Перечень сокращений

ADS (Advanced Design System) - расширенная система проектирования AEL (Application Extension Language) - язык прикладных расширений BER (Bit Error Rate) - вероятность ошибки на бит ЕМ (Electromagnetic) - электромагнитный

EMPro (Electromagnetic Professional) - платформа электромагнитного моделирования

FEM (Finite Element Method) - метод конечных элементов FDTD (Finite Difference Time Domain) - метод конечных разностей во временной области

ВВЕДЕНИЕ В ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА EMPRO

Краткие сведения об ЕМРго

Программное обеспечение Electromagnetic Professional (ЕМРго) компании Agilent EEsof EDA представляет собой программную платформу электромагнитного (ЭМ) трехмерного (3D) моделирования, предназначенную для анализа различных электронных компонентов, таких как корпуса высокоскоростных и высокочастотных (ВЧ) микросхем, соединительные провода, антенны, внутрисхемные и внешние пассивные элементы, а также межсоединения печатных плат [1]. Программа ЕМРго включает в себя современные высокопроизводительные средства проектирования, моделирования и анализа [2]. Кроме того, поддерживается возможность интеграции разработки ВЧ- и СВЧ-устройств в ЕМРго и ADS.

Основные преимущества программы ЭМ-моделирования ЕМРго:

• • возможность создания 3D-компонентов, которые могут моделироваться совместно с электрическими цепями средствами САПР ADS при использовании ко-симуляции «электромагнитная схема»;
• • широкий выбор технологий моделирования;
• • анализ с использованием технологий ЗО-электромагнитного моделирования в частотной и временной области: метод конечных элементов (FEM) и метод конечных разностей во временной области (FDTD);
• • удобный интерфейс, позволяющий создавать произвольные 3D- структуры;
• • расширенные возможности по созданию скриптов.

ЕМРго представляет собой удобный инструмент для построения произвольных ЗИ-структур и импорта готовых файлов CAD. Программа позволяет создавать 3 D-формы, добавлять свойства материала, настраивать параметры моделирования и просматривать результаты в рамках среды ЕМРго. В ЕМРго можно анализировать объемные структуры, в том числе с помощью FEM-симулятора, который используется и в САПР ADS, что показано на рис. 1.1.

Симулятор FEM использует метод конечных элементов, широко применяемый при моделировании ВЧ- и СВЧ-устройств в частотной области.

Для проектов, в которых имеются большие компоненты, такие как антенны, или для анализа целостности сигнала может быть использован симулятор на основе метода конечных разностей (FDTD), работающий во временной области.

В ЕМРго можно создавать ЗО-модели компонентов с необходимым набором параметров и загружать их в проект топологии, создаваемый в САПР ADS. Затем может использоваться FEM-симулятор для совместного ЭМ-моделирования 20-топологий и 3D-компонентов. Существует несколько различных технических подходов к ЭМ-моделированию, каждый из которых имеет свои преимущества в определенной области.

Наиболее распространены среди 3D- ЭМ-технологий моделирования методы FEM и FDTD. Обе эти технологии доступны в ЕМРго. Метод конечных элементов (FEM) - это метод моделирования в частотной области, позволяющий работать со структурами произвольной формы, такими, как проволочные перемычки, переходные отверстия конической формы, шариковые или столбиковые выводы. Симулятор FEM также может использоваться для моделирования диэлектрических брусков или подложек конечных размеров.

Рис. 1.1. Т ехнологии электромагнитного моделирования, интегрированные в маршрут проектирования в САПР ADS

Метод FEM основан на создании объемной сетки, разделяющей все пространство задачи на тысячи небольших областей, и представлении ЭМ- поля в каждом элементе сетки в виде локальной функции. Геометрическая модель автоматически делится на множество тетраэдров, причем каждый тетраэдр состоит из четырех равносторонних треугольников. Этот набор тетраэдров привязан к сетке конечных элементов. В состав FEM- симулятора входят прямой и итерационный алгоритмы принятия решений, использующие линейные и квадратичные базисные функции, что позволяет решать множество разнообразных задач. FEM-симулятор работает как в среде ЕМРго, так и на платформе ADS [3-5]. Метод конечных разностей во временной области (FDTD) так же, как и FEM, основан на объемной выборке электрического и магнитного полей по всему пространству. В то время как сетка FEM состоит из тетраэдальных ячеек, сетка FDTD имеет ячейки прямоугольной формы либо является конформной, т.е. повторяющей криволинейную геометрию объектов [6-10]. Метод FDTD обновляет параметры поля через равные промежутки времени, следуя за электромагнитными волнами по мере их распространения по структуре. В результате, за один этап моделирования FDTD можно получить данные в сверхшироком диапазоне частот [6-10].

