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设计软件是怎样改变世界的
录入时间:2011-3-2 13:19:40

刚开始的时候(大约在二战时),微波电路又大又重,由大量的中空金属管道组成,也就是所谓的波导管。微波工程师在波导管中工作,看起来也像是管子工,他们的工具也包括锉刀、圆头锤子、环氧树脂和油漆。在20世纪60年代,出现了基于二维层状结构的平面传输线电路。这种电路相对更便宜、重量更轻,还提供了进一步微型化的潜力,这样就很快地引发了微波集成电路(MIC)概念的出现。

MIC也被称为混合电路,这是因为它同时包含有主动和被动器件(某些元件是在基底材料上印刷出来的,比如薄膜电容或是螺旋电感,其他元件则是芯片的形式,典型的主动器件如二极管以及离散的晶体管)。有了MIC,整个电路就能放置到一块基底上,器件之间互相连接,并可以连续地进行集成,从而可以取代由波导或共轴电缆连接起来的独立的微波器件。MIC可以支持大批量的生产并从而可以消减成本。然而,电路设计却仍旧由手工完成,使用书本上的公式和铅笔、Smith表、电路板、铜带、剃刀刀片、焊接铬铁还有测试设备。每项设计任务(MIC或波导)都需要对电路行为有充分的了解,对试湊法的实验有精密的观察,同时还需要有大量的时间。

 Wright Pat和德州仪器

1964年,美国空军的Wright Paterson航空实验室要求德州仪器(TI)提出一个航空前视雷达系统的提案,要求能尽可能多地使用半导体。其目标是为了验证T/R模块不但可以生产出来,而且其价格同未来更大的主动合成孔径相控阵雷达及ECM系统相当。结果就是启动了名为微波电子雷达应用(MERA)的项目,DARPA也提供了资助,这一项目极大地推动了微波技术的进步,并直接推动了1965年半绝缘硅和砷化镓基底上微条带传输及第一块硅MMIC的出现,还有1966年的X波段T/R开关、1966年的500MHz调谐放大器、第一款砷化镓MMIC、以及1967年的94GHz本地振荡器和平衡混合器。由于MERA项目的技术成功,它最终在1970年推出了一部完全可工作的雷达系统,而同时其他项目也在大多数美国及其境外的军方雷达研究机构启动了。微波电路设计必须快速跟上。

TI的工程师们为何能如此快速地推进微波电路设计呢?从1971年11月提交的一份美国专利中可以窥得一些线索,这份专利由TI的L.W. Dyer, T.W. Houston 和 G.J. Policky提交:“通过利用电路结构和所有元器件的初始值,可以通过一个自动数据处理机对电路设计进行修改,并通过改变设计变量使至少一个性能特性得到提升。需要选择一个期望的电路结构,所有电路元器件的初始值则被编码并存储在数据处理器中。另外,期望的性能特性也被选出并进行编码。利用编码后的输入信息,数据处理器可以生成并存储一个持续分析目标功能的表示。在数据处理器的运作中,会生成并存储目标功能的值。”

这一专利摘要涉及由TI开发的电路模拟和优化程序,它专门用于支持MERA项目的微波电路设计。这个程序就是CAIN(计算机辅助集成网络),它使用打孔卡片在IBM 360计算机上运行,这是专利提交者们在1969年IEEE-Wescon技术论文中提到的,“计算机辅助的微波集成电路设计。”3虽然TI的工程师们长年使用这一程序,但它却从未被公司进行商业化。

 第一款商业高频电路模拟器

使用微波带及带状线传输线的优势有小型化和更容易生产,但它的代价是设计上的不确定性。在这些问题中,微波条带的不均匀性会引起有效的介电常数,它随频率而增加,并因此会引起相位速度下降,特征阻抗变化及不连续,比如弯曲、T型(线交叉)及线宽变化,这些都需要合理地进行模型化,以便解决寄生效应并精确地表示它们的高频行为。在使用软件之前,微波工程师们都要依赖书本和手工计算来大致地估算电路行为,这个过程又慢又繁琐。

