Возможности программного обеспечения компании Mentor Graphics в области трехмерного моделирования электромагнитных полей электронных устройств и систем

Представлен состав и основные функциональные возможности программного обеспечения HyperLynx 3D EM (IE3D) компании Mentor Graphics для трёхмерного моделирования электромагнитных полей электронных устройств и систем.

Ключевые слова: электронные устройства и системы, электромагнитные поля, трехмерное моделирование, Mentor Graphics, HyperLynx 3D EM, IE3D.

С усложнением алгоритмов функционирования радиоэлектронных функциональных узлов, увеличением быстродействия, повышением плотности компоновки печатных плат и прокладки трасс печатного монтажа обостряется проблема проектирования электронных устройств и систем, обеспечения целостности сигналов, целостности питания и электромагнитной совместимости. При традиционных «ручных» способах ведения проекта неизбежна стадия физического моделирования (макетирования). Современные программные комплексы дают возможность существенно ускорить и сократить затраты на верификацию проекта за счет развитых подсистем моделирования функций, заложенных в проект разработчиком, а также оценки паразитных эффектов в схеме и печатной плате проектируемого изделия.

Компания Mentor Graphics, являющаяся одним из мировых лидеров в области разработки и распространения средств автоматизации проектирования электронных систем и программного обеспечения. Приоритетными направлениями развития средств проектирования, поставляемых Mentor Graphics, являются комплексные маршруты проектирования, функциональной и физической верификации систем, печатных плат и интегральных схем и многое другое [1, 2].

HyperLynx 3D EM (ранее известен как IE3D) — полноволновой (full-wave) симулятор [3], который хорошо известен своей скоростью, точностью результатов моделирования, а также меньшим потреблением оперативной памяти с момента своего создания в 1992 году. HyperLynx 3D EM использует неоднородные сетки и аппроксимацию кривыми. Автоматически извлекает необходимые данные из файлов топологии печатной платы или корпуса интегральной микросхемы. HyperLynx 3D EM обеспечивает генерацию моделей S-параметров многопортовых компонентов (формат Touchstone), и широкополосных RCLK Spice моделей, которые можно использовать для проведения анализа во временной и частотной областях. Полученные модели могут использоваться в HyperLynx SI&PI [1, 2], для проведения анализа целостности сигналов и питания. Он используется для решения широкого круга задач: от структур на уровне компонентов до разработки на системном уровне. HyperLynx 3D EM позволяет моделировать соединительные элементы корпусов и плат, включая соединительные шины, переходные отверстия, шариковые и столбиковые выводы, слои диэлектрика и т. д. В сочетании с прочими полезными программами, включенными в состав IE3D System Design EM, IE3D также применяется для анализа ВЧ/СВЧ электронных схем, оптимизации конструкции, параметризации геометрии в режиме реального времени и прочего. Многие разработчики и исследователи используют IE3D для прототипирования, моделирования, а также проверки своих разработок.

Состав программного комплекса HyperLynx 3D EM (IE3D) [3]:

MGRID — это основной продукт данного комплекса, редактор топологии для создания различных структур. Позволяет пользователям создавать и редактировать различные структуры, состоящие из многоугольников и вершин. Позволяет полностью контролировать точную форму и положение конкретной геометрической модели. Начиная с версии 14, MGRID переименован в IE3D EM Design System. Он включает в себя встроенный редактор топологии, средства отображение и пост-процессорной обработки S-параметров, средства отображения распределения тока, отображение и пост-процессорная обработка полей ближней и дальней зоны. Так же имеется модуль FastEM Design Kit для полно-волновой ЭМ подстройки и оптимизации в режиме реального времени.

IE3DLibrary — этообъектно-ориентированный редактор топологии и схемотехники, предназначенный для моделирования и редактирования параметризированной геометрической модели [4]. С введением Fast EM Design Kit, возможность параметризации геометрии, доступная в редакторе MGRID, является ключевой для полно-волнового анализа. Однако степень параметризации в MGRID ограничена уровнем многоугольников и вершин. Параметризация более высокого уровня доступна в IE3DLibrary. Для большей гибкости, в IE3D реализованы булева геометрия и пустые множества. Новые возможности позволяют с помощью IE3DLibrary реализовать более сложные параметризированные модели. Так же IE3DLibrary относительно прост в работе, поскольку содержит лишь небольшое число команд.

