解析Analyst全新的集成化三维电磁仿真工具 - 全文

AnalystTM是一款功能强大，并行的3维有限元(FEM)电磁仿真相分析工具，它无缝的集成到AWR的Microwave Office设计环境中。同时首次实现了不需要通过第三方/CAD绘图工具或仿真环境而将3维电磁仿真功能集成到电路设计软件中的功能。Analyst允许您通过一次鼠标点击实现从电路概念到全3维电磁验证的整个过程。

 

 

 

设计效率优先
在设计单片微波集成电路、高密度射频电路板和多功能射频模块时，对焊球、键合线、管脚、过孔等结构造成的耦合进行电磁分析至关重要。对这些3维互连结构进行分析加重了设计人员和计算机的负担。Analyst不同，它重新定立了3维电磁分析的用户模型，使您更关注于设计工作和电路性能的改善，而非将时间浪费在不同工具的数据导入导出的过程。

Analyst对需要依赖3维有限元方法来对所设计的电路进行验证的电路设计者大有裨益。对于设计芯片上的无源器件，单片微波集成电路(MMIC)，微波集成电路(MIC)，射频印刷电路板(PCB)，模块和封装及片上系统(SoC)、系统级封装(SiP)的设计师来讲，它易于使用，大幅缩减了设置和手工绘图所需的时间，意味着以最小的开销即可获得最佳的仿真时间。

Analyst工具为电路设计工程师带来的优势
Analyst工具的背后哲学就是在简易使用的电路设计环境中赋予设计者强大的3维电磁仿真功能。

第一，Analyst允许电路设计者在他们平常的电路设计 环境中应用3维电磁仿真器。在芯片，模块和电路板等电路设计中大多应用平面电磁仿真工具。但在介质基板有裂缝等造成的平面电磁仿真器不适用的情况下，平面电磁仿真器并不适用。因此，将3维电磁仿真直接无缝的集成到电路设计环境中非常有必要。

第二，Analyst对很多应用，如集成电路，模块和电路板所需的电磁仿真中的参数(边界，端口，网格，模式)做了预定义。在Analyst出现之前，设计者必须将他们遇到的3维问题在外部的电磁仿真工具中进行设置，并仿真，然后再将仿真结果导入到他们的电路设计环境中。应用此方法的会导致诸多问题，一、增加了工程的导入、导出过程中出现错误的机会。二、这些外部的电磁仿真工具需要对端口和仿真器做很多设置，对于一般的设计者来讲，上述设置过于复杂。应用Analyst的方法，针对设计者经常遇到的设置问题，软件己进行优化，因此，极大减少了手动干预和用户错误，并极大提高了结果的精度。

Analyst工具的设计流程
Microwave Office己通过多种方法赋予了设计者在电路设计中灵活应用电磁仿真的能力。这种用户模式一直在改善，包括提取的概念:自动选择版图，并进行电磁仿真，仿真之后的结果自动导入到电路设计中。

 

 

图一：作为AWR设计环境部分的Analyst被集成的流程

 

 

图2. Analyst自动生成参数化控制的版图（Pcells）

AWR持续的对应用在Microwave Office中电磁仿真功能进行改善(提取流程/提取模块)，现在通过Analyst工具向用户提供了3维有限元电磁分析功能。在Analyst之前，变量可以控制版图，并可对模型进行参数扫描，如：创建一个用户自定义的带有V形切口的T型结。设计者可以对模型的参数进行调谐，甚至进行优化。版图也可以应用预先定义的PceII，如图2所示，它的形状是由参数所控制。应用Analyst，可在电磁环境中利用与平面电路拓扑相似的方法创建3维结构。如，可应用Pcell创建3维键合线，球栅阵列(BGA)，锥形过孔等。当然也包括有限尺寸的介质块、封装等常见的3维为连续性问题。