当时有一些公司在内部的大型主机上开发软件,但大多数微波工程师都没有计算机可用,更没有计算机辅助设计。他们中间就有一位Les Besser,他从1966年起在惠普(HP)微波部门工作,开发宽波段微波器件。也就是在惠普,Besser开始研究模拟器和阻抗匹配程序,但那个时候他的经理并没有批准他的这个辅助项目。

1969年秋天,加州大学伯克利分校的Ron Rohrer教授从仙童公司回到学校,开始讲授一门电路设计和分析课程。该课程计划是要发展一个综合和优化的电路模拟器的部件。其结果就是一个程序,称为“不包括辐射的非线性电路的计算机分析(CANCER)”。选用这个不常用的名字是了说明这个项目没有受到国防工业的资助,那时大多数电路模拟项目都会受到此类资助,但同时也会要求它们都要能够对电路的抗辐射能力进行测试。主要开发者中的一位是研究生Laurence Nagel。在他的新导师,Donald Pederson教授(代替了Rohrer)的指导下,Nagel把这个程序推进到公共领域的通常目的的电路模拟上。结果就出现了SPICE(强调集成电路的模拟程序),1972年它作为开放源代码的程序向公众发布了。

但是,SPICE不能处理分布的传输线,同时对于高频模拟也慢得不可接受。由于没有商业软件可用,许多公司(包括Besser的前雇主惠普)都开发了自己的内部软件。1970年,Besser离开加入了仙童公司的微波部门,在那里他集中研发MIC、砷化镓FET放大器以及CATV系统。在仙童公司,Besser写出了SPEEDY,这是一款两端口的分析工具,它还带有一个晶体管数据库,为仙童公司的晶体管配有高频设备S参数。

这个程序起这个名字,主要是为了宣传它的速度,与现有的时域模拟器相比要快得多,但它并不特别适合微波频率分析。那时候计算机(大型主机)非常稀有,并且超级昂贵,用户要想用这种程序,就得使用终端(也就是teletype)调制解调器通过本地电话线来分时共享,其速度低至只有110波特(比特每秒)。但即使这么慢,设计工具还是比原型化要快一点。在集成电路的情况下,SPICE已经证明了它们还是非常基本的。

Farinon Electric公司雇用了Besser来指导它们的微电路设计和开发工作。那时他设计了一个程序,称之为COMPACT(微波主动和被动电路计算机优化)。1973年,也就是SPICE 第一次在会议上亮相的那一年,Besser对他的程序进行了商业化,成立了Compact软件公司。这就是第一款微波CAD公司和第一款成功商业化的微波电路优化规程。

尽管在功能上还很有限,它还是给未来的高频设计工具指明了方向。该软件的第一版只能应对理想的传输线和两端口的元件,它们可以是级联的也可以是并列连接的。然后,微波条带元件以及非连续连接也加入了。更新的版本还可以进行粗略的匹配网络综合并使用字母和数字来设计Smith图表。

在亚特兰大召开的IMS 2008上面,Besser做了关于MIC/MMIC发明历史的演讲,他说“真正的闭合形式分析解决方案即使对相对简单的微波电路,比如单阶反馈放大器,也是不可行的,考虑到这一点,第一版的COMPACT包括了对电路元件的优化。尽管最初它只能做双端口类型的互连,但后续版本就加入了通用化的节点连接以及噪声优化。电路库还包含了大范围的元件,测量S参数数据库也是一样。”

可以对复杂的微波电路进行优化的能力最终说服了一度犹豫的工程师,他们开始接受把CAD作为一个可行的设计工具,结果就引发了一场电路设计的革命。经常情况下,一款软件产品的成功还是要依赖于它提升工程生产率的能力以及节省成本的能力。带有优化功能的软件可以把项目时间从数月砍到数天,并且为每个项目节省多达24000美元的经费,这是当时的广告所宣传的.

