Ở tần số thấp, một đường mạch in chỉ là dây dẫn. Lên vài GHz, chính đường mạch ấy trở thành một cấu trúc điện từ có trở kháng đặc tính, có tổn hao, có bức xạ và có ghép nối sang các đường lân cận. Từ điểm đó trở đi, mô hình mạch tập trung không còn mô tả đúng hiện thực, và mô phỏng điện từ 3D trở thành công cụ bắt buộc để biết trước điều gì sẽ xảy ra trước khi đặt bo mạch đi gia công.
Khi nào cần tới mô phỏng điện từ 3D thay cho mô hình mạch
Ranh giới thực dụng nằm ở quan hệ giữa kích thước vật lý và bước sóng. Khi chiều dài một cấu trúc còn rất nhỏ so với bước sóng, có thể coi điện áp và dòng đồng nhất trên toàn cấu trúc — mô hình tập trung dùng được. Khi kích thước tiến tới một phần đáng kể của bước sóng, pha thay đổi dọc theo cấu trúc, và các hiệu ứng phân bố xuất hiện: phản xạ tại điểm không phối hợp trở kháng, cộng hưởng ở những nơi không ai thiết kế cho cộng hưởng, và ghép nối giữa các đường vốn tưởng là độc lập.
Trong thực tế thiết kế gói linh kiện và PCB tốc độ cao, ba nhóm cấu trúc thường xuyên vượt ngưỡng này: via và tổn hao PCB — via xuyên nhiều lớp cùng phần stub thừa của nó, vùng chuyển tiếp giữa các môi trường truyền dẫn (từ đường vi dải sang connector, từ bo mạch lên gói), và bản thân gói linh kiện với dây bond hoặc mảng bump. Đây chính là những chỗ mà một mô phỏng sai sẽ không lộ ra cho đến khi bo mạch mẫu về tới bàn đo.
Hai bộ giải trong ADS: Momentum và FEM
Keysight tích hợp sẵn hai công nghệ giải điện từ khác nhau trong môi trường Advanced Design System, và điểm quan trọng nhất cần nắm là chúng không thay thế nhau — mỗi bộ giải đúng cho một lớp bài toán khác nhau.
Momentum là bộ giải theo phương pháp mô-men (Method of Moments) cho cấu trúc 3D planar. Kiến trúc solver dùng thuật toán NlogN và chạy đa luồng, nên tốc độ và dung lượng bài toán tốt. Momentum phân tích nhanh và chính xác các tô-pô mạch như đường vi dải (microstrip), stripline, slotline, ống dẫn sóng đồng phẳng (coplanar waveguide) và nhiều dạng khác. Đáng chú ý là Momentum có mô phỏng được via nối giữa các lớp — nhờ vậy kỹ sư mô phỏng được đầy đủ và chính xác hơn các mạch RF/MMIC nhiều lớp, bảng mạch in, hybrid và module đa chip (MCM).
FEM — phương pháp phần tử hữu hạn — được Keysight mô tả là kỹ thuật mô phỏng 3D tổng quát nhất. Nó cho phép mô phỏng gói IC hoặc gói module đa chip cùng nhiều cấu trúc khác mà Momentum không biểu diễn được. FEM còn có một vai trò thứ hai ít được tận dụng: dùng để đối chứng kết quả Momentum nhằm tăng mức tin cậy cho kết quả mô phỏng.
Cây quyết định: chọn bộ giải nào cho mô phỏng gói linh kiện
Cách phân định thẳng nhất là hỏi cấu trúc cần mô phỏng có thực sự “phẳng” hay không.
Nếu bài toán là các lớp dẫn nằm ngang xếp chồng, nối nhau bằng via — tức phần lớn công việc thiết kế PCB và MMIC — thì đây đúng miền của Momentum. Bộ giải planar khai thác được tính phân lớp của bài toán nên nhanh hơn nhiều so với việc chia lưới toàn bộ không gian ba chiều.
Nếu cấu trúc có hình học thực sự ba chiều mà mô hình phân lớp không mô tả nổi — dây bond cong trong không gian, vỏ kim loại bao quanh, connector, hốc cộng hưởng, chuyển tiếp phức tạp giữa hai môi trường — thì cần FEM. Chi phí tính toán cao hơn, nhưng đó là cái giá để mô tả đúng hình học.
Và khi kết quả sẽ dùng để ra quyết định tốn kém — chốt thiết kế gói, đặt lô mask — thì nên chạy cả hai và so sánh. Hai bộ giải dựa trên nền toán học khác nhau; nếu chúng cho cùng một đáp số thì mức tin cậy cao hơn hẳn so với một lần chạy đơn lẻ. Đây chính là cách dùng FEM để đối chứng Momentum mà tài liệu Keysight khuyến nghị.
Đồng mô phỏng EM và mạch: mắt xích thường bị bỏ quên
Một mô phỏng điện từ đơn thuần chỉ trả về đặc tính của cấu trúc thụ động. Nhưng mạch thật còn có transistor, tụ, cuộn cảm và các phần tử tích cực. Đồng mô phỏng EM mạch giải quyết việc này bằng cách trích xuất cấu trúc thụ động thành mô hình nhiều cổng rồi đưa trở lại mô phỏng mạch cùng các phần tử còn lại.
