Kombination von EM-, Schaltungs- und Systemdesign

EDA-Serenade

Serenade Design Environment von Ansoft bietet eine durchgängige Lösung für das Hoch-fre-quenzdesign auf der Basis eines soliden elektromagnetischen Fundaments.

Um steigenden Service-Anforderungen gewachsen zu sein, arbeiten moderne Kom-mu-nikationssysteme mit Digitalmodulation, um die spektrale Effizienz zu verbessern. Wichtige Leistungs-Messparameter sind heute die Bit Error Rate (BER), die Nachbarkanal-Leistung (ACPR) und das „Spectral Regrowth“. Diese Messparameter sowie die immer gegenwärtigen Anforderungen an die spektrale „Reinheit“ stellen die HF-Techniker vor große Heraus-for-de-rungen, die wiederum zu vielen Fortschritten in der modernen Software für die Auto-matisierung des Elektronikdesigns führten.
Einige der aktuelleren Tools verfügen jetzt über Leistungsmerkmale, die es ermöglichen, digitale Modulationsverfahren auf System-, Schaltungs- und Komponentenebene zu simu-lieren. Die Entwicklungsingenieure stehen heute vor einer großen Auswahl an kommerziellen Produkten. Sie haben die Qual der Wahl eines Produkts, das einen optimalen Kompromiss zwischen Robustheit, Vielseitigkeit, Genauigkeit, Ausführungsgeschwindigkeit, Speicher-nut-zung der Simulation und allgemeinen Produktivitätsverbesserungen bietet.
Unter allen Tools, die in der Branche angeboten werden, erfüllt keines alle Anforderungen gleichzeitig. Der Entwicklungsingenieur könnte Zuflucht zu einer kompletten Design-umge-bung nehmen, die elektromagnetisches (EM) Design mit Hochfrequenzschaltungs- und Systemdesign kombiniert. Hier fällt die Wahl allerdings nicht schwer, denn es gibt zur Zeit nur eine einzige Designumgebung dieser Art.

Serenade Design Environment
von Ansoft – einzigartig auf dem Markt für EDA-Tools – ist ein flexibles Software-Instrumentarium, das elektromagnetisches Design mit Schaltungs- und Systemdesign kombiniert. Dem Entwicklungsingenieur bietet es Schaltbildeingabe, Hoch-fre-quenzschaltungs-, elektromagnetische und Systemsimulatoren, integriertes Layout, IC-Ge-häu-semodellierung und Anbindungen an Tools anderer Anbieter.
Dank des Handshaking zwischen den Modulen können die Entwicklungsingenieure sich in jeder Designphase auf kritische Komponenten konzentrieren. Jeder Simulator lässt sich unab-hängig als leistungsfähiges Tools verwenden oder zum Zweck des durchgängigen Hoch-fre-quenz-designs in Verbindung mit anderen Modulen einsetzen. Serenade bietet Flexibilität und Integration, ohne die Entwicklungsingenieure in eine starre Hierarchie zu zwingen.
Die einzelnen Designtools sind: Symphony für die Systemsimulation, Harmonica für die Schaltungssimulation, Ensemble für planare elektromagnetische Baugruppen und „Ansoft High Frequency Structure Simulator“ (HFSS) für dreidimensionale elektromagnetische Teile. Das Serenade Design Environment fügt sich durch die Verknüpfung mit anderen Designtools in übliche kon-struk-tive Entwicklungsprozesse ein, wobei das Leistungsmerkmal AnsoftLinks für die auto-ma-ti-sche Integration mit den Designumgebungen von Cadence, Mentor und HP Eesof sorgt.
Ansoft gründete die Serenade-Designumgebung auf eine sorgfältige elektromagnetische Basis. Auf Komponentenebene bietet Ansoft die leistungsfähigsten 3D- und planaren Elektro-magnetik-Feldlöser der Branche für Schaltmodellentwicklung, Layout-Analyse, Leit-struk-tur- und Antennen-Design. Auf Schaltungsebene sorgen Elektromagnetik-basierte Modelle und ein extrem robuster Harmonic-Balance-Simulator für hohe Präzision. Auf Systemebene erzielt Ansoft Präzision aus der direkten Anlehnung an die EM-Analyseergebnisse, die Ergebnisse der Schaltungssimulation und durch den Einsatz weiterentwickelter Ver-hal-tens-modelle.

