איור 1: טכנולוגיות חדישות לייצור מודולים פותחו במטרה לאפשר לענות על הדרישות חסרות התקדים לאינטגרציה ופונקציונליות של המוצרים
מבוא
הדור הבא של התקנים האלחוטיים, תשתיות LTE-A/5G והמערכות האלקטרוניות בתחום ההגנה והחלל מציבים אתגרים חדשים בפני שיטות התכנון והפיתוח של מוצרי RF ומיקרוגל. האתגרים הללו, הנובעים מהדרישות לביצועים גבוהים, רוחב פס, לינאריות ויעילות נעשים מורכבים עוד יותר לאור דרישות השוק הכופות על המוצרים להיות קטנים, קלים וזולים יותר. בנוסף על כך יש צורך להתמודד עם הגדלת עלויות הפיתוח, עם משאבי הנדסה מוגבלים ועם הצורך להוציא את המוצר מהר ככל האפשר לשוק. המוצרים החדשים מציבים בפני המתכנן דרישות חסרות תקדים לאינטגרציה ופונקציונליות של המוצרים. על מנת לעמוד בדרישות הללו פותחו חומרים חדשים עבור הרכיבים והמעגלים המודפסים, ופותחו טכנולוגיות חדישות לייצור מודולים (איור 1).
בכדי להטמיע את הטכנולוגיות הללו בהצלחה, המהנדסים זקוקים לתוכנות סימולציה אוטומטיות אשר יוכלו לנבא ברמת דיוק גבוהה את הביצועים החשמליים בתלות בתכנון הפיסי, באופני עירור ולבצע מדידות של צורות גל מורכבות של מערכות תקשורת ומכ”ם, ובנוסף יוכלו לתמוך בתהליכי ייצור.
הגרסה החדשה של סביבת הפיתוח שהוכרזה לאחרונה, גרסת V13, מיועדת לענות על הדרישות הללו. היא מציעה פלטפורמה משולבת פתוחה המיועדת לתכנון מערכות, מעגלים, לביצוע סימולציות אלקטרומגנטיות משולבות לאפיון התנהגות מכלולי קצה קדמי לתחום ה-RF ורכיבים כגון אנטנות, מגברים, מסננים, ערבלים והתקני בקרה אקטיביים ופסיביים. הגרסא החדשה תורמת לשיפור הייצוריות בגין טכנולוגיות משופרות של מעגלים ומערכות אלקטרומגנטיות, ספריות מודלים מקיפות, שיפור רמת האוטומציה, ותמיכה בפיתוח רכיבי מיקרו-גל מונוליטיים משולבים , RFICs , מעגלים מודפסים ל-RF ומודולים בטכנולוגיות משולבות.
סביבת פיתוח ואוטומציה
תכנון לייצור
הביצועים החשמליים של מערכות הפועלות בתחום ה-RF מושפעים באופן ישיר מהתכנון הפיזי. לפיכך יש צורך להקפיד שהתכונות הפיסיקליות של הרכיב ישולבו במודל הסימולציה באופן מלא, ושהנתונים הפיסיקליים שבהן נעשה שימוש במודל יבואו לידי מימוש מדוייק בתהליך הייצור. V13 מציע יכולות חדשות ומשוכללות שיש להן השלכה על תכנון המעגל ומאפשרות שילוביות בין סביבת הפיתוח לכלי תכן ופיתוח של צד שלישי וכלי תכן מעגלים משולבים ותכן אוטומטי של מעגלים מודפסים (EDA) (איור 2).
שיפורים אלה מקנים יכולות בעלות חשיבות מרובה לתכנון (הן לתכן סכימטי והן לתכן תרשימי Layout) של מערכות ומעגלים פרמטריים, של תת מכלולים אלקטרומגנטיים, סינתיזת תכנון, סימולציה ובקרת אופטימיזציה, ותרשימי מדידה. השיפורים מקלים על תכנונים המבוססים על תהליכי יצור ספציפיים כגון מעגלים מודפסים ופרוייקטים בטכנולוגיות מעורבות, שבהם נעשה שימוש נפוץ לצורך סימולציה של MCM המשלבים MMIC שונים יחד עם התקני RFIC באותו מודול או מארז. ערכת תכנון תהליך (PDK) מסייעת לנהל את תחילת תהליך התכנון בכך שהיא מכילה מידע נחוץ כגון קבצי ספריה עבור ההתקן (symbols, פרמטרים של ההתקן, PCells), נתונים טכניים של השכבות, מודלים לסימולציה, אישוש ועוד. מתכנני מעגלים משתמשים ב-PDK לצורך יצירת גרסת סימולציה של המוצר בהסתמך על הרכיבים הזמינים במהלך תהליך היצור. שכלול יחודי לגרסא מאפשר להתקין בקלות PDK חדש ולעבוד עם תהליכים רב-שכבתיים (LPF) האופיינים ל-MCM. ערכות כלים יעודיות כלולות אף הן ב-PDK לצורך תמיכה בתכנונים ייעודים הנדרשים על ידי יצרנים של מכלולי front-end.
