כיצד אמורה האלקטרומגנטיות להיות חלק מתהליך התכנון?

ראוי לייחס חשיבות רבה לניתוחים אלקטרו–מגנטיים שאנו מבצעים במקביל לשלבי התכנון של מערכות ת”ר (RF) וגלי מיקרו מודרניות. הכלים לניתוח גלים אלקטרו–מגנטיים (EM) משמשים ליצירת חלקי “ספריה” כדוגמת משרנים, טרנזיסטורים ואנטנות, אשר משולבים בתכנון הסופי, בין אם בחיבור ישיר או בצימוד. במהלך שלבי התכנון השונים, המתכננים יעברו ממודלים מבוססי מעגל לניתוח EM של אלמנטים חיוניים לשם הבנה טובה יותר של בעיות צימוד ולשם הפקת תוצאות מדויקות יותר. ניתוח EM מתבצע שוב לפני המעבר לייצור כדי לאמת את הביצועים עם בדיקת כללי התכנון (DRC), לוודא את הנחת הרכיבים בהשוואה לשרטוט (LVS) ולעתים, אף לבדוק את יכולת יצור התכנון.
מעל לכל הנושאים האלו מרחפת העובדה, שפותר הבעיות EM חייב בשלב כלשהו לפעול בפעילות גומלין עם כלים אחרים. הקלט של הפותר בא לידי ביטוי בצורות ובגדלים או במבנים, אשר מהווים נתונים חשמליים של שכבה אחת. בקצה האחר של התהליך הוא מפיק מודל S–parameters או ייצוג ליניארי אחר. בין פותרי EM יש המפיקים רשימת רשת (netlist) מסוג SPICE שמשולבת בתכנון, במדמה המעגל. עד עתה, הייתה ההצלחה בהשגת היעד כרוכה בשכפול הצורות או בייצוא וייבוא של מבנים בין כלי התכנון או כלי הנחת הרכיבים לבין הפותר, והתוצאות הועברו אל מדמה המעגל. לרוב הכלים האלו הייתה חסרה אינטגרציה בזמן אמת, והם סיפקו מעט מאוד עזרה בעת העברת המבנים (כגון DXF או GDSII) חזרה אל השרטוט, בייחוד כאשר השתמשו בפותר במצב אימות. בתהליך האימות הסופי היו עשרות חיבורים, אם לא מאות, ועבודת השרטוט לחיבור מחדש של החיבורים מהתוצאות של הפותר אל הפינים של שאר הרכיבים, הייתה מוטלת על כתפי המתכנן. תהליך שהיה חייב להתבצע במהירות וללא שגיאות כדי להפיק את התכנון.

