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Amir Asif
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17 Dec 2020
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Virtuoso Meets Maxwell: Clarity 与有限元方法结合

”Virtuoso Meets Maxwell “是一系列旨在探讨 Virtuoso RF 和 Virtuoso MultiTech 现有及潜在功能的博客。Virtuoso又是如何与麦克斯韦方程组 (Maxwell) 联系上的呢?  当前版本的 Virtuoso 支持射频设计,设计工程师们使用麦克斯韦方程组,就能测量物理和辐射效应。该系列博客除了提供一些实用软件和增强功能的精辟见解外,还能通过播客的方式,与听众分享博主和专家们在使用 Virtuoso Packaging 各种工具时,所积累的经验和知识。我们的博客将隔周准时更新,并于周一准时上线!

 

大家好! 本文作为“电磁仿真工具与 Virtuoso RF 解决方案集成的系列博客”的续篇,将介绍一款新的求解器引擎,该引擎是通过”有限元方法(FEM)”来实现的。 这种基于FEM的分析方法也被称为“有限元分析(FEA) ”。Cadence 提供了一个功能强大的FEM工具- Clarity 3D Solver 求解器,它可以帮助用户清晰的捕捉到版图的电磁行为。

本博客可以解决您在使用 Clarity 3D Solver 求解器运行EM仿真时,遇到的这些问题:

为什么需要考虑使用 FEM 求解器?

FEM 中需要多少个元素? Clarity 3D Solver 求解器如何确定版图所需的元素数量?

为什么我们需要边界或边界框,为什么每个边界都需要一个条件?

为什么需要特别注意FEM端口设置?

为什么需要考虑使用FEM求解器?

基于 FEM 的电磁提取工具,其精度高且容量相对较大(可以对 IC、模组,PCB 等进行建模)这在业界广为人知。在FEM仿真的第一步,这些结构会被切割成有限数量的小型四面体网格元素(通常称为“元素”)。而这些基于四面体元素的FEM求解器可以作用于任意非平面形状(如引线键合)来进行仿真,并且可以捕获结构之间的耦合,因此它们也常被称为“全3D”电磁求解器, Clarity FEM 求解器结合并行化算法,在保持精度的同时提供了前所未有的性能。此外,Clarity 3D Solver 求解器与 Cadence 其它相关的版图工具都能集成且联系紧密,从而简化了版图和结果的传输。

Clarity 3D Solver 求解器与 Virtuoso RF 解决方案之间的集成便于将版图导出到求解器中,并且将结果反标在 Virtuoso 中。在此之前,我们需要花费大量的时间来准备和设置电磁仿真环境,并且手动将产生的仿真结果放置到合适的位置。现在,通过Virtuoso RF 解决方案与 Clarity 3D Solver 求解器就可以自动化处理这些过程!

FEM 中需要多少个元素? Clarity 3D Solver 求解器如何确定版图所需的元素数量?

自适应功能是基于 FEM 网格划分算法的一个强大功能。初始网格是指将结构划片后并创建一定数量的网格元素。然后您需要更细化这些网格元素并创建矩阵,并且在指定频率检查新网格和旧网格对应矩阵条目的差异。如果差异大于事先定义好的阈值,则将这些网格元素再次拆分为更小的网格元素,满足差异阈值的元素则不再拆分,拆分和检查的过程不断重复,并且在每次迭代中,都在需要的地方添加更多的网格元素。最终,当所有差异均降至设定的阈值之下,结构达到其“最终网格”时,就可以继续进行频率扫描。

图1:初始和最终网格元素对比(白线是元素的边缘)

尽管上图中没有显示,但是 FEM 仍会在电介质中生成网格元素,包括边界框内的空气

这种方法的优势在于必要时可以使得网格更紧密,且不会创建额外的不必要的网格元素。大多数的时候,元素之间的差异阈值(也称为delta_S)设置为 0.02(即2%)。一旦差值小于 0.02,停止网格优化。大多数情况下,0.02 就能满足精度要求。 如有必要,也可以将差异阈值设置为小于 0.02 的任意值以获得更密集的网格。

Clarity 3D Solver 求解器有自己的网格划分算法,可以自动确保足够的网格化。您还可以控制网格划分并且使用不同的设置。

为什么我们需要边界或边界框,为什么每个边界都需要一个条件?

