2010

• 封面故事: 電磁－關鍵性的設計流程

• 電磁模擬在射頻/微波的重要性

• 設計: 流程上到底出了什麼問題？

• 客戶成功案例: Legrand

• 客戶成功案例: Cree

www.awrcorp.com | www.awr.tv

封面故事

電磁－關鍵性的設計流程

Ted Miracco, Executive Vice-President, Co-founder AWR

當您年輕的時候，您是否曾經試圖拼

出一個超過1000 片的拼圖？我採取的作

法是開始拼湊框架，然後組裝類似的顏

色和圖案，終於在幾週後，完成拼圖。

那麼，是不是所有步驟都與AWR中的

AXIEM™或EM模擬看起來很像？

對於許多射頻／微波工程師，電磁模

擬就像是拼圖;拼图越大，解決它們的時

間呈指數形成長。這意味著我們有實際

限制的拼圖和有限的工程師資源可以進

行模擬運算。解決數千件電磁模擬疑團

是「容易」的，但處理幾十萬甚至以百

萬計的電路，這真的需要一些非常複雜

的演算法、數學上的快捷方式和先進的

方程式才能處理。

幸運的是，成立AWR的是擁有深厚工

程背景的工程師們，他們充分了解到解

決難題的困難性，並充分了解到試圖解

決複雜設計的痛苦，及卡在尖端的產品

迫在眉睫的時間表和最後期限。 我們的

AXIEM EM模擬器是採用最先進的數學

方法，使我們能夠解決的“難題’”數

量級大於傳統的EM工具，並且不犧牲

任何的準確性！

隨著AXIEM令人嘆為觀止的速度，令

人印象深刻的能力，現在我們的客戶

已經重新定位電磁設計流程，從最後的

驗證工具轉移到關鍵的工程設計流程。

AWR的工具提供世界領先的性能、電

路模擬、佈局和簡單的操作介面已超過

十年，增加AXIEM之後，我們再次提升

自己迎向挑戰，現在我們提供的3D平面

EM技術改變了遊戲規則，在設計電路

上所需的時間，創下新的紀錄。

我們非常高興AXIEM在過去的一年，

幫助我們的客戶提高生產力。AXIEM

再次站上IEEE - 2009年IMS波士頓的中

心舞台。而且這次，我們的客戶，例如

TriQuint半導體公司和Mimix Broadband

公司都大力推崇它改善設計流程的生產

力。也給足我們信心繼續為廣大的客戶

服務。

隨著AXIEM的版圖在市場占有一席

之地，AWR公司開始接受另一項挑戰

─任意3D電磁場。為此，AWR公司

透過STAAR acquisition收購了Analyst™

technology。Analyst technology與美國

國防部跨界合作，共同推出總共歷時

十年的卓越三維有限元法（FEM）電磁

分析能力。我們把這項技術以無縫集成

與AWR設計環境™做結合。我們即將在

2010年將它呈現在您的面前！

2

3

客戶成功案例

客戶背景

Legrand是全球專業的住宅，商業及工業

大樓電氣設備及數據網絡產品和系統安裝

的專家。在全球有66個單位，超過33,000名

員工遍布全球各地，並且銷售到160多個國

家，營業額超過3.7億歐元。射頻設計小組

專門從事數據傳輸和無線控制家用電器。

設計挑戰

Legrand針對消費電子產品市場開發用印刷

電路板（PCB）完成的系統。他們必須將許

多不同功能的單元，放在一片有限的PCB

上，並同時確保所有的功能單元在系統內

可以正常運作。

評估AXIEM 3D電磁場分析

作為AWR早期採用者及使用創新技術

的公司，Legrand很樂於把新的AXIEM™

模擬軟體放進去執行測試，Vincent