דרך הפעולה של EXTRACT
רצף EXTRACT מתחיל ונגמר בשרטוט (איור 1). כאשר נדרשת הדמיה, אפילו בכיול או באופטימיזציה, EXTRACT מוצא את האלמנטים בשרטוט אשר הוקצו לבלוק EXTRACT מסוים, ומעתיק את הייצוג שלהם בשרטוט הנחת הרכיבים למסמך EM המוגדר בבלוק. המסמך נוצר על פי נתוני בלוק EXTRACT, (לרבות סוג החיבורים והתדירויות, מידות הסריג ודרך יצירתו (gridding), סוג הפותר המתאים לשימוש וכל האפשרויות הקיימות עבור פותר EM). בתום פעולת הפותר, מדמה המעגלים משתמש בתוצאות שהופקו, במקום במודלים הקשורים לאלמנטי בלוק EXTRACT. אם ההדמיה הופעלה מלולאת אופטימיזציה או מתהליך כיוון, רצף EXTRACT יופעל בשלמותו שעה שהשינויים באלמנטים יעברו לשליטת תהליכי האופטימיזציה או הכיוון.
להפעלת רצף EXTRACT יש צורך בבלוק EXTRACT ובאלמנט STACKUP. אלמנט זה מהווה חלק ממערכת תהליכי הפרוייקט (PDK). הצטברויות stackup נוצרות על ידי עריכת stackup של המפעל, או בשלב ההתחלה, על ידי הוספה וקישור של חומרים לשכבות שבקובץ עריכת השכבות (LPF) ובניית סידור של שכבות אלו בהתאמה אישית בעזרת ממשק גרפי בתיבת הדו–שיח של פרמטרי STACKUP.
האפשרויות הקיימות בבלוק EXTRACT קובעות כיצד הוא יתנהג ביחס לשרטוט שבו הוא מוצב, למבנה EM שייווצר ולהצטברויות stackup המיוחסות לו. הבלוק קובע כיצד יפעל EXTRACT בהיררכיה, ובמקרה שאינו מאופשר, ערכי האלמנטים הקשורים חוזרים לערכי מודל המעגל. פרמטרים מבקרים את העדכון וההפעלה של מסמך EM ואת מידות המארז, וקובעים באיזה פותר להשתמש. לשונית דינמית (איור 2) מציגה את אפשרויות הפותר המוגדרות עם כל שינוי בפרמטרי הפותר ב–EXTRACT.
המתכננים יכולים לעבור לכלי הפקת המעגל ACE של AWR, ל–Sonnet, למוצר 3D AXIEM של AWR או לשילוב שלהם, כדי לראות את כל האפשרויות מתוך תיבת הפרמטרים של אלמנט EXTRACT. לבסוף, STACKUP מוגדר מתוך EXTRACT כדי לפרש את פרמטרי חומרי השכבות ואת הדרך שבה הם ימופו בניתוח EM. לעתים יש צורך בהצטברויות stackup אחרות, כדי לעבור מניתוח פשוט, שבו מניחים חיבורי אדמה אידיאליים, לניתוח שבו חיבורי האדמה אינם נראים כלל.
לאחר שבלוק EXTRACT קיים בשרטוט, אפשר לקשר אליו אלמנטים על ידי בחירתם ושימוש בלשונית Model Options בתיבת הפרמטרים (איור 3). Extract מאופשרת בתיבת סימון והבלוק המתאים לשימוש מזוהה בתיבת טקסט.

דוגמה להמחשה
דוגמה פשוטה של רשת תיאום פתוחה מוצגת באיור 1. אלמנט MTRACE בחיבור Port 1 מועבר בקו ועל אף שהוא לוכד את מקטעי החילופין, אין הוא מחבר בין המקטעים המקבילים או את MTEE. בלוק EXTRACT שמופיע באיור 4 מאופשר, ובעזרת הגדרת תכונות החומרים והממדים הפיסיים של המתכות והחומרים הדיאלקטריים מועבר סידור הרכיבים באופן אוטומטי למסמך EM – EM_Extract (נראה באיור 5). לאחר מכן, הסידור מנותח במדמה EM והתוצאות משמשות במקום האלמנטים. כל זאת מתבצע אוטומטית ומייד עם ביצוע הדמיה, אופטימיזציה, כיוון או ניתוח תפוקה (Yield Analysis).
לחיצה ימנית על בלוק EXTRACT בשרטוט או על השרטוט בפלטת הפרויקט ובחירה באפשרות Add Extraction תיצור מסמך EXTRACT EM ללא הדמיה. כך ניתן לוודא שב–STACKUP נמצא מיפוי חומר לשכבה הנכונה, שגודל מישורי ביטול השיבוץ (deembedding) נכון, ושהרשת שנבחרה מספקת את מהירות ודיוק ההדמיה הרצויים.
אפשר לכלול אלמנטי סידור רכיבים ברצף EXTRACT על ידי בחירה באלמנט בסידור הרכיבים, לחיצה ימנית על Shape Properties, סימון התיבה EXTRACT והגדרת השם של בלוק EXTRACT (איור 7).
בלוק Extract שולט באופן שהוא מטפל בהיררכיה. ייתכן שלא כדאי לקחת בחשבון מסנן או מעגל צימוד בחיבור המתכת אל חלקי מעגל אחרים בתחילת תהליך התכנון, וחיוני יהיה לעשות כן בשלבים האחרונים. השימוש בפרמטר Hierarchy מאפשר להורות לרצף EXTRACT לכלול בלוק מהרמה הנמוכה במסמכי EM ברמה העליונה.
אפשר להקפיא מסמך EM שנוצר על ידי EXTRACT ולהשתמש בתוצאה כדי לעבד מבני EM בנפרד מהתכנון כולו. אפשר להגדיר את פותר EM לאופטימיזציה למהירות או לדיוק או לבדוק בפותרים אחרים ולבצע אינטגרציה מחדש ללא צורך בפעולות נוספות.

