CN109657414B - 一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成器件仿真技术领域，公开了一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法。获取待仿真系统中的有源器件个数n；获取各器件的尺寸大小；针对目标器件，找到与目标器件的距离小于系统预先设定的最大热串扰距离L的所有器件，计算这些器件的温度分布曲线；基于温度分布曲线，根据热量守恒定律，计算集成系统中目标器件的真实温度值。重复上述过程，获取所有器件的真实温度。将所述温度值信息传递给对应器件，完成温度和电磁场的联合仿真。本发明针对高集成的建模仿真领域，可模拟集成系统仿真过程中的温度分布情况，进而为各器件稳定工作时的温度信息提供依据，从而提高系统仿真的精度。
Description
技术领域
本发明涉及集成器件仿真技术领域，特别是一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法。
背景技术
仿真技术是实现高集成系统设计和分析的基础和手段，是连接模型与模型的通道，也是模型计算、解析、信号传递的手段与媒介。近年来，集成电路的快速发展，器件和系统特征尺寸不断缩小，这一发展趋势不仅适用于电子学，同样适用于光学以及微波光子学的相关器件。特征尺寸的缩小为高密度集成提供了基础，同时也带来了功率密度的增加，从而使器件的工作温度不断升高。这就要求在新一代高集成系统的设计中不得不考虑温度带来的影响，这也为新的仿真手段提出了更多的挑战。
目前，在微波域和光子域都有各自的仿真方法。例如ADS、Ansoft Designer、CST和Comsol等电磁仿真软件在传统微波系统设计上已经能够实现微观设计到宏观信号流传递的拉通仿真，并在电路设计和系统设计中表现出较好的准确度和精度，并展现出良好的指导作用。而在光子学系统的设计中，哥伦比亚大学基于INTERCONNECTION仿真工具开发了硅基光子集成电路的一般设计方法，包括物理层、电路仿真和封装等一系列流程。光子传输仿真软件VPI也加入了光子集成仿真设计，打通了微观到宏观的仿真流程。类似的光学仿真软件还有Optisim、Optisystem等。
以上仿真方法各有优点，也各自适用于不同的仿真领域。但是，无论在微波域还是光子域，现有系统仿真技术大多没有考虑温度对器件和系统仿真的影响。虽然部分研究人员通过Matlab开发了一些具备温度计算能力的基本器件模型，但是其仿真平台和仿真方法不具备温度串扰的仿真，这就需要人为地估计该模型工作时的温度信息。但是随着集成技术的发展，热串扰已经成为了影响系统性能的重要因素。例如在集成系统中，由于排布紧密，每个器件所处的温度除了本身工作引起的发热外，还会频繁地与周围器件进行热交换，因此当前仿真的器件(称为目标器件)的输出特性与该器件独立、稳定工作时的温度以及周围器件工作时的温度场密切相关。而传统仅针对电磁场的仿真已经呈现出与实际测试越来越大的偏差，进而越来越难以指导工程设计。因此，针对新一代高集成系统的设计和开发，电磁场和温度场联合仿真将会是一个关键的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法。
本发明采用的技术方案如下:一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法，包括：
步骤S1，获取待仿真系统中的有源器件个数n；步骤S2，获取各器件的尺寸大小以确定相邻器件之间的距离；步骤S3，计算第i个器件与目标器件的距离di，其中i∈[1,n]；步骤S4，判断di是否小于系统预先设定的最大热串扰距离L；步骤S5，如果不小于，则返回步骤S3，计算i+1器件与目标器件的距离；步骤S6，如果小于，则获取第i个器件的温度分布曲线；步骤S7，判断当前器件编号i是否等于有源器件个数n，如果不等于则返回步骤S3，计算i+1器件与目标器件的距离；步骤S8，如果等于，则根据热量守恒定律，计算集成系统中目标器件的真实温度值，重复步骤S1～S8计算n各器件的真实温度值；步骤S9，将所述温度值信息传递给对应器件，完成温度和电磁场的联合仿真。