Grigis，Legrand射頻工程師為了要瞭解

AXIEM的性能，設計好幾個不同的測試架

構，並儘量用接近模擬時用的架構方式來

組裝FR4成品。據Vincent言， AXIEM和其

它現存的電磁模擬工具做比較時，主要的

優點有三個是

1)開放邊界，提供更好的準確性。

2）小區塊混合網路分析功能(Conformal,

Hybrid Mesh)，使得分析速度更快,

3）精確度高和速度快，甚至當使用在厚

金屬層分析時，表現還是優於其它現存的

軟體。

『模擬結果和實際量測結果做比較，證明

AXIEM是非常準確的模擬軟體。』 Vincent

如此說。此外，有趣的是，觀察更多的準

確性高的好處時，在銅箔厚度被忽略時，

模擬一個螺旋結構的微帶線，只要幾秒鐘

的時間就可以完成精準的模擬，但若加上

銅箔厚度的資料一起模擬時，往往要花幾

分鐘時間完成模擬，但還是比Legrand目前

現有的解決方案快得多了。

接著，Legrand又做第二種測試，這次放

了電感在PCB兩側，並且將銅箔厚度列入

考量，利用AXIEM獨特的分析能力，再

次展現AXIEM準確的分析結果。相較於

Legrand以往使用的電磁分析工具，在計

算相同的結構下，AXIEM的模擬速度比其

它工具快10倍以上，並提供更精準的分析

結果。

評估總結

『當所有的因素考慮在內時, AXIEM提供

很好的模擬結果，』來自Vincent的評論。

『我們相信使用配備4GB記憶體的機器來

做模擬時，可以以非常短的時間模擬非常

巨大的結構，並且得到非常準確的結果。

我們對AXIEM初步評估的結果很滿意，

並將它放入我們的設計流程中。我們對

AXIEM幫我們節省設計的時間，以及使得

整個設計流程非常順暢，感到很興奮。並

且，因為它讓我們在設計上有了更多的空

間。』

Legrand在試用過AXIEM之後，背書認同。

AXIEM simulation results were highly accurate compared to measured data. The results show additional accuracy when the actual copper thickness was taken into account.

『 我們對AXIEM初步評估的結果很滿

意，並且將它放入我們的設計流程中。

我們對於AXIEM幫我們結省的設計時間

及令整個設計流程非常順暢, 感到很興

奮, 而且因為它, 我們在設計上有了更多

的空間。 』

Vincent Grigis

RF Engineer

Legrand

www.legrandelectric.com

6

『速度和易於使用的Microwave Office，再加

上準確的被動元件和電晶體模型，使我們很

快就能展示我們的放大器設計雛型給客戶

看。』Simon Wood, Cree公司的RF 產品開發

經理如此說。『除了縮短上市的時間之外，

我們還可以在一個特定的時間完成更多的設

計，使我們的開發工程師變的更有效率。』

Simon Wood

RF Product Development Manager

Cree, Inc.

www.cree.com

客戶成功案例

客戶背景

Cree，總部設在Durham, NC，是一家研

發以藍色、綠色和白色LED固態照明和背

光的先驅公司，他們致力開發以碳化矽

(SiC) 以及氮化鎵（GaN）為基礎的RF和

微波無線應用的晶圓和電子元件。

Cree的碳化矽場效電晶體(SiC MESFET)

