John Dunn, AWR. מבוא: סימולאטורים אלקטרומגנטיים [EM] תלת-ממדיים משמשים בדרך כלל לסיוע בתכן מעברי לוח לשבב. AWR מקלה כעת את חייהם של מתכנני המעגלים עם הכרזתה על Analyst, סימולאטור אלקטרומגנטי תלת-ממדי בשיטת אלמנטים סופיים [FEM], המאופיין במגוון רחב של תכונות מתקדמות. היתרון העיקרי של Analyst יחסית לסימולאטורים תלת-ממדיים קיימים אחרים הוא השילוב ההדוק שלו בסביבת התכן Microwave OfficeR, עם תכן המעגלים של AWR ופלטפורמת הסימולציה. דף יישום זה מדגיש את היתרונות הייחודיים של Analyst באמצעות הדגמת האופטימיזציה במעבר מסלול האות מרמת הלוח לרמת השבב. הדוגמה מראה כיצד היכולת לגשת ל-Analyst מתוך סביבת Microwave Office חוסכת למתכננים זמן ומספקת להם גישה מוכנה לכלי עריכה והדמיה חזקים שאינם זמינים בכלי תכן מעגלים אופייניים.
Analyst מפשט את הגדרות העריכה והכנת השרטוטים על ידי שימוש בתאים פרמטריים (Pcells) המוגדרים מראש למוליכי החיבור ומערכים של סריגי כדורים (BGAs). עריכת ה-EM כוללת תמיכה בהיררכיה, ועל ידי כך מקלה על שימוש חוזר ביחידות תכן. כוונון, אופטימיזציה וניתוח רגישות ותפוקה יכולים להתממש בקלות באמצעות השימוש בעריכה המבוססת על פרמטרים, ללא צורך בעזיבת סביבת ה-Microwave Office. כיוון ש-Analyst ממוטב למתכנני RF עם סביבות הדמיה אוטומטית לטכנולוגיות אופייניות, המשתמשים אינם צריכים בדרך כלל להיכנס לתוך הגדרות ההדמיה של התוכנה. המתכננים יכולים כעת להתרכז בתכן שלהם, תוך שימוש נוח בהדמיית 3D EM היכן שהיא נדרשת, ללא צורך לבזבז זמן על לימוד כלי הדמיה מורכבים של גורם שלישי. אכן, אם הם משתמשים כבר ב- AXEM, כלי הדמיית EM הדו-ממדי של AWR, הם יגלו ש-Analyst נראה כמעט אותו הדבר. עקומת הלמידה להכנת תכנונים יעילים היא, על כן, קצרה מאד.
מעבר מלוח לשבב; שרטוטיי עריכה, תרשימי מוליכי חיבור, ומבטי חתך מישוריים.
מעבר מלוח לשבב
איור 1 מציג את הלוח, המודול וסביבת השבב הנחקר. האות יוצא מפורט 1 על מסלול בלוח המעגל המודפס לתוך המודול באמצעות BGA, לאורך מסלול בראש המודול, אל פורט 2 על השבב באמצעות מוליך חיבור. מטרת התכנון היא להגיע לניחות החזרה של פחות מ-20dB- בכל תחום התדרים המעניין, 10 עד 20GHz.
תוצאות הדמיית Analyst עבור ניחות ההחזרה הנובעות מהתכן הראשוני של עריכת המעגל מוצגים באיור 2. ברור לחלוטין מתוך האיור כי התכן הראשוני לא עונה על מטרת התכנון של פחות מ-20dB-.
ניתן לפתור את הבעיה תוך שימוש באסטרטגיה תלת-שלבית. ראשית, נדרש לזהות את האזור(ים) הספציפי(ים) הגורמים לביצועים הגרועים. שנית, המתכנן צריך להבין מדוע אזור זה של העריכה מתנהג חשמלית בדרך זו. למשל, עשויה להיות השראות יתר או קיבול נוסף במקטע זה של התכן. שלישית, נדרש לתקן את הבעיה על ידי שינוי העריכה.