איור 2: אשף ייבוא PCB מקנה שילוביות אוטומטית בין סביבת הפיתוח וכלי ערכית מעגלים מודפסים
תכנון משולב של RFIC בסימולציות MCM
בתכנון הסופי והסימולציה של MCM יש להתחשב בחיבורים פסיביים. הדבר מחייב גם ייצוג של התקן ה-RFIC לצורך איפיון המודול השלם. מתכנני מודולים זקוקים לאפשרות של שילוב מודל מדוייק של ה-RFIC, או חלקים חיוניים של תכנונו, בהירארכיית המעגל הכוללת את המצע הרבוד. החידושים בניהול תכן הירארכי מסתמכים על OpenAccess, אשף חדש לייבוא/יצוא מאפשר שילוב קל של RFIC שפותחו באמצעות כלים של קיידנס (כגון Virtuoso) וסביבת התכן NI AWR לצורך ביצוע אנליזות MCM. בלוקים מדוייקים של RFIC המשולבים באופן הירארכי במעגל מאפשרים למתכנן ה-MCM להתמקד בבנית המודל ועל הקפדה על פרטי הלמינציה תוך שימוש בסימולציה דו ותלת מימדית או כלי תכן EM של צד שלישי.
מידול וסימולציה אלקטרומגנטית
AXIEM ו-Analyst הם כלים לביצוע סימולציות אלקטרומגנטיות המשולבים בסביבת התכן. הם נעזרים במשוואות מקסוול לצורך חישוב התנהגות חשמלית בהתחשב בגיאומטרית המבנה. AXIEM נותן את היענות של מבנים תלת מימדיים מישוריים, כגון קוי תמסורת, סלילים ספירליים, אנטנות, מערכי אנטנות (איור 2), בעוד ש-Analyst מטפל באובייקטים תלת מימדיים כגון חיבורי מוליכים, BGA, מצעים, אנטנות שופר וכדומה. השיפורים ב-Analyst וב-AXIEM בגרסה החדשה התמקדו בשיפור המהירות והדיוק, ובתכונות המשפרות את האוטומציה ושילוביות תהליך התכנון עם Microwave Office.
הגרסא החדשה מבצעת סימולציות באופן מהיר יותר בשל השימוש בפותר מטריצות איטרטיבי המבצע חישוב סימולטני של הדקים רבים. אלגוריתם (Advanced Frequency Sweep) של AXIEM בוחר באופן אוטומטי מערך של נקודות תדר ומשתמש בהן לצורך חישוב היענות מקדמי S עבור כל התחום. ה-AFS בגרסא החדשה מהיר ומדויק יותר עתה, ובדרך כלל יכול להתבסס על פחות נקודות תדר. עדכונים נעשו גם בתחום ה- meshing והם שפרו את היכולות והמהירות, ואפשרו גישה קלה יותר לפתרונות “הדקים בלבד” להדקים, קבועי התפשטות ועכבות ההדקים. אפשר לשלב במודל את חספוס פני השטח (כאשר זה מוגדר) ובכך לשפר את סימולציית קוי התמסורת במצבים בהם החספוס משפיע על ההתנהגות החשמלית, למשל עבור הפסדי החדרה. בנוסף, הגרסא מוסיף שימושיות ושיפורים בעורך תלת מימדי חדש המיועדים לפונקציות שרטוט ובקרת גופים קשיחים, ארגון חומרים ותכונות, השלמה עצמית של פרמטרים, ביטוים משתנים, יצירה ומיון גמיש.
טכנולוגיות EM של צד שלישי
משפחת הפתרונות הקשורה ל-AWR Connected™ המקשרת את תוכנת NI AWR לפתרונות מתוצרת צד שלישי עברה שיפורים שהקלו על הזרמה אוטומטית של נתוני העריכה מסביבת התכן NI AWR למוצרי EM של שותפים. ב-V13 ה-AWR מחוברת באופן יציב ודו כיווני לסימולטורים ל-EM, הכוללים ANSYS HFSS ,CST ו-Sonnet. לאחר יצירת תרשים העריכה בעזרת Microwave Office layout editor, אפשר לבחור בקלות כלי EM מתוצרת צד שלישי לצורך סימולציה והתוצאות מיובאות באופן אוטומטי בחזרה ל- Microwave Office לצורך כיוונון, אופטימיזציה, אנליזת ואישוש תוצאות.