和GaN HEMTs元器件越來越多被使用在

商業無線和國防放大器應用產品上，這都

是有賴於該公司對這些不同製成特的瞭

解。目前的產品包括碳化矽MESFET能夠

提供60瓦的2.7GHz，GaN HEMT元器件如

最新的CGH21240F能夠提供240瓦4 GHz和

GaN HEMT元器件的MMICs能夠提供3瓦

從20 MHz到6 GHz和25瓦從2.5到 6 GHz的

元器件。

設計挑戰

在短短的幾年內，氮化鎵的使用有上升的

趨勢，從一個大有可為的RF功率技術，到

軍事用途「必須有」的放大器技術，他們

正積極的進入無線領域，尤其是在原來由

矽LDMOS製成元件主導的領域。

Cree長期以來一直著重於發展氮化鎵元件

成為一個客戶替代的選擇，為了達到這個

目標，他們必須更快完成新元件的設計，

並降低成本。該公司使用AWR的Microwave

Office®設計環境，很快地，就得到滿意的設

計成果，包括所有的hybrid-based GaN的功率

放大器。其中最令人印象深刻的是，這些是

CDPA21480 Doherty放大器（目前的基地台

收發器功率放大器架構），可提供480 瓦的

峯值和80瓦的平均RF功率輸出，為WCDMA

應用在2110至2170MHz的UMTS頻帶。

解決方案

Doherty放大器具有獨特的特徵，就

是當我們輸入一個高峯值對平均值比

(Peak-to-average Ratios)的信號進入時，並

耦合數位預失真線性(Digital Predistortion

Linearization)信號會使放大的效率增加。

Doherty放大器實際上是由兩個獨立的放

大器組成，在不同的信號下交互作用提升

效率。使用Microwave Office，Cree的工程

師能在一定的功率範圍內，用獨立的訊號

源和負載(Load Pull)量測資料，放進這兩

個載波和峰值放大器的前後級電路，來優

化整個設計。設計任務不只有賴軟體的

準確性，同時也需要模型(Model)的準確

度。Cree的精確的大信號模型縮短設計時

間高達70％。

該放大器的設計需使用完整的Microwave

Office軟體的能力，從線性頻域模擬，和諧

波平衡(Harmonic Balance)模擬到電磁（EM）

的分析。設計人員特別指出簡單無縫接合

的設計流程、模擬速度、佈局(Layout)和原

理圖(Schematic)的連結，加上AWR的技術團

隊提供極好的技術支援，這些都是能幫助

設計人員快速完成設計的原因。

Cree Speeds Development of High-Performance GaN Doherty Amplifi ers by 70%

This CGH21240F GaN HEMT power amplifi er supports Cree’s commitment to “HIGH GaN RF POWER”.

The complete Cree CDPA21480 Doherty amplifi er.

