射频芯片设计EM仿真（一）

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“路”的仿真

设计模拟、射频集成电路的第一步是使用厂家提供的器件模型进行电路仿真，通常为SPICE、HSPICE等模型，工艺厂将自己的器件模型封装好，做成一个封闭的器件，工程师在设计时就可以使用模型进行设计，通常这样的设计是在schematic（原理图）层面进行的。

通常我们在第一步中多使用“路”的概念，就是电路的路，我们知道电路是电磁场电磁波在器件和线路中传输的特殊形式，是麦克斯韦方程（场与波）在其特定环境下的特殊解，因此工程师希望不仅使用“路”的仿真，也希望使用“场”的仿真。

“场”的仿真

第一次看到“路”和“场”的概念是在西电梁昌洪老师的著作中。现在想想这个对比非常好，“路”更多的讲的是“集总参数”，“场”则可以计算“分布参数”。

集总V.S.分布参数

集总参数又叫集中参数，是电路分析基础的前提，该课程的公式和理论都是建立在集总参数的前提上的。其含义是：物理器件和连线的物理尺寸相对于信号的波长小到可以忽略不计，这样所有的器件都可以看做“点”。在这样的前提下，在被分析的电路的区域中的每一个点，其信号的相位和幅度都可以视为相同。

与之相对的是分布参数：物理器件和连线的物理尺寸相对于信号的波长不可以忽略不计。这时，信号在不同位置其幅度相位不再相同，这意味着集总参数的分析方法失效。为此，我们需要新的分析手段，例如传输线方程，EM电磁仿真，或者将被分析的区域分成许多的小模块，然后使用集总参数分析。

如图1所示，一段传输线，虽然很短，但如果信号的频率足够高，就使得信号的波长和传输线的长度可以相比，这时就要使用分布参数的概念，实际应用中“相比”的意思不是物理尺寸说要小于等于一个波长，通常在几个波长的范围时，集总参数的分析方法就失效了。

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图1：传输线上相位的变化

提取EM图形

常用的射频芯片的设计软件有几种，本文我们采用的是NI公司的AWR Microwave office为例做说明。

在做好原理图之后，进入EM仿真前要画好Layout，把散落的元器件连接起来，如图2所示：

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图2：连接好的芯片Layout（部分截图）

 

第二步，就涉及到了端口（Port）的问题，在AWR中可以自己设置端口的，也可以通过extract插件将Layout自动提取成EM图形，这时会自动分配端口，如图2所示。图中的带有方框的数字就是各个端口，大写的字母A表示是自动设置类型的端口。

Mesh

Mesh 是对提取出的EM图形的网格化，将金属分成小格，然后进行计算，由于集肤效应（高频电流集中在金属表面和边缘），网格划分时通常在边缘处小些，在中间处粗些，如图3所示：

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图3：对图2中的电路做Meshing

可以看出在不连续的地方网格划分比较细，在金属的边缘也比较细。Meshing还可以看出直流的连接，同一颜色的表示直流上连接在一起，即直流电流可以不间断流过该区域。

有效的端口

图3中的端口看起来很不相同，有的伸出去很长如端口3、端口4和端口5，也有端口1这样在内部的，还有端口2这样没有向下的尾巴的。

先说结论：端口3、端口4和端口5是有效的端口，端口1和端口2的设置并不是最佳的设置。

仿真原理

简单的射频芯片通常使用2D或2.5D的电磁仿真，即平面电磁仿真，其基本原理：使用一个交流电压源连接在端口上，然后计算分布在金属上的电流元，即电流分布，从而获得该结构的EM特性，如图4所示：

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图4[1]：端口仿真示意图

图3中所示的向下的“尾巴”就是这样的仿真电压源。

De-embedding

De-embedding直译是去嵌入，它描述的是一个矫正计算的过程，图3中端口3、4、5向外延长了很多，超出了图3中立方体的边界，这就代表该端口做了De-embedding。相比之下，端口1由于在金属中间没有办法做De-embedding，所以它没有向外延伸，所以端口1的计算有可能是不准确的。

为什么De-embedding可以让计算变得准确呢？这涉及到不连续性的问题。图5展示了一段金属线的电流分布，可以看出电流在最左侧紧挨着仿真加的电压源处的电流分布和稳态的电流分布是不同的，这样的不同，就称之为不连续。

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图5[1]：电流分布的不连续

 

而De-embedding做了这样操作，它将仿真端口向外延伸，直到电流在真实的参考面附近是连续的，这时进行电磁场计算，最后在扣除延伸部分的影响，就得到了更好的计算结果。在图3中的端口1和端口2就是没有进行De-embedding，因此可能会有计算上的问题。

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图6：金属Pad的EM仿真（未做De-embedding）

 

案例2，图6是一个金属Pad，用于键合，在较高的射频频段需要对其仿真，有些工艺的pad是两层金属，由于下层的金属的面积比上层的大，会导致两个端口不能延伸出去，就不能做De-embedding。而更准确的、做了De-embedding的图形应该如图7所示。

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图7：金属Pad的EM仿真（使用了De-embedding）

总结

了解了这些之后，就可以开始EM仿真了，总之，注意Meshing的设置，注意端口的提取与位置，尽可能的使用De-embedding，会对仿真有所帮助。水平有限，请多指教 ~

 

作者：伏熊（专业：射频芯片设计、雷达系统。爱好：嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）

微信：GuoFengDianZi

 

引用：
[1]https://awrcorp.com/download/faq/english/docs/Simulation/axiem.html