仿真软件中的电磁场计算方法

在射频芯片设计软件中都集成了EM仿真软件，其作用就是用数学手段求解或近似求解麦克斯韦方程。不同的软件采用不同的方法，大体上都采用以下几种：MoM （Method of Moments），FEM，FDTD，BEM等等。

通常2D和2.5D仿真采用MoM，将金属分成小单元，单元足够小，使得其电流为常数，通过计算电流来计算电磁场。另一个代表性的就是FEM （有限元法），把需要分析的空间分成小单元，单元足够小，使得其电场强度E为常数，以此求解maxwell方程，求得电磁场的分布。

大家可以猜到MoM的仿真速度会更快，但是FEM的应用范围更广。在射频芯片设计中常用的是2.5D的EM仿真，因为大多电路结构是平面结构，.5是指非平面结构：过孔。因此可以使用MoM仿真，提高设计效率。图1摘自NI公司AWR软件培训PPT，展示了不同计算方法的应用范围。

图1[1]：不同电磁计算方法的应用范围

可以看出patch antenna 和芯片layout都可以使用MoM仿真。

对比EM和schematic仿真

哪些元件需要EM仿真？

一般来讲无源器件和传输线需要EM仿真，而晶体管不做EM仿真，因为无源器件比如电阻、电容都是金属结构，没有偏置的概念；而晶体管更多的是和工作点有关，不同偏置的晶体管的高频特性不同，因此通常不做EM仿真。

举例：一阶LC匹配的EM仿真

为了简单起见，我们仿一个一阶LC匹配电路，看看EM和schematic（原理图）仿真的结果。电路如图2所示：

图2：一阶LC匹配电路示意图

下面我们使用NI公司的AWR Microwave Office 软件做仿真。将LC在layout中连接起来，电路通过过孔接地，Layout的3D效果图如图3所示：

图3：一阶LC匹配电路Layout的3D效果图

这里为了节约时间我们不对过孔进行电磁分析，只对电容电感以及连接他们的微带线做EM仿真。现在，我们在Layout的基础上生成EM文件，自动生成Port或者人工加Port，然后做Meshing（网格化），这个过程中请注意Deembedding的问题（Meshing和Deembedding参见上一篇文章）。这样我们获得了如图4的EM Meshing图：

图4：LC匹配网络的EM Meshing图

从图中可以看出，每个Port都做了延伸，也就意味着做了Deembedding，避免了不连续性的问题，EM的结构是合理的。下面我们对这个匹配网络做原理图和EM仿真，结果如图5所示：

图5：LC匹配网络在3 GHz - 9 GHz的仿真对比

粉色线为EM仿真，可以看出EM仿真的结果向下移动了一点，说明EM仿真发现了更多“电容性”的影响，在射频芯片的设计中，如果大家留心这些对比会发现很多有趣的结果，记录下来就离大神又进了一步，我们一起共勉吧 ?

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]: Setting up EM，NI公司AWR培训PPT， 2009

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射频芯片设计EM仿真（二）--对比EM仿真和schmetic仿真

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对比EM和schematic仿真

哪些元件需要EM仿真？

举例：一阶LC匹配的EM仿真

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