3D-FEM 工具之所以有趣是因为它们需要一个边界或者边框,并且所有的仿真都期望在边界内完成。这些边界或者边界框可以有很多面,也可以是一个六面体的盒子。

默认情况下, 3D-EFM 中的“空白”部分将会被金属填满,而不是留白或是空气,并且金属内部没有任何电场。因此,在这些边界中会填充空气让这些金属“流动“,并且像一个”气泡“一样包围整个关注区域,所有仿真都在其内部完成。(我也喜欢把它想象成这样的场景:在潜艇内,一个人周围都是水,潜艇就像一个“气泡”,让他在里面自由行走)。设计和边界之间的空间通常充满空气(也可以使用真空),我们经常会用“空气盒子”这个术语来代替这种边界框。

图2. 简单介绍真空“空气盒子“,这个盒子的表面可以设置或接收边界条件。

现在,我们的设计已经有了边界框,下一步我们需要在边界面上分配一些“条件”, 如 ABC(吸收边界条件),PEC(完美电导体),PMC(完美磁导体)等。简而言之,它指定了此边界框每个面的行为。由于 ABC 与仿真更为紧密相关,因此我们将以它为例,设计发出的电磁辐射从内部撞击“空气盒子”的表面,如果边界表面的条件设置为“吸收”,则撞击在其上的大部分辐射将被吸收,而回到设计的反射很少。

使用这种吸收性边界条件的原因是什么?一方面,通过吸收大部分辐射,该边界框模拟仿真了一个“露天”环境。被仿真的设备,它所发射的大部分辐射感觉上是被发散到了自由空间中,但是实际上都被吸收在边界条件内。这使得仿真器无需在仿真当中考虑大量空气,就能够通过有限的体积和数据对设计进行建模。

另一方面,不好的边界尺寸和条件会使得仿真结果非常不准确。比如边界距离与 信号传输线太近,电磁场会与边界相互作用,从而干扰信号线的性能并产生错误的结果。而且,一个 PEC 条件反射回内部的辐射会比一个 ABC 反射的要多。因此,我们必须根据仿真要求仔细选择条件。

另外,我们还需要确定合适的边框尺寸,太小可能会导致结果不准确,太大可能会浪费计算资源、花费更多时间来获得结果。

目前有很多的经验规则帮助我们来确定边界框的尺寸,同样大小的框可能适用于所有频率值,但也可能不适用。一般而言,边界框的尺寸应足够大以避免与设计产生任何耦合,并且在结构中进行仿真的“感觉”应类似于在真实环境中的感觉。

在 Clarity 3D Solver 求解器中,可以使用一个“对话框”为所有方向上的边界设置间隙,也可以绘制一个框并且将其材料定义为“空气”。同样,也可以在一个对话框中或在绘制的边界框表面上设置边界条件。

为什么需要特别注意FEM端口设置?

端口一般放置在仿真结构中待激励的位置。 FEM 求解器中有几种类型的端口,但是在此我们只讨论集总端口(lumped ports)。 FEM 端口定义有一些特定要求,其中 “所有端口都必须具有本地参考“ 这个要求尤为重要,在某种程度上它类似于电压源中的参考。除非我们仿真辐射结构(如天线),否则通过结构中某个端口注入的所有电荷/电流通常会从贯穿整个结构路径之后从该端口的另一端返回。相比之下,对于基于矩量法(MoM)的求解器而言,端口可以有明确的参考,也可以没有,但是对于 FEM 端口而言,它必须明确定义参考地,且该参考在仿真范围内。

集总端口必须含有一个同时接触本地参考和仿真结构的几何形状,它就表示一个端口。要是没有这个几何形状,端口就不能存在于FEM仿真中。大多数时候,集总端口的形状就只是一个矩形片。

图3:绿色框是接触本地参考以及待提取结构的端口形状。 (金属显示,电介质隐藏)

我提到从端口一端注入的电流或电荷必须返回(除非辐射像天线一样)。电荷将穿过结构,到达其他端口(如果存在)并到达返回路径,然后返回到端口形状的底部,即该端口的参考。端口方向箭头指示电流的流向。

图4:端口方向和电流环路的简化图示(金属显示,电介质隐藏)

尽管电荷流方向会随时间和相位的变化而变化,但所有端口都需一个共有的方向,以便它们可以有意义地关联。例如 以可见端口的放置方向为例,我将以一样的方法来设置另一个端口的方向(在图4中未显示)。那么,另一个端口也应朝上。我们通常以这样的方式来设置端口方向,即箭头尖端接触被提取的迹线。

当您使用 Clarity 3D Solver 求解器运行EM仿真时,有一个设置向导将为所选择的网络查找本地参考并创建端口。 Clarity 3D Solver 求解器能够轻松处理复杂设计中的数百个端口,并且以业界领先的速度找到结果。

今天就到这里,这次我们简单地介绍了基于 FEM 的电磁分析,涉及了一点 Clarity 3D Solver 求解器的知识,在下一篇文章中,我将给大家介绍 Clarity 3D Solver 求解器如何使电磁仿真变得更简单。

相关资源

  • Virtuoso RF Solution
  • Clarity 3D Solver
  • What’s New in Virtuoso (ICADVM18.1 Only)
  • Virtuoso RF Solution Guide

欲知更多 Cadence 电路设计相关的产品及服务,请访问www.cadence.com。

Virtuoso Meets Maxwell 系列博客涵盖了与下一代芯片、 封装和电路板设计流程等相关的文章,着重介绍新开发及优化的设计流程,以确保设计师仍然是“设计师”,请持续关注!

 

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Author: Amir Asif 

Translator: Lucy Luo

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