Ansoft的封装电分析。

210508

ANSOFT封装电分析


ANSOFT封装电分析


ANSOFT公司及其它公司产品结构图及功能说明
        其它公司                                                               
            其它公司
   CAD三维造型工具                                                            
      EDA布板工具
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高频电磁场及封装建模仿真  <---->         设计平台                <---->    专业
封装仿真分析
   Ansoft HFSS                                  Ansoft Designer               
  Ansoft TPA
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                                               通用封装仿真分析
                                                      Ansoft Q3D

Ansoft专业封装分析软件功能介绍如下：
1.        Ansoft Designer
Ansoft Designer采用了最新的视窗技术，是世界上第一个将系统，高频电路、版图、二维
半电磁场仿真工具、全三维电磁场仿真工具（HFSS）、高速互连封装分析工具（Q3D）等无
缝地集成到同一个计算机环境平台的设计工具，可以进行不同仿真之间的多进程管理。不
论你进行何种封装设计都能够在Ansoft Designer简明统一的环境下顺利地完成各种设计任
务，即使是在系统级仿真，也能充分考虑细节的电磁效应;这种集成不是简单和界面集成,
其关键是Ansoft Designer独有的"按需求解"的技术,它使你能够根据需要选择求解器,从而
实现对设计过程的完全控制。Ansoft Designer提供了多种仿真技术，包括频域和时域系统
仿真器、线性电路仿真器、谐波平衡仿真器、包络仿真器、瞬态仿真器、矩量法多层平面
结构电磁场仿真器等,并可动态连接HFSS、Q3D等软件，实现与任意三维结构电磁场工具及
复杂的大规模集成电路的协同仿真和优化设计，方便地建立和各种无源结构的模型，计算
复杂三维结构电参数，评价系统的电磁兼容、电磁干扰性，实现虚拟原型，为一次设计成
功提供了可能。同时,Ansoft Designer还能方便地与测试仪器连接，真正实现了场、路和
样机实验的协同仿真。Ansoft Designer 将使您的设计方法产生飞跃。
它的具体功能包括以下四个部分：
1.系统设计
Ansoft Designer提供了无以伦比的从基带到射频设计的解决方案, Ansoft Designer具有
系统级频域和时域仿真器，工程师们可以在时域和频域或者混合域研究整个系统的性能,建
立任意的系统拓扑结构,可以方便地进行系统级的仿真和设计，合理的分配系统性能指标，
产生复杂的数字调制波形.支持任意的系统拓扑结构和DSP（数字信号处理）及数字调制方
式，仿真系统高频部分和DSP部分的相互作用，如噪声非线性特性、频率相应对系统性能的
影响，系统级仿真还支持完全的瞬态仿真，如锁相环的锁定过程、AGC电路的稳定过程等。

具体功能包括：  
l        验证数字部分和模拟及信道的相互作用
l        星座图
l        眼图  
l        时域性能  
l        频谱
l        扫描分析得到误码率等曲线
l        极座标
2.高频电路设计
Ansoft Designer具有强大的电路仿真功能，完全兼容Spice模型，包括VBIC、Gummel-Poo
n，BSIM3和BSIM4并支持国际上数十家著名的MMIC和RFIC Foundry设计包，能够方便的进行
各种线性、非线性、瞬态仿真和数字调制分析；设计各种电路，如放大器、混频器、振荡
器、压控振荡器等；得到电路的各种性能，如交调特性、非线性压缩特性、噪声特性等。