דוגמה של מעגל MMIC
דוגמת תכנון מהעולם הממשי היא הדרך הטובה ביותר להתרשם מרצף EXTRACT של AWR. תכנון של מגבר מבוזר במעגלי MMIC מחייב איזון עדין בין קווי התמסורת בכניסה וביציאה של כל חלק במגבר. זו משימה פשוטה כשמדובר בכל דרגה בנפרד, אך בעת הנחת הרכיבים במעגל שמוגבל במקום, יש לשקול שנית את כל ההנחות שנעשו לגבי החלקים הנפרדים.
שימוש ב–EXTRACT בלולאת אופטימיזציה הוא דרך אידיאלית שבה ניתן להתגבר על היבט זה בתכנון. דוגמה זו היא אחת הדוגמאות הסטנדרטיות של Microwave Office. איור 8 מציג את התכנון הראשוני. מסמך EM נראה משמאל למעלה, מנוע הניתוח ACE נבחר במקום הפותרים הרגילים וכך אפשר לשלוט בקלות על חיבורי הצימוד שבניתוח. ענפי דרגות היציאה והכניסה מודגמות במופעים נפרדים של אותם מעגלי משנה היררכיים. את מעגלי המשנה וקווי ההזנה הנוספים ניתן לשלב לרצף EXTRACT יחיד, ולאסוף את כל החיבורים הפנימיים החשובים לביצועי המגבר.

EXTRACT עם ACE
הפעלת צימוד מלא באפשרויות של ACE בתיבת הפרמטרים בבלוק EXTRACT תגרום לאיבוד חלק גדול מרוחב הפס (איור 9). שינוי רדיוס הצימוד כדי לבודד את חיבורי הצימוד הקריטיים (איור 10), נמשך שניות ספורות בלבד, מאחר ש–EXTRACT מעדכן ברציפות את מסמך EM.

EXTRACT עם AXIEM
אפשר להפעיל EXTRACT עם AXIEM על ידי החלפת מצב לחצן רדיו ובחירה בבלוק EXTRACT כדי לשלוח מסמך EM ל–AXIEM במקום או במקביל ל–ACE. איור 11 מציג השוואה בין השניים עם שני בלוקי EXTRACT המשתמשים באותו שם קבוצה.
ההבדל בביצועי S21 של שניהם נובע מהשימוש במודלים דמוי–סטטיים עבור הקווים שבצימוד ב–ACE לעומת השימוש בפתרון תלת–ממדי לגל שלם למשוואות מקסוול בפותר AXIEM.
למרות של–ACE חסרה היכולת של AXIEM להקיף את כל הפיסיקה בפס הרוחב כולו, הדיוק הכולל טוב יותר מאשר זה המתקבל בשימוש במודלים של אלמנטים בלבד. מודלים של מעגל, ACE ו–AXIEM יוצרים יחד שלישיה שמתקדמת עם המתכנן דרך רצף התכנון, בשעה שהתפישה והמודלים של מעגלים מפנים דרך לתכנון ראשוני ול–ACE, וכן להפקת הדמיות סופיות ול–AXIEM.

מסקנה
היתרון העיקרי של EXTRACT טמון בכך שהקמת EM מונע ונגזר באופן מוחלט מאותו שרטוט ומאותה הנחת רכיבים בדיוק המשמשים בהדמיה. באותה מידה חשובה העובדה שאין צורך לתקן באופן ידני את מטריצת S–parameter לתוך תרשים נפרד או מתוקן, עובדה שחוסכת זמן ומבטלת אפשרות לשגיאות. היתרונות של ניתוח EM מתוך שרטוט מאופשר EXTRACT מגיעים מעבר להיבטי האוטומציה הברורים מאליהם – שהם חיסכון בזמן ובאיטרציות והפחתה של כמות השגיאות. רצף EXTRACT של AWR מנחיל ניתוח EM לתוך ההדמיה של מעגלים והוא משפיע על ביצועי התכנון ועל יעילות הרצף ופותח אפשרויות משמעותיות ליצירת מודלים ולתכנון עבור צורכי EM קיימים ועתידיים.