Функциональные улучшения коснулись механизмов ввода проектных данных (как на схемотехническом, так на топологическом уровнях), работы с иерархическими данными схем, системных диаграмм и ЭМ структур, инструментов синтеза, моделирования и оптимизации проекта, а также наборов измерений. В целом, изменения нацелены на обеспечение более эффективной разработки проектов, основанных на конкретных технологических процессах, как, например, печатные платы или гибридные схемы, используемые в многокристальных модулях, включающих в себя различные монолитные и радиочастотные интегральные схемы (МИС и РЧИС) в одном корпусе.
Специализированные наборы разработчика PDK (processdesignkit) содержат файлы библиотеки моделей (символы, параметры компонентов, параметризованные ячейки), данные техпроцесса, модели для симуляций, набор проектных норм для верификации и другие данные. PDKиспользуются производителями для построения готовой к симуляции модели своего устройства на основе данных, доступных в процессе производства. В NIAWRDE 13 были значительно упрощены процесс установки новых PDK и работа с несколькими файлами техпроцесса (LPF), использование которых типично для многокристальных модулей. Помимо этого, в состав PDKтеперь можно включить специально настроенные панели инструментов для поддержки специфики маршрутов проектирования лидирующих производителей компонентов.
В многокристальных модулях проектирование и моделирование внекристальных компонентов, включая встроенные пассивные и многослойные межсоединения, зачастую требует включения в расчёт некого представления одной или нескольких РЧИС для оценки характеристик целого модуля. Разработчику необходимо встроить точную модель РЧИС (или наиболее критичных её частей) в иерархию проекта, учитывающую наличие многослойной подложки. Благодаря усовершенствованному подходу к работе с иерархическими проектами и новому инструменту импорта и экспорта данных OpenAccess (который поддерживает, в частности, импорт/экспорт РЧИС и обозначений из CadenceVirtuoso), разработанные при помощи инструментов Cadence радиочастотные схемы можно запросто моделировать при помощи технологий анализа многокристальных модулей NIAWRDesignEnvironment. Наличие точных моделей РЧИС в иерархии проекта позволяет разработчику сфокусироваться на моделировании и оптимизации характеристик самой многослойной структуры при помощи трёхмерного планарного и/или полноценного трёхмерного ЭМ моделирования на основе симуляторов AXIEM и Analyst соответственно или ЭМ решателей сторонних разработчиков.
Встроенные в NIAWRDesignEnvironment симуляторы AXIEM и Analyst осуществляют расчёт электрических параметров структуры на основе её геометрии при помощи решения уравнений Максвелла. AXIEM применяется для анализа таких планарных структур, как линии передачи, спиральные индуктивности, антенны, антенные решётки и системы (рис. 3) и МДМ конденсаторы, в то время как Analyst предназначен для расчёта трёхмерных объектов: проволочных и шариковых выводов, подложек конечной толщины, антенн (например, рупорных). Обновления расчётных алгоритмов в версии 13 обеспечивают значительный прирост в скорости работы и точности расчёта, а также дополнительные усовершенствования в автоматизации и интеграции процесса проектирования в MicrowaveOffice.
Рисунок 3. Расчётная сетка для системы патч-антенн размером 3х3 элемента и полученные в AXIEM диаграммы направленности.
Моделирование в новой версии AXIEM на основе итеративного матричного решателя стало значительно быстрее благодаря одновременному расчёту нескольких портов. Алгоритм продвинутой развёртки по частоте AFS автоматически выбирает набор частот для моделирования, после чего использует результаты расчёта для интерполяции S-параметров.
Как и AXIEM, Analyst обеспечивает практически двукратное сокращение времени моделирования по сравнению с предыдущей версией. Обновления алгоритмов построения сетки увеличивают точность и скорость расчёта, при этом доступ к режиму анализа портов “Portsonly” и получение данных о распределении полей, коэффициентах распространения и импедансах портов стал ещё проще. Analyst также может моделировать шероховатости поверхностей, что позволяет учесть влияние поверхности на электрические параметры и увеличить точность расчёта линий передачи.
Помимо этого, вместе с Analyst 13 новый функционал добавлен и в 3D редактор, изменения в котором затронули, в частности, функции создания эскизов и управления параметрами сплошных тел, организацию материалов и их параметров в дереве редактора, автоматическое завершение выражений для параметров и переменных, а также группировку и сортировку переменных.