实际的芯片/封装/电路板案例
Analyst最主要的优点是实现了与AWR的Microwave Office设计与仿真环境的紧密结合。为了说明这种独特的功能在实际应用中的价值，让我们来看一个例子:信号从电路板传输到模块再传输到芯片路径的优化。

 

 

图3.分析了电路板上端口1到芯片上的端口2之间的传输性能

图3展示了对电路板，模块和外围芯片的研究。在主板上，信号从1端口通过BGA到达模块上，沿着模块上的走线，并通过键合线到达芯片上的2端口。设计目标是在10GHz到20GHz整个频率范围内使得回波损耗优于20dB。

 

 

4.在仿真之前10-20GHZ的回波损耗

图4展示了Analyst仿真结果， 产品布局设计的照片表明，设计的目标尚未得到满足。为了解决这个问题， Analyst与Microwave Office设计环境结合使用，通过一个三级方法来使得优化设计简单易用。
·隔离特定区域
·指定他们的电性能
·修改布局使行为规范

工程师可以使用Analyst的许多功能修改产品的设计。此工具具有仿真部分版图的功能，从而减少问题的尺寸并增加仿真的灵活性(步骤1)。再将Analyst的结果导入到原理图中，为电容添加到端口，并对电容的值进行调谐和优化(步骤2)。然后增大版图尺寸以获得额外的电容和电感(步骤3)。最终，只仿真我们关心的部分版图。在这种方式下， Analyst旨在最大限度地减少仿真所需的时间。这个三级方法给出的最终解决方案是:键合线增加了一倍并且短路来减少电感，缩小键合线的焊盘和旁边的地的空隙来增加电容，移除电板上的过孔来减少环路电感并对电容进行补偿。最后对整个结构进行验证，以确保设计成功（图5）。

 

 

图5.仿真了整个信号路径—在整个频带内满足回波损耗满足小于-20dB的设计要求

Analyst的更多应用
Analyst专为高频封装，电路板和模块化中需要射频/微波设计者进行分析的互连线问题所设计。

芯片级互连线：
在GaAs，GaN，SiGe，或BiCMOS集成电路中，螺旋电感、电容、过孔和空气桥会引入耦合，若平面或3维电磁仿真工具不能对其进行精确求解则会使电路性能欠佳.通过对芯片级的互连线进行求解，Analyst结合各种独特的功能允许您轻而易举得整个集成电路的佳能。

 

 

 

集成电路/封装级互连线：
Analyst非常适合对芯片和封装间的键合线、焊球等互连线进行求解。

 

 

 

封装/电路板/模块的互连线：
可通过如：键合线、焊球等3雄互连线将多种芯片和其他无源结构集成到电路板或模块中，Analyst可精确的对各种相关的寄生效应进行分析。

 

 

 

ANALYST的技术和创新
电磁仿真常被设计者用于对集成电路、印刷电路板、模块和相关封装中的物理版图和互连结构的电磁效应进行精确计算。Analyst的主要优点在于其与Microwave Office电路设计环境的紧密结合。应用将Analyst无缝的集成到Microwave Office中的设计流程，电路设计者在节省设计时间(更少的鼠标点击和菜单设置)同时，可了解更多的电磁效应对电路性能的影响，如:可以应用键合线和球栅阵列的3维Pcell简化版图设置和绘图。电磁版图也支持层次设计，允许设计重用。在不离开Microwave Office设计环境的同时，可以方便的应用参数化版图进行调谐，优化，灵敏度和成品率分析。由于Analyst专为射频/微波设计者所优化，设计者并不需要对电磁仿真软件的设置进行详细了解。它现在可以无缝的将3维电磁分析集成到关键仿真，如优化，调谐，灵敏度，成品率分析及应用谐波平衡的非线性电路中并获得分析结果。设计者仅需将注意力集中在其设计上，需要时即可轻而易举的使用3维电磁仿真工具，而不需要花费大量的时问学习复杂的电磁仿真工具。最重要的是设计者可在电路设计上花费更多的时间，仅用少许的时间学习3维电磁仿真工具。