2010

• 封面故事: 電磁-關鍵性的設計流程 • 電磁模擬在射頻/微波的重要性設計:

流程上到底出了什麼問題? • 客戶成功案例: Legrand • 客戶成功案例: Cree

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封面故事

電磁-關鍵性的設計流程

Ted Miracco, Executive Vice-President, Co-founder AWR

當您年輕的時候, 您是否曾經試圖拼出

一個超過1000 片的拼圖？我採取的作

法是開始拼湊框架，然後組裝類似的顏

色和圖案，終於在幾週後，完成拼圖。

那麼，是不是所有步驟都與AWR中的

AXIEM™或EM模擬看起來很像？

對於許多射頻/微波工程師，電磁模擬

就像是拼圖;拼图越大，解決它們的時

間呈指數形成長。這意味著我們有實際

限制的拼圖和有限的工程師資源可以進

行模擬運算。解決數千件電磁模擬疑團

是“容易”的，但處理幾十萬甚至以百

萬計的電路，這真的需要一些非常複雜

的演算法、數學上的快捷方式和先進的

方程式才能處理。

幸運的是，成立AWR的, 是擁有深厚工

程背景的工程師們，他們充分了解到解

決難題的困難性，並充分了解到試圖解

決複雜設計的痛苦，及卡在尖端的產品

迫在眉睫的時間表和最後期限。 我們的

AXIEM EM模擬器是採用最先進的數學

方法，使我們能夠解決的“難題’”數

量級大於傳統的EM工具，並且不犧牲

任何的準確性！

隨著AXIEM令人嘆為觀止的速度，令

人印象深刻的能力，現在我們的客戶

已經重新定位電磁設計流程, 從最後的

驗證工具轉移到關鍵的工程設計流程。

AWR的工具提供了世界領先的性能，電

路模擬，佈局和簡單的操作介面超過十

年，增加了AXIEM之後，我們再次提升

自己迎向挑戰，現在我們提供的3D平面

EM技術改變了遊戲規則, 在設計電路上

所需的時間, 創下新的紀錄。

我們非常高興在過去的一年, AXIEM幫

助我們的客戶通過提高生產力的衝擊。

在去年的IMS展會上，AXIEM再次登上

了IEEE中心的舞台上- 2009年波士頓

IMS。在這個時候，我們客戶的讚譽, 及

我們設計流程大大的改善, 也給足我們

信心繼續為廣大的客戶服務.

隨著AXIEM的版圖在市場占有一席之

地，我們開始接受另一項挑戰-任意

3D電磁場。為此，我們AWR透過了

STAAR acquisition收購了Analyst™

technology。Analyst technology與

跨界合作的美國國防部共同推出總共歷

時10年的卓越三維有限元法（FEM）電

磁分析能力。我們AWR現在正努力把這

項技術以無縫集成與AWR設計環境™做

結合。我們即將在2010年將它呈現在您

的面前！

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客戶成功案例

客戶背景Legrand是全球專業的住宅，商業及工業

大樓電氣設備及數據網絡產品和系統安裝

的專家。在全球有66個單位, 超過33,000名

員工遍布全球各地，並且銷售到160多個國

家，營業額超過3.7億歐元。射頻設計小組

專門從事數據傳輸和無線控制家用電器。

設計挑戰Legrand針對消費電子產品市場開發用印刷電路板（PCB）完成的系統。他們必須將許多不同功能的單元, 放在一片有限的PCB上，並同時確保所有的功能單元在系統內可以正常運作。

