Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Адаптивное треугольное сеточное разбиение дает более точные результаты моделирования для кривых поверхностей.

Расчетчик толстого металла и произвольная ориентация на металл позволяют точно моделировать соединения между сквозными отверстиями. Анализ бесконечно больших массивов и поверхностей с частотной селекцией для работы с фазированными антенными решетками.

Моделирование системы (временные, частотные и смешанные области), испытание системы при помощи сигналов базового диапазона для моделирования ослабления мощности по соседнему каналу (ACPR), амплитуды вектора ошибок (EVM), частоты появления ошибочных битов (BER).

Библиотеки радиочастотных компонентов и компонентов для обработки цифровых сигналов стандартов связи EEE 802.11 a&b, GSM, EDGE, UWB и т.д. Компилятивное и интерпретативное создание моделей, определенных пользователем на языке С/С++.

Параллельное моделирование в MATHLAB.

Связи с WinIQSIM™ для точных сигналов стандартов WCDMA, TD-SCDMA, СDMA2000® и др.

5

4.2.3. CST Microwave Studio

CST Microwave Studio представляет собой программу, предназначенную для быстрого и точного численного моделирования высокочастотных устройств (антенн, фильтров, ответвителей мощности, планарных и многослойных структур), а также анализа проблем целостности сигналов и электромагнитной совместимости во временной и частотных областях с использованием прямоугольной или тетраэдральной сеток разбиения.

Главным преимуществом вычислительных технологий компании CST является использование аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA). При моделировании 3D структур, содержащих поверхности сложной кривизны, использование классической прямоугольной сетки разбиения приводит к необходимости использовать слишком мелкую сетку и неоправданно большое число ячеек. Использование тетраэдральной сетки частично решает проблему и позволяет снизить требования к вычислительным ресурсам. Технология PBA использует преимущества обоих перечисленных подходов, но обеспечивает беспрецедентный прирост производительности без потери точности вычислений.

Типичными устройствами, моделируемыми с помощью пакета CST Microwave Studio, являются:

-волноводные и микрополосковые направленные ответвители мощности;

-делители и сумматоры мощности;

-волноводные, микрополосковые и диэлектрические фильтры;

-одно- и многослойные микрополосковые структуры;

-различные линии передачи;

-коаксиальные и многовыводные соединители;

-коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы;

-оптические волноводы и коммутаторы;

-различные типы антенн - рупорные, спиральные, планарные.

Программа имеет простой и удобный интуитивный пользовательский интерфейс, работать с которым даже новичок сможет уже через два часа после первого знакомства с программой. Искушенные пользователи смогут автоматизировать подготовку и выполнение большинства общих задач с помощью встроенного макроязыка VBA.

Система моделирования является законченным программным продуктом, то есть она имеет в своем составе все необходимые модули, начиная с графического редактора для прорисовки трехмерной структуры и заканчивая модулем построения рассчитанных частотных зависимостей. Система построения исследуемых структур базируется на ядре ACIS, используемом большинством известных CAD систем, например, всем известной программой AutoCAD. С помощью этой технологии прорисовка объемных СВЧ устройств даже самых сложных конфигураций производится легко и быстро.

Имеется возможность логической сборки компонентов структуры, причем отдельные части таких компонентов могут быть построены из различных материалов. Изменение параметров материалов может выполняться как вручную по отдельности, так и глобальной заменой базы данных материалов. Реализовано выделение нескольких объектов непосредственно в поле рисования трехмерной структуры, а также на дереве проекта на панели навигации, после чего

возможно одновременное изменение их параметров или геометрических размеров.

В составе одной лицензии поставляется два сетевых рабочих места, одно из которых позволяет производить моделирование ранее подготовленного проекта, а другое в то же самое время используется для подготовки новых проектов.

Особое внимание разработчики программы CST MWS уделили ее интеграции в существующий поток проектирования и

обеспечили связи с другими EDA и CAD пакетами. В новой версии переработаны модули импорта и экспорта популярных

3D форматов STEP, SAT, IGES и STL, а также двухмерного формата DXF. Новые трансляторы обеспечат обмен данными с программами CATIA4 и CoventorWare, а также импорт защищенных файлов Pro/Engineer 2002. Реализован импорт двухмерных форматов GDSII, Gerber и Sonnet EM, а также объемного описания человеческого тела. Еще несколько CAD трансляторов будут доступны в самое ближайшее время.