Elektromagnetische 3D-Systeme
Ansoft HFSS ist ein interaktives Softwarepaket für die Berechnung von S-Parametern und Vollwellen-Feldern für beliebig geformte passive 3D-Strukturen. Es bietet eine Oberfläche für vereinfachte Schaltbildeingabe, ein Modul für die Berechnung von Feldern mit präzi-sions-orien-tierten adaptiven Lösungen und einen leistungsstarken Postprozessor, der Einsicht ins elek-trische Verhalten gewährt. Antennenoptimierung, Mikrowellenübergänge, Launcher, Wel-len-leiterkomponenten, HF-Filter und dreidimensionale Diskontinuitäten erfordern ledig-lich das Zeichnen der Struktur, die Spezifikation der Materialcharakteristiken und die Angabe von Ports und spezifischen Oberflächeneigenschaften.
Mit modernen Finite-Elemente-Solvern berechnete Feldlösungen ermöglichen die präzise Voraussage aller Hochfrequenz-Effekte. Exklusive Merkmale wie periodische Randbedingun-gen, Makrodesignsprache, Modellierung von Ferritmaterial und schnelle Frequenz-über-strei-chung (ALPS) machen HFSS zum leistungsfähigsten und modernsten Simulator auf dem Markt. S-Parameter-Ergebnisse können für die Weiterverwendung in Schaltungs- und Sys-tem-simulatoren exportiert werden. Das Tool eliminiert das traditionelle Prototyping nach dem Motto „Zurechtschneiden und Ausprobieren“ – es reduziert die Entwicklungskosten und strafft den Designprozess.
Die neueste Version von HFSS enthält ein Optimierungs- und Parametriemodul mit der Bezeichnung Optimetrics. Bild1 zeigt die elementarsten Funktionen von Optimetrics. Der Blindleistungsteiler der H-Ebene liefert eine ungleiche Leistungsteilung in Abhängigkeit von der Lage der Induktionsmembrane. Man wollte die Leistungsteilereigenschaften als Funktion der Membranposition x verstehen. Um dieses Problem als Funktion des Membran-Offset zu lösen, wird das nominale Problem angegangen und gelöst.
Bei Optimetrics wird eine Tabelle (Bild2) für das Überstreichen des Offsets aufgestellt. Dabei entspricht jede Zeile der Tabelle einem bestimmten Offset-Wert. Die Anzahl der Zeilen, die von den Benutzern eingegeben werden können, ist unbegrenzt. Bei der Lösung der Tabelle wird für jede Zeile ein HFSS-Projekt erzeugt, wobei die für die jeweilige Zeile spezifizierten Parameter berücksichtigt werden. Zwar wird bei diesem Beispiel nur ein Para-meter überstrichen, doch ist es möglich, extrem komplexe, mehrdimensionale Parameter-Erfassungsbereiche mit Modifikationen für Geometrie, Materialien und Randbedingungen einzurichten.
Die Tabellen-Nachbearbeitung erlaubt es, eine Spalte einer anderen gegenüberzustellen, wie in Bild 3 gezeigt. Parametrische Projekte können mit der gleichen Detailliertheit be-trach-tet werden wie das nominale Projekt. Eine im nominalen Projekt geschaffene Makro-datei für das Erzeugen von Plots lässt sich auf Knopfklick auch für jede parametrische Kon-stel-lation ausführen. Die für jede Zeile abgespeicherten Plots können zusammen dargestellt wer-den, so dass sich die Wirkung von Parameter-Änderungen unmittelbar sichtbar machen lässt.

