采用任意形状结构的MMIC器件的设计方法

军事和商业应用领域的RF和微波电路工程师通常面临着一些共性的东西，特别是在设计工具方面。在设计无源结构，使用现有解析模型时，许多工程师受到了限制。这些限制一般源于解析模型在希望使用的范围内精度不足，或不能满足捕获结构之间耦合的需要，以及不存在适用于任意形状的解析模型。在这种情况下，通常会使用电磁(EM)模拟器。

尽管目前已提供了许多EM模拟解决方案，包括平面准静态解算器到真正的三维全波解算器，但许多新版本的工具都在采用共同的方法。现在，工程师在寻找一种快速高效的设计流程来开发元器件和电路。他们需要EM模型的高精度，又要求模拟速度应类似于解析模型。由于工程师并不是一直有足够的时间，对每个电路中大量变化的结构运行EM模拟，因此他们需要某种方式，创建和利用适用于更大设计空间的EM模型。

本文介绍了一种可预测的、高效的设计方法，可用于设计、分析和检验包含任何形状的无源结构的MMIC(单片微波集成电路)器件。使用的设计实例是一种先进的内置MEMS的X频段MMIC调谐器，可以用来有效优化E类功放。本文中介绍的方法几乎适用于任何设计，对于无源器件不存在精确模型的情况最为合适。该方法具可预测性，并由于在原理图模拟中采用了布线图参数化、EM批量模拟及智能重用EM模型的方法，因而效率非常高。新的EDA平台还支持使用线性模拟简明地比较模拟数据和实际测量数据。

这一方法的第一个特点是能够参数化在版图环境中画出的任何布线图。布线图宏可以手工编写，也可以由与用户界面的交互而自动生成，EDA软件在同一个工具中同时提供了这两种方法。而且，尽管通常只要求相当简单的宏，但也可以创建复杂的宏。这种复杂性可以存在于用来构建布线图的底层公式中，如具有可变臂宽和间隔的螺旋电感器，或在多个层上构建，甚至可以存在于用于将对象“打开”或“关闭”的宏的灵活性中。

图1 带有6个MEMS开关的阻抗调谐器的参数化布线图

图2 对阻抗调谐器进行参数化布线图的EM批量模拟设置

图3 原理图模拟，比较基于EM的模拟模型与测量数据

图4 模拟结果

参数化布线图本身具有重要意义，但其实际上是本方法下一步骤，即EM批量模拟的奠基石。它可以通过改变一个参数或多个参数的值，来灵活地改变结构的多个部分(或所有部分)。当自动运行多个EM模拟时，真正的效率就会开始显现。新的EDA工具以智能方式实现了这种批处理功能。它采用一定的算法，适应性地扫描参数，因此可以运行最低数量的EM模拟，在用户定义的参数范围内产生精确的响应。适应性算法也在扫频分析中使用，使在一定频率范围内达到希望精度所需的模拟数量达到最小。如果没有适应性扫描，根据参数数量和扫描的取值范围，结果可能会是数百个EM模拟，因此智能的适应性模拟算法是必要的。设计人员还需要一种方式，智能化地重用这些模拟中的数据。对一名工程师来说，让自己的计算机在长时间内运行，以在较大的设计空间中生成有效的模型是可以接受的，只要别人能够从中受益。

这种批量模拟的解决方案中还包括一个用户接口，用于输入希望的频率范围及要扫描的附加参数。包含解决方案的模型数据库中至少要包括S参数结果，这样可以在未来分析中重用。这就使得设计人员能够保持EM模型的精度，而不需重新调用EM模拟引擎。

模型数据库的重用带来了巨大的优势。EDA工具支持在包括部分或所有版图的EM结果的电路原理图中放置版图器件，大大增强了协同模拟速度。在用户想优化、调试或只是扫描任何电路模拟参数之外的版图参数时，这一工具尤其重要。人们希望也需要能够在一个以上的设计人员之间利用EM数据库。

