ADS基础教程19 - 电磁仿真（EM）基本概念和实操

一、引言

本章节开始介绍EM的基本概念、内容以及实现具体步骤，并介绍如何在ADS中创建一个Layout，然后执行Momentum仿真过程。

二、基本概念

1.EM介绍

EM全称Electromagnetic，即electro（电）magnetic（磁）。ADS为设计和评估现代通信系统产品提供了电磁仿真工具（EM）。EM包括Momentum simulator（动量仿真器）和FEM（Finite Element Method）simulator（有限元仿真器），并且提供了统一的接口。

2.Momentum介绍

Momentum(动量仿真器)是一个完整的3D平面电磁工具集，用于预测高频电路板、天线、集成电路和模块的性能。它识别了元件之间的寄生耦合，超越了简单的分析和验证，实现了无源分布式电路的自动化设计。它还可以可视化电流流和远场辐射的3D显示。动量模拟器附带以下功能列表:

• 计算s参数一般平面电路，包括微带，槽线，带状线，共面波导，和其他拓扑
• 过孔和空桥连接层之间的拓扑结构，因此您可以模拟多层RF/微波印刷电路板，混合电路，多芯片模块和集成电路
• 与ADS一起安装，并在桌面、远程服务器或分布式计算集群上本地运行
• 最先进的网格划分和解决技术提供了突破性的能力，速度和准确性
• 无缝电磁/电路协同仿真与协同优化

3.FEM介绍

FEM是一种功能强大的有限元仿真器，可以解决广泛的应用问题。它使您能够模拟任意3D形状，例如键合线和有限介电基板。它是一个3D电磁模拟器，具有完整的3D电磁场求解器，以及全自动网格划分和收敛功能。有限元仿真器具备以下特征：

• 广泛的应用场景：导体、电阻器、各向同性电介质、各向同性线性磁性材料的建模。
• 无限数量的端口，支持多i /O设计仿真的应用。
• 电场和磁场建模，使电磁场在设计中可视化。
• 吸收边界条件(自由空间)，实现天线建模。
• 全波、EM精度，首通设计成功。
• 天线参数(增益、指向性、极化等)，以便更好地了解天线设计。
• 与ADS一起安装并在本地运行

4.Substrate介绍

Substrate（基板），可以理解为硬件中的叠层设计，其定义了物理设计的横截面。这是3D视图和/或EM仿真的先决条件。例如，多层电路板的基板由多层金属走线、绝缘材料、接地面以及连接走线和围绕电路板的空气的过孔组成。基板编辑器使您能够指定属性，例如基板中的层数、选择材料、指定每层的高度等。您可以保存基板定义并与其他电路一起使用。
基板包含了以下几个可选的项目组成：

• 基板层:这一层定义了电介质、地平面、覆盖物、空气或其他层状材料。
• 界面层:这是基板层之间的导电层。典型的导电层是在布局窗口中的布局层上绘制的几何图形。通过将布局层映射到接口层，您可以在基板内定位绘制电路的布局层。

另一种查看基板的方法是:基板提供了设计的侧视图(为了便于说明，不按比例)，而布局窗口中在布局层上绘制的几何图形提供了设计的俯视图。它们一起给出你的设计的三维图像。基板的顶部和底部或一端有盖(接口)或无限厚的基板层，如下图所示:

三、创建Layout并进行Momentum仿真

下面将介绍如何在ADS中建立一个Layout，并在Layout中添加微带线，进行Substrate设置。最后进行Momentum仿真的操作过程。

1.创建Layout

1）首先创建一个Workspace，此处命名为MyFirstLayout_wrk。注意，选中Set up layout technology immediately after creating the library。然后点击Create Workspace。