Связь с системой ADS компании Agilent была первым шагом на пути интеграции программы CST MWS в другие среды проектирования. Позднее появилась возможность обмена данными с системами Allegro и APD компании Cadence. Экспорт

6

данных в файл в формате MWS выполняется непосредственно из интерфейса среды Cadence. При этом сохраняется параметризация и сборка конструкции.

Обмен результатами расчета с другими программами осуществляется несколькими способами. Программа обеспечивает прямой доступ к первичным результатам - обобщенным S-параметрам, но также позволяет делать экспорт их в формате Touchstone, но при этом высокая разрешающая способность по частоте может быть ухудшена за счет плохой связи портами или субдискретизации.

Использование широкополосных SPICE моделей, описывающих передачу между портами с учетом потерь и перекрестных связей и полученных непосредственно из результатов полного электромагнитного анализа, позволит избежать этого эффекта. В программе применен новый алгоритм экстракции SPICE схемы замещения, основанный на методе понижения порядка модели (Model Order Reduction, MOR). Модель может быть получена для произвольной топологии или структуры, причем ее стабильность и пассивный характер гарантирован вне исходного частотного диапазона анализа.

Программа CST MWS использует метод конечных интегралов (FIT) - достаточно общий подход, который сначала описывает уравнения Максвелла на пространственной сетке, с учетом закона сохранения энергии, а затем по ним формирует систему специфических дифференциальных уравнений, таких как волновое уравнение или уравнение Пуассона. Метод может быть реализован как во временной, так и в частотной области. Кроме того, не накладывается никаких ограничений на тип используемой сетки разбиения, наряду со структурированной сеткой в декартовой системе координат поддерживаются неортогональные сетки, например, тетраэдральная. Таким образом программа CST MWS первый на настоящий момент пакет объемного электромагнитного моделирования позволяющий выбирать оптимальные для данной задачи метод решения и способ разбиения.

Метод конечных интегралов во временной области наиболее эффективно работает при использовании прямоугольной сетки разбиении. Для улучшения моделирования объемных структур произвольной геометрической формы был разработан оригинальный метод аппроксимации для идеальных граничных условий (Perfect Boundary Approximation, PBA). Этот метод позволяет разбить кубическую ячейку сетки на две части таким образом, чтобы граница разбиения проходила по границе раздела двух сред и оптимально повторяла реальную геометрическую элементов моделируемой структуры. Такой подход дал возможность учитывать толщину металлических перегородок или толщину слоя металлизации микрополосковых линий внутри одной большой ячейки разбиения без им необходимости измельчения разбиения.

На рисунке показаны различные способы построения сетки разбиения и ее аппроксимации для неполой (a) и полой (b) сферы с цилиндрическим отверстием. Но если неполая сфера хорошо описывается с помощью метода аппроксимации для идеальных граничных условий, то для анализа полой сферы с относительно тонкой стенкой была разработана другая оригинальная технология: метод тонких стенок (Thin Sheet Technique, TST).

7

Вычислительное ядро в частотной области (Frequency Domain Solver) имеет адаптивный алгоритм частотного свипирования, позволяющий получить точные характеристики при автоматически выбираемом минимальном числе частотных точек. Для широкополосных расчетов, использующих периодические граничные условия, вместо фазового сдвига для описания направления излучения может быть быть использован геометрический угол сканирования. Особое внимание уделено вычислителю мод в портах устройства, который стал поддерживать материалы с потерями. Программа CST MWS включает периодический (Floquet) вычислитель мод в граничных портах, обеспечивающий высокую точность для широкого диапазона углов излучения, что необходимо для расчета фазированных антенных решеток. Возможность задания фронта волны через набор периодических граничных портов, позволяет легко рассчитать освещение частотно-избирательной поверхности (FSS) по любым углом.