AGIF — средство IE3D-SI моделирования, с помощью которого можно создавать 3D модели напрямую из GDSII-файлов, Cadence Virtuoso и Cadence Allegro [5].

IE3DOS — ЭМ-симулятор или ядро ЭМ-симулятора для численного анализа. Представляет собой приложение в виде командной строки DOS. Обычно программа запускается для ЭМ анализа в фоновом режиме и не видна пользователям, однако в 64-разрядных системах данное приложение способно анализировать более сложные структуры.

MODUA — это схемотехнический редактор для отображения параметров и анализа узловых схем. Большинство возможностей данного модуля интегрировано в MGRID начиная с 14 версии. Тем не менее, смешанный ЭМ и схемный анализ все еще остаются уникальной особенностью данного модуля, в то время как отображение S-параметров и пост-процессорная обработка теперь доступны в MGRID версии 14.

PATTERNVIEW — это модуль пост-процессорной обработки для отображения диаграммы направленности и последующей ее обработки.

ADIX — опциональный преобразователь форматов ACIS/DXF/GDSII/GERBER. Весь функционал данного модуля интегрирован в MGRID для тех пользователей, которые выбрали данную опцию.

В IE3DLibrary интегрированы следующие модули: FilterSyn (моделирование и синтез фильтров) [6] и SpiralSyn (моделирование и синтез спиралей) [7].

FilterSyn обладает следующими полезными функциями [6]:

-        использует точные аналитические модели;

-        поддерживает низкочастотные, полосовые и режекторные фильтры;

-        покрывает коаксиальные, микрополосковые, полосковые/LTCC линии, а так же близкие к полосковым структуры;

-        проводит быстрый анализ и синтез;

-        обладает встроенным оптимизатором генетического алгоритма;

-        имеет дружественный графический пользовательский интерфейс;

-        создает фильтры и экспортирует их в HyperLynx 3D EM (IE3D);

-        так же может быть вызван из топологии фильтра;

-        протестирован с помощью обширных экспериментов.

FilterSyn в настоящее время позволяет создавать 25 вариантов коаксиальных, микрополосковых, полосковых/LTCC, полосковообразных фильтров.

SpiralSyn имеет следующие особенности [7]:

-        выполняет электромагнитное моделирование и синтез, используя HyperLynx 3D EM (IE3D);

-        создает спиральные объекты и экспортирует их в HyperLynx 3D EM (IE3D).

SpiralSyn в настоящее время поддерживает работу со множеством спиралевидных структур (от катушек индуктивностей до трансформаторов), а также межпальцевых и металл-изолятор-металл (metal-insulator-metal, MIM) конденсаторов.

Функциональная схема базового маршрута электромагнитного анализа средствами HyperLynx 3D EM приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема базового маршрута IE3D ЭМ анализа

Литература:

1.                  Возможности программного обеспечения компании Mentor Graphics в области пост-топологического анализа электронных модулей / Карабан В. М., Краюхин А. С., Севастьянов Р. С. // Научная сессия ТУСУР–2013: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15–17 мая 2013 г. — Томск: В-Спектр, 2013. — Т.3. — С.39–42.

2.                  Возможности программного обеспечения компании Mentor Graphics в области пред-топологического анализа электронных модулей / Карабан В. М., Краюхин А. С., Севастьянов Р. С. //Научная сессия ТУСУР–2013: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15–17 мая 2013 г. — Томск: В-Спектр, 2013. — Т.3. — С.42–45.

3.                  HyperLynx 3D EM User’s Manual. Software Version 15.2 / Mentor Graphics Corporation. — 2012. — P.658.

4.                  HyperLynx 3D EM Library Manual. Software Version 15.2 / Mentor Graphics Corporation. — 2012. — P.69.

5.                  HyperLynx 3D EM Designer. AGIF Manual. Automatic Geometry to HyperLynx 3D EM Flow. Release 15.2 / Mentor Graphics Corporation. — 2012. — P.100.

6.                  HyperLynx 3D EM. FilterSyn Windows User’s Manual. Software Version 15.2 / Mentor Graphics Corporation. — 2012. — P.30.

7.                  HyperLynx 3D EM. SpiralSyn for Windows User’s Manual. An IE3DLibrary Spiral Module. Software Version 15.2 / Mentor Graphics Corporation. — 2012. — P.18.