סימולצית מעגל/י מערכת ומודלים/ ספריות
טכנולוגיית
Harmonic Balance
סימולציית HB היא טכנולוגיה חיונית לביצוע אנליזת RF ומיקרוגל במעגלים לא לינאריים המכילים רכיבים אקטיביים (טרנסיסטורים). APLAC הוא השם המסחרי של סביבת הסימולציה למעגלי תדר גבוה של NI AWR , והיא מחוברת באופן ישיר לכלי תכן למעגלים, הן ל-Microwave Office והן ל-Analog Office. הכלי תוכנן בדגש על הקטנת הדרישה לזיכרון ומשך הזמן הנדרש לצורך סימולציה, תוך שמירה על הדיוק של תכנוני ה-RF והמיקרוגל. על מנת להתמודד עם התקנים לא לינאריים של מערכות תקשורת. ה-APLAC כולל עתה סימולטור משתני-זמן HB (מעטפת מעגל) המסוגל לטפל במעגלים המעוררים על ידי מקורות אותות לא מחזוריים, כגון אותות RF מאופננים. המדידות הנלוות מספקות אופייני זרם או מתח בתלות בזמן עבור צורות יחודיות של גל נושא והספקטרום שלו. בשילוב יכולות נוספות של סימולציית צורות גל מאופננות עם מעטפת המעגל, התקבל מקור חדש לתיאור צורות גל מאופננות, כגון היכולת להגדיר נתוני IQ של גל מאופנן. בנוסף, שילוב אלגוריתם חדש בליבה ואלגוריתם משופר לצעדי זמן, הוסיף ליציבות ולמהירות של הסימולציות של ה-APLAC ביחס לתופעות מעבר (במישור הזמן). פיתוחים נוספים כוללים בקרת שגיאות חדשה, אופציה לקביעה מוקדמת של תופעות מעבר למצב מדויק, בינוני או מהיר. אופציית HB נתמכת תופעות מעבר (TAHB), המיושמת במדידות של מעגלי מחלקים ספרתיים ומדידות מדוייקות של רעש מופע לא לינארי בישומי RF אנלוגיים ניתנת לשדרוג ב-V13 לצורך אנליזת תנודות על ידי נטרול אופציית TAHB, פעולה משולבת, או ניחוש ראשוני. בסימולציות במישור הזמן כגון תופעות מעבר ומעטפת מעגל יש צורך להפיק מודל במישור הזמן עבור ההתקנים הפסיביים, פרמטרי S וקוי תמסורת. השיפורים במודל במישור הזמן של ה-V13 כוללים שיפור ביחס מהירות/ דיוק בהפקת הנתונים של פרמטרי S, טיפול משופר בנתונים בעלי איכות נמוכה, ואכיפה פסיבית משופרת. עבור תכנוני מגברים בעזרת מודלים קיימים של טרנסיסטורים, V13 תומך בעקומי משיכה מקור/עומס, ומאפשר למתכנן לראות השינויים שיחולו בהם בעקבות שינוי בעכבות הסיום של המקור והעומס. היכולת היחודית הזו מאפשרת למתכננים לספק עכבות חדשות למקור או לעומס ולראות באופן ישיר את השינוי באופיין בהדקים אחרים ללא צורך לסמלץ את המעגל מחדש, ובכך נמנע הצורך באיטרציות שגוזלות זמן.
