE3D引擎的速度，甚至无需多CPU的支持。具有布尔运算基于方程的、电路图—版图编辑器允许工程师用参数对象以电路图方式创建复杂的版图。因为所有对象的尺寸都是基于方程的，用户可以在库的有限对象类型覆盖之外建立结构。IE3D 12仿真自动产生频率依赖的、集总元件、等效电路模型。

像IE3D 一样，Sonnet软件公司的Sonnet套件可以在单片微波集成电路（MMIC）、射频集成电路（RF IC）、平面天线及更多设计中使用。然而，Sonnet套件开发用于平面电路和天线的高精度RF模型（S、Y、Z参数或提取SPICE模型）。该软件需要电路的物理描述，其中包含了任意版图以及金属和介质的材料特性。但是，其采用了基于麦斯韦尔方程的矩量法（MoM）EM分析，包括了所有寄生、交叉耦合、封装以及封装谐振效应。

Sonnet套件的11版在三月份公布，共同校准内部端口在电路版图内部引入了理想地校准连接。因此，模型可以连接在用户首选的频域和时域仿真器上。为了去除组内端口间的交叉耦合，共同校准端口被组合在校准组（Calibration Group）中，并且进行去埋（de-embedded）。此外，11版采用的组件包括了EM仿真中的电气或电路理论模型。该组件可以校准有关连接器件端子宽度的连接。所以，表面贴装焊盘与该组件端子宽度之间的间断在Sonnet中进行了精确表征。其还被包括在EM分析中。

称为em的Sonnet EM分析引擎目前已经提高为64-b Windows和Linux平台。所以，问题规模仅仅受到用户计算机中随机存储器（RAM）大小的限制。此外，Sonnet 套件11版提供了重新设计和重新写入安捷伦ADS的接口，被称为ebridge。其还简化了Sonnet著名的集群运算功能，该功能允许设计师采用多台计算机来求解大型EM分析。分析频率在CPU之间划分，这转为节省了非常可观的时间。这一集群计算能力可以在无需第三方软件的现有计算机网络上加以实现。

四个单独的3D EM仿真工具组成了计算机仿真科技GmbH公司的CST Studio套件：CST Microwave Studio用于高频应用，CST EM Studio用于低频和静态应用，CST Particle Studio用于带电粒子动态应用，而CST Design Studio用于综合与电路仿真。这些程序全部可以通过CST设计环境进行访问。最新版的CST Studio Suite 2008有望在今年第四季度上市。在这一版本中进行的改进是两个最新的接口，其简化了设计工作流程，特别是针对工程师所涉及到的信号完整性问题。与 Mentor Graphics的固有接口Expedition采用了COM/COM来交换整体版图、面积或线网的数据。第二，这是一个ODB++接口，可以从各种工具 （例如Mentor Graphics的Board Station和Zuken的CR5000）来访问版图。此外，CST Microwave Studio的用户将可以利用Sigrity的电流分布作为场源并输出HSPICE模型。

在性能方面，这一新版本承诺改善瞬态和频域的并行求解。另外，正在与英特尔进行的代码优化项目保证了最新的和即将上市的处理器世代发挥充分的优势。专用硬件加速板可以用于瞬态求解。对四面体网格上的直接频域求解而言，都已经提高了内存使用与速度。CST Design Studio 2008还允许从CWT MWS中直接使用电路图模块来建立版图（图2）。对信号完整性设计师而言，IBIS和Berkeley Spice模型可以包含在CST DS仿真中。另外，CST Particle Studio 2008中的网格质点（PIC）求解法可以在外部和空间电场情况下提供完全一致的带电粒子动态仿真。

Applied Wave Research公司的（El Segundo，加利福尼亚州）Microwave Office设计套件和系统仿真软件、Visual System Simulator（VSS）的2007版在五月下旬发布。Microwave Office目前提供用于提高下一代通讯产品设计师生产率的电路提取技术。因为用户可以通过用于电路提取的基于版图的模型，ACE自动电路提取承诺削减复杂互连最初建模所需要的时间。另外，设计师可以在设计流程中的最早期阶段实现精确互连模型。