最初,COMPACT只能在大型主机或商业化的分时共享小型机上运行,工程部门要为每个CPU小时支付3000~5000美元(那时个人电脑还不存在)。用户界面比图形编辑器要早多了,因此,电路只能用连线单编辑器来定义。远程终端只能通过300波特的音频调制解调器进行连接。

 1980年,Compact软件公司被Comsat公司收购,Besser在接下来的3年时间里保持着同这家公司的联系,然后他离开创办了一家职业培训组织,称为Besser协会。在这段时间里,第3代程序SuperCompact™开发出来,运行在微型计算机上,诸如DEC的VAX设计工作站,它售价约为25万美元。随着微处理器和PC在1980年代全面革新了电子设计,软件与操作平台之间的联系在设计软件的商业前景中起到了关键的作用。

 更可用的计算机平台

企业家charles J. (“Chuck”)Abronson是Amplica Inc.的共同创始人(1972),并担任了该公司的CEO;他成功地推动了这家公司在1981年IPO上市,并随之在1982年同Comsat合并。Amplica曾经使用一款称为Magic的设计程序来开发它的顶级低噪声放大器,并在商业上获得了成功。

最终,Abronson成为了真正信任设计软件威力的人。在商讨将Amplica出售给Comsat的事务时,他遇到了Bill Childs,他是Compact下属公司的一名雇员。他们在1983年共同成立了EEsof公司。

EEsof的注意力集中在为迅速成长的并不太贵的个人电脑业务提供设计软件上,1984年,他们推出了他们的第一款产品,Touchstone® 线性电路模拟器。 他们最初的基于连线单的文本接口同SuperCompact的格式很相似,但向PC转移给Touchstone了一个改变游戏规则的优势地位,而这家公司也很快地侵蚀了Compact的市场份额。

EEsof还通过增加从软件到HP8510网络分析仪的链接增强了产品的功能。这样可以让测量的数据直接捕获进入分析仪软件。更重要的是,这项功能还能吸引那些工程师努力把“建造和测试”的设计方法引入使用中的软件中去。称为“Touchstone文档”(同时也因为它的文件后缀而被称为SnP文档)的文件最初是线性电路模拟器的专用格式。这个文件格式最终成为S参数(同样还有Y和Z参数)的业界标准,被电路模拟器和测试设备(VNA)使用。这个简单的ASCII文本文件现在广泛用于记录n端口网络参数数据以及线性主动器件、被动过滤器、被动器件或互连网络的噪声数据。

1985年,Compact软件子公司部分破产,Comsat基本上是把这个商业单元的产品线资产赠送给了通讯咨询公司(CCC)4,就在它刚刚发布了SuperCompact PC版3.09版之后不久,这个产品本来是用来在低成本平台上对抗Touchstone不断提升的流行度的。CCC的总裁,Ulrich Rohde博士对这个行业有深入理解,他同时也是Synergy微波的主席,还在测试设备生产商Rohde & Schwarz公司那里担任指导。Rohde描述他那时的主要意图是“快速提高Compact软件产品的能力,能同新的微波模型一起工作。”新公司一开始一名职员也没有,但是Rohde很快就同来自全球各地的技术专家一起合作,集中研发模型的精确性和新的分析方法。

 随着供应商之间的竞争,工具的功能不断提升

把电路分析软件同测试设备数据联合起来非常适合1980年代中期的微波产品开发。工程团队经常把Touchstone和HP8510网络分析仪连接起来用。就是这个时候,惠普和EEsof也通过营销关系而联系起来,惠普在它的平台上销售Touchstone的软件,比如在200系列上(但不是在PC上)。这种营销协议让EEsof得到更多曝光,并帮助它打入了主要的国防产品供应商市场,这就更进一步侵蚀了Compact的市场份额。但它同时也为惠普打通了进入设计软件领域的通道,并将引起更多的竞争。

开发微波器件的挑战,甚至网络分析仪自己的开发都提醒惠普设计软件的重要性在不断增加。Jeff Meyer开发了一款内部使用的工具,MANTIS(微波模拟布局交互模拟器),他用它来开发一种宽波段放大器。惠普的管理层也认识到设计软件将是该公司在网络分析仪市场上的重要地位的自然延伸(同时也将是这家公司未来多年中不断加以推广的一种功能)。