进一步的，所述步骤S3中，第i个器件与目标器件的距离di为第i个器件和目标器件的半径之和。
进一步的，所述步骤S6中，温度分布曲线的生成方法为：利用贴片型或非接触型温度传感器测量器件稳定工作时的温度t，根据器件所处的介质导热特性，利用经典物理学中的热传导方程
计算出温度分布曲线χ(d)，其中，Q是热量、K是导热率、A是面积、L是距离，温度变化Δt＝t-t0，t0是器件的初始温度。
进一步的，所述步骤S8中，目标器件的真实温度值T计算方法为：根据步骤S6中的温度分布曲线，获得分布曲线的器件在目标器件处产生的温度，再根据热力学守恒定律
计算出目标器件处位置的真实温度T。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明针对高集成的建模仿真领域，可模拟集成系统仿真过程中的温度分布情况，进而为各器件稳定工作时的温度信息提供依据，从而提高系统仿真的精度，适用于具备温度信息的高集成微波、光学以及微波光子等多种系统的仿真。与传统仿真方法相比，本发明引入温度和器件尺寸的参数仿真，通过合理的等效与简化，能够快速地进行温度场的预仿真，从而确定每个器件稳定工作时的温度信息，大大提高仿真效率，通过样件测试与数学模型相结合的方法，反演出温度因素与器件参数的近似函数关系，进而可以实现快速、高精度的器件建模，以提升高集成系统的设计能力和设计成功率。
附图说明
图1是本发明高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法的流程示意图。
图2是一个实施例中电光转换系统的结构示意图。
图3是实施例中激光器的温度分布曲线。
图4是实施例中调制器的温度分布曲线。
图5是实施例中微波放大器的温度分布曲线。
图6是电光转换系统通过实施例的仿真方法实际输出信号曲线。
图7是电光转换系统室温下理想的输出信号曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法，包括：步骤S1，获取待仿真系统中的有源器件个数n；步骤S2，获取各器件的尺寸大小以确定相邻器件之间的距离，器件的尺寸大小是自身的已知数据；步骤S3，计算第i个器件与目标器件的距离di，其中i∈[1,n]；步骤S4，判断di是否小于系统预先设定的最大热串扰距离L；步骤S5，如果不小于(这时不考虑第i个器件对目标器件产生了温度影响)，则返回步骤S3，计算i+1器件与目标器件的距离；步骤S6，如果小于，则获取第i个器件的温度分布曲线，温度分布曲线是温度值与距离之间的变化关系，不同器件的温度分布曲线特征不一样；步骤S7，判断当前器件编号i是否等于有源器件个数n，如果不等于则返回步骤S3，计算i+1器件与目标器件的距离；步骤S8，如果等于，则根据热量守恒定律，计算集成系统中目标器件的真实温度值，重复步骤S1～S8计算n各器件的真实温度值；重复了，则考虑了集成系统中每个有源器件带来的温度影响；步骤S9，将所述温度值信息传递给对应器件，完成温度和电磁场的联合仿真。上述过程中提供了一种快速的温度预仿真功能，更加真实地模拟集成系统温度工作时的温度信息；其中引入了尺寸和温度场，提高了仿真精度。上述方案适用于微波、光学以及微波光子学等多种系统的仿真。一般来讲，高精度的系统仿真方法在真实样机系统的开发中具有重大指导意义，因此本发明能够提升集成系统的设计能力和成功率，在系统建模仿真领域具有重大意义与应用价值。
如图2的实施例以一个典型的电光转换系统为例，包含一个激光器、一个双臂马赫增德尔调制和一个微波放大器。
确定电光转换系统中的有源器件为3个，只有有源器件工作时才会产生热量，因此首先需要获取系统中的有源器件个数。
