EMPro 在微波组件设计中的应用
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来源：梁锋 李剑平等 射频百花潭1 引言有源相控阵天线在军用雷达、通信、电子对抗等系统中已经得到了广泛应用[1]。通道中的微波组件是有源相控阵天线的核心部件。根据系统应用的要求和技术发展情况, 对微波组件要求可概括为高性能、微型化、低成本、高可靠性。大批次微波组件性能的一致性是保证系统高性能的基础，除了应用精度更高的微波集成工艺之外，使用性能优良的器件和选择更加合理的设计方案和设计技巧同样对提升组件的一致性具有重要意义。在方案论证阶段，可以利用微波仿真软件对设计方案进行仿真，基于仿真结果可以对方案进行评估，这样可以提高设计效率，提升一次设计成功的概率，同时通过仿真可以判断组件中对性能影响较大的电路部分，这对优化方案，提高组件性能的一致性具有重要指导意义。以上论述基于仿真结果的精确程度，它取决于多种因素，如仿真软件的精度，仿真模型的精度以及仿真条件或者环境的设置等。在建立合理的模型，并正确设置仿真环境后仿真软件的精度决定了仿真结果与实测结果的吻合度（假设制造工艺可以保证）。本文利用电磁场仿真软件EMPro[2]进行微波组件的设计，并把仿真结果与实测结果以及用ADSMomentum[3]仿真的结果进行比较分析，并得出了一些结论。2 组件设计和EMPro 仿真本文利用EMPro 指导设计一款X 波段微波通道组件，该组件将天线接收的信号进行低噪声放大、数控衰减、数控移相、再放大处理后输出，如图1 所示。基于上述方案，考虑到该通道组件工作在X 波段，频率较高，利用微波集成工艺来设计制造。方案中滤波器用的是MEMS 带通滤波器，放大器，数控衰减器以及数控移相器用的都是裸芯片，采用微组装集成工艺实现装配，使得组件体积更小、重量更轻、精度更高、功耗更低，并获得了较好的电性能，同时组件性能的一致性也可以大大提高。裸芯片烧结在金属腔体内，之间通过50Ω微带通过用金丝键合连接，输入输出通过微波绝缘子和接头与前后接电路连接。
设计方案基本确定后，下面的工作是根据技术要求选择器件，合理分配如噪声、增益、功率等指标。然后通过测试或者器件厂商提供得到每个有源器件的模型（一般是该器件的S2P 文件），再通过仿真软件计算得到无源器件和互连结构的模型，最后综合这些模型，在ADS 等软件下进行电路级的仿真就可以得到整个组件的S 参数。对该参数进行分析，可以大致判断设计方案能否满足技术要求，并可以判断组件中的哪部分比较“敏感”，对整个组件的指标影响大，以利于进一步优化方案，在满足性能的前提下综合考虑性能一致性的问题。根据设计方案，加工制造组件，之后用相关仪器测试指标，把实测数据与仿真数据进行对比可以得到一些结论。本文准备利用EMPro 进行组件的仿真，同时为了得到更全面的结论，再用ADS Momentum 进行仿真。EMPro 是一款基于FDTD 和FEM 算法的电磁仿真软件，FDTD 适合复杂系统三维时域仿真，计算速度快，仿真平台内存消耗不大，频域结果由FFT 从时域转换得来，频域精度没有FEM 高。FEM 算法频域仿真精度高，但耗内存。EMPro 的使用方法与常用的HFSS 软件类似，在软件中建模（或者可以从PROE 格式导入），设置边界条件和仿真条件，电磁仿真结束后得到SnP 文件，再把器件的S2P 文件带入进行电路级仿真，即可得到所需结果。按照EMPro 的使用方法，在该软件中建立微波通道组件的模型，如图2 所示，该模型包括金属盒体，盒体内的腔以及烧结在腔表面的微带等，正确设置好边界条件和仿真条件后就可以开始仿真。
根据以往经验，对于平面微带电路，利用电磁场仿真软件ADS-Momentum 同样可以得到比较准确的结果。ADS-Momentum 是一款基于矩量法的电磁场仿真软件，对于“二维半”结构仿真速度快，精度高。ADS-Momentum 中建模比较简单，不需要设置三维结构，只需在软件中把电路的平面模型建立即可，如图3 所示。
反映电路三维结构的如基板厚度，金属厚度以及通孔之类的信息可以通过仿真环境的设置实现。仿真结束后得到SnP 文件，再把器件的S2P 文件带入进行电路级仿真，即可得到整个组件的仿真结果。3 仿真结果基于仿真结果和经验设计、加工、装配了微波通道组件，并使用矢量网络分析仪测试该组件，仿真数据和测试数据见图4，图5 和图6。
图4 显示的是组件的输入驻波系数，蓝色的曲线是实测的结果，粉红色的为利用EMPro 仿真的结果，红色的为利用ADS-Momentum 仿真的结果。
图5 显示的是组件的输出驻波系数，蓝色的曲线是实测的结果，粉红色的为利用EMPro 仿真的结果，红色的为利用ADS-Momentum 仿真的结果。