תכנון עבור מערכות תקשורת
מתכנני מערכות תקשורת של הדור החמישי נעזרים בפיתוחים מתחומים רבים. אחד מהם הוא שימוש ספקטרלי, הכולל וריאציות של OFDM המבוסס על צורות גל שהוצגו בגרסת LTE מפרסום 8 וצירוף גלי נושא inter ו-intra-band. פיתוח שני הוא שיפור היעילות באויר (OTA) בעזרת MIMO וטכנולוגיות ניהוג אלומה, ומעבר לתדרים גבוהים יותר, במיוחד מעל ל-6GHz וכניסה לתחום הגלים המילימטריים. היכולת החדשות של הגרסא החדשה מסייעות טוב יותר למתכנני מערכות ורכיבים הניצבים בפני אתגרים הקשורים להטמעת טכנולוגיות אלה. צורות הגל החדשות ושילוב גלי נושא מציבים בפני מתכנני מגברי הספק אתגרים גדולים יותר במתן מענה ליעילות, לינאריות והשגת רוחב פס כדי לכסות את רוחב הפס הנדרש ל- intra-carrier. ניתן להקל על התמודדות זו בעזרת סימולטור מערכת ויזואלי (VSS) התומכת בחישובי העמסה המבוססים על מודל ספרתי אקטיבי של התקנים כגון טרנסיסטורי הספק. המערכת מספקת עקומים קבועים עבור מטריצות ביצועי תקשורת כגון יחסי הספק של ערוצים סמוכים (ACPR), EVM, BER, על בסיס נתוני העמסה שנמדדו או מודל התנהגות לא לינארית המבוסס על מדידות או סימולציה של נתוני מעגל או רכיב אקטיבי. (איור 5)
מודלים וספריות
ב-V13 שולבו ספריות ויכולות חדשות ואלו מקנים ל-VSS יכולות ביצוע משופרות של סימולציות מערכות ומגברי הספק לישומי תקשורת יעודיים. תוכנת VSS מספקת עתה תמיכה ב-LTE-A לשילוב רכיבים של גלי נושא מסוג intra-band ו-inter-bandובצורות אפנון של הדור החמישי כגון FBMC, GFDM ו-OFDM (איור 6). יתרונן של טכנולוגיות אלה הוא במהירות עיבוד גדולה יותר, והן מציעות קצב נתונים גבוה יותר. זו הסיבה שהן נשקלות כחלופה ל-OFDM ול-SC-FDMA.
מדידות ותוצאות
לצורך חלוקה ושימוש חוזר בתוצאות בסימולציות עוקבות, שולבה ב-VSS תכונה חדשה המטפלת בקבצי מוצא של מדידות ויוצרת מודל טקסטואלי תואם של התנהגות לא לינארית הכולל מידע על מבוא ומוצא יסודי, תוצאות ערב אפנון (IM3) עבור סימולציה של שני טונים, הרמוניות (לסימולציה של טון יחיד), S11, S12, מאפייני עכבות מבוא ומוצא וספרת רעש. בנוסף,ניתן לייצא כקובץ .xml את המידע על הסטוריית האות המתקבלת מטכנולוגית משגוח FR שב-VSS. המתכנן יכול לראות בתצוגה מקדימה, עוד בטרם הושלם תהליך הסימולציה במלואו, את הגרף המתהווה עבור מדידות מוגדרות, וכך יש לו הזדמנות לשנות את התכנון או לכוון את מקדמי הסימולציה אם מסתמנת בעיה כלשהיא. לרשות המשתמש נוספו שני סמני מדידות, במטרה לעזור לו להעריך את נתוני המדידות: סמן חיפוש עצמי וסמן offset. סמן החיפוש העצמי מיועד לחיפוש אוטומטי אחרי תכונות שקובע המשתמש, כגון עקיבה אחרי ערך מקסימלי, תזוזה לאורך ציר X על מנת לשמור על תיאום עם הערך המשתנה עקב כיוונון, אופטימזציה או מטרה אחרת. סמן ה-offset שומר על היסט מוגדר על ציר X או Y מסמן אחר. בנוסף, ניתן לצרף לסמנים הערות מילוליות לצורך סיוע בתיעוד הגרפים ושיתוף מתכננים שותפים בתובנות.
אופטימיזציה וסינתיזה
V13 תורם להאצת התחלת התכנון על ידי אשף הסיתיזה לתכנון שנאים, מחלקי הספק, ערבלים ומכפלים. הוא מבוסס על ערכת מאפייני מבוא שנקבע על ידי המשתמש. אופטימיזצית התכנון שופרה בעקבות הנהגה שיטות המבוססות על אלגוריתם גנטי המבצע שילובים ובחירות לצורך חקירה מבוססת ומהירה של מספר רב של נקודות רנדומליות המבוזרות במרחב התכנון. כך ניתן לחקור באופן יעיל ומהיר את האפשרויות הגלומות בתכנון ולזהות פתרונות אופטימליים.
סיכום
V13, סביבת התכן החדשה של NI AWR מספקת פתרונות בתחום התכן האוטומטי וטכנולוגיית הסימולציה עבור מוצרים אלקטרוניקה הפועלים בתדרים גבוהים ומיועדים לתעשיות התקשורת, החלל והצבא. הדרישות בתחומים אלה הובילו להתפתחויות בחצאי מוליכים, מעגלים מודפסים שילוב MCM. התוכנות מציעות שיפורים רבי עוצמה בתהליכי תכנון אוטומטי, שיפור מהירות ודיוק בטכנולוגיות של סימולציות של מעגלים, מערכות וסימולציות אלקטרו-מגנטיות. בעזרת V13 יוכלו יצרני התקנים ואינטגרטורים של מערכות להשיג את מכלול הביצועים המאתגרים הנדרשים מהם, כגון מימדים, מחיר, ומהירות ההגעה לשוק.