電磁模擬在射頻/微波的重要性

設計: 流程上到底出了什麼問題？

簡介

工程師和科學家或技術人員有什麼不

同？以及，為什麼企業傾向於請很多

同樣背景的同仁？工程方法是根據理

論基礎及經驗的累積來設計解決電路

問題，同時還要考量成本、獲利及風

險。例如，在設計階段，我們在同時

考量成本及風險的情形下定義一些參

數, 而這些參數是根據我們要逹成的設

計目標而訂定的。

對於典型的微波設計，在一些參數

上，我們經常考慮的是，線的寬度和

長度，設計目標可能是增益和輸出功

率，至於成本，可能會對應到設計面

積的大小，而風險可能是良率。

挑戰

對於RF／微波設計有幾個障礙使得設

計流程複雜化。

首先，我們必須承認，佈局(Layout)或

製程(Implementation)是設計的關鍵。在

考慮這樣高頻率的設計，我們就不能忽

視Maxwell方程式。而實際線的長度，

彎曲，和每一點鄰近的金屬都可以影響

整體設計，因此，我們不能再天真地

以為電路圖便可以成功地捕捉到整個設

計，電路佈局也是關鍵。

電磁分析流程

電磁分析就是一個典型解決上述問

題的方法。電磁分析，不僅將設計中

所有的因子都用電磁模型考慮進去，

同時，也提供設計者對設計所作的假

設一個驗證的機制，確認金屬間的影

響。設計流程，從包括量測和工程理

論的電路設計方法出發，到電路佈局

前後的電磁模擬分析，已經逐漸成為

趨勢。

然而，越來越多的設計，過度依賴EM

模擬, 並且一直使用它來做所有分析，

而不是用工程方法來做實際的設計。

這種用電磁分析方法來模擬一切設計

的轉變，不是一朝一夕發生的事，有

幾個很好的原因是促使設計團隊和公

司都採用這種設計流程。第一個原因

是模型準確度。有時，模型的準確度

不能逹到我們要求的標準，因為身為

工程師，我們被要求模型不準的範圍

要愈來愈小──設計容許範圍(Design

Margin), 製造容許範圍(Manufacturing

Margin), 和設計時程容許範圍(Design

Dr. Mike Heimlich, Microwave & RF Marketing, AWR

Cycle Time Margin)也都要愈來愈小。

愈來愈小的設計空間，使得我們有愈

來愈大的壓力，甚至當變數可調範圍

變小的情形下，仍然必須要在設計之

初就解決許多問題。工程師的天性，

使得他們會用一些獨特的模型來逹到

設計的要求。

第二個原因是因為佈局愈來愈複雜，

使得人們愈來愈依賴電磁分析。並且，

有人反應模型不準，佈局又很複雜。

因此，我唯一可以做的事就是做電磁

分析，因為那是直接求解Maxwell方程

式，我知道它會給我正確的答案。

Visit AWR TV™! for a comprehensive “one-stop” multimedia

resource for product information, tutorial presentations,

and application-specifi c discussions. The site contains

many videos for designing MICs, MMICs, and PCBs within

Microwave Offi ce® software.

www.awr.tv

AWR TV

4

解決方案

更好的方法是在直接做電磁分析，或

是提取足夠資訊兩者之間取得平衡，

足夠的資訊就可以權衡得失降低生產

風險。提供合適的工具，專門針對這

個設計，評估這些風險。

那麼，我們來尋找一個解決方案？

AWR Microwave Office®設計環境如何？

它擁有ACE™和AXIEM™技術？

在當今市場上新的電路模擬工具，例

如AWR中的ACE技術，通過在早期的

設計流程中使用該工具，選擇性地改

變在分析範圍中的搜索半徑，設計人

員可以探究出關鍵的耦合是來自於那

個部分。由於模擬速度約為做電磁分

析的一萬倍快的速度，這是非常有用

和有效的設計流程。

此外，隨著我們在設計流程上的進 此外，隨著我們在設計流程上的進

步，想在不失去參數控制的情形下，步，想在不失去參數控制的情形下，

切換電路模型模擬到電磁分析。我們切換電路模型模擬到電磁分析。我們

也想要快速的電磁模擬，讓我們可以也想要快速的電磁模擬，讓我們可以

逐步增加複雜性和準確性。一個有用逐步增加複雜性和準確性。一個有用

的新技術出現──AWR的AXIEM模擬的新技術出現──AWR的AXIEM模擬

工具。它可提供的速度和準確性，即工具。它可提供的速度和準確性，即

使是很複雜的設計也可以很快完成。 使是很複雜的設計也可以很快完成。

結論

電磁分析不論是否要放進設計流程， 電磁分析不論是否要放進設計流程，

電磁分析無疑是一個重要的因子，使電磁分析無疑是一個重要的因子，使

得我們可以反映、創造，然後利用此得我們可以反映、創造，然後利用此

工具來逹到工程訓練。

AWR的ACE和AXIEM技術開發是為了 AWR的ACE和AXIEM技術開發是為了

在設計流程的早期，在更複雜的設計在設計流程的早期，在更複雜的設計

上就能逹到更精確的模擬結果。這樣上就能逹到更精確的模擬結果。這樣

做的好處是，在設計流程剛開始時，

將所有的電路系統做電磁分析不再是一

個先決條件。此外，這些工具使設計

人員能夠有選擇性, 持續性地立即看到

瞬間改變參數的模擬結果，在不改變

設計方法或工具的使用模式, 可以在速

度及模擬分析的準確性上取捨,自由選

擇解或不解Maxwell方程式的數值運算

方法。這些相同的工具，也可以使用

在最後的流程上， 做一部分的電氣驗

證分析。

了解參數空間，提供足夠設計有關的

訊息，以便權衡得失，降低生產風險，

並提供合適的工具，具體的設計，是現

今微波／RF設計流程所需的。而AWR

的Microwave Office軟體具有的電磁分析

能力的設計流程，使得這一切都變成

可能。

5

ACE uses layout-based models for circuit extraction, automating identifi cation of distributed, discontinuous, and coupled transmission lines from layout. As a result the simulation speed is about 10,000x faster when compared to conventional EM analysis.