ל-Analyst מספר מאפיינים שהמתכננים יכולים לנצל בשינויי התכן. Analyst הוא בעל יכולת הדמיית חלקי מתווה העריכה, ועל ידי כך מאפשר צמצום גודל הבעיה והגדלת גמישות הסימולציה. ניתן להוסיף פורטים של סימולציה כאשר הדבר נדרש, כדי לאפשר את בדיקת האזור הבעייתי של העריכה לצורכי הבנה טובה יותר. כיוון ש-Analyst הינו חלק מסביבת Microwave Office, ניתן להוסיף פורטים אלו בקלות במקומות בהם המתכנן חושד שנדרשת קיבוליות נוספת. תוצאות Analyst מומרות בעקבות זאת לתרשים סכמטי, קבלים מוצמדים לפורטים, וערכיהם מכווננים וממוטבים. לבסוף העריכה עוברת התאמה סופית כדי לספק את הקיבול (או ההשראות) הנוספים הנדרשים לצורך התכנון. גם כאן, ניתן לדמות (אם רוצים) רק את החלק המעניין של מתווה העריכה. Analyst מתוכנן כך, שהוא ממזער את משך הזמן הנדרש להגדרות לצרכי הסימולציה.
בואו נבחן כעת את תהליך התכן ביתר פירוט. המתכנן, המתחיל עם אזור שיגור האות, מתמקד בניחות ההחזרה עבור פורט 1. עבור הדמיה זו, רק אזור המעגל הקרוב לקו שיגור האות היוצא מפורט 1 לפורט 2 הינו רלוונטי. איור 3 מראה את תחום העניין, שבו המתכנן צייר גבול סימולציה חדש. המחצית העליונה של התרשים מראה את גבול הסימולציה בו נעשה שימוש. החלק התחתון של האיור מראה את המבט התלת-ממדי לאחר ביצוע התיאום הראשוני; המארג (mesh) באזור האוויר מעל הלוח אינו מוצג, משיקולי בהירות. (שימו לב: היכולת להציג את המארג אינה נדרשת מ-Analyst, אך הוא מוצג כאן לטובת המשתמשים בהינתן היכרות קודמת עם כלי הנקודה של 3D) FEM EM).
הפורט הראשון מופיע בקצה הגבול
Analyst. מתייחס אליו כפורט גל, שהינו תצורת הפורט הסטנדרטית בכל מדמי ה-FEM. באופן מסורתי, המתכנן נדרש לעבור דרך השלב הגוזל זמן רב לצורך הגדרת סוג זה של פורט ידנית באמצעות כלי EM תלת-ממדי נקודתי. בנוסף, המתכנן חייב להגדיר את מספר הצמתים המשמשים למטרת הניתוח ולהגדיר עבורם את הגדרות עכבת הפורט. כיוון שמושגים אלו אינם מוכרים במיוחד למתכנן המעגלים הממוצע, Analyst קובע מראש הגדרות ברירת מחדל סבירות עבור הפורט לשימוש בעריכות אופייניות, תוך מתן אפשרות למשתמשים להתמקד על התכנון שלהם במקום לדאוג להתאמות של הגדרות אלו. במצבים בהם ההגדרות שנקבעו מראש אינן אופטימאליות, הכלי מאפשר לשנות את הגדרות ברירת המחדל.
מוליך החיבור מחובר לפד על השבב. פורט שני מצורף לפד. שימו לב שפד זה הוא פנימי ביחס לקו הגבול, בשונה מפורט 1, וכך Analyst מתייחס אליו אוטומטית כפורט פנימי. עבור סוג זה של פורט, מתח מעורר מהפורט לאדמת הפורט. (האדמה מאופיינת ב”רצועה” מתמטית מהפורט לאדמה. המתכנן יכול להגדיר את הרצועה כמובילה למשטח האדמה הקרוב ביותר מעל או מתחת לפורט). מאוחר יותר, יוצגו וריאציות על פורט זה, בהן המתכנן משתמש בפורטים דיפרנציאליים בהם שלושה פורטים מתפקדים כקבוצה כדי לעורר מעגל במשטח משותף. נקודת המפתח כאן היא שהמתכנן לא נדרש לקבוע ידנית את הגדרות הפורט, דבר המהווה מקור נפוץ לטעויות בסימולציית EM.
מתווה המעגל והיררכיה
לצורך ציור המעגל נעשה שימוש במספר תכונות מעניינות של סביבת Microwave Office. תחילה, מוליכי החיבור התלת-ממדיים וכדורי BGA לא מצוירות ידנית כלל. במקום זה, נעשה שימוש בתאי Pcell שהוגדרו מראש. Pcell הוא אלמנט מודל מבוקר פרמטרים. למשל, איור 4 מראה את ה-Pcell בו נעשה שימוש עבור מוליכי החיבור של המעגל. התא ממוקם בתרשים הסכמטי המשמש לצורך סימולציית ה-EM. האיור מראה זאת בין שני קווי תמסורת.