据惠普公司记载,大约在这个时候,“惠普的工程师开发了高级的内部使用的设计工具,包括它自己的高性能的线性模拟器,可以运行在已经销售的由惠普计算机部门开发的工作站上。”1985年,几名来自HP 8510团队的工程师决定由他们来指导软件的研发,占领正在涌现的微波和射频设计市场。他们的目标是“用完全体现工程师真实工作的方法来集成模拟、数据显示以及布局工具。”

第一版HP微波设计系统(MDS A.01.00)于1987年发布。它一度在内部开发,结合了一个线性电路模拟器和集成的图形捕获和带有备注的图形布局功能,这是第一款射频EDA软件。MDS可以在惠普、Sun及Apollo的UNIX工作站上运行,同时也可以在PC机上运行(不是微软系统,而是SCO UNIX)。图形捕获功能可以帮助工程师图形化地观察电路,从而加速设计流程(对其中一些)并能为电路问题的解决提供一个有用的视觉途径。毫不奇怪的,HP推出MDS这一举动很快就终结了惠普同EEsof的关系,至少是暂时中断了。

在那些年里,在Compact、EEsof以及新加入的HP之间的竞争引发了大量的创新。同时驱动研发活动的还有DARPA的项目,也就是称为MIMIC的项目。这个项目的总体目标是打造模拟微波及毫米波传感器,使用砷化镓集成电路技术,为军事应用(陆海空军的应用)提升性能,改进尺寸、重量、成本以及可靠性。作为一个研发领域,该项目特别关注CAE。

这个项目同早期的MERA项目类似,后者曾推动了TI的砷化镓开发,1985年秋,Egbert Maynard,美国国防部的VHSIC项目的掌权人宣布了这个项目。7在1987年的MIMIC项目Phase 0中,每个军事分支都找到了4支研发团队,授予75万~100万美元的资金,主要是研究最好的开发并生产用得起的、可靠的同时又是高性能的MMIC。对设计软件来说,它的具体目标是“材料及器件工艺的特征化和计算机辅助设计能力的研发”。

第二年,美军三军部门最终在一项工作状态总结上达成一致,并选定了4个可以继续推进的团队。在项目一期工程中,EEsof和大公司如Hughes和GE以及AT&T、M/A-COM以及Harris等一起合作获得了高达5000万美元的合同。EEsof还将同新成立的Cadence公司合作,开发“智能”(可以进行模拟的微波图形)库,它将把MMIC元件的电子模型同每个元件的物理尺寸联系起来。Compact将同大公司Raytheon、TI还有合作伙伴如General Dynamics、Norden Systems、Teledyne、Litton Airtron和Aerojet一起完成高达6800万美元的合同(惠普的MDS不在一期工程的名单中)。

金钱的直接激励,以及对产品最终用户的激励,也会帮助从建模、分析以及从设计到生产(CAD布局)的新研发项目,这在1980年代后期直到1990年代早期,都是支持MMIC技术所带来的复杂性所需要的。从惠普最初发布它的线性模拟器直到1989年以及发布MDS B.01.00时为止,惠普都相当沉默,与此同时,Compact和EEsof都在针对刚出现的MMIC市场忙碌地增加和营销新功能。利用收购来的或者是自己开发的技术,比如改进的电路模拟技术、从连线单到图形的转换技术、带有图形界面的CAD技术,综合及IC模型库逐渐地加到了两大家族的产品中去。

在这段时期内,EEsof把Touchstone连到了一个图形转换工具,这个工具叫MiCAD,还连接了一个传输线计算器(LineCalc)、电路综合工具(E-Syn)以及一个微波版本的SPICE。这家公司还推出了ANACAT,它可以从PC机上对HP 8510以及相同的Wiltron网络分析仪进行控制,并且把得到的结果数据进行排序,并能转换成可在Touchstone、Lotus 1-2-3以及dBase中使用的格式。除去PC之外,这款产品同时还可以在DEC VAX、Apollo以及惠普300系列机器上使用。