評估AXIEM 3D電磁場分析作為AWR早期採用者及使用創新技術

的公司，Legran很樂於把新的AXIEM

模擬軟體放進去執行測試，Vincent

Grigis，Legrand射頻工程師為了要瞭解

AXIEM的性能，設計了好幾個不同的測試

架構, 並且儘量用接近模擬時用的架構方

式來組裝FR4成品。據Vincent言， AXIEM

和其它現存的電磁模擬工具做比較時, 主

要的優點有三個是1)開放邊界，提供更好

的準確性，2）小區塊混合網路分析功能

(conformal, hybrid mesh), 使得分析速度

更快3）精確度高和速度快, 甚至當使用在

厚金屬層分析時, 表現還是優於其它現存

的軟體。

“模擬結果和實際量測結果做比較, 證明

AXIEM是非常準確的模擬軟體。”Vincent

如此說。“此外，有趣的是，觀察更多的

準確性高的好處時，在銅箔厚度被忽略時,

模擬一個螺旋結構的微帶線, 只要幾秒鐘的

時間就可以完成精準的模擬, 但若加上銅箔

厚度的資料一起模擬時, 往往要花幾分鐘時

間完成模擬, 但還是比Legrand目前現有的

解決方案快得多了。

接著, Legrand又做了第二種測試，這次

放了電感在PCB兩側，並且將銅箔厚度列

入考量, 利用AXIEM獨特的分析能力, 再一

次，AXIEM展現了很準確的分析結果, 相較

於Legrand以往使用的電磁分析工具，

在計算相同的結構下, AXIEM的模擬速度比

其它工具快過10倍以上，且提供更精準的

分析結果。

評估總結“當所有的因素考慮在內時, AXIEM提供很

好的模擬結果，”來自Vincent的評論。

“我們相信使用配備4GB記憶體的機器來

做模擬時，可以以非常短的時間模擬非常

巨大的結構，並且得到非常準確的結果。

我們對AXIEM初步評估的結果很滿意，並

且將它放入我們的設計流程中。我們對於

AXIEM幫我們節省的設計時間及令整個設

計流程非常順暢, 感到很興奮, 並且因為它,

我們在設計上有了更多的空間。“

Legrand在試用過AXIEM之後, 背書認同

AXIEM simulation results were highly accurate compared to measured data. The results show additional accuracy when the actual copper thickness was taken into account.

“我們對AXIEM初步評估的結果很滿

意，並且將它放入我們的設計流程中。

我們對於AXIEM幫我們結省的設計時間

及令整個設計流程非常順暢, 感到很興

奮, 而且因為它, 我們在設計上有了更多

的空間。”

Vincent Grigis RF Engineer

Legrand www.legrandelectric.com

電磁模擬在射頻/微波的重要性設計: 流程上到底出了什麼問題?

簡介工程師和科學家或技術人員有什麼不

同?以及為什麼企業傾向於請很多同樣

背景的同仁？工程方法是根據理論基

礎及經驗的累積來設計解決電路問題,

同時還要考量成本, 獲利及風險。例

如，在設計階段，我們在同時考量成

本及風險的情形下定義一些參數, 而這

些參數是根據我們要逹成的設計目標

而訂定的。對於典型的微波設計，在

一些參數上，我們經常考慮的是線的

寬度和長度，設計目標可能是增益和

輸出功率, 至於成本, 可能會對應到設

計面積的大小, 而風險可能是良率。

挑戰對於RF /微波設計有幾個障礙使得設計

流程複雜化。首先，我們必須承認，佈

局(layout)或製程(implementation)是

設計的關鍵。在考慮這樣高頻率的設

計，我們就不能忽視Maxwell方程式。

而實際線的長度，彎曲，和每一點鄰近

的金屬都可以影響整體設計，因此，

我們不能再天真地以為電路圖便可以

成功地捕捉到整個設計, 電路佈局也是

關鍵。

電磁分析流程今天，電磁分析就是一個典型解決上

述問題的方法。電磁分析不僅在於將

設計中所有的因子都用電磁模型考慮

進去, 它同時也提供了設計者對設計所

作的假設一個驗證的機制, 確認金屬間

的影響。設計流程，從包括量測和工

程理論的電路設計方法出發，到電路

佈局前後的電磁模擬分析，已經逐漸

成為趨勢。

然而，越來越多的設計，過度依賴EM

模擬, 並且一直使用它來做所有分析，

而不是用工程方法來做實際的設計。

這種用電磁分析方法來模擬一切設計

的轉變, 不是一朝一夕發生的事，有幾

個很好的原因是促使設計團隊和公司

都採用這種設計流程。第一個原因是

模型準確度。有時，模型的準確度不

能逹到我們要求的標準, 因為身為工程

師，我們被要求模型不準的範圍要愈

來愈小-設計容許範圍(design mar-

gin), 製造容許範圍(manufacturing

margin), 和設計時程容許範圍(design

cycle time margin)也都要愈來愈小。

愈來愈小的設計空間, 使得我們有愈來

愈大的壓力, 甚至當變數可調範圍變小

Dr. Mike Heimlich, Microwave & RF Marketing, AWR

的情形下, 仍然必須要在設計之初就

解決許多問題。工程師的天性, 使得他

們會用一些獨特的模型來逹到設計的

要求。

第二個原因是因為佈局愈來愈複雜, 使

得人們愈來愈依賴電磁分析。並且，

有人反應”模型不準, 佈局又很複雜,

因此, 我唯一可以做的事就是做電磁分

析,因為那是直接求解Maxwell方程式,

我知道它會給我正確的答案。”