并且根据前期的参数设定，提取出上述器件的尺寸信息，从而确定器件之间的距离。该实施例中，调制器与微波放大器的距离为3厘米，调制器和激光器的距离为1厘米。面向集成化的应用，芯片之间的距离可以认为很小，因此相邻芯片的之间的距离主要由芯片的尺寸来决定的，这也是在仿真模型中引入尺寸参数的目的。
设定距离小于L＝5厘米的器件需要考虑之间的热串扰问题，因此上述三个器件都满足这一判断条件，故需要获取各个器件稳定工作时的温度分布曲线。
在室温下(约为25℃)，利用激光测温器测量激光器的稳定工作温度为35℃，马赫增德尔调制器稳定工作时的中心点温度25℃，微波放大器的稳定工作温度为55℃。那么根据热传导方程
可以分别计算出激光器、调制器和微波放大器的温度分布曲线χ(d)。
上式中，Q是热量、K是导热率、A是面积、L是距离，温度变化Δt＝t-t0，t0是器件的初始温度。在该计算过程中，可以认为热量是通过空气进行扩散。如图3所示为激光器的温度分布曲线，图4为调制器的温度分布曲线，图5为微波放大器的温度分布曲线。
可知，由于相对距离较近，调制器其温度损耗近似线性关系。而且，调制器不会对激光器和放大器的环境温度参数影响，但是会受到这两个器件的显著影响。例如，根据激光器和调制器之间的距离为1cm，根据图3可知，激光器在调制器处产生的温度为32°，同理可知放大器在调制器出产生的温度为45.8°。由于我们只关心系统稳定工作时的热学分布，因此可以认为时间足够长，整个系统能够达到稳态。那么，根据热力学守恒定律
可以计算出最终调制器所处位置的温度约为34.3℃。其中，
为拉普拉斯算子，Q为热量，K0为热扩散系数。
将该温度值传递给调制器，得到调制器最终的输出信号如图6所示，图7为室温下调制器的输出特性。对比可知，引入温度参数后的仿真能够更加接近真实值，对系统设计具有更高的指导意义。
由以上结果可以观察到，本发明通过引入温度场和器件的物理尺寸，通过热力学守恒定律可以快速得到系统中各器件的温度信息，从而能够提升高集成系统的设计能力和设计成功率。该方案适用于具备温度信息的高集成微波、光学以及微波光子等多种系统的仿真。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取待仿真系统中的有源器件个数n；步骤S2，获取各器件的尺寸大小以确定相邻器件之间的距离；步骤S3，计算第i个器件与目标器件的距离di，其中i∈[1,n]；步骤S4，判断di是否小于系统预先设定的最大热串扰距离L；步骤S5，如果不小于，则返回步骤S3，计算i+1器件与目标器件的距离；步骤S6，如果小于，则获取第i个器件的温度分布曲线；步骤S7，判断当前器件编号i是否等于有源器件个数n，如果不等于则返回步骤S3，计算i+1器件与目标器件的距离；步骤S8，如果等于，则计算集成系统中目标器件的真实温度值，重复步骤S1～S8计算n个器件的真实温度值；步骤S9，将所述温度值信息传递给对应器件，完成温度和电磁场的联合仿真；所述步骤S6中，温度分布曲线的生成方法为：利用贴片型或非接触型温度传感器测量器件稳定工作时的温度t，根据器件所处的介质导热特性，利用经典物理学中的热传导方程
计算出温度分布曲线χ(d)，其中，Q是热量、K是导热率、A是面积、L是距离，温度变化Δt＝t-t0，t0是器件的初始温度；所述步骤S8中，目标器件的真实温度值T计算方法为：根据步骤S6中的温度分布曲线，获得分布曲线的器件在目标器件处产生的温度，再根据热力学守恒定律
计算出目标器件处位置的真实温度T，其中，
为拉普拉斯算子，Q为热量，K0为热扩散系数。
2.如权利要求1所述的高集成系统的电磁场和温度场联合仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，第i个器件与目标器件的距离di为第i个器件和目标器件的半径之和。
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