图6 显示的是组件的小信号增益，蓝色的曲线是实测的结果，粉红色的为利用EMPro 仿真的结果，红色的为利用ADS-Momentum 仿真的结果。4 仿真结果分析通过图4，图5 和图6 的对比可以发现，仿真结果与实测结果基本吻合，利用ADS-Momentum仿真的结果与实测结果的吻合程度优于EMPro，这可能跟模型以及仿真环境的设置有关。基于前面的工作还可以发现： 对于平面微带电路， ADSMomentum建模简单，计算量不大，普通办公计算机就可以完成，而EMPro 的建模复杂，设置繁琐，计算量大，需专业的计算平台才可以完成。5 结论本文使用EMPro 仿真指导设计微波通道组件，之后加工，装配该组件，利用矢量网络分析仪进行测试，并对比仿真结果和测试结果，同时使用ADS-Momentum 进行仿真，再与上述结果进行比对。发现EMPro 的仿真结果与实测结果基本吻合，ADS-Momentum 的仿真结果与实测结果吻合度优于EMPro 。对于大部分的平面微波电路， ADSMomentum可以较好的完成仿真工作。EMPro三维电磁场仿真介绍Electromagnetic Professional（EMPro）是 Keysight EEsof EDA 的软件设计平台，用于分析元器件的三维电磁场（EM）效应，例如高速和射频 IC 封装、封装接线、天线、芯片上和芯片外嵌入式无源元件以及 PCB 互连设备。EMPro 具有现代领先的设计、仿真和分析环境以及大容量仿真技术，并综合了业界领先的射频和微波电路设计环境――先进设计系统（ADS），可用于快速高效地进行射频和微波电路设计。
EMPro 的主要优势：（1）设计流程整合：通过使用电磁场电路仿真，创建可以在先进设计系统（ADS）中使用二维电路版图以及原理图进行仿真的三维元器件。（2）广泛的仿真技术：使用频域和时域三维电磁场仿真技术设置和运行分析：有限元方法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）（3）高效的用户接口：使用现代的、简单的图形用户界面快速创建任意三维结构，该界面可以节省时间并提供先进的脚本特征EMPro 的主要特征是一个三维电磁场仿真平台，可以创建和导入任意三维结构，并运行有限元方法（FEM）和有限差时域（FDTD）仿真。EMPro 是设计流程综合解决方案的一部分，该方案还包括先进设计系统（ADS）电路设计环境和多电磁场仿真技术。高效的现代三维固态建模环境可以从头开始或使用现有模板创建任意三维对象可以导入、修改和仿真 CAD 文件功能强大的 Python 脚本可提供先进的自动化功能支持 Linux 和 Windows与 ADS 设计流程整合可以导出参数化三维元器件，并结合原理图/版图在 ADS 环境中进行仿真可从 ADS 导入版图对象频域仿真有限元方法（FEM）仿真引擎最适合典型射频/微波元器件仿真针对不同应用的直接或迭代求解器EMPro 和 ADS 可提供相同的 FEM 引擎时域仿真时域有限差分（FDTD）仿真引擎最适合天线仿真等大型电子问题以及信号完整性应用一致性测试选件可用于比吸收率（SAR）等常规分析图形处理器单元（GPU）加速选件可大幅提升速度和容量。微波与制导微信：xfmwgd 投稿邮箱：weibozhidao8605@163.com
设计方案基本确定后，下面的工作是根据技术要求选择器件，合理分配如噪声、增益、功率等指标。然后通过测试或者器件厂商提供得到每个有源器件的模型（一般是该器件的S2P 文件），再通过仿真软件计算得到无源器件和互连结构的模型，最后综合这些模型，在ADS 等软件下进行电路级的仿真就可以得到整个组件的S 参数。对该参数进行分析，可以大致判断设计方案能否满足技术要求，并可以判断组件中的哪部分比较“敏感”，对整个组件的指标影响大，以利于进一步优化方案，在满足性能的前提下综合考虑性能一致性的问题。根据设计方案，加工制造组件，之后用相关仪器测试指标，把实测数据与仿真数据进行对比可以得到一些结论。本文准备利用EMPro 进行组件的仿真，同时为了得到更全面的结论，再用ADS Momentum 进行仿真。EMPro 是一款基于FDTD 和FEM 算法的电磁仿真软件，FDTD 适合复杂系统三维时域仿真，计算速度快，仿真平台内存消耗不大，频域结果由FFT 从时域转换得来，频域精度没有FEM 高。FEM 算法频域仿真精度高，但耗内存。EMPro 的使用方法与常用的HFSS 软件类似，在软件中建模（或者可以从PROE 格式导入），设置边界条件和仿真条件，电磁仿真结束后得到SnP 文件，再把器件的S2P 文件带入进行电路级仿真，即可得到所需结果。