Schaltungssimu-la-tion
Ein weiteres Grundelement von Serenade Design Environment ist das Harmonica-Tool. Dabei handelt es sich um einen Windows-basierten Frequenzdomänen-Schaltungssimulator für linea-res und nichtlineares Design. Die verteilten Schaltungsmodelle beruhen auf elektro-magne-ti-schen Verhältnissen und wurden im Laufe von 26 Jahren weiterentwickelt und verfeinert. Die Schaltungsmodelle und das Simulationsmodul bewiesen in Vorführungen ihre Genauigkeit bis in den Bereich von Millimeter-Wellenlängen.
Selbst bei Frequenzen für Zellenfunk- und Personal-Kommunikationssysteme erfordern digi-tal modulierte Wellenformen präzise Schaltungsrepräsentationen bei viel höheren Ober-frequenzen, um das korrekte Antwortverhalten zu simulieren. Sind beispielsweise die verteilten Elemente nur bis 3 GHz genau, dann taugt die nichtlineare Simulation nur bis 500 MHz.
Harmonics verbindet ein schnelles, robustes und genaues Harmonic-Balance-Modul mit einer einfach zu bedienenden Windows-Schnittstelle. Die Kombination aus Leistungsfähigkeit, Bedienungskomfort und Präzision erlaubt es den Entwicklern, verallgemeinerte Hoch-fre-quenz-Schaltungsprobleme direkt anzugehen. Traditionelle Funktionen wie integrierte Schalt-bilderfassung, Layout, Feinabstimmung, Optimierung, statistische Analyse und Leis-tungs-optimierung werden ergänzt durch moderne Fähigkeiten wie Oszillatordesign, Filter-synthese, nichtlinieare Stabilitätsanalyse und zugeordnete Netzwerkextraktion.

Harmonic-Balance statt Volterra-Reihen
Traditionelle Harmonic-Balance-Methoden haben einen hohen Speicherbedarf, wenn eine Schaltung viele nichtlineare Komponenten aufweist und/oder Mehrtonanalyse erforderlich ist. Die Jacobische Systemmatrix wird sehr groß und muss gespeichert und in Faktoren zerlegt werden. Dünn darstellende Methoden reichen nicht immer aus, um das Problem in den Grenzen des Speicherausbau und akzeptabler Ressourcen von Desktop-Computern zu halten.
Ein Ansatz zur Steigerung der Simulationsgeschwindigkeit bestand in der Anwendung des Volterra-Verfahrens (Volterra-Reihen) für nichtlineare Übertragungsfunktionen. Bei diesem Verfahren wird eine nichtlineare Übertragungsfunktion entwickelt, welche die Eingangs-/Aus-gangssignale explizit in der Frequenzdomäne beschreibt, wodurch Fourier-Trans-for-ma-tionen umgangen werden können. Doch die Grenzen dieser Vorgehensweise liegen darin, dass sie auf schwach nichtlineare Schaltungen beschränkt ist, für die Modellierung selbst mode-rater Nichtlinearitäten Übertragungsfunktionen hoher Ordnung erforderlich sind und an-wen-dungs-spezifische Volterra-Übertragungsfunktionen abgeleitet werden müssen.
Die Nichtlinearitätsrestriktionen beschränken die Brauchbarkeit dieses Simulationsansatzes allerdings auf einen Bereich, in dem das Harmonic-Balance-Verfahren schnell zu Lösungen konvergiert und moderne Rechenverfahren zu weiteren Geschwindigkeitssteigerungen führen. Ein gutes Harmonic-Balance-Modul macht Volterra-Reihen daher überflüssig.

Reduzierter Speicherbedarf
Harmonica arbeitet mit einer Technik, die große Gleichungssysteme effizient ohne direkte Faktorenzerlegung der Systemmatrix löst. Dieses Verfahren beruht auf einem allgemeinen iterativen Ansatz, das als Krylov-Unterraum-Verfahren bekannt ist. Es vermeidet die direkten Speicher- und Faktorenzerlegungsschritte der Jacobi-Methode. An deren Stelle tritt eine Reihe von Matrix-Vektor-Operationen, wobei die numerische Genauigkeit vollständig erhalten bleibt. Man hat es also nicht mit einer Simplifizierung oder Näherungslösung für das Problem zu tun, vielmehr bleibt die Genauigkeit der konventionellen Harmonic-Balance-Methode vollständig gewahrt.
Auch die Konvergenz- und Power-Handling-Fähigkeiten der konventionellen Harmonic-balance-Analyse bleiben voll erhalten. In Harmonica läuft das Verfahren vollständig auto-matisch und erfordert keinen Benutzereingriff. Ein interner Softwareschalter erkennt, ob das neue Verfahren verwendet werden sollte, und ruft es gegebenenfalls automatisch auf.
Die beobachtbare Geschwindigkeitssteigerung hängt von der Zahl der nichtlinearen Bau-elemente in der Schaltung, von der Zahl der in der Analyse verwendeten Spektral-kom-po-nen-ten und von den benutzerbestimmten Konvergenzeigenschaften ab. Eine Schaltung mit 20 FETs in der Drei-Ton-Analyse zeigte eine Geschwindigkeitssteigerung um den Faktor 30. Auch der Speicherbedarf reduzierte sich erheblich. Die gleiche 20-FET-Schaltung benötigte ursprünglich über 200 MB und lässt sich jetzt mit 64 MB analysieren. Mit komplexer wer-denden Schaltungen bietet das neue Verfahren sogar noch größere
Verbesserungen in Geschwindigkeit und Speicherbedarf.

