分享：电磁仿真的3种主要技术和4种典型应用

传统的电路仿真已经无法为设计射频模块、RFIC 和 MMIC 提供足够强大的解决方案。当今的设计通常具有很高的工作频率、需要处理复杂的波形和各种技术的整合，这就要求在整个设计过程中考虑到所有的电磁效应。现代电磁分析提供了理想的解决方案。

发挥电磁电路分析的潜力

随着集成电路（IC）元器件变得日益复杂，电磁（EM）电路仿真对于实现精确而高效的设计至关重要。电路的电磁效应可能会极大改变电压电平，对半导体器件造成损坏。利用电磁仿真，设计人员可以评测电路上的电磁效应，从而提前避免这一问题带来沉重代价。

电磁仿真使设计人员能够精确地建立系统大部分或整个系统的模型。此外，将 3D 电磁建模与传统电路仿真整合在一起，是从根本上简化设计流程的一种方法。很多设计人员将电路仿真与电磁仿真分开执行。不过，您可以选择恰当的工具同时完成这些任务。

电磁分析正快速成为元器件设计人员的“首选工具”。本电子书详细分析了四个应用，告诉您如何使用电磁仿真来加速和简化设计流程，从而创造更好的设计。

开始新的高频电路设计之前，您需要使用何种电磁仿真方法？

- 了解电磁仿真基础知识

在许多应用领域的不同频率范围内都存在着电磁力。无论您是正在进行无线、数字还是电源应用设计，对电路执行电磁仿真都将让您受益匪浅。目前，市场上存在多种不同的电磁仿真技术方法，它们分别适合一个或多个应用领域。了解每一种方法的技术优势及其应用方法，对于实现成功的设计和仿真至关重要。在您开始新的高频电路设计之前，最好是知道将要使用何种电磁仿真方法。

3 种主要的电磁仿真技术包括：最常用的电磁仿真方法包括矩量法（MoM）、有限元法（FEM）以及有限差分时域法（FDTD）。

矩量法（MoM）

• 3D 平面电磁仿真器

• 用于无源电路分析

• 高效用于平面和多层应用；例如电子和天线
  

有限元法（FEM）

• 3D 全波电磁仿真器

• 测量频域

• 用于任意 3D 结构，例如连接器、焊线和封装
  

有限差分时域法（FDTD）

• 3D 电磁仿真器

• 测量时域

• 用于比感兴趣的波长更大的结构，例如天线系统
  

电磁仿真应用 1 - 方形扁平无引脚封装

一旦完成封装，IC 设计即被视为已完成。这种保护性封装使 IC 的处理和组装变得十分容易。它还能保护 IC 免遭损坏。虽然封装被视为工作流程的最后一个环节， 但 IC 设计人员必须在设计过程的早期，就掌握此封装的电气性能。

此封装可支 持的上限频率是多少？能够使用较低成本的封装来降低成品成本吗？该封装的隔离性能怎么样？

方形扁平无引脚封装（QFN）是电子领域最先进的 IC 封装技术之一。作为一种接近芯片尺寸的封装（CSP），它具有外形纤薄、散热能力适中和电气性能出众等优势。QFN 封装具有良好的散热和电气性能 — 这使其成为 RFIC、MMIC 和 RF SiP 等应用中非常受欢迎的低成本选择。

在配备更宽的过渡线并使用两个引线框架而不是一个引线框架之后，QFN 封装能够实现 50 Ω 的 阻抗。

设计挑战

一个 3 x 3 mm、16 引脚的 QFN 封装能够高达 15 GHz 的频率范围内正常工作。不过，新一代设计需要在相同的封装内达到更高的工作频率。为了增强电路板上的过渡设计，设计人员必须优化输入输出馈线和过渡结构的阻抗。在最终组装之前了解封装的性能限制，则可以有效地减少最后一刻重新设计的风险。

解决方案

为了提高 QFN 封装的性能，您可以进一步优化设计，以便在整个过渡过程中保持 良好的阻抗特性。使用设计软件中集成的 3D 电磁设计工具可以增强过渡设计。通过增加输入和输出线的宽度并使用两个引线框架，可以优化 QFN 封装的性能。

电磁仿真应用 2 - 芯片级封装中的焊接凸点

目前，将 IC 芯片封装到基板和电路板上的方法有很多。芯片尺寸封装（CSP）工艺正赢得越来越多手机和其他小型电子产品制造商的青睐和采用。当制造商从半导体晶圆切割出 IC 芯片之后，接下来将会采用这种工艺。
CSP 允许通过焊接凸点互连半导体器件与外部电路，从而单独地封装小型 IC 芯片。这种方法可以节省空间，使封装变得更轻。由于没有焊线和引脚，因此封装厚度也更薄。