Рассмотрим возможности САПР Agilent ЕМРго на примере проектирования высокоэффективных СВЧ-антенн на основе интегрированного в подложку волновода (SIW). По мере увеличения используемых рабочих частот от ВЧ до СВЧ микрополосковые линии на печатных платах уступают место волноводам, передающим сигнал с меньшими потерями. Однако традиционные прямоугольные волноводы дороги в изготовлении и занимают сравнительно много места. Поэтому все большую популярность приобретает технология «волноводов, интегрированных в подложку» (Substrate Integrated Waveguide - SIW), которая обладает лучшими характеристиками по сравнению с волноводами классической конструкции, меньшей стоимостью, а также меньшими размерами, легко реализуемыми по планарной технологии.

В сущности, технология SIW представляет собой комбинацию микро- полосковой линии и волновода с диэлектрическим заполнением (DFW). Проводники верхнего и нижнего слоев печатной платы образуют две стенки волновода. К ним добавляются два параллельных ряда металлизированных переходных отверстий, образующих боковые стенки волновода. Антенны, спроектированные с применением технологии SIW, обладают превосходными характеристиками, поскольку их конструкция препятствует распространению поверхностных волн, расширяет полосу пропускания и снижает осевое и взаимно ортогональное излучение. Кроме того, резонаторные антенны позволяют решить проблемы отведения тепла и возникновения нежелательных поверхностных волн. Такие недорогие решения очень востребованы в радиолокационных системах и системах связи. Подобные схемы используются во входных модулях компактных приемников и в антенных решетках с преобразователем частоты. Для предварительного анализа параметров таких антенн в ходе их проектирования можно использовать полноволновые электромагнитные (ЭМ) симуляторы, пробуя разные варианты по принципу «что, если» для оптимизации геометрии антенны. Самыми популярными методами ЭМ-моделирования для такого рода анализа являются «Метод моментов» (МоМ), «Метод конечных элементов» (FEM) и «Метод конечных разностей во временной области» (FDTD). Разработчик антенн может сэкономить и время, и деньги, опробовав несколько сценариев в ЭМ-симуляторе до изготовления прототипа.

В САПР ЕМРго интегрированы две более ранние программы фирмы Agilent для ЭМ-анализа: EMDS (используется метод FEM) и AMDS (метод FDTD). ЕМРго позволяет провести анализ созданных моделей антенн на соответствие стандартам, таким, как SAR (удельная мощность излучения), НАС и MIMO, что сокращает время проектирования и риски по сравнению с длительными и дорогостоящими физическими испытаниями.

В ЕМРго создана удобная для пользователей графическая среда (GUI) создания геометрии объектов и их последующего моделирования. Есть возможность импорта/экспорта из других САПР.

ЕМРго поддерживает импорт и экспорт файлов следующих форматов: SAT, SAB; STEP; IGES; ProE; VDA FS (.vda); Inventor (.ipt, .iam); Solid- Works (.sldprt, .sldasm); VariPosa (.mmf); .DXF; ODB++.

При создании геометрии объекта есть возможность его параметризации, которая осуществляется заданием набора численных значений любой размерности для переменной в уравнении.

Программа ЕМРго содержит готовую базу данных материалов с заданными электрическими и магнитными параметрами. Также можно самостоятельно задать параметры необходимого материала, добавить его в библиотеку и использовать при моделировании устройств.

Для разработчиков МИС и РЧИС в программе есть следующие возможности: моделирование ИС, корпусов, кристаллов; анализ переходов и разъемов; учет экранов, проверка качества экранирования на этапе моделирования.

Для разработчиков антенн и антенных систем доступны такие возможности, как анализ антенн, антенных систем, волноводов, переходов; моделирование антенн совместно с объектами их размещения (машины, корабли, самолеты и т.п.); проверка работы антенны в соответствии со стандартами типа Over the Air, SAR и НАС; оптимизация конечного изделия путём анализа MIMO и пространственного разнесения антенн с учетом близости тела человека к антенне; изучение влияния электромагнитного поля на организм (BIO ЕМ); SAR с усреднением по 1 и 10 грамм, а также в целом по телу человека, определение места пиковых значений SAR; определение возрастания температуры в теле человека; использование головы человеко- подобного манекена (SAM) для анализа на соответствие спецификациям FCC; ручное/автоматическое задание значения SAR.

Таблица 1.1

Краткое сравнение методов FEM и FDTD