В дополнение к ранее реализованному методу подпространства, в новой версии программы CST MWS реализован алгоритм ЯкобиДевидсона (Jacobi-Davidson, JD). Этот вычислитель позволяет рассчитать собственные моды областей, заполненных материалом с большим тангенсом угла диэлектрических потерь. Вычислительное ядро на собственных модах (Eigenmode Solver) поддерживает периодические граничные условия для расчета замедляющих структур, а также анализ методом нормальных волн, который позволяет получать производные S-параметров высокорезонансных структур, например, фильтров. Этот метод поддерживает алгоритм частотного свипирования, оценивающий суммарный вклад высших типов волн в интересующей полосе частот. Пример использования вычислителя на собственных модах для моделирования поверхностных токов в одном витке спиральной замедляющей структуры приведен на рисунке ниже.

Еще одной ключевой функцией программы CST MWS является механизм распределенных вычислений на нескольких компьютерах в рамках локальной сети. Здесь имеются две разных методики. Первая предназначена для моделирования многопортовых устройств, для получения матрицы S-параметров которой необходимо выполнить число запусков анализа, равное числу портов, что легко сделать параллельно на нескольких машинах. Вторая методика предназначена для параметрического анализа и оптимизации, так как в этом случае выполняются многократные запуски моделирования одной и той же структуры с небольшими геометрическими изменениями, которые также могут выполняться параллельно на разных машинах. Результаты анализа накапливаются в центральном компьютере, который на следующим шаге автоматически формирует задачи для простаивающих машин. Оба способа организации распределенных вычислений позволяют повысить скорость анализа пропорционально используемых для этого компьютеров.

9

4.2.4. µWave Wizard - синтез и моделирование волноводных СВЧ устройств

Пакет μWave Wizard представляет собой специализированное программное обеспечение для проектирования СВЧ устройств, использующее метод согласованных мод (Mode-Matching), который наилучшим образом подходит для моделирования и оптимизации пассивных СВЧ устройств и антенн. Метод согласованных мод и его производные (быстрые гибридные методы граничного контура (MM / boundary contour) и конечных элементов (MM / finite-element method) обеспечивают непревзойденную скорость и точность вычислений для этих задач.

Секрет быстродействия пакета μWave Wizard кроется в использовании метода согласованных мод (Mode-Matching) и его производных для анализа сложных трехмерных структур, где на первый взгляд, избежать полного 3D EM анализа невозможно. Тем не менее, для структур с очень сложной геометрией в пакете μWave Wizard сейчас реализован 3D FEM вычислитель, обеспечивающий ряд функциональных возможностей недоступных в методе согласованных мод (MM).

Мощный набор численных методов, реализованных в пакете μWave Wizard, дополняется простым и эргономичным пользовательским интерфейсом, обеспечивающим требуемую гибкость и открытость. Дальнейшее развитие пакета предполагает последовательную реализацию последних теоретических и математических подходов анализа СВЧ устройств.

Типичными приложениями для программы μWave Wizard являются пассивные волноводные структуры и компоненты, такие как волноводные и комбинированные фильтры, мультиплексоры, ответвители, переходы, рупорные антенны, кластерные фидерные системы, поляризаторы, мосты и многое другое. Библиотеки программы объединяют свыше 230 различных волноводных, комбинированных и коаксиальных элементов.

Для моделирования частотных характеристик сложных волноводных структур вся конструкция разбивается на отдельные блоки, имеющие эквивалентные библиотечные модели. Программа рассчитывает параметры рассеяния для каждого отдельного блока, после чего в многомодовом режиме выполняет сквозное моделирование частотных характеристик всей структуры. Таким образом, строго учитывается взаимодействие мод высокого порядка. Использование типовых библиотечных блоков позволяет отказаться от построения полной трехмерной модели всей анализируемой структуры. Так как большинство размеров сопрягаемых элементов параметризованы, создание и изменение проекта занимает считанные минуты. Параметризация размеров дает возможность пользователю быстро переходить от анализа к оптимизации посредством назначения их в качестве варьируемых переменных. Окно управления оптимизатором позволяет просто и наглядно задать цели оптимизации для различных характеристик, выбрать метод и тип целевой функции.

Синтез

Пакет µWave Wizard включает специальный модуль, дающий возможность быстро и легко синтезировать различные частот- но-избирательные волноводные устройства и плавные переходы. Формализованное техническое задание определяется в последовательно появляющихся диалоговых окнах Мастера синтеза, который запускает алгоритм синтеза полоснопропускающих фильтров Чебышева и Баттерворта. В результате работы программы создается параметризованная схема устройства, полностью подготовленная для последующего анализа и оптимизации. Аналогичный Мастер позволяет автоматически генерировать геометрию волноводных трансформаторов сопротивлений.