Сторонние решения для ЭМ анализа
Семейство решений AWRConnected™ для взаимодействия программного обеспечения NI AWR с решениями сторонних разработчиков было усовершенствовано для ещё большей автоматизации передачи данных из NIAWRDesignEnvironment в сторонние инструменты ЭМ анализа. Версия 13 AWRConnected, поддерживающая симуляторы ANSYSHFSS, CST и Sonnet, стала более надёжной и полностью двунаправленной. После создания топологии в MicrowaveOffice можно выбрать один из поддерживаемых сторонних ЭМ симуляторов в специальном меню для последующего анализа, после чего набор данных будет автоматически импортирован обратно в MicrowaveOffice для подстройки, оптимизации, статистического анализа и верификации результатов.
Рисунок 4. Выбрав один из поддерживаемых сторонних ЭМ симуляторов в специальном меню для последующего анализа, можно будет получить набор данных, который будет автоматически импортирован обратно в Microwave Office для подстройки, оптимизации, статистического анализа и верификации результатов.
Схемотехническое/системное моделирование и библиотеки моделей
Метод гармонического баланса
Моделирование методом гармонического баланса – это ключевая технология в анализе нелинейных РЧ/СВЧ схем с активными компонентами (транзисторами). Симулятор APLAC – технология NIAWR для моделирования высокочастотных схем – идеально интегрирован в инструменты проектирования схем MicrowaveOffice и Analog Office. APLAC разрабатывался для минимизации времени моделирования и используемой памяти при сохраняющейся надёжности и точности расчёта. Чтобы обеспечить поддержку анализа нелинейных компонентов систем связи, новая версия APLAC включает гибридную технологию частотно-временного анализа по методу огибающей, позволяющей моделировать схемы с источниками апериодических сигналов (например, модулированных РЧ сигналов), при этом доступный набор измерений включает в себя расчёт напряжения или тока во временной области для конкретной несущей и соответствующий спектр сигнала. В дополнение к новой технологии анализа модулированных сигналов, были добавлены новые источники для описания модуляции, в частности, с возможностью ввода IQ данных модулированного сигнала.
Скорость и надёжность движка симулятора переходных процессов (во временной области) APLAC были увеличены за счёт нового ядра и усовершенствованного алгоритма шага по времени. Среди прочих обновлений – новая система контроля ошибок и опция выбора типа расчёта: точный, быстрый или оптимальный. Функция нестационарного гармонического баланса (TAHB), используемая для анализа схем цифровых делителей и точных нелинейных измерений фазового шума аналоговых и РЧ устройств, в версии 13 может быть использована и для анализа осцилляторов путём установки параметра TAHB на один из трёх вариантов: Disabled (отключено), Convergence Aid (подбор сходимости) или Initial Guess (начальное приближение).
Для моделирования во временной области необходимо качественно провести экстракцию соответствующих моделей пассивных компонентов, набора S-параметров и линий передачи. Нововведения версии 13 включают улучшенное соотношение скорость/точность применительно к экстракции S-параметров и более надёжную обработку данных низкого качества.
NIAWRDesignEnvironment версии 13 расширяет поддержку load—pull и source—pull анализа, позволяя разработчикам непосредственно наблюдать за изменениями контуров на диаграмме Смита в зависимости от значений импеданса источника и нагрузки. Этот уникальный функционал обеспечивает значительное ускорение процесса разработки усилителей с известной моделью транзистора, поскольку прямое изменение импеданса нагрузки или источника сразу отображается на контуре противоположного конца тракта и не требует повторного проведения симуляции, что значительно экономит время за счёт отсутствия необходимости в трудоёмком итеративном подходе к согласованию нагрузки или источника.
Разработка систем связи
Достижение характеристик, соответствующих требованиям сетей 5 поколения, основано на разработках в нескольких основных направлениях. Во-первых, это эффективное использование спектра, включающее вариации сигналов с мультиплексированием c ортогональным частотным разделением (OFDM), представленные в LTER8, и меж- и внтуриполосную агрегацию несущей. Во-вторых, это повышение эффективности радиопередачи с развитием технологий MIMO (многоканальный вход – многоканальный выход) и методик управления лучом диаграммы направленности. Ещё одним направлением является переход в область более высоких частот – выше 6 ГГц и дальше в область миллиметровых волн. Нововведения NI AWR Design Environment 13 направлены на помощь разработчикам систем и компонентов, сталкивающихся с новыми вызовами при работе над этими задачами.
Интеграция новых сигналов и несущих усложняет задачи, стоящие перед разработчиками усилителей мощности, в числе которых – достижение характеристик линейности и эффективности, а также покрытие полосой частот таковой для несущей сигнала. Чтобы помочь инженерам с решением этих задач, программный пакет проектирования на системном уровне Visual System Simulator™ (VSS) получил новый функционал, поддерживающий load—pull анализ активных устройств с цифровой модуляцией (например, мощных транзисторов) для таких параметров систем связи, как коэффициент мощности по соседнему каналу (ACPR), модуль вектора ошибок (EVM) и частота получения ошибочных битов (BER) на основе либо измеренных load—pull данных, либо нелинейной модели, построенной на результатах измерений или моделирования (рис. 5).