工程师在设计和仿真 IC 时，必须考虑到整个封装的电磁效应，包括焊接凸点和芯片其他部分的电磁效应。

  印刷电路板上的焊接凸点

设计挑战

CSP 的普及带来了一系列新的设计挑战，应对这些挑战需要使用 3D 全波电磁仿真工具。焊接凸点是会影响 IC 整体性能的大型 3D 物体。随着现代技术的进步，工程师期望凸点、芯片和电路板之间的耦合或串扰能够限制在一定水平之内。工作频率的提高带来了交叉耦合等更复杂的设计挑战，这在当今的无线和高速数字应用中 尤为突出。想要最大程度地减少这些挑战、确保设计一次测试成功，IC 和封装设计人员必须对设计进行细致分析。

解决方案

使用协同设计和协同仿真可以全面优化您的设计。您可以使用参数化的 3D 元器件 设计套件快速绘制焊接凸点等 3D 元器件的图形，也可以配合使用其他原理图元器 件来协同设计 3D 元器件。通过与原理图电路的协同设计来重新布置和优化版图中的 凸点，可以对整个系统进行完整的 3D 电磁分析。有限元法（FEM）求解程序可以处理任意形状的结构，例如焊接凸点，其中结构中的 Z 尺寸会发生变化。

   

使用 PathWave ADS 对印刷电路板上的焊接凸点进行完整的 3D 电磁分析

电磁仿真应用 3 - 低温共烧陶瓷模块

低温共烧陶瓷（LTCC）模块是无线和汽车应用中的一个成熟解决方案。LTCC 模块在尺寸、成本和上市时间等方面具有优势。由于它们可以将电容器、电阻器和 电感器集成在一小片区域内，因此 RFIC 可以轻松地安装在此模块上。其导体路 径通常由金或银材质制成，具有出色的物理和电气特性，同时生产成本更低。另外，LTCC 产品的体积较小，通常不到 5 x 5 mm，并具有较高的介电常数。

 

LTCC 产品通常在印刷电路板上组装和测量

设计挑战

尽管 LTCC 模块具有诸多优势，但它同时也为无线器件设计人员带来了一些设计挑战。多个大型结构可能会产生寄生耦合。它们的几何结构十分复杂，而且包含许多密集叠加的层，这就要求设计人员必须采用先进的设计解决方案：灵活且可自定义的 版图编辑器，以及能够对复杂的 3D 几何结构进行建模的仿真技术组合。

LTCC 模块设计通常同时需要 3D 平面和 3D 全波电磁求解程序。借助 3D 平面求解程序，设计人员可以快速获得精确的电磁仿真结果，以及任意无源电磁建模功能。尽管它足以满足大多数 LTCC 应用的需求，但有些情况下还需要使用全波 3D 电磁仿真。

在 PathWave ADS 上进行 3D 电磁仿真的基板堆叠定义和 3D 视图

解决方案

使用 3D 电磁仿真软件精确仿真 LTCC 模块。矩量法（MoM）求解程序为这些复杂的设计提供了理想的解决方案，因为它只将有电流流动的金属表面考虑在内。为了获得最佳精度，设计人员最好使用 3D 全波 FDTD 电磁仿真。

 

3D 平面结构的 MoM 离散化

电磁仿真应用 4 - 多芯片模块

多芯片模块封装是现代电子和微电子系统的一个重要方面。商用无线、航空航天与国防行业正在从单封装单片微波集成电路（MMIC）迅速转移到多芯片模块中的更大、更复杂的 IC。无线器件需要进一步减小尺寸，这一趋势推动行业采用不会影响性能的紧凑封装。通过多芯片模块设计，多个 IC 可以集成在单个封装中，获得器件尺寸和性能上的优势。

设计挑战

多芯片电路仿真要求对整个封装进行协同仿真。多个晶片和基板的设计需要一起执行。同样，IC、层压板、封装以及 PCB 设计与仿真也必须同时实施。各种技术之间的 电磁相互作用要求工程师对此进行精确的建模。在制造过程中使用的各种技术也让电磁分析充满挑战。

 

使用 PathWave ADS 设计的多芯片射频模块

解决方案

使用具有多重技术设计与协同仿真功能的综合 EDA 软件。通过在一个综合工作流程中仿真不同技术之间的电磁相互作用，您可以快速有效地优化设计元件，方便最终封装。使用协同仿真工具对单个封装执行 FEM 和 MoM 分析。协同仿真可以在整个产品开发生命周期中提供更紧密的仿真，使您能够在制造之前发现并解决问题。此外，您可以对设计的任何部分进行仿真，从而准确了解设计性能，而无需配置版图。

 

在 PathWave ADS 中设计的多芯片功率放大器/开关模块

结合运行电磁分析与电路仿真

传统的电路仿真已经无法为设计射频模块、RFIC 和 MMIC 提供足够强大的解决方案。当今的设计通常具有很高的工作频率、需要处理复杂的波形和各种技术的整合，这就要求在整个设计过程中考虑到所有的电磁效应。现代电磁分析提供了理想的解决方案。

动态、简单、综合的 3D 电磁设计流程可以缩短设计周期，提高设计一次通过测试的成功率。

PathWave ADS软件提供了一个参数化的 3D 元器件设计套件，使设计人员可以快速绘制、协同设计和优化 3D 元器件及其他原理图元器件。它为当今的设计人员提供了一种实现精确、高效设计的强大方法。

文章来源：微波仿真论坛

w免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删除！