解決方案更好的方法是在直接做電磁分析, 或是

提取足夠資訊兩者之間取得平衡, 足

夠的資訊就可以權衡得失降低生產風

險。提供合適的工具，專門針對這個

設計，評估這些風險。

那麼，我們來尋找一個解決方案？

Visit AWR TV™! for a comprehensive “one-stop” multimedia

resource for product information, tutorial presentations,

and application-specific discussions. The site contains

many videos for designing MICs, MMICs, and PCBs within

Microwave Office® software.

www.awr.tv

AWR TV

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AWR Microwave Office設計環境如何?

它擁有ACE™和AXIEM技術？

在當今市場上新的電路模擬工具，例

如AWR中的ACE技術，通過在早期的

設計流程中使用該工具，選擇性地改

變在分析範圍中的搜索半徑，設計人

員可以探究出關鍵的耦合是來自於那

個部分。由於模擬速度約為做電磁分

析的一萬倍快的速度，這是非常有用

和有效的設計流程。

此外，隨著我們在設計流程上的進

步，我們想要在不失去參數控制的情

形下, 切換電路模型模擬到電磁分析。

我們也想要快速的電磁模擬，讓我們

可以逐步增加複雜性和準確性。一個

有用的新技術出現了，AWR的AXIEM

模擬工具，可提供的速度和準確性，

即使是最複雜的設計。

結論電磁分析不論是否要放進設計流程, 電

磁分析無疑是一個重要的因子, 使得我

們可以反映,創造,然後利用此工具來逹

到工程訓練。AWR的ACE和AXIEM技

術開發是為了在設計流程的早期, 在更

複雜的設計便能逹到更精確的模擬結

果。這樣做的好處是，在設計流程剛

開始時, 將所有的電路系統做電磁分析

不再是一個先決條件。此外，這些工

具使設計人員能夠有選擇性, 持續性地

立即看到瞬間改變參數的模擬結果，

在不改變設計方法或工具的使用模式,

可以在速度及模擬分析的準確性上取

捨,自由選擇解或不解Maxwell方程式

的數值運算方法。這些相同的工具，

也可以使用在最後的流程上, 做一部分

的電氣驗證分析。

了解參數空間，提供足夠設計有關的

訊息，以便權衡得失, 降低生產風險，

並提供合適的工具，具體的設計, 是現

今微波/ RF設計流程所需的。而AWR

的Microwave Office軟體具有的電磁分

析能力的設計流程, 使得這一切都變成

可能。

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ACE uses layout-based models for circuit extraction, automating identification of distributed, discontinuous, and coupled transmission lines from layout. As a result the simulation speed is about 10,000x faster when compared to conventional EM analysis.

A common design

methodology flow.

Read a more in-depth version

of this article in RF Globlalnet’s

Solutions Update magazine.

www.rfglobalnet.com

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“速度和易於使用的Microwave Office, 再加