具体功能包括：
w        线性、非线性电路的仿真、优化及调谐
w        方便地适用于放大器、混频器、振荡器及VCO等设计及分析工具,可对相位噪声进
行优化
w        精确的混频器交调和噪声分析
w        电路级数字调制分析，对临道功率比(ACPR)进行优化
w        非线性 Nyquist 稳定性分析
w        瞬态仿真，实时调谐
w        最多可达二十根的多耦合线模型，无任何结构限制
w        采用谐波平衡法和包络仿真法仿真有源非线性电路
w        在电路级进行数字调制分析，观察电路的特性对数字调制性能的影响
w        在电路级进行数字调制分析，得到由于放大器或混频器的非线性造成的频谱再展
宽。
w        动态负载线
w        由于加工误差带来的性能散布，包括：任意变量的敏感度分析、统计分析和容差
分析
此外，还专门提供了以下简单易用的设计工具和丰富的数据库：
w        传输线综合及计算工具  
w        滤波器综合工具
w        Smith圆图工具，可用于自动完成各种匹配电路设计
w        最齐全和最准确的器件库和分布参数模型库包含了多耦合线、介质谐振器等多种
模型
3.自动板图工具
?        所见即所得，版图与原理图自动同步
?        任意多层版图生成
?        部件位置参数化
?        图形化管脚库建立
?        支持脚本语言，三维版图
4.电磁场仿真工具
Ansoft Designer将系统,电路和电磁场仿真工具无缝的集成到一起,用户既可以直接调用在
Ansoft Designer中自带的一个二维半电磁场仿真工具，也可以将三维电磁场仿真工具HFS
S和Q3D作为任选模块（需单独购买）直接调用，为各种部件如高频高速连接器,波导器件,
滤波器,天线等的设计带来了极大方便.例如,对天线设计人员来说,他们不仅可以仿真并优
化天线的近场和远场方向图,而且可以非常容易地进行匹配电路的设计以改进天线的性能,
并可以研究它对系统性能的影响,也就是说,在 Ansoft Designer中,设计人员不必象以往一
样被迫把部件作为一个独立的部分进行设计与仿真,实现各部件的最佳组合,进一步提高系
统性能。

最后，Ansoft Designer高效率的设计管理技术，允许用户在同一个设计项目下进行各种不
同的仿真，而不需要进行各种复杂的预先设置，各种公共的参数可以存成技术文件方面的
进行调用，无需重复设置，库文件也可以根据需要由用户定制和调用，从而大大提高软件
的使用效率。

2.        Ansoft HFSS
适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真软件
ANSOFT HFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，其必将为下一代射频、无线通信、
封装及光电子产品新功能的开发提供崭新高效的研究手段。本软件彻底摆脱了传统的“cu
t-and-try”设计模式，减少研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。HFSS提供了一简
洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后
处理器，能计算任意形状三维无源结构的s-参数和全波电磁场。
强大的绘图功能
与AutoCAD完全兼容，完全集成ACIS固态建模器。
ü        ? 无限的undo/redo
ü        ? 多个物体组合、相减、相交布尔运算
ü        ? 动态几何旋转
ü        ? 点击物体选择/隐藏
ü        ? 二维物体沿第三维扫描得到三维物体
ü        ? 宏记录/宏文本
ü        ? 锥螺旋、圆柱和立方体的参数化宏
ü        ? 可选的“实表面”几何体
ü        ? 在线关联帮助以加快新功能的应用。
先进的材料库
综合的材料数据库包括了常用物质的介电常数、渗透率、电磁损耗正切。用户在仿真中可
分析均匀材料、非均匀材料、各向异性材料、导电材料、阻性材料和半导体材料。对不可
逆设备，标配的HFSS可直接分析具有均匀静磁偏的铁氧体问题，用户还可选用ANSOFT 3DF
S选件以完成铁氧体静磁FEM的解算仿真。
模型库
ANSOFT HFSS含有一宏大的库，用该库可参数化定义标准形状：
ü        ? 微带T行结
ü        ? 宽边耦合线
ü        ? 斜接弯和非斜接弯
ü        ? 半圆弯和非对称弯
ü        ? 圆螺旋和方螺旋
ü        ? 混合T接头
ü        ? 贴片天线
ü        ? 螺旋几何
周期边界解决相控阵
通过指定两个或多个边界间的场关系，关连边界条件（LBCs）使得包含有源等设备的新一
类问题也可建模仿真。在对长的、均匀的和周期性的结构建模仿真时，LBCs可大大节省计
算时间和内存。周期性的LBCs通过相位关系可确定多个主-从边界。设计师可通过分析相控
阵中的一个单元来提取有源单元因子和阻抗，从而研究确定阵列盲区、极化性能和栅瓣。

强大的宏
用户可登录到非常易读完整的作图和仿真的宏文件中。利用置于宏语言中的自动记录和重
放功能，即可执行参数化仿真。在重放时宏即时提示几何尺寸，使用户能基于名义结构创
建几何库，随后对名义结构进行仿真得出设计曲线、几何敏感性和最优化设计。
强大的天线设计功能
ü        ? 计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽。