Điểm cần cẩn thận nằm ở định nghĩa cổng và tham chiếu đất. Một cổng đặt sai vị trí, hoặc thiếu đường về dòng rõ ràng, sẽ tạo ra mô hình trông rất hợp lý nhưng sai một cách có hệ thống. Đây là lỗi khó phát hiện vì kết quả vẫn “chạy được” và vẫn cho ra đồ thị đẹp.
Tương tự là độ mịn lưới. Lưới quá thô làm trơn mất các hiệu ứng cạnh và khe hẹp; lưới quá mịn thì bài toán không hội tụ trong thời gian chấp nhận được. Quy trình lành mạnh là chạy khảo sát hội tụ — tăng dần độ mịn tới khi đại lượng quan tâm không đổi nữa — thay vì tin vào một lần chạy duy nhất ở thiết lập mặc định.
Mô phỏng vẫn phải được đo kiểm xác nhận
Đây là phần hay bị rút gọn nhất trong quy trình, và cũng là phần quyết định độ tin cậy. Mọi mô phỏng đều dựa trên giả định: hằng số điện môi của vật liệu, hệ số tổn hao, độ nhám bề mặt đồng, dung sai gia công. Nhà sản xuất vật liệu công bố các con số này ở một tần số và điều kiện nhất định, và chúng trôi theo tần số, nhiệt độ và cả lô sản xuất.
Cách khép vòng là chế tạo cấu trúc kiểm chứng — thường là một đoạn đường truyền hoặc chuỗi via tiêu biểu — rồi đo tham số S và so với mô phỏng. Lệch nhau thì hiệu chỉnh mô hình vật liệu chứ không sửa số liệu đo. Bài Tham số S hỗn hợp: đo trở kháng vi sai và chế độ chung trình bày kỹ hơn phần đọc kết quả cho các cấu trúc vi sai.
Về thiết bị đo dùng để khép vòng này, lựa chọn phụ thuộc dải tần cần phủ. Máy phân tích mạng ENA Keysight E5063A có dải tần 100 kHz đến 4,5/8,5/14/18 GHz tuỳ theo tuỳ chọn nâng cấp, hai cổng — phù hợp cho phần lớn công việc kiểm chứng PCB. Khi cần lên dải milimét cho gói linh kiện tốc độ rất cao, máy phân tích mạng Keysight N5227B thuộc dòng PNA hiệu năng cao là lựa chọn phù hợp hơn. Còn nếu cần một thiết bị gọn cho nhóm thiết kế dùng chung với máy tính, máy phân tích mạng USB Streamline Keysight P5004A phủ tới 9 GHz với 2 hoặc 4 cổng.
Kết luận
Mô phỏng điện từ 3D không phải một nút bấm mà là một chuỗi quyết định: xác định cấu trúc nào đã vượt ngưỡng mô hình tập trung, chọn Momentum cho bài toán phân lớp và FEM cho hình học ba chiều thật, định nghĩa cổng cẩn thận, khảo sát hội tụ lưới, rồi khép vòng bằng phép đo trên cấu trúc kiểm chứng. Bỏ bước cuối cùng thì toàn bộ chuỗi phía trước chỉ là giả định chưa được kiểm chứng.
Một lưu ý về danh mục: các license EM thế hệ cũ như Momentum G2 Element hay PEPro/Momentum/FEM Element đã được Keysight đánh dấu obsolete, nên khi lập kế hoạch mua sắm hãy đối chiếu với danh mục PathWave hiện hành thay vì tra theo mã cũ.
Số liệu đo dùng để hiệu chỉnh mô hình chỉ đáng tin khi thiết bị còn trong hạn hiệu chuẩn — sai số của chính máy phân tích mạng sẽ đi thẳng vào mô hình vật liệu bạn rút ra. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình đo kiểm chứng mô phỏng hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
Câu hỏi thường gặp
Momentum và FEM trong ADS khác nhau thế nào?
Momentum là bộ giải theo phương pháp mô-men (Method of Moments) cho cấu trúc 3D planar, dùng thuật toán NlogN đa luồng, phân tích microstrip, stripline, slotline, coplanar waveguide và mô phỏng được cả via nối lớp cho mạch RF/MMIC nhiều lớp, PCB, hybrid và MCM. FEM là phương pháp phần tử hữu hạn, được Keysight mô tả là kỹ thuật mô phỏng 3D tổng quát nhất, mô phỏng được gói IC và các cấu trúc mà Momentum không biểu diễn được.
Khi nào cần dùng FEM thay vì Momentum?
Khi cấu trúc có hình học thực sự ba chiều mà mô hình phân lớp không mô tả nổi: dây bond cong trong không gian, vỏ kim loại bao quanh, connector, hốc cộng hưởng hay chuyển tiếp phức tạp giữa hai môi trường. Với các lớp dẫn nằm ngang nối nhau bằng via thì Momentum nhanh hơn nhiều. Khi quyết định tốn kém, nên chạy cả hai và so sánh vì FEM có thể dùng để đối chứng Momentum.
Vì sao kết quả mô phỏng vẫn phải được đo kiểm xác nhận?
Mọi mô phỏng đều dựa trên giả định về hằng số điện môi, hệ số tổn hao, độ nhám bề mặt đồng và dung sai gia công. Các con số này được công bố ở một tần số và điều kiện nhất định, rồi trôi theo tần số, nhiệt độ và lô sản xuất. Cách khép vòng là chế tạo cấu trúc kiểm chứng, đo tham số S rồi hiệu chỉnh mô hình vật liệu cho khớp — không sửa số liệu đo.