Systemsimulation
Ein weiteres Element des Serenade-Desktop ist Symphonie (Bild 4) – ein Tool für die Systemsimulation, das Frequenzdomänen- und Diskretzeitdomänen-Analysen für ein breites Spek-trum an Hochfrequenz- und DSP-Anwendungen durchführt. Symphony ergänzt die HF-Schaltungssimulation, indem es auf die hohe Designkomplexität eingeht, die bei draht-ge-bun-denen und drahtlosen Kommunikationssystemen oft gegeben ist.
Designs werden mit Blöcken aus Bibliotheken eingebauter analoger HF- und digitaler Signal-verarbeitungskomponenten (DSP) erzeugt. Kanalkodierer, Filter (analog und digital), Ver-stärker, Oszillatoren und Fading-Channel-Modelle ermöglichen es den Ent-wick-lungs-inge-nieuren, rasch ganze Analog/Digital-Kommunikationskanäle aufzubauen und zu simulieren, um Verstärkungsfaktor, Rauschzahl oder BER in den Zeit- und Frequenzdomänen zu bewer-ten. Wichtige Entscheidungen und Kompromisse sind bereits in einem sehr frühen Sta-dium möglich. Die Entwicklungsingenieure können wohlinformierte Entscheidungen auf System-ebene treffen, was die Zeit bis zur Marktreife verkürzt und die Kosten reduziert.
Ein-Ton- und Mehrton-Bandpass-Frequenzdomänen-Analysen können auf arbiträre lineare elek-trische Topologien angewendet werden, die über nichtlineare kaskadierte elektrische Topo-lo-gien miteinander verbunden sind. Die Systemperformance, ausgedrückt als S-Para-meter, Rausch-zahl (Noise Figure – NF), Gruppenlaufzeit, Rauschleistung, SNR, VSWR sowie nicht-lineare Werte von Bedeutung wie IP3, Psat, P1dB und Dynamikbereich können ebenfalls simu-liert werden. Außerdem kann der Entwickler sich die ergebenden Ein-Ton- und Mehr-Ton-Spannungs- und Leistungsspektren an beliebigen Knoten in einer elektrischen Topologie anzeigen lassen.
Die Diskretzeitdomänen-Analyse erlaubt die Simulation und Performancebewertung funktio-na-ler und Mixed-Mode-Kommunikationssysteme (funktional und elektrisch). Eine typische Systemsimulation besteht aus funktionalen Basisband-Elementen für digitale Sende- und Emp-fangs-Signalverarbeitung sowie funktionalen und elektrischen HF-Band-pass-kom-po-nen-ten für den HF-Transceiver des Systems. Die Diskretzeitanalyse von Symphonie simuliert auch Trägerwellenwiederherstellung, Symbol- und Bit-Timing-Wiederherstellung, Bit-Syn-chro-nisation, Phasenregelkreise, Frequenzsynthetisierer sowie arbiträre Rückkopplungs- und Digitalsignalverarbeitungs-Topologien.