设计套件是工程师共享模拟模型的最佳方式，特别是在附有原理图和版图表示时。晶圆厂提供的工艺设计套件 (PDK)包括在特定工艺中特定器件的模拟模型、原理图符号和布线图。这使设计人员能够在设计中使用最精确的核心模型。PDK还可以以压缩文件的形式简便地分发给多个不同的工程师。为EM模型库创建的设计套件具有同样的价值。

现代EDA解决方案能够简便地创建新的设计套件。过去，这一直通过手工编码方法实现，而现在，可以在通过图形用户界面自动创建的设计套件中增加EM模型。用户选择要增加的模型，输入描述，输入设计套件名称，然后相应的文件就可被创建。某些EDA工具甚至能够在调色板中增加这些定制的基于EM的设计套件模型，以便在原理图环境中方便的读取。

当EM模型已经生成，并在设计套件中提供后，使用同一EDA平台的任何设计人员都可以在原理图模拟中使用这些参数化模型。其优点有三个：(1) 每个模型都有一个与布线图类似的原理图符号，并且已经具有参数化的布线图，可以生成和更新版图；(2) 每个模型都是参数化模拟组件，包含EM精度，但模拟速度与解析模型类似；(3) 每个模型都允许用户迅速扫描、调谐或优化版图布线图(在EM模型参数的有效范围内)及电路单元，实现希望的性能目标。使用这些模型的另一个优势是，用户现在可以选择使用原理图模拟环境中存在的模拟时间或后处理功能。与版图/EM模拟环境相比，可以提供更多的整体分析功能。

为说明这一设计方法，本文使用的实例是一个可重新配置的X频段单片电路3×3位阻抗调谐器。这种双短线调谐器是一种基于微带的电路，通过6个不同的MEMS开关使用6个不同的可能径向短线。实数部分的阻抗调谐范围是0.63~57；虚数部分的阻抗调谐范围是-7.5~51.8，额定阻抗约为27+j32。该电路可用于优化E类功放的效率，能够提供高约60~70%的漏极效率。

第一步是创建以某种方式参数化的布线图。尽管所有微带输运线段 (包括径向短线)可以对这一电路参数化，假设这些单元为固定配置，但是在本例中，需要对MEMS开关的状态(“on”或“off”)进行参数化。版图环境中提供的图形宏工具用来参数化导线层，其中包含用来构建开关的对象。在版图中为“on”状态和“off”状态画出相应结构，然后宏启动或取消这些层，根据为每个开关的布线图参数输入的值进行EM分析。微带调谐器的参数化版图如图1所示。鉴于所有6个MEMS开关都已经参数化，现在必须对64种状态进行EM模拟 (3×3位)。由于有许多配置需要模拟，因此这种环境特别适合EM批量模拟。

为具有6个MEMS开关的阻抗调谐器设置参数化布线图的批量EM模拟的接口实例如图2所示。用于这类模拟的EDA用户接口包括EM模拟器本身的参数，有时称为模型参数。用户也可提供用于扫描的版图参数范围或取值列表。EM批量模拟开始后，模型数据库也开始生成。在批处理过程中的最后模拟完成时，可以使用在批处理设置时定义的设计空间中有效的EM模型，并可以通过创建和流通设计套件，来共享该模型。

设计套件是采用图形用户界面创建的。对新创建的设计套件，在调色板中创建了一个新图标。使用的EDA工具为EM模型创建了一个与版图类似的符号。调色板使用是可选的，因为用户可以直接从自己定义的项目库中访问模型。

由于新的EM模型将以解析模型的速度运行，因此可以使用EDA平台提供的任何模拟功能。如前所述，这些模拟甚至可以包括改变布线图和电路单元的优化工作。为说明这种方法的可信度，可创建一个原理图来检验这一模型。如图3所示，原理图采用扫描的S参数模拟，访问所有64种状态的测得数据，另外还在这些相同状态上扫描模型。其中一种状态的结果如图4所示，说明模拟结果和实际测量数据之间达到了很好的一致性。