Microwave Office 2007的其他特性包括增强了与APLAC谐波平衡仿真引擎的整合，改善了EM层叠编辑器与版图布局，以及新的版图特性与仿真模型。由于与VSS RF Inspector进行了整合，可以从Microwave Office环境内部实现频域仿真。此外，扩展的Intelligent Net （iNet）技术包括了单片微波集成电路（MMIC）、模块以及印制电路板（PCB）设计能力。2007版还提供了扩展的设计规则检查（DRC）覆盖和支持，以及AC与HSPICE噪声分析。

就其一部分而言，该公司的VSS 2007软件目前包括了RFA技术。这一系统级、RF结构规划和指标工具定位于RF通讯系统工程师，在交付硬件和/或特定电路设计前，这些工程师需要快速建立并验证射频设计师的初步指标。RFA的新仿真工具RF Inspector承诺帮助设计师在系统级设计阶段的设计过程早期发现潜在的陷阱。所以用户可以查明交调噪声的来源，以及RF链路有害毛刺。VSS 2007还提供了RF中心测量结果，例如累积相位噪声和载波干扰噪声比（CINR）。VSS 2007为WiMAX配备了WiMAX移动库，其完全兼容IEEE 802.16e-2005规范，这是一个WirelessMAN-OFDMA物理层和一个WiMAX固定库（802.16d-2004）接收器。

Agilent EEsof公司的Advanced Design System （ADS） RF电子设计自动化（EDA）软件是电路仿真的主干。该公司还提供了RF Design Environment、IC-CAP器件建模软件和系统，以及Eagleware-Elanix 公司的GENESYS与SystemVue。由于信号完整性设计、高数据速率连接以及串行数据链路设计师的集成验证工具包目前可以发现并校正抖动源，同时预测位误码率（BER）的性能。安捷伦公司的信号完整性验证工具包（Signal Integrity Verification Toolkit）设计用于ADS平台。通过在数Gbit通讯链路设计中识别并分析使性能下降的抖动来源，这将帮助设计师在硬件原型开始设计之前发现并消除抖动的起因。

截至5月底，安捷伦还宣布了将其全波、3D仿真器Electromagnetic Design System （EMDS）集成到ADS平台中。安捷伦基于ADS的EMDS承诺减少设计高精度高频RF/微波模块、RF电路板以及平面天线所需的步骤（图3）。不仅仅作为EM专业工具，基于ADS的EMDS实现了全部3D EM仿真易于所有的ADS用户区使用。安捷伦基于ADS的EMDS允许设计师在开始物理原型设计前，在知情的情况下作出设计决定和调整。当仿真采用非同质平面介质构建的电路时特别有用，这些电路例如介质谐振器振荡器（DRO）或下腔螺旋电感器等。其还对在开始硬件生产之前验证平面EM仿真结果是有用的。

在大多数情况下，这些软件平台定位于电气工程应用，甚至更特殊地，用于RF设计出现的问题。然而，许多软件平台可以服务于这个市场，并同时满足其他数学和自然科学领域。两个来自MathWorks公司的主要例子。该公司最出名的可能是MATLAB，这是一款高级语言和交互环境，与例如c、c++和Fortran等传统的编程语言相比，其能够使设计师以更快地速度执行计算密集型任务。该公司的Simulink平台提供了多领域仿真以及动态系统基于模型的设计。因为Simulink与MATLAb进行了集成，其对广泛算法开发工具、数据可视化、数据分析与存取，以及数值计算提供了即时访问。

国家仪器公司（NI）具有相当大的系列软件产品来满足广泛的行业需求。该公司的旗舰产品LabVIEW目前允许用户利用面向对象编程开发可扩展的代码。他们还可以用自动VI接口建立与可重用扩展代码集成.NET网页服务，这些代码可以自动生成DLL接口。此外，自动调用DLL并利用回调是可能的。