Рисунок 5. VSS поддерживает load—pull анализ активных устройств с цифровой модуляцией (например, мощных транзисторов) для таких параметров систем связи, как ACPR и EVM.
Модели и библиотеки
Моделирование систем и усилителей мощности для проектирования систем связи в VSS обеспечивается новыми библиотеками и функциями, представленными в версии 13. VSS теперь поддерживает LTE—Advanced (LTE—A) и объединение несущей в одной или разных полосах частот, а также набор перспективных типов модуляции сигналов для сетей 5G: FBMC (мультиплексирование с множеством несущих на основе банка частотных фильтров), GFDM (обобщённый метод частотного дискретного мультиплексирования) и FOFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением и фильтрацией).
Рисунок 6. Новые перспективные для сетей 5G сигналы и поддержка анализа нелинейных схем с цифровой модуляцией и систем связи.
Эти технологии используют преимущества высоких скоростей обработки данных для обеспечения высоких скоростей передачи, и поэтому рассматриваются как замена OFDM и SC—FDMA (ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием на одной несущей), предназначавшихся для скачивания и загрузки данных соответственно.
Измерения и результаты
Для обмена и дальнейшего использования данных в последующих симуляциях в новой версии VSS создаётся текстовый файл нелинейной поведенческой модели, включающий данные о входной и выходной фундаментальных частотах, продуктах интермодуляции (для двухтональных симуляций), гармониках (для однотональных симуляций), S11 и S22, характеристических импедансах входа и выхода, шумовом факторе. Кроме того, данные, полученные при помощи встроенного в VSS РЧ анализатора RF Inspector могут быть экспортированы в файл формата .xml.
Ещё одна новая возможность версии 13 – построение данных измерений в режиме реального времени даже до завершения моделирования, что позволяет разработчикам получить предварительное представление о результатах и даёт возможность подстроить параметры проекта или симуляции для максимальной оптимизации процесса проектирования.
Чтобы помочь пользователям извлечь как можно больше полезной информации из полученных результатов, в версии 13 предложены два новых типа маркеров: маркеры автопоиска и маркеры смещения. Маркеры автопоиска автоматически определяют заданные пользователем элементы (например, глобальный максимум графика) и перемещаются по оси , чтобы оставаться на найденном элементе даже после обновления графика, вызванного подстройкой или оптимизацией какого-либо параметра проекта. Маркеры смещения поддерживают постоянным заданное смещение по осям
и
относительно другого маркера на графике. Помимо этого, к маркерам теперь можно добавлять заметки и примечания в формате RTF для упрощения комментирования и документации результатов.
Оптимизация и синтез
Наконец, но не последнее по значению – версия 13 представляет новые возможности для ускорения запуска проекта благодаря новым скриптам синтеза таких устройств, как преобразователи, делители мощности, смесители и сумматоры, на основе набора задаваемых пользователем начальных спецификаций. Оптимизация проектирования была улучшена за счёт использования новых генетических алгоритмов, основанных на перемешивании и отборе данных для быстрого и надёжного анализа большого числа случайно распределённых по проектному пространству точек. Такой подход приводит к более эффективному поиску проектных возможностей и оптимальных решений.
Заключение
NI AWR Design Environment 13 предлагает новые и усовершенствованные решения в области автоматизации проектирования и моделирования передовых устройств современной высокочастотной электроники, в том числе телекоммуникационного, аэрокосмического и оборонного назначения. Несмотря на то, что стремительный рост требований к компонентам для подобных применений ставит сложные задачи перед разработчиками полупроводниковых интегральных схем, печатных плат и многокристальных модулей, программное обеспечение NI AWR предлагает мощные инструменты автоматизации маршрута проектирования, обеспечивающие высокую скорость и точность моделирования на схемотехническом, системном и электромагнитном уровнях, позволяя производителям устройств и системным интеграторам легко справиться с вызовами рынка РЧ/СВЧ устройств относительно параметров производительности устройств, их размера, стоимости и скорости вывода проекта на рынок.
Чтобы узнать больше о NI AWR Design Environment 13, посетите awrcorp.com/whats—new,
Полное содержание журнала «Электроника СВЧ» №2-2017
Журнал «Электроника СВЧ» №1-2017
Журнал «Электроника СВЧ» №1-2016