目錄
- “路”的仿真
- “場”的仿真
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- 集總V.S.分布參數
- 提取EM圖形
- Mesh
- 有效的端口
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- 仿真原理
- De-embedding
- 總結
“路”的仿真
設計模拟、射頻內建電路的第一步是使用廠家提供的器件模型進行電路仿真，通常為SPICE、HSPICE等模型，工藝廠将自己的器件模型封裝好，做成一個封閉的器件，工程師在設計時就可以使用模型進行設計，通常這樣的設計是在schematic（原理圖）層面進行的。
通常我們在第一步中多使用“路”的概念，就是電路的路，我們知道電路是電磁場電磁波在器件和線路中傳輸的特殊形式，是麥克斯韋方程（場與波）在其特定環境下的特殊解，是以工程師希望不僅使用“路”的仿真，也希望使用“場”的仿真。
“場”的仿真
第一次看到“路”和“場”的概念是在西電梁昌洪老師的著作中。現在想想這個對比非常好，“路”更多的講的是“集總參數”，“場”則可以計算“分布參數”。
集總V.S.分布參數
集總參數又叫集中參數，是電路分析基礎的前提，該課程的公式和理論都是建立在集總參數的前提上的。其含義是：實體器件和連線的實體尺寸相對于信号的波長小到可以忽略不計，這樣所有的器件都可以看做“點”。在這樣的前提下，在被分析的電路的區域中的每一個點，其信号的相位和幅度都可以視為相同。
與之相對的是分布參數：實體器件和連線的實體尺寸相對于信号的波長不可以忽略不計。這時，信号在不同位置其幅度相位不再相同，這意味着集總參數的分析方法失效。為此，我們需要新的分析手段，例如傳輸線方程，EM電磁仿真，或者将被分析的區域分成許多的小子產品，然後使用集總參數分析。
如圖1所示，一段傳輸線，雖然很短，但如果信号的頻率足夠高，就使得信号的波長和傳輸線的長度可以相比，這時就要使用分布參數的概念，實際應用中“相比”的意思不是實體尺寸說要小于等于一個波長，通常在幾個波長的範圍時，集總參數的分析方法就失效了。
圖1：傳輸線上相位的變化
提取EM圖形
常用的射頻晶片的設計軟體有幾種，本文我們采用的是NI公司的AWR Microwave office為例做說明。
在做好原理圖之後，進入EM仿真前要畫好Layout，把散落的元器件連接配接起來，如圖2所示：
圖2：連接配接好的晶片Layout（部分截圖）
第二步，就涉及到了端口（Port）的問題，在AWR中可以自己設定端口的，也可以通過extract插件将Layout自動提取成EM圖形，這時會自動配置設定端口，如圖2所示。圖中的帶有方框的數字就是各個端口，大寫的字母A表示是自動設定類型的端口。
Mesh
Mesh 是對提取出的EM圖形的網格化，将金屬分成小格，然後進行計算，由于集膚效應（高頻電流集中在金屬表面和邊緣），網格劃分時通常在邊緣處小些，在中間處粗些，如圖3所示：
圖3：對圖2中的電路做Meshing
可以看出在不連續的地方網格劃分比較細，在金屬的邊緣也比較細。Meshing還可以看出直流的連接配接，同一顔色的表示直流上連接配接在一起，即直流電流可以不間斷流過該區域。
有效的端口
圖3中的端口看起來很不相同，有的伸出去很長如端口3、端口4和端口5，也有端口1這樣在内部的，還有端口2這樣沒有向下的尾巴的。
先說結論：端口3、端口4和端口5是有效的端口，端口1和端口2的設定并不是最佳的設定。
仿真原理
簡單的射頻晶片通常使用2D或2.5D的電磁仿真，即平面電磁仿真，其基本原理：使用一個交流電壓源連接配接在端口上，然後計算分布在金屬上的電流元，即電流分布，進而獲得該結構的EM特性，如圖4所示：
圖4[1]：端口仿真示意圖
圖3中所示的向下的“尾巴”就是這樣的仿真電壓源。
De-embedding
De-embedding直譯是去嵌入，它描述的是一個矯正計算的過程，圖3中端口3、4、5向外延長了很多，超出了圖3中立方體的邊界，這就代表該端口做了De-embedding。相比之下，端口1由于在金屬中間沒有辦法做De-embedding，是以它沒有向外延伸，是以端口1的計算有可能是不準确的。
為什麼De-embedding可以讓計算變得準确呢？這涉及到不連續性的問題。圖5展示了一段金屬線的電流分布，可以看出電流在最左側緊挨着仿真加的電壓源處的電流分布和穩态的電流分布是不同的，這樣的不同，就稱之為不連續。
圖5[1]：電流分布的不連續
而De-embedding做了這樣操作，它将仿真端口向外延伸，直到電流在真實的參考面附近是連續的，這時進行電磁場計算，最後在扣除延伸部分的影響，就得到了更好的計算結果。在圖3中的端口1和端口2就是沒有進行De-embedding，是以可能會有計算上的問題。
圖6：金屬Pad的EM仿真（未做De-embedding）
案例2，圖6是一個金屬Pad，用于鍵合，在較高的射頻頻段需要對其仿真，有些工藝的pad是兩層金屬，由于下層的金屬的面積比上層的大，會導緻兩個端口不能延伸出去，就不能做De-embedding。而更準确的、做了De-embedding的圖形應該如圖7所示。
圖7：金屬Pad的EM仿真（使用了De-embedding）
總結
了解了這些之後，就可以開始EM仿真了，總之，注意Meshing的設定，注意端口的提取與位置，盡可能的使用De-embedding，會對仿真有所幫助。水準有限，請多指教 ?
作者：伏熊（專業：射頻晶片設計、雷達系統。愛好：嵌入式。歡迎大家項目合作交流。）
微信：GuoFengDianZi
引用：
[1]https://awrcorp.com/download/faq/english/docs/Simulation/axiem.html