Оптимизация

Программа µWave Wizard содержит несколько оптимизаторов, позволяющих автоматически настраивать схему согласно заранее заданным критериям. Пользователь в специальном окне описывает критерии оптимиза-

ции, которые представляют собой полосы пропускания и запирания с заданным ослаблением и весовыми коэффициентами. В процессе оптимизации рассчитываемые частотные характеристики разрабатываемого устройства отображаются на графике вместе с критериями оптимизации, которые могут быть оперативно изменены с помощью специальных функций пользовательского интерфейса. В отдельном окне отображается график изменения целевой функции.

1

4.2.5. Sonnet Suites - программное обеспечение для моделирования планарных СВЧ устройств

Пакет программ Sonnet Suites предназначен для электромагнитного моделирования планарных СВЧ структур: полосковых и микрополосковых линий, копланарных волноводов, одно- и многослойных печатных плат, включающих переходные отверстия различных конфигураций, вертикальных микрополосковых линий, а также антенн. Имя компании Sonnet давно является синонимом слова "точность", когда речь заходит о трехмерном планарном ЭМ моделировании СВЧ устройств. Использование в своей основе метода моментов (MoM) в закрытом объеме позволяет стабильно получать качественные результаты с точностью 1% и ниже. Дополнительные настройки программы позволяют получить повторяющиеся результаты анализа с точностью лучше 0.1%. Уже более 20 лет компания Sonnet занимает доминирующие позиции на рынке высокоточного электромагнитного анализа планарных схем для различных приложений (RFIC, MMIC), работающих в диапазоне рабочих частот от 1 МГц до 2 ТГц.

Самостоятельное изучение высокотехнологичного программного обеспечения с мощным математическим аппаратом внутри в общем случае может оказаться сложной задачей. Пакет Sonnet предоставляет пользователю все необходимое для быстрого освоения: интуитивный интерфейс, понятные самоучители для начинающих, толковые руководства пользователя, обширные наборы примеров и тщательно проработанную контекстную справку. Для самостоятельного изучения предоставляется бесплатная версия пакета Sonnet Lite, которая позволяет моделировать не очень сложные проекты.

Помимо того, что компания Sonnet предоставляет очень точный инструментарий для высокочастотного электромагнитного анализа планарных структур, она также дает своим клиентам возможность использования привычного для них программного обеспечения. Гибкость системы Sonnet дает возможность встраивать ее в большинство популярных систем проектирования СВЧ устройств с помощью специально разработанных интерфейсов. Как правило, интеграция выполнена на столь высоком уровне, что от пользователя не требуется никаких специальных действий, он продолжает работать в привычной для него среде. Весь обмен данными происходит в автоматическом режиме.

В настоящее время доступны интерфейсы к следующим системам:

-Cadence Virtuoso,

-Advanced Design System (ADS) компании Keysight (Agilent),

-AWR Microwave Office,

-SonnetLab Toolbox for MATLAB,

-Nuhertz Technologies Filter Solutions,

-Applied Computational Sciences (ACS) LINC2.

Вто же время, поддерживаются и простые способы взаимодействия, например, обмен данными в форматах DXF и GDSII.

Вверсии Sonnet Suites 14 для обеспечения более надежной интеграции с EDA системами проектирования были впервые реализованы технологические слои, представляющие собой описание в EM проекте Sonnet связанных между собой объектов, например, групп общих атрибутов (имя слоя, физическое положение в стеке слоев, характеристики металла, параметры управления сеткой разбиения). Технологические слои могут быть определены для планарных металлических слоев, межслойных переходов, диэлектрических блоков. Определение слоев может быть выполнено автоматически при импорте данных в форматах GDSII и DXF, причем информация передается без изменения имен слоев, что позволяет сохранить CAD информацию о слоях после последовательных операций импорта и экспорта. Технологические слои дают возможность пользователю сохранить определенные слои, которые необходимы в EDA системе, но не используются в Sonnet.