Planare elektromagnetische Systeme
Ensemble ist ein weiteres wichtiges Tool von Serenade. Es handelt sich dabei um einen Elektromagnetik-Simulator für das Design hauptsächlich planarer Strukturen wie Streifen-leitungen, koplanare Wellenleiter, Slotlines und Planarantennenanordnungen. Mittels der Mo-men-tenmethode berechnet Ensemble S-Parameter, Near-Fields, Far-Fields und Radar-quer-schnitte. Diese Simulationsfähigkeit rundet Harmonica und Ansoft HFSS ab. Sie ermöglicht es den Schaltungsentwicklern, Vollwellen-EM-Kopplung und Parasitäreffekte ihrer Schaltungs-geo-metrie sehr schnell zu simulieren. Ensemble vergrößert die Reichweite und Genauigkeit von Schaltungs- und Systemanalysen durch die Bereitstellung hochpräziser Modelle für mehr-schichtige Planarkomponenten und Diskontinuitäten, wie sie in PCB-, MMIC- und Pla-nar-antennen-Anwendungen vorkommen. Als weitere Verbindung zwischen Schaltung und EM-Simulation bietet Ensemble die besondere Möglichkeit, Schaltungselemente auf der Basis von S-Parametern direkt in die elektro-magnetische Simulation einzubetten. Das bedeutet, dass die Entwicklungsingenieure in Ensemble eine ganze Schaltung auf der EM-Detailebene simulieren können. Diese Simulation umfasst auch die Effekte aktiver Elemente in diesen Schaltungen. Die Ströme, die in das aktive Bauelement ein- und von ihm ausgehen, sind natürlich ein Bestandteil aller Ströme, welche die Kopplung beeinflussen, und Ensemble-Simulationen können diese Effekte voll-ständig und genau analysieren.
Für die Analyse dicht gepackter Mehrschichten-Leiterzüge verfügt Ensemble über eine weite-re besondere Fähigkeit zur Analyse, entweder in einer Closed-Cavity-Formulierung der Mo-men-tenmethode oder in einer offenen Formulierung. Die geschlossene Formulierung model-liert Probleme anhand von Metallgehäusen und funktioniert natürlich am besten bei der Analyse echter Schaltungen, die in Gehäuse gepackt sind.
Die offene Formulierung modelliert Probleme ohne irgendwelche Abdeckungen und funk-tioniert gut bei Antennen und nichtabgedeckten Schaltungen. Ensemble lässt den Ent-wick-lungstechnikern die Wahl zwischen beiden Ansätzen. Es können auch beide Formulierungen simuliert und miteinander verglichen werden, um Einsichten darüber zu gewinnen, ob das Ge-häuse das Verhalten der Schaltung positiv beeinflusst oder nicht. Außerdem können Ensem-ble-Simulationen offene und geschlossene Regionen mischen, um dichte Packungen mit internen und externen Regionen zu analysieren.

Zusammenfassung
Die Ver-bindung aus Symphony für die Systemsimulation, Harmonica für die Schaltungssimu-la-tion, Ansoft HFSS für elektromagnetische 3D-Systeme und Ensemble für planare elektromagnetische Systeme ermöglicht das Design von Hochfrequenzprodukten, die den heutigen Design-anforderungen gerecht werden.
Serenade Design Environment fügt sich in Ingenieurprozesse ein, wobei AnsoftLinks für die Integration mit Tools anderer Hersteller sorgt. Ansoft verfügt über eine reiche Erfahrung in der Bereitstellung innovativer Lösungen für schwierige Designaufgaben. Benutzer können sich auf Ansoft als zuverlässigen Führer in EDA-Softwareprodukten für Heute und Morgen verlassen.
Autoren:
David Vye, Lawrence Williams und Robert O‘Rourke – Ansoft Corp.

Ansoft Corporation München
Tel. (0049-89) 68 08 62-0
rbaumann@ansoft.com
http://www.ansoft.com

Kurzportrait Ansoft
Ansoft ist ein Unternehmen für die Entwicklung von EDA-Software (Electronic Design Auto-mation). Die Produkte werden von Technikern im Design von elektrischen Geräten und Syste-men eingesetzt wie Mobiltelefone, Komponenten für Satellitenkommunikation, Compu-ter-platinen, Motore und Antilock-Bremssysteme.
Der Firmensitz von Ansoft ist Pittsburgh, USA. Das Unternehmen wurde 1984 gegründet und lieferte seine ersten Softwareprodukte 1987 aus. 1996 wurde eine europäische Niederlassung eröffnet. Die Softwareprodukte von Ansoft fallen in drei Kategorien: Elektromechanik, Signalintegrität und Hochfrequenztechnik.