按照EMPro 的使用方法，在该软件中建立微波通道组件的模型，如图2 所示，该模型包括金属盒体，盒体内的腔以及烧结在腔表面的微带等，正确设置好边界条件和仿真条件后就可以开始仿真。根据以往经验，对于平面微带电路，利用电磁场仿真软件ADS-Momentum 同样可以得到比较准确的结果。ADS-Momentum 是一款基于矩量法的电磁场仿真软件，对于“二维半”结构仿真速度快，精度高。ADS-Momentum 中建模比较简单，不需要设置三维结构，只需在软件中把电路的平面模型建立即可，如图3 所示。反映电路三维结构的如基板厚度，金属厚度以及通孔之类的信息可以通过仿真环境的设置实现。仿真结束后得到SnP 文件，再把器件的S2P 文件带入进行电路级仿真，即可得到整个组件的仿真结果。3 仿真结果基于仿真结果和经验设计、加工、装配了微波通道组件，并使用矢量网络分析仪测试该组件，仿真数据和测试数据见图4，图5 和图6。图4 显示的是组件的输入驻波系数，蓝色的曲线是实测的结果，粉红色的为利用EMPro 仿真的结果，红色的为利用ADS-Momentum 仿真的结果。图5 显示的是组件的输出驻波系数，蓝色的曲线是实测的结果，粉红色的为利用EMPro 仿真的结果，红色的为利用ADS-Momentum 仿真的结果。图6 显示的是组件的小信号增益，蓝色的曲线是实测的结果，粉红色的为利用EMPro 仿真的结果，红色的为利用ADS-Momentum 仿真的结果。4 仿真结果分析通过图4，图5 和图6 的对比可以发现，仿真结果与实测结果基本吻合，利用ADS-Momentum仿真的结果与实测结果的吻合程度优于EMPro，这可能跟模型以及仿真环境的设置有关。基于前面的工作还可以发现： 对于平面微带电路， ADSMomentum建模简单，计算量不大，普通办公计算机就可以完成，而EMPro 的建模复杂，设置繁琐，计算量大，需专业的计算平台才可以完成。5 结论本文使用EMPro 仿真指导设计微波通道组件，之后加工，装配该组件，利用矢量网络分析仪进行测试，并对比仿真结果和测试结果，同时使用ADS-Momentum 进行仿真，再与上述结果进行比对。发现EMPro 的仿真结果与实测结果基本吻合，ADS-Momentum 的仿真结果与实测结果吻合度优于EMPro 。对于大部分的平面微波电路， ADSMomentum可以较好的完成仿真工作。EMPro三维电磁场仿真介绍Electromagnetic Professional（EMPro）是 Keysight EEsof EDA 的软件设计平台，用于分析元器件的三维电磁场（EM）效应，例如高速和射频 IC 封装、封装接线、天线、芯片上和芯片外嵌入式无源元件以及 PCB 互连设备。EMPro 具有现代领先的设计、仿真和分析环境以及大容量仿真技术，并综合了业界领先的射频和微波电路设计环境――先进设计系统（ADS），可用于快速高效地进行射频和微波电路设计。EMPro 的主要优势：（1）设计流程整合：通过使用电磁场电路仿真，创建可以在先进设计系统（ADS）中使用二维电路版图以及原理图进行仿真的三维元器件。（2）广泛的仿真技术：使用频域和时域三维电磁场仿真技术设置和运行分析：有限元方法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）（3）高效的用户接口：使用现代的、简单的图形用户界面快速创建任意三维结构，该界面可以节省时间并提供先进的脚本特征EMPro 的主要特征是一个三维电磁场仿真平台，可以创建和导入任意三维结构，并运行有限元方法（FEM）和有限差时域（FDTD）仿真。EMPro 是设计流程综合解决方案的一部分，该方案还包括先进设计系统（ADS）电路设计环境和多电磁场仿真技术。高效的现代三维固态建模环境可以从头开始或使用现有模板创建任意三维对象可以导入、修改和仿真 CAD 文件功能强大的 Python 脚本可提供先进的自动化功能支持 Linux 和 Windows与 ADS 设计流程整合可以导出参数化三维元器件，并结合原理图/版图在 ADS 环境中进行仿真可从 ADS 导入版图对象频域仿真有限元方法（FEM）仿真引擎最适合典型射频/微波元器件仿真针对不同应用的直接或迭代求解器EMPro 和 ADS 可提供相同的 FEM 引擎时域仿真时域有限差分（FDTD）仿真引擎最适合天线仿真等大型电子问题以及信号完整性应用一致性测试选件可用于比吸收率（SAR）等常规分析图形处理器单元（GPU）加速选件可大幅提升速度和容量。微波与制导微信：xfmwgd 投稿邮箱：weibozhidao8605@163.com