上準確的被動元件和電晶體模型, 使我們能

很快展現我們的放大器設計雛型給我們的

客戶看，Simon Wood, Cree公司的RF 產品

開發經理如此說。 “除了縮短了上市的時間，

我們還可以在一個特定的時間完成更多的

設計，使我們的開發工程師變的更有效率“

Simon Wood RF Product Development Manager

Cree, Inc.www.cree.com

客戶成功案例

客戶背景Cree，總部設在Durham, NC，是一家研

發以藍色、綠色和白色LED固態照明和背

光的先驅公司，他們致力開發以碳化矽

(SiC) 以及氮化鎵（GaN）為基礎的RF和

微波無線應用的晶圓和電子元件。該公司

的碳化矽場效應電晶體(SiC MESFET)和

GaN HEMTs元器件越來越多被使用在商

業無線和國防放大器應用產品上, 這都是

有賴於該公司對這些不同製成特的瞭解。

目前的產品包括碳化矽MESFET能夠提供

60瓦的2.7GHz，GaN HEMT元器件如最

新的CGH21240F能夠提供240瓦4 GHz和

GaN HEMT元器件的MMICs能夠提供3瓦

從20 MHz到6 GHz和25瓦從2.5到 6 GHz

的元器件。

設計挑戰在短短的幾年內氮化鎵的使用有上升的趨

勢，從一個大有可為的RF功率技術，到

軍事用途“必須有”的放大器技術，他們

正積極的進入無線領域尤其是在原來由矽

LDMOS製成器件主導的領域。Cree長期

以來一直著重於發展氮化鎵元器件成為

一個客戶替代的選擇，為了達到這個目

標，他們必須更快完成新的元器件的設

計，並且降低成本。該公司使用了AWR的

Microwave Office®設計環境，很快就有

設計成果展現出來，包括所有的hybrid-

based GaN的功率放大器。其中最令人印

象深刻的是，這些是CDPA21480 Doherty

放大器（目前的基地台收發器功率放大器

架構），可提供480 瓦的峯值和80瓦的平

均RF功率輸出, 為WCDMA應用在2110至

2170MHz的UMTS頻帶。

解決方案 Doherty放大器具有獨特的特徵，就是當

我們輸入一個高峯值對平均值比(peak-

to-average ratios)的信號進入時, 並耦

合數位預失真線性(digital predistortion

linearization)信號, 會使放大的效率增

加。Doherty放大器實際上是由兩個獨立

的放大器組成，在不同的信號下交互作用

提升效率。使用Microwave Office，Cree

的工程師能夠在一定的功率範圍內, 用獨立

的訊號源和負載(load pull)量測資料, 放進

這兩個載波和峰值放大器的前後級電路, 來

優化整個設計。設計的任務不只有賴軟體

的準確性，同時也需要模型(model)的準

確度。Cree的精確的大信號模型縮短設計

時間高達70％。

該放大器的設計需使用完整的Microwave

Office軟體的能力，從線性頻域模擬, 和

諧波平衡(harmonic balance)模擬到電磁

（EM）的分析。設計人員特別指出簡單

無縫接合的設計流程，以及模擬速度，佈

局(layout)和原理圖(schematic)的連結，

加上AWR的技術團隊提供了極好的技術支

援, 這些都是能幫助設計人員快速完成設計

的原因。

Cree Speeds Development of High-Performance GaN Doherty Amplifiers by 70%

This CGH21240F GaN HEMT power amplifier supports Cree’s commitment to “HIGH GaN RF POWER”.

The complete Cree CDPA21480 Doherty amplifier.

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“AWR 和和Mentor 的軟體工具的設計流程整合, 成功地縮短了我們的設計流程, 我們可以同時兼顧射頻電路設計及電路板上其它的電路，因此縮短了我們的設計到製造所花費的時間，這有助於我們逹到積極預期的產品上市時程.”

Xavier Leblanc Hardware Tools Manager

Alcatel-Lucent

“AWR提供非常有效率的設計流程, 讓我們的工程人員省下了許多時間, 可以考慮更細節的設計, 這是我們以前從沒有的機會. 現在我們可以以低廉的成本提供卓越的產品, 讓我們在這個非常苛刻的市場上生存了下來。”

Justin Magers RF/Microwave Design Engineer

Anritsu Company

“有限的時間及市場的壓力，提醒我們的設計流程需要無縫接合, 而AWR Microwave Office 完全契合這方面的需要。完全整合並易於使用的解決方案縮短了微波和毫米波集成電路設計的時間。此外，產品配有明確及廣泛的文件和提供了一流的技術支援。”

Dr. Simon Mahon Director of MMIC Design

Mimix Broadband

“先進的AWR設計環境為我們提供了一個靈活的平台, 並為我們的天線設計需求提供了解決方案。我們可以依靠精確的模型和可靠的模擬結果，從而減少以往的設計週期。AWR Microwave Office使我們可以準確地設計複雜的產品，讓它們更快地進入市場。”

Kimmo Koskiniemi Engineering Group Manager

Pulse Antenna Division

“TriAccess Technologies 公司聚焦有線電視應用, 對於市場的需求, 必須做出快速的回應。 由AWR和Tri-Quint提供的解決方案, 幫助我們即 時 實 現 有 競 爭 力 的 視 頻 產 品 。 ”

Chris Day President and CTO

TriAccess Technologies

“Microwave Office和Visual System Simulator（VSS）的無縫接合, 給了我許多有意義的結果，因為我能夠模擬我的功率放大器電路設計，在EDGE / GSM調變輸入信號系統中的表現, 而它們都在同一個設計平台上。我用Microwave Office 和VSS從電路的概念，一路過關斬將，到產品完成。我特別高興有如此高品質的ACPR和EVM模擬結果。”

RF/Microwave Design Engineer TriQuint Semiconductor

客戶評論

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VISUAL SYSTEM SIMULATOR™

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