RF simulation의 분류

RF simulation의 분류

RF simulation은 크게 3가지로 분류할 수 있다.

1. 3D field simulation

2. 2.5D field simulation

3. Circuit simulation

3D Field Simulation

특징

- 3차원적인 구조물을 직접 그리고 그 구조에 대해 Maxwell 방정식을 수치해석적으로 계산한다. 이론적으로 어떤 임의의 구조라도 Drawing만 가능하다면 해석이 가능하다.

- 크게 주파수영역 해석을 하는 FEM계열과 시간영역 해석을 하는 FDM 계열의 두가지로 크게 분류된다. FEM분야는 Ansoft사의 HFSS와 EMAS가 선도해왔으며, FDM 계열은 FDTD가 강세를 보이는 가운데, 이를 개선한 CST사의 FIM+PBA 알고리즘이 최근들어 각광받고 있다.

- 기본적으로 FET나 diode 같은 비선형 소자를 해석할 수 없기 때문에, 2D로 표현불가능한 수동소자에 대한 해석이 주를 이룬다. 또한 평면형 구조일지라도 coupling이 복잡한 회로기판의 경우 3D simulation을 하는 것이 더 유리할 경우도 많다.

최근 동향

- 이론의 완성도가 한계에 도달한 FEM보다는 FDTD 계열의 새로운 가능성에 많은 관심과 연구가 수행되고 있다. 특히 FDTD 계열은 시간축 계산을 통해 주파수축으로 퓨리에 변환하는 방식이기 때문에, Spice 연동에 대해 여러 연구와 S/W들이 발표되고 있다. 이중 CST Microwave Studio가 FIM의 장점을 내세워 SPICE를 연동하는 시스템을 최초로 구축하였는데, 이로인해 RLC lumped 소자와 diode를 포함한 field 분석이 간단하게 구현될 수 있게 되었다.

- 수동뿐만 아니라 능동 FET소자까지 3D field 해석하려는 시도가 많이 이루어지고 있는데, 이론적으로 상당히 어렵다. 그중 두각을 나타내는 것으로 ISE의 EMlab을 들 수 있는데, 최초로 반도체의 구조까지 입력하여 device modeling 없이 nonlinear field simulation이 가능하다. 기술적으로 상당한 level의 해석이 가능하지만, 사용법이 매우 까다롭다는 것이 문제점이다. 하지만 MMIC를 통채로 field simulation이 가능하다는 것은 대단히 매력적인 요소임에 틀림없다.

- 학계에서는 Wavelet이나 Mode matching등의 새로운 수치해석 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 구현상의 문제로 인해 아직까지 본격적으로 상업화되고 있지는 않다.

주 적용분야

- 기지국 장비 : 도파관 필터, 콤바이너, 듀플렉서, 어레이 안테나, 커넥터

- 단말기 장비 : 헬리컬/휩/칩 안테나, 역F 안테나, 모노블럭 듀플렉서, 칩필터, 칩인덕터, RF 스위치

- 필드해석 : EMI/EMC 해석, 스캐터링 분석, Signal Integration, crosstalk 해석

2.5D Field Simulation

특징

- 2.5D라 함은 2D 평면구조를 수직구조로 겹쳐서 해석할 수 있는 기능을 의미한다. 즉, 완전한 3D는 아니지만, 적층형 구조의 해석이 가능하기 때문에 2.5D라고 불리운다.

- 일반적인 회로기판과 Microstrip/Strip line을 쉽게 해석할 수 있으며, 각종 layout 인터페이스 기능을 지원하기 때문에 설계와 함께 공정에까지 바로 연결할 수 있다.

- Maxwell방정식을 3차원으로 FEM에서 방향의 차원변수에 대한 적분/미분 term을 상수화한 MoM(Method of Moment)방법이 주로 사용되며, 이로인해 대부분의 S/W의 해석 core가 거의 유사하다.

최근동향

- MoM 자체도 역시 이론적인 한계점에 도달해 있는 상태이기 때문에 큰 변화는 없고, 사용자 인터페이스를 얼마나 효율적으로 구축하느냐가 중요한 이슈로 떠오르고 있다.

- 높이 방향으로의 수직성분만 고려되던 MoM에서 탈피하여, 높이방향의 약간의 사선구조까지도 해석할 수 있도록 하는 기능들이 Ansoft Ensemble등에서 시도됨으로써 3D via 등이 포함된 적층형 구조까지 가능하게 되었다.

- 전반적으로 3D 해석에 비해 사용법이 간단하고 tool의 가격도 싸기 때문에, 굳이 full 3D가 필요없는 microstrip이나 patch antenna등의 구조물을 설계하는 사람들이 애용하는 추세이다.

주 적용분야

- Midrostrip / Stripline 기반의 평면형 RF 회로

- 패치안테나

Circuit Simulation

특징

- node iteration에 기초한 단순계산중심의 회로해석이라서 2.5D/3D 구조해석에 비해 계산시간이 훨씬 빠르다.

- S 파라미터의 추출과 빠른 계산속도를 이용한 tunning, optimization, yield 기능이 잘 발달되어 있다.

- 크게 pahse analysis를 이용하는 선형(소신호)해석과 harmonic balance를 이용하는 비선형(대신호)해석으로 나뉘어 진다.

최근 동향

- 이 분야 역시 이론적으로는 이미 예전에 정리가 다 되었기 때문에, 속도향상이나 인터페이스 개선 방향에 대한 연구만 일분 진행중이다.

- 직접 coding하기보다는 상용툴을 이용하는 추세이며, 고가의 고급품으로는 HP ADS가, 중가의 적당한 제품으로는 Ansoft Serenade가 인기를 끌고 있으며, 저가형중에서는 Eagleware Genesys가 가장 범용으로 사용되어 전세계에서 가장 많은 user수를 갖고 있다.

주 적용분야

- R, L, C, FET, Diode 등을 이용한 RF lumped 회로

- Microstrip 기반의 각종 수동/능동회로

- RFIC / MMIC 등의 고주파 반도체

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