2）弹框提示创建Layout的类型，此处选中图示0.0001mm分辨率，点击Finish完成创建Workspace。

3）在新建的Workspace中，点击Layout，如图所示。

4）弹框定义Cell名称，保持默认cell_1，点击Create Layout。

5）点击Show advanced展开选项卡，然后点击Change…。

6）如下图，按照图示选择，然后点击OK。

7）完成设置后，点击Create Layout按钮，即完成了Layout的创建。

8）进入到Layout界面，需要进行相关设置。

9）点击菜单栏的Preferences…。

10）可以对相关参数进行设置。

2.添加Microtrip（微带线）

1）我们首先在菜单栏上鼠标右键，弹框选中如图所示的选项。

2）此时会在左侧面板上显示出Parts、Navigator、Layers选项卡，选中Parts，并找到MLIN，加入5段微带线到Layout中。

3）可以点击微带线，分别对每段进行参数设置，如长度和宽度，设置完成后，我们就可以进行下一步操作了。

3.添加Substrate

前面介绍基板时提到，基板是EM仿真的前提。ADS中有如下4种方式可以创建一个新的Substrate：

• 在ADS主窗口中选择“File > New > Substrate”，单击“OK”。
• 从ADS主窗口，选择库视图选项卡。右键单击任何库或单元并选择New Substrate。
• 在布局窗口中，选择EM > Substrate。
• 在EM Setup窗口中，在左侧窗格中选择Substrate。然后单击New。

1）创建Substrate后，会弹出编辑窗口，如下图所示。在该界面可以编辑叠层、设置每层的材料及尺寸信息等。

2）需要设置材料信息，点击菜单栏中的Technology>Material Definitions…

3）弹框出材料定义选项卡，可以看到，针对Conductors（导体）、Dielectrics（电介质）、Semiconductor（半导体）、Surface Roughness（表面粗糙度）进行设置。

4）可以新建、删除、或者从数据中添加。如下图，针对电介质，我们点击Add From Database…，选择Rogers_RO4350（注意，单击即可选中变成蓝色状态，再次点击选中状态可以取消），然后点击OK。即可添加一种新的电介质材料。

5）回到编辑界面，可以看到，当选中电介质层后，在右侧材料栏目中，可以选中刚刚加入的Rogers_RO4350材料了。导体、半导体可以同样方式进行处理。后续具体案例具体操作。

4.Momentum仿真

设置完基板后，我们可以开始配置仿真模型参数。
1）添加端口：在菜单栏中，选中Insert Pin按钮，为已放置的微带线添加两个端口P1和P2。

2）添加好端口后，在菜单栏中，选中EM>Simulation Settings…。

3）在弹出的对话框中，View名称修改为Momentum_EM，然后Use_template处保持默认的None。

4）设置完成后，点击Create EM Setup View。

5）此时，会再次弹框提示确认view name。这里点击Keep Name and Continue。即保持创建的名称。

6）弹出的对话框中，点击OK。

7）随后，我们就进入了仿真器的操作界面。这里会看到，Setup Type有两种：EM Simulation/Model和EM Cosimulation。EM Simulator有三种：Momentum RF（射频动量仿真），Momentum Microware（微波动量仿真），FEM（有限元仿真）。此处我们选择Momentum Microware。

8）在左侧菜单栏，可以看到我们新建的基板和添加的Ports。

9）在Frequency plan这一选项中，我们设置开始频率、截止频率、点数等信息。

10）Options页面保持默认。然后点击右下角的Simulate按钮，即可启动仿真。

11）仿真过程等待进度条走完。

12）完成后，会自动弹出视图窗口。如下图所示。

四、总结

通过本文章结束，可以了解ADS中电磁仿真相关术语名称含义，以及包含的两种仿真器。然后知道了基板设置是执行电磁仿真的前提，并介绍了如何进行基板的设置。最后，在ADS中创建了一个Layou，并基于此开始一个Momentum仿真器的配置过程。具体内容还需大家深入去实操，了解各个模块中各参数的具体含义。后面也会通过实例讲解FEM的实操过程。
$$\mathbf{E}\mathbf{N}\mathbf{D}!$$