1987年年中,EEsof增加了Touchstone中可用的元件数目,增加了许多基于MMIC的器件,并且开放地引用了正在出现的节点缩减算法(为了追求速度以及处理更大的电路)、通用化的节点噪声数字算法、一个专门为微波/射频工程师设计的图形编辑器以及一个新型的频域非线性模拟器。对主机平台的支持、MMIC模型、对计算效率的新的分析和强调都表明这家公司正在积极地占领不断涌现的MMIC市场。

1987年,正当MMIC设计师们心智上的战斗白热化之时,软件市场上对成本有意识的那一面被一个过滤器设计师发掘出来了,他名叫Randy Rhea,他的公司名叫Circuit Busters Inc. 。他们的产品叫Super-Star,这是一款线性模拟器,具备两端口和节点功能,还有随机、升降率以及模式搜索优化的能力,售价低于600美元(见图3)。作为比较,用于VAX主机的Touchstone v1.5在1987年要卖到13500美元。Super-Star这款产品同时还因为它的过滤器综合能力而赢得了一定的名声,这个功能可以根据用户设定的标准来确定过滤器的参数(电子的及物理的)。后来Circuit Busters公司更名为Eagleware。

与此同时,在Ulrich Rohde的指导下,Compact软件公司正忙于完成自己的承诺,即让Super Compact取得更大的改进。据Rohde说,在1985年,“主机版本和PC版本都不太稳定,分布模型,比如T接点、十字交叉以及其他的在更高频率时都相当不稳定。”到1986年年底,两个平台上的代码终于稳定下来,而且还增加了新功能。

在那一年,这家公司为过滤器、PLL提供了综合能力,另外还对微波设计和射频及通讯设计套件提供了复杂匹配。在PC版本上可以对网络分析仪进行双向控制,AUTOART电路到布局的转换(在Comsat时代就引入的一个功能)在两个平台上都可以使用,该公司还推出了一些新的独特分析功能,包括对线性电路(最终还推广到非线性)的无限制的N维节点噪声分析,还有产出优化和用户定义模型的功能。Rohde自己特别关注于开发最顶级的被动模型精确性,并坚持把这一点作为针对竞争对手的重大优势。

 任意几何被动器件的模型化

EEsof、Compact、惠普和Eagleware出品的RF/mW设计软件都要依赖于连线单和图形入口(MDS的情况)来定义电路结构。用参数化的分布式元件代表传输线和不连续性来定义物理电路的不连续性,并可以提升电学性能。通常,这些分布式元件是由它们的物理特性来进行参数化的,这些特性随之又会影响到它的等效电路模型。图形转换程序可以用来将连线单(或者是从设计图生成的连线单)翻译成布局图,以便对电路进行可视化并生成掩膜。

微波电路设计师的典型设计方法是从理想设计(有线互连及集中的元件)开始,然后用传输线和实际的元件数据(测量的或者其他形式的)替换掉理想连接和元件;然后调整这个设计以补偿这些变化,最终达到所需的整体性能(通过微调或者是优化);在传输线分割的部分加上不连续模型,然后再调节。基本上,微波电路设计师,就像先前的微波工程师一样,是一个管子工。但现在,工具箱变成了一个元件库,锤子变化了一系列的参数,如W或是L。

设计师的目标是通过调整单独的分布元件位置,尽可能重建设计布局的物理形状,以此来尽量近似电路的电学性能。所有电路模拟的精确性依赖于不同供应商的分布元件模型的质量,同样还有工程师使用这些模型来反映他们的物理设计意图的能力。模型的质量以及正确的模型用法会随着时间流逝以及用户经验增长而得到改进,但是这一点也经常是精确模拟中的缺陷点。