קל לקבוע את תצורת הפרופיל של מוליך החיבור תוך שימוש בתפריט תכונות ה-Pcell, ולמקמו במתווה ה-EM. הצורה התלת-ממדית מצוירת אוטומטית, תכונה נוספת המדגישה כיצד ניתן לעשות אופטימיזציה בעזרת Analyst עבור קלות השימוש בתכן מעגלי RF .Pcells זמינים עבור מוליכי חיבור, מעברים צרים, רצועות חיבור וכדורי BGA, אם למנות רק את האלמנטים הנפוצים ביותר.
המתווה צויר תוך שימוש בהיררכיה. קיימות שלוש רמות נפרדות של מתווה, כמוצג באיור 5.
המתווה ברמת מודול משתמש במתווה השבב כתת-תא. מתווה העל הסופי משתמש בשתי רמות המתווה שמתחתיו. לגישה זו יש מספר יתרונות. ראשית, סימולציות EM יכולות להתבצע ברמות שונות של מתווה ככל שהתכן מתקדם. למשל, אם משרן ספירלי עובר סימולציה לעצמו, אזי ניתן לשלב את התאים ברמה גבוהה יותר כדי לראות יותר מספירלה אחת על השבב ללא כל צורך בציור, ציור מחדש, או הגדרות ידניות. היררכיה מקלה על ארגון המתווה, ועל ביצוע סימולציות EM קטנות יותר ככל שהתכן מתפתח. שנית, זכרו כי קיימת אפשרות לשלב מתווה עם תרשים סכמטי. בעזרת היררכיה, למתכננים יש כעת גמישות בהצגת תת-ציורים בתרשימים סכמטיים.
שיפור המעבר
כעת, המתכנן צריך לקבוע מה היה מקור ההחזרה הדומיננטי בשיגור. השלב הבא של המחקר נועד לבודד את המקור על ידי חלוקה שיטתית של אזור הסימולציה תוך התאמת מיקום גבול הסימולציה. הבעיה מתחלקת באופן טבעי לשלושה אזורים: הקו על הלוח עד לכדורי ה-BGA; המעבר מהלוח דרך הכדורים והמעברים של קו האות בראש המודול; והמעבר מהמודול לשבב עם מוליך החיבור. איור 6 מראה את שלושת האזורים בהם נעשה שימוש.
המתכנן נזהר בקביעת אזורי הגבול כדי להבטיח שהמבנים המוכלים בודדו באופן סביר מהסביבה המקיפה אותם. דוגמה של נושא זה מוצגת באיור 7, המציג את המתווה המפורט להדמיית מעבר BGA.
הגבול נבנה עם 5 צדדים כדי להימנע מצימוד למקטעים אחרים של המעגל. הוא תלוי בטכנולוגיה בה נעשה שימוש, אבל בדרך כלל מספק גבהי מצע של מרחק מהתאימים לסוג זה של בעיה. Analyst קובע הגדרה אוטומאטית למצב של כמעט פתוח, שבו מצב עכבת הגבול מדמה מנחת מושלם בקירוב ראשון. בדרך כלל, זהו המצב הטבעי של גבול בו יש להשתמש, כיוון שהמטרה היא לבודד את אזור הסימולציה מיתר חלקי המעגל. יש אפשרות לעקוף את הגדרת ברירת המחדל, אך יש להיזהר בקביעת תנאי הגבול. למשל, אם נבחר גבול מוליך, הוא עשוי לקצר יחד מספר אובייקטים בדרכים שלא התכוונו להגיע אליהן.
המעבר באיור 7 מתאר גם תכונה מעניינת נוספת של Analyst. המשתמש יכול לעדכן את מיקום הפורטים וסוגם, בהתאם לנסיבות. באיור 7, פורט 2 הוא מהסוג הדיפרנציאלי. הזרם נכנס לתוך החלק החיובי של פורט 2, וחוזר במוליכי האדמה הסמוכים, שהפורטים שלהם מסומנים כ-“-2”. המתכנן אינו צריך לוודא שהאדמה עבור הפורטים זהה לזו של האדמה במתווה האמיתי. למשל, האדמות של הפורט הדיפרנציאלי זהות לאלו של המודול, והזרם החוזר לאדמה הוא לפיכך זהה לזה שבמתווה האמיתי. המתכנן גילה שהמקטעים השני ושלישי באיור 6 הצריכו שיפור מסוים. הצעד הבא היה לקבוע את הסיבות הספציפיות של הביצועים הגרועים. פורטים נוספים הוכנסו לתוך ה-Analyst, והתוצאות, מרגע שנעשתה סימולציה, הוכנסו לתרשים הסכמטי, וכן התאפשר השימוש בפורטים לחיבור אלמנטים למעגל. במקרה זה, נוספו קבלים. תהליך זה קל במיוחד ב-Microwave Office, עקב השילוב ההדוק בין החלקים השונים של התוכנה. ערכי הקבל ניתנים לכוונון ואופטימיזציה. כדי לתאר תהליך זה, איור 8 מראה שהמתכנן הוסיף שני פורטים נוספים למקטע 3 של המתווה.