COMSOL 公司目前正将其数学建模、仿真与虚拟原型提供给更为广泛的工程师群体。在COMSOL Multiphysics 3.3中，AC/DC模块允许静态和准静态模型包括任何耦合物理和非线性材料。对声学模块来说，用户可以通过固体和液体来对声波传播进行建模。RF模块允许设计师没有RF和微波仿真限制的条件下指定图形、物理和材料。COMSOL Multiphysics 3.3还公布了两款新软件。信号与系统实验室（Signals & Systems Lab）提供了三个图形用户接口（GUI）以及大量功能来支持信号处理与分析、系统识别以及统计。优化实验室（Optimization Lab）除无约束优化外，包含了求解受约束的线性优化、二次、非线性目标和最小二乘问题。

由于其计算能力可达500至 1500兆单元/秒，Schmid & Partner Engineering AG或SPEAG公司的EM仿真工具沟通了众多不同行业。就12.4版SEMCAD X仿真平台而言，该公司已经采用最新的EMC/EMI有关特性以及材料建模方法。还取得了内存效率的极大提高。SEMCAD X V12.4提供了额外的优化目标，这包括了OTA参数、一致性和更多的CAD结构GA优化。其还提供特异材料（双负）、扩展的色散材料，以及耗散金属和涂层板建模。3D固体建模工具箱也已经进行扩展。

业界正在证明电路和EM仿真的持续发展。但是，这些公司开始认识到还需要独特的软件功能。例如，Flomerics公司（Marlborough，马萨诸塞州）从事EM仿真的同时提供热效应分析软件。由于设计师不断努力在更小的空间之外获得更多的能量，能够理解、预测和分析设计的散热方面是至关重要的。ADI公司用ADIsimPLL回应了不同的需求，这是一款锁相环（PLL）电路设计和计算软件。3.0版将仿真器中PLL环路滤波器可以获得的拓扑范围从9提高到18。九个新的环路滤波器拓扑的大部分包括了更高阶的有源滤波器，这可以提供额外的谐波抑制。新的专用压控振荡器（VCO）/参考库文件编辑器允许通过VCO或参考振荡器库文件进行浏览，与用户访问VCO调谐和相位噪声数据一样。此外，计算PLL的闭环增益并在FreqDomain页面上进行显示。相位噪声图已经被提高从而显示来自每个PLL噪声源的贡献。

Modelithics 公司将其分开的方法之一就是利用其独特的库。该公司的最新CLR库就是一个底层和部分价值伸缩性、表面贴装、RLC模型库。目前，许多这些模型包括了焊盘的几何尺寸。此外，某些具有水平/垂直方向选择。对4.1版，全部Modelithics全局模型（Modelithics Global Model）允许用简单仿真模式设置来去埋焊盘影响。然后可以应用用户指定的焊盘影响。在三月，该公司还将新一类模型引入到高精度RF和微波仿真模型的 Modelithics库中。系统器件库（SCL）引入了用于功能系统模块的高精度线性和非线性模型的集合，其包括了滤波器、开关、衰减器、变压器、放大器以及混频器。

在过去几年里，EDA巨人Cadence设计系统公司已经步入RF领域。例如，Cadence RF SiP Methodology Kit在系统设计、物理实现以及生产之间进行了连接广泛的整合。所以，其允许全系统封装（full-SiP）电分析并表征关键路径，这与通过自顶向下的验证从整个系统级仿真进行行为建模一样。该公司还提供了Cadence RF Design Methodology Kit，该工具包承诺缩短产品开发周期，提高硅的可预见性，并实现更高的射频设计生产率。其功能包括了证明智能管理RLCK寄生的先进方法，电感综合与建模，通过新—本地包络技术进行全芯片验证，以及PLL仿真指南。它还通过IC设计来连接系统级设计。

这些例子仅仅为RF软件领域及其表面上无尽的能力提供了一个小窗口。从实现最窄、最具挑战的任务到满足几乎每个设计师的EM仿真需求，软件正在消除日益增加的设计麻烦和错误。随着软件开发的增加，将会出现实现新的仿真，甚至执行大部分实际设计的软件。