在这个时期内,设计、测试以及重新评估模型假设是硬件开发的经典过程。对多数GaAs生产厂来说,多次设计迭代仍然是重要的问题。但是,精确的模型化对于无数要考虑的不规则几何来说是最大的问题所在,因为它们根本不是可以分析计算的。对于不能在不同的介质和边界条件的关系下得到麦克斯韦方程的闭合形式解,需要通过数据计算的方法加以克服。

1986年二月号的微波杂志上,封面故事是西德MCAD软件和设计公司的Rolf Jansen写的技术文章(与Compact软件公司合作)。这篇文章讲述了一个面向布局设计的CAD软件包,可以用于单层或多层MIC和MMIC设计,直到毫米波频率。这个软件称为LINMIC,结合了分析、灵敏度分析以及“互动”的基于波谱域电磁技术的优化,它可以用多维查找表的形式来计算所需要的并在后续电路设计中要用到的设计数据。LINMIC的基于EM的模型加到了SuperCompact的产品中,对它的被动模型的精确性起到了极大的提升作用,特别是多耦合线路,这一点经过了MIMIC团队合作伙伴的Raytheon和德州仪器的验证。

1970年代和1980年代,一批研究人员都努力想找到在计算机程序上应用麦克斯韦方程的方法,以图解决任意几何的问题。

1975年,德国Darmstadt的Technische Hochschule的物理学家Thomas Weiland开始研究数字算法,以解决任何形状和填充的波导的特征值问题。Weiland发明了有限积分技术(FIT)来解麦克斯韦方程并从而解决了这个问题。然后Weiland离开Darmstadt到欧洲粒子物理实验室(CERN)工作,后来又到了汉堡大学,在那里他继续加速器和微波器件的设计,比如腔体。经过这一段的工作,他又改进并扩展了FIT。最终的代码被称为MAFIA(使用有限积分算法解麦克斯韦方程的首字母缩写),它是第一个可以对3D粒子束在受到处部来源的RF场的影响情况下在空腔中运动情况进行模拟的程序。12 1983年,1983年,他在汉堡的Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)发动了一项国际合作项目,以便开发用于3D EM和充电粒子模拟的MAFIA程序。在整个1980年代,Weiland改进并对他的代码进行了商业化,这引起了那些正在设计射频和微波设备的公司的注意。到1992年,Weiland成立了CST公司对MAFIA进行商业化运作,主要关注通讯行业的发展。

1987年,微波杂志上刊登了一个产品广告,声称这款产品“设计用于决定高频微波器件的电磁场和性能特征”。这款由一家新成立的Ansoft公司推出的产品称为Maxwell,可以用于分析微波集成电路、电介体波导、连接器、传输线以及谐振腔。

新的数值方法和IBM PC在1981年的出现让许多大学教授和研究人员都成立了电磁场模拟软件公司:MAFIA(现在叫CST)、Vector Fields、IES、Infolytica和Magsoft/Cedrat。在第一批商业化的EM产品中,还有一个1989年发布的称为Sonnet软件的,他由Jim Rautio(一位前通用电气MMIC设计师)开发。这款“平面”电磁场模拟软件解决了任意2维及2.5维的问题,它使用了直接作用于麦克斯韦方程的矩量法(Method of Moments)方法。这个程序把金属结构按矩形网格分割成小片,然后计算小片上因为电流而产生的电压,并在每一小片上重复进行。这个模拟可以提供结构的S参数,它可以用于验证分析模型,开发模型库,解决袪结构的问题,并最终(经过优化)可以进行实际的设计。

 非线性行为

集成微波电路也使用非线性器件,如GaAs FET和二极管。因此,模拟软件也需要解决大信号处理的性能问题。线性频域模拟器很适于分析离散的传输线,但它可能只能用于模拟在小信号条件下工作的主动器件(诸如S参数或小信号线性模型)。

由于GaAs FET器件模型和更方便可得的计算机在1980年代的出现,开始有一些努力集中在开发有效的用于稳态非线性电路的模拟技术。对工程师们来说,他们需要非线性分析来把模拟扩展到电源放大器、振荡器、混合器以及在传统的线性电路表现出非线性行为时对其进行检查。