הפורטים 3 ו-4 נוספו בשני אזורי הבעיות המובהקים, ליד מוליך החיבור וליד מעבר הכדור. שימו לב שפורט 4 הוא פורט דיפרנציאלי, שהוא הסוג הטבעי לשימוש במצב זה, כיוון שהוא מדמה את זרימת הזרם בפועל במעגל הממשי. הזרם זורם מפורט 4 וחוזר על שני הפורטים המסומנים “4 -“. הזרם החוזר זורם על האדמה המקומית של הפורט. את הקבל ניתן למקם בסכימה בין פורט 4 לפורט “4 -“. בצורה זו, חזרת הזרם והאדמה המקומית תואמים את המתווה הממשי. הפורט 3 הוא שוב פורט דיפרנציאלי, עם חלק “3 -” שלו מחובר לאדמה המקומית של המודול.
המחצית הימנית של איור 8 מציגה את שני הקבלים שנוספו על פורט 3 ו-4 של הסכימה. שימו לב שהקבלים מחוברים לסמלי האדמה, שמשמעותם במקרה זה האדמה המקומית של הפורט, כלומר הפורט השלילי. המתכנן הופתע לגלות שהבעיה נפתרת למעשה בעזרת קיבוליות שלילית בפורט 4 ליד ה-BGA, דהיינו שנדרשה השראות. פורט 3, הקרוב למוליך החיבור, היה זקוק לצורך השיפור לקיבול חיובי.
כדי לממש פיזית את הקיבול הנוסף ליד מוליך החיבור, נוסה מגוון טכניקות, כולל הכפלת מוליכי החיבור להפחתת ההשראות שלהם והצרת הרווחים בין הקו לאדמות הצד במודול. ההשראות הנוספת ליד כדורי NGA יושמה על ידי הוספת אורך עניבה נוסף למסלול החזרה לאדמה על הלוח. המתווה הסופי מוצג באיור 9.
מסלולי האדמה על הלוח הוזזו הרחק מכדורי האדמה עבור השראות מוגדלת. התרשים השמאלי באיור מראה כיצד מוליך החיבור הוכפל וקוצר להפחתת ההשראות. הרווח בין הפד של מוליך החיבור ואדמות הצד הופחת להגדלת הקיבול. התרשים הימני מראה את הזזת מסלולי האדמה על הלוח הרחק מכדורי האדמה כדי להגדיל את קיבול העניבה לפיצוי על קיבול הכדור. הקו על המודול ליד הכדור הוצר גם להגדלת ההשראות.
לבסוף, נעשתה סימולציה עבור כל המבנה לצורכי אימות, כמוצג באיור 10. המארג לא מוצג באזור האוויר מטעמי בהירות חזותית. ניחות ההחזרה עומד בדרישת המפרט, בהיותו פחות מ-20dB- בכל תחום התדרים הרלוונטי.
סיכום
בדף יישום זה, נעשה שימוש בסימולאטור Analyst של AWR, סימולאטור EM תלת-ממדי בשיטת finite element של חברת AWR, לצורכי אופטימיזציה של ניחות החזרה במעבר לוח-לשבב. במסגרת הסימולאציה נוצלו התכונות החדשניות של Analyst להאצת המחקר. בוצעה הדמיה של מקטעים בתכנון על ידי הגדרת פורטים וגבול סימולציה, ללא צורך כלל בשרטוט ידני של המבנה. נעשה שימוש ב-Pcells עבור מתווה מוליכי החיבור וכדורי BGA, כך שגם עבור אלמנטים אלו לא נדרש שרטוט ידני. על ידי הוספת פורטים פנימיים נוספים, התאפשרה הוספה מהירה של קיבול לחלקי המעבר, ואז התאפשרו כוונון ואופטימיזציה לקביעת מיקום השינויים הנדרשים. תכונות הסימולציה ב-Analyst המאפשרות הגדרה מראש של אלמנטים במעגל הפחיתו באופן משמעותי את משך הפיתוח ומאפשרים למתכננים להקדיש חלק רב יותר מזמנם לתכן המעגלים וביצועיהם ופחות לניואנסים של השימוש בכלי נקודתי 3D EM.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת רדט ציוד ומערכות בדיקה