ü        ? 绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和
轴比。
ü        ? 二分之一、四分之一、八分之一对称模型并自动计算远场方向图。
频率扫描技术
ü        ? 宽带快速率扫描
利用APLS快速扫频技术可有效地进行宽带仿真。APLS能产生一个在宽频带内有效的低阶次
的模型，并通过计算零极点来完成宽频带求解。APLS包含端口散射以精确确定频段内的输
入功率和频带外抑制。
ü        ? 超宽带插值扫频
利用插值扫频技术可有效地进行超宽带仿真。插值扫频能在超宽频带内根据频响变化斜率
自动增插点数，确保精确确定频段内的所有频响特性。
ü        ? 离散扫频
利用离散扫频技术可有效地进行离散频点的宽带仿真。其利用当前网格重新  
求解电磁场，从而精确得到各频率点上的性能参数。
强大的场后处理器
ü        ? 产生生动逼真的场型动画图，包括矢量图、等高线图、阴影等高线图。
ü        ? 任意表面，包括物体表面、任意剖面、3D物体表面和3D相等面的静态和动态
图形。
ü        ? 动态矢量场、标量场或任何用场计算器推导出的量。
动态的表面动画可使图形能以旋转和移位的方式步进。新的图—3D云图上有一薄薄的彩色
像素层，使你能非常清晰地观察场型特性，用户旋转几何时图形会实时更新。
强大的场计算器
现有的场计算器具有复数算法、三角法功能，面积分和体积分，曲线的切线计算和任意曲
面的法线计算。功能强大的计算器使用户可直接操纵场来计算功率耗散、存储能量和空腔
Q值。与其他所有接口界面一样，后处理器中亦具有宏记录/文本及在线帮助。
设计研究
实验设计（DOE）只需极少的实验和仿真来确定最大地影响器件性能和可变性的物理尺寸。
该同轴波导转换器进行了多次反复设计以找出其DOE数据。利用宏语言的自动记录和重放功
能，设计师能将DOE过程自动化以推导出阶梯转换区域中的s-参数、敏感性、不确定性等与
探头长度、终端短路位置和研磨容差等的函数关系。
Ansoft可输出的主要性能参数：
        功能        备注
1        特征阻抗Z         
2        传播系数         
3        S参数、Z参数、Y参数        参考面可任意移动
4        电压驻电波比         
5        近场和远场辐射场方向图        2D/3D/分量场
6        散射场分布        任意角度入射
7        空间任意位置电磁场数值        任意输入功率
8        标量/矢量电磁场（E/H/J）分布        可动画显示
9        波印亭矢量等任意场量         
10        复场量/相位值         
11        场量矢量运算         
12        轴比/极化比         
13        Emissions test （EMC/EMI辐射测试）        3m/10m及任意距离
14        本征频率的模式分布        任意结构及频率
20        材料和辐射带来的损耗         

HFSS的任选模块
1.Optimetrics参数化分析和优化设计
ANSOFTHFSS支持强大的具有记录和重放功能的宏语言。这使得用户可将其设计过程自动化
和完成包括参数化分析、优化、设计研究等的先进仿真。例如四螺旋天线广泛应用于包括
GPS接收机在内的无线通信设计中。其圆极化辐射方向图提供了很宽的半球状覆盖区域并具
有极低的后瓣辐射。该模型在HFSS依据不同的螺旋比和总旋转数目进行了多次仿真，设计
师利用先进的宏功能可很快地进行多次仿真，以研究关键参数是如何影响带宽、增益和后
瓣电平的。微带贴片天线因外形小、易于制造而经常应用于商用和航天领域。HFSS模型仿
真了手持接收机外壳对天线辐射特性的影响。有限尺寸外壳的衍射会在远场主波束上产生
纹波，降低理想中的圆极化。设计师利用强大的宏能力可将纹波最小化，并优化结构以获
得高增益和高的主瓣极化纯度。
2.Ferrite铁氧体模块
        可计算微波铁氧体材料和器件的[S]参数、传播特性及电磁场分布。
3.Pre/Post Processor前后处理器
        Ansoft HFSS程序分为前后处理器和求解器两部分,前后处理器主要用于用户进行
建模和分析计算结果的工作,如建立结构模型,加材料和边界条件及分析处理结果数据等等
。用户可以通过多买前后处理器的方法使多个用户同时进行建模和分析结果。
4.Fullwave Spice全波Spice模块
        当结构中包含频变材料或有复杂的谐振及辐射时,产生大带宽的Spice模型并进行
高精度时域仿真,它支持Hspice、Pspice和Maxwell Spice。
5.Multiprocessor多处理器
        用于多CPU计算机进行并行处理计算。
6.Ansoft Links接口软件
与其它软件的数据传递接口。如Pro/E，UG，Cadence和Mentor等等。
7．ePHYSICS 多物理场分析模块
        可进行包括电磁和由此引起的热和应力效应。