1987年之前,市场上可买到的非线性分析工具是SPICE(Touchstone和SuperCompact的微波版本),还有就是Volterra的系列扩展。13 有许多在学院中的研究人员,也在研究不同的高频非线性研究方法,这种方法与SPICE不同,它可以处理分布的传输线模型的问题。SPICE在微波频率上必须进行大量的计算,重复成千上万次循环才能达到稳态,简直慢得不能忍受。其中最有吸引力的非线性(周期或者准周期)高频稳态模拟器被叫作Harmonic Balance(HB)。

和谐平衡(Harmonic balance)的方法是Galerkin方法的变种,它1915年就出现了,当时就用于非线性电路。这种方法假设有一个解答含有未知参数,它在控制方程中被代替,然后可以调节这个未知参数,以便让控制方程尽可能精确地得到满足。这被称之为收敛。当假设的解答可以表示为正弦函数的和时,这个过程就被叫做和谐平衡。

这个名字最早于1937年出现在乌克兰科学家 Kryloff和Bogoliuboff的作品中。这个方法用在非线性电路上,则是斯坦福的E. M. Baily在1968年和J. C. Lindenlaub在1969年的功劳。1976年,Nakhla和Vlach 15减少了需要优化的变量的数目,他们把网络分成了更小的包含线性或非线性元件的子网络。这一技术,最初称为片段和谐平衡,把网络分成线性和非线性部分,在频域解决线性的部分,而在时域解决非线性的部分。非线性的时域解答再通过离散或快速傅立叶变化(DFT或FFT)转换到频域,并对线性和非线性接口上的电流波谱进行对比。电流的连续性方程要求非线性电流等于线性电流。这项技术通过重复地对一组变量进行求解,比如线性-非线性接口上的电压,从而来得到这种稳态非线性问题的一个解。

就像大量的EM模拟器、晶体管模型、测量技术以及IC工艺随着时间不断地进化,和谐平衡也有许多实现方法。每种方法都像是一个菜谱,都经过调节以便能针对某个问题得到最佳性能。作为一种重复性的解题方法,科学家和程序员面临的挑战是如何开发一种技术以便快速获得收敛——最快、最精确,并且要针对射频和微波业界找出的一系列电路问题。

在研究收敛条件的过程中,Hicks和Kahn发展了固定驰豫法(1980-1982);Kerr在他1975年发表的论文中发展了多重反射法,“在微波混合器中决定本地振荡一种方法”(后来Hicks和Kahn提示出它是“P方法”的一个变形,Camacho-Penalosa还开发了一种算法可以决定最佳的P参数)。Rizzoli等人使用状态变量的方法来克服必须要有把非线性清晰地表示为电压控制电流源的问题。因为非线性端口的电压和电流是由和谐平衡方程来检测的,它们就不再需要互相依赖,而是可能通过一组独立的控制变量相互影响(称为状态变量)。Rizzoli的程序用Fortran 77写成,可以在状态变量上重复(而不是接口电流),并且可以调用带有状态变量时间抽样的非线性模型。

1987年10月,微波杂志封面故事报道了一种新的商业模拟器,由Compact软件公司推出,称为Microwave Harmonica。它是Rizzoli程序的商业化版本,文中在Microwave Harmonica主机版中提到了Rizzoli。这个程序是第一款上市的非线性频域模拟器,但这个称号为时只有一个月。到11月,EEsof推出了它的基于连线单的非线性频域模拟器,Libra。

Ken Kundert是惠普公司网络测量部的一位研究员,他在UC伯克利获得博士学位,他开发了微波“和谐平衡”电路模拟器(MNS)版的MDS,HP8515b的核心算法和基础代码。1986年,Kundert和他在UC伯克利的导师,Alberto Sangiovanni-Vincentelli共同发展了一篇论文,“非线性电路在频域的模拟”,其中描述了频谱牛顿方法,这是他在伯克利的项目中实现的,称为Harmonica。