Новая панель Stackup Manager, добавленная в редактор Sonnet Project Editor, обеспечивает интуитивный интерфейс для описания и редактирования стека слоев моделируемой структуры. Модуль также предоставляет графический интерфейс управления новыми технологическими слоями. Использование менеджера стека слоев дает возможность неопытному пользователю быстро выбрать нужный слой для редактирования его топологии. Панель Stackup Manager автоматически появляется при обращении к интерфейсу обмена данными с программами Cadence Virtuoso и Agilent ADS.

Самой большой проблемой в измерении параметров реальных СВЧ устройств является подача на него измерительных сигналов, так чтобы неоднородность, возникающая в структуре из-за наличия подводящей линии, разъема и измеритель-

4

ного зонда, не влияла на его характеристики. Аналогичным образом, программное обеспечение для высокочастотного EM моделирования использует порты схемы для подачи сигналов на ее вход и измерения уровней сигналов на ее выходе. Присутствие портов в EM структуре вносит в нее неоднородности, наличие которых впоследствии должно быть учтено методами исключения (de-embedding), в противном случае в конечном результате анализа будет присутствовать значительная ошибка.

Компания Sonnet разработала технологию калибровки портов, которая, как показало время, является наиболее точной в этой отрасли индустрии и позволяет получать качественные S-параметры в динамическом диапазоне порядка 100 дБ (представьте себе анализатор цепей, имеющий такой динамический диапазон!). Уникальные сокалиброванные внутренние порты представляют собой идеально калиброванные разъемы, с помощью которых анализируемая структура может быть подключена к любой внешней системе моделирования СВЧ схем, работающей в частотной или временной области. Данные порты могут использоваться для подключения к реальной топологии, например, нелинейной модели транзистора. Компоненты могут быть описаны идеальными сосредоточенными моделями; моделями, предоставленными производителями компонентов; а также наборами S-параметров, полученными в результате измерений реальных устройств: транзисторов, усилителей, дискретных элементов и т.д. Компоненты позволяют учитывать наличие SMD контактных площадок и связанные с ними паразитные эффекты.

Для эффективного использования технологии со-калиброванных портов в ранних версиях разработчики объединяли близко расположенные порты в калиброванные группы. В версии 14 появилась функция автоматической группировки со-калиброванных портов, дающая возможность вычислителю самостоятельно выбирать и группировать порты, освобождая инженера от излишней ручной работы. Для активации новой функции достаточно просто включить настройку группировки со-калиброванных внутренних портов в положение Auto и предоставить пакету самостоятельно позаботиться об этом.

Программное обеспечение Sonnet делает возможным использование новых мощных методов оптимизации схем, в которых через внутренние порты к структуре могут быть подключены последовательные или параллельные подстроечные элементы, работающие на уровне схемы. Использование EM анализа для моделирования 98% всего устройства, и ее настройка с помощью подключаемых внешних элементов позволяют существенно повысить эффективность работы. В результате получается точность на уровне полного EM анализа и скорость на уровне схемотехнического моделирования.

Программное обеспечение Sonnet позволяет выполнять экстракцию эквивалентных схем замещения для анализируемых структур, которые потом могут использоваться в системах моделирования СВЧ схем частотными или временными методами. Полученные модели могут включать:

-Наборы S-, Y- и Z-параметров в форматах Touchstone и Cadence.

-SPICE модели на основе PI-цепей, которые представляют собой точную эквивалентную схему, описывающую передачу сигнала между двумя любыми портами, и учитывающую даже взаимные индуктивные связи.

-Широкополосные SPICE схемы замещения, описывающие поведение EM структуры в широком диапазоне частот, и не имеющие ограничений на размер схемы и ее конфигурацию.

-Модель на основе матрицы связных линий (TCM), представляющую собой TLINE RLGC матрицу для N связных параллельных линий передачи и используемую при моделировании программой Cadence Spectre.

Современные технологии x86 процессоров развиваются в сторону наращивания числа ядер в одном кристалле. Если правильно распределить эти ресурсы для выполнения интенсивных численных вычислений, то каждое ядро может функционировать как отдельный 64-разрядный процессор. Распараллеливание расчетов на этих ядрах может дать прирост производительности пропорциональный количеству доступных ядер.

5