3.Ansoft Q3D
工程师在进行封装的高速电路设计时，需要考虑整个三维互连结构的全面影响。Q3D是进行
二维和任意三维结构电磁场仿真的最佳工具，在解决电路模型方面它提供给用户无比精确
和方便的结果。
Q3D提供了从几何模型到电器性能的整个仿真环境，无缝地集成建模、网格剖分、抽取RLC
G参数、生成SPICE模型和电路仿真的流程。对于不同的结构，可应用二维或三维仿真器，
自动抽取出互联结构的寄生参数和电路模型，把这些模型用于SPICE电路仿真，可得到各种
信号完整性参数。
Q3D让用户在从技术探讨到版图级确认等不同设计阶段轻松地选择建模的详细程度。对于像
PCB多层板这样固定截面结构用二维分析模块最为理想。而三维分析模块可分析像连结器、
过孔、电源分布网格等非均匀，非平面的结构。设计者可选择布板前的快速性能诊断和用
Q3D画图工具进行设计修改。利用参数优化模块，设计者能扫描任意一组几何材料参数来计
算RLC值的变化。面对用户所定义的优化目标，优化器可自动地改善设计。作为选择，设计
者可通过Ansoftlinks直接读取CAD工具完成的版图数据,并直接送到Q3D三维场分析工具中
进行分析,自动产生寄生参数和SPICE模型。
用Q3D，设计者可输出部分单元等效电路（PEEC）模型。PEEC模型是真正的三维分布式模型
，适用于描述极高边沿速率的三维互联结构特性。设计者可利用PEEC子电路建立非理想地
面模型，如部分平板、分割平板、非地平板等。Q3D用多级加速算可快速提取PEEC子电路。
对于求解后产生的非常大的子电路， Q3D提供了改变矩阵的方法，设计者只需保留关心电
路的端口，从而以最小的子电路形式，准确、快捷进行SPICE仿真。给出您所关心的信号完
整性特性，如：串扰、互联延迟、反射、振铃，和地弹等。
主要功能特点：
·        直接给出场分布
电压分布，电流分布，电场和磁场
·        直接给出电路参数
电容和电感矩阵，导纳和阻抗值
·        直接输出SPICE模型
耦合无耗传输线，耦合有耗传输线，集总RLC子电路，PEEC子电路
·        通过内置的SPICE仿真器，给出信号完整性参数
电压和电流波形，延迟，过冲，特性阻抗、差分阻抗，RLCG参数，地弹
·        可直接输出各种SPICE模型：PSPICE，HSPICE，Maxwell SPICE ，IBIS，Berke
leySpice
4．Turbo Package Analyzer（TPA） 全自动封装仿真软件
IC封装设计一个关键的问题是确定整个系统性能。工程师需要在设计早期就了解封装特性
及对整个系统的影响特性。TPA就是为IC、封装和系统设计人员提供的专门工具，让工程师
在投产之前就能准确地确定整个封装的电器性能。
TPA可用最少的设计准备来描述整个封装结构的全部特性。TPA自动产生精确的、随频率变
化的任意导线和任意耦合线的RLC值及整板电路模型。对于在高速电路设计中要求极度准确
的RLC值可用分布参数表示。RLC输出可用矩阵格式或SPICE子电路格式。
TPA从设计者的封装设计工具中直接读入布板数据并自动产生RLC寄生参数和SPICE模型，这
些布板有Cadence APD、Avant!Encore、Zuken CR-5000等。TPA具有在封装中自动产生每条
线及相关耦合线的RLC模型。一旦用户确定导线及周围导线的数目，由软件自动算出该线参
数和互耦参数。
TPA的寄生参数提取器是采用边界元和快速矩阵压缩算法，比起其它参数提出方法，可快速
、准确地提取整板的等效电路模型。用户可以按自己的要求选择输出SPICE模型格式，如：
Maxwell Spice、HSPICE、PSPICE等。
TPA也可以让用户选择部分单元等效电路（PEEC）方法来产生分布参数的三维模型。PEEC方
法主要用在导体长度与波长相比拟及电流稠密和趋肤深度很大的情况。TPA能分析任意形状
的电源及地结构，包括整块和网格平面。设计时，可改变VDD/VSS数，所形成的模型可用于
同步开关输出噪声（SSO）分析。
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