由于和谐平衡的片段实现方法总是需要一个优化器来解决频域的由这种方法产生的方程,它就会引起谐振而使非线性器件受到严重限制,作者使用牛顿的方法(由多频率信号驱动的非线性电路的频域分析)解决了这个非线性方程的问题。16 这种方法不需要把电路区分为线性和非线性网络,因此它也被称为节点方程。

节点和谐平衡用同样的方法处理电路中的每个节点,不管它是线性的或者不是。对于带有更有非线性器件、并在更强非线性条件下运作的电路来说,这种方法将证明它比片段的方法更强。而对有更多被动器件并且只在温和的非线性条件下工作的电路来说,片段方法则有速度和收敛上的优势。随着这些技术得到商业化,设计者将对引擎设置(也就是状态参数,和谐的数目)以及源条件(也就是电源电压)更为熟悉,这样才能帮助模拟器尽快收敛。

1989年,EEsof推出了该公司的高频非线性模拟工具,Libra,它基于它们自己掌握的技术,并可能从Kundert的工作中有所体会。UC伯克利的开源策略让他们可以学习并且使用部分实际代码,包括稀疏矩阵包。但是,Libra的HB引擎仍然是基于和谐平衡的片段公式,而不是Kundert的节点方法。1988年,Kundert回到HP的6个月之后,他的工作在MDS HB引擎中得到了商业化,并在1989年年初推出。

由于Compact软件公司注册了Microwave Harmonica的商标,Kundert只好把他的伯克利程序的名字从Harmonica改为Spectra,后来它又发展成为Spectre和SpectreRF程序(在加入和谐平衡之前这是一款类似于SPICE的瞬态模拟器),这是在Kundert加入Cadence设计系统公司之后开发的产品,他是在MDS HB模拟器发布的同一年离开惠普并加入Cadence的。Kundert的导师和共同作者,Alberto Sangiovanni-Vincentelli,是Cadence的共同创始人(同样还有其对手EDA供应商Synopsys)。Spectre和SpectreRF模拟器将帮助Cadence公司从CAD公司转变为一家领先的EDA公司。到1990年代中期,SpectreRF以及它的节点公式方法将在解决RFIC的问题中大显身手。

1980年代晚期,射频及微波电路设计市场由4家主要的竞争对手把持——Compact、EEsof、Eagleware和惠普。于1987年12月启动的MIMIC项目一期工程(项目四期中的第二期)为GaAs集成电路的研发提供了驱动力,并且学支持了CAE软件的开发。美国国防部和北约组织认识到,华约组织有更强大的资源和技术优势。最近签署的条约要求军事规划者们寻求一条制止(在不使用核武器的前提下)潜在的大规模华约组织进攻的方法。不管美苏关系以及国会对于国防开支的严密审查,基于高级器件和高技术武器总是需要的(见表1)。这种威胁为MIMIC项目提供了资助,这将把微波设计在更严格的阶梯上推向下一级别的复杂性。

 尽管对高级的GaAs集成电路的商业支持非常有限,美国国防部还是预见到在1990年代商业上的需求将会增长。为了应对这个需求,软件也需要再一次升级。这一次,数字调制的射频器件,如MMIC、RFIC以及多芯片模块(MCM)将在无线通讯市场中驱动对于更高模拟能力、更高自动化、新的设计环境、EM和系统模拟以及这些工具的集成的需求。

结论

设计软件的转折点是什么?微波传输带/条带传输线理论,MIC和MMIC技术,GaAs FET和模拟模型,S参数及网络分析仪的采用,双端口线性分析,参数化和优化,分布式传输线模型,分时共享大型计算机,微处理器和PC机,平面和3D电磁模拟,和谐平衡的发展,Krylov子空间,瞬时辅助和谐平衡,电路包络,连线单到图形的转换软件,图形编辑器,集成多工具工作站,集成设计环境,C++和面向对象编程,备注布局,系统模拟(时域和频域),动态连接电路,系统及EM求解器,并行处理,计算机农场,域分解,非线性器件特征化以及X参数。硬件和软件的发展总是一起进步,一环扣一环。

 


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