A common design

methodology fl ow.

7

『AWR 和Mentor 的軟體工具的設計流程整

合，成功地縮短我們的設計流程，我們可

以同時兼顧射頻電路設計及電路板上其它

的電路，因此縮短我們的設計到製造所花

費的時間，這有助於我們逹到積極預期的

產品上市時程。』

Xavier Leblanc

Hardware Tools Manager

Alcatel-Lucent

『AWR提供非常有效率的設計流程，讓

我們的工程人員省下許多時間，可以考慮

更細節的設計，這是我們以前從沒有的機

會。現在我們可以以低廉的成本提供卓越

的產品，讓我們在這個非常苛刻的市場上

生存了下來。』

Justin Magers

RF/Microwave Design Engineer

Anritsu Company

『有限的時間及市場的壓力，提醒我們的

設計流程需要無縫接合，而AWR Microwave

Office® 完全契合這方面的需要。完全整合

並易於使用的解決方案縮短微波和毫米波集

成電路設計的時間。此外，產品配有明確及

廣泛的文件和提供一流的技術支援。』

Dr. Simon Mahon

Director of MMIC Design

Mimix Broadband

『先進的AWR設計環境為我們提供一個

靈活的平台，並為我們的天線設計需求提

供解決方案。我們可以依靠精確的模型和

可靠的模擬結果，從而減少以往的設計週

期。AWR Microwave Office使我們可以準確

地設計複雜的產品，讓它們更快地進入市

場。』

Kimmo Koskiniemi

Engineering Group Manager

Pulse Antenna Division

『TriAccess Technologies 公司聚焦

有 線 電 視 應 用 ， 對 於 市 場 的 需 求 ，

必 須 做 出 快 速 的 回 應 。 由 A W R 和

TriQuint提供的解決方案，幫助我們即時實

現有競爭力的視頻產品。』

Chris Day

President and CTO

TriAccess Technologies

『Microwave office和Visual System Simulator™

（VSS）的無縫接合，給我許多有意義的

結果，因為我能夠模擬功率放大器電路，

在EDGE / GSM調變輸入信號系統中的表

現，而它們都在同一個設計平台上。我用

Microwave Office和VSS從電路的概念，一路

過關斬將直至產品完成。我特別高興有如

此高品質的ACPR和EVM模擬結果。』

RF/Microwave Design Engineer

TriQuint Semiconductor

客戶評論

www.awrcorp.comwww.awr.tv

USACorporate Headquarters

AWR Corporation

1960 E. Grand Avenue, Suite 430

El Segundo, CA 90245

+1 310 726 3000

+1 310 726 3005 (fax)

http//web.awrcorp.com

TAIWANAdvanced Comm. Engineering Solution Co., Ltd.

Kathereen Lee

2F-1, No.28, Taiyuan Street

Jhubei City, Hsinchu County,

302 Taiwan

+886 3 552 5633 ext 130

service@acesolution.com.tw

http://www.acesolution.com.tw/

Copyright © 2010 AWR Corporation. All rights reserved. AWR and the AWR logo, Microwave Offi ce, Analog Offi ce and APLAC are registered trademarks and Visual System Simulator, AXIEM, Analyst, ACE, AWR TV and AWR Design Environment are trademarks of AWR Corporation. All others are the property of their respective holders.

AWR Design Environment™

MICROWAVE OFFICE®

VISUAL SYSTEM SIMULATOR™

ANALOG OFFICE®

AXIEM™

APLAC®