Ansys nordiska seminarier gav en bild av företagets mångsidiga utbud av simuleringsprogramvara, den här gången med fokus på elektronik. Signalintegritet och kraftintegritet var några ämnen som togs upp, liksom störningsgenerering (EMI), antenner, RF-och mikrovågstillämpningar.

Ansys programvaror täcker idag fyra huvudområden: Strömning (vätska, luft ), mekaniska strukturer, elektronik samt system och mjukvara. Företagets försäljning till olika industrier fördelar sig som 17 procent elektronik, 15 procent fordonselektronik, 15 procent halvledarteknik, 10 procent material- och kemiteknik, 8 procent industriell utrustning, 9 procent miljö- och energiteknik.
– Vårt företag har en längre tid haft en mycket kraftfull tillväxt och fortsätter att växa, berättar Peter Slättman, global account manager.
Ansys har idag 2 700 medarbetare, varav 600 är teknologie doktorer. Antalet kunder överstiger nu 40 000 och siffran ökar kraftigt. Ett exempel på kund är Airbus till vilket Ansys utvecklade mjukvaruplattformar.
Tillväxten av kunder sker på alla branschområden som Ansys täcker, t ex inom elektronik, flyg- och rymdfart och fordon. En av prestigekunderna, Ferrari, använder Ansys programvara för utformningen av Formel-1-bilar.

3D-modeller
På seminariet i Stockholm möter vi Matt Commens, produktchef för Ansys programvara HFSS. Det är en programvara med rötter långt tillbaka i tiden. Se nedan det avsnitt som beskriver hur Ansys kommit till och utvecklats under åren.

Matt Commens

– Med HFSS lägger vi fokus på 3D-extraktion av elektromagnetiska modeller, sammanfattar Matt Commens. Exempelvis används HFSS för konstruktion och optimering av filter i basstationer för mobiltelefoni.
Arbetet görs i två steg: extraktion av modeller som sedan används i konstruktionsarbetet. Optimeringen kan handla om att justera fysiska parametrar.
För att visa vilka komplexa problem dagens konstruktörer står inför visade Matt Commens ett exempel på de elektromagnetiska fälten kring en helikopter i rörelse, och med roterande rotorblad.
– Detta är ett exempel på ett ”multi-scale multidomain”-problem. För dels handlar det om att visa EM-fält i de mycket små strukturer som finns i en MMIC, dels har vi det elektriska systemets utbredning i en helikopter. Med 14,5 m längd motsvarar det 82 våglängder vid frekvensen 1,71 GHz. Men HFSS klarar av att hantera problem av fem storleksordningar.
Lösningen ligger i att programmet bryter ned lösningen i nätets maskor, ”mesh-celler”, enligt finita elementmetoden.
Antenner är ett stort tillämpningsområde för HFSS.
Ett annat viktigt område är krets- och mönsterkort.
– Om man enbart utgår från modeller av komponenter i en konstruktion, och lägger ut dessa på ett kretskort missar man de effekter som själva mönsterkortet har på konstruktionen. Kortets fysiska geometrier påverkar transienter och förorsakar fasförskjutningar. Ansys HFSS är bra på att utvinna ett mönsterkorts beteende och bryta ut det i mesh-celler, som sedan var och en  löses med Maxwells ekvationer.
Resultatet blir att man kan beskriva kretskortets funktion både med elektromagnetiska fält och S-parametrar. Man kan dessutom inkludera 3D-komponenter, som till exempel kontakter och ytmonterade komponenter, i analysen.

Hela signalkedjan
Alain Michel, affärsutvecklare för elektroniksektorn i Ansys europeiska organisation, framhäver möjligheten till att simulera hela kedjan i en förbindelse – från sändarkretsen, genom dess kapsel till mönsterkortet, via transmissionskanalen som kan vara en transmissionsledning på ett mönterkort, genom  mottagarkretsens kapsel och genom mottagarkretsen.

Alain Michel

Simuleringen kan numera genomföras mycket snabbt. Medan en typisk simulering i HFSS 3D CAD görs på 1 timme och 20 minuter tar den 4 minuter att genomföra i HFSS 3D Layout. Det senare programmet är direkt skapat för att simulera ett kretskort och det bygger på nämna uppdelning i mesh-celler.
– Det är lämpligt att använda HFSS 3D Layout så fort det finns några integrerade kretsar på ett kretskort, säger Alain Michel.
Mönsterkortkonstruktionen kan vara skapat i exempelvis Mentors Multiboard Station, Zuken CR5000 eller CR8000, Cadence Allegro eller Altium Circuit studio.
– För att simulera med filer genererade av dessa använder vi samma lösare. Samma sak gäller filer för mekaniska konstruktioner, som exempelvis AutoCAD, Pro engineer och Catia.

Signalintegritet
Anders Ekholm, sedan 30 år utvecklare av radiobasstationer hos Ericsson, talade på seminariet om det paradigmskifte som nu sker när det gäller SI/PI-analys (Signal Integrity/Power Integrity) av kretskort för digitala konstruktioner.
Det första steget tog Ericsson 1985 då man skapade konstruktionsregler för kretskort. Under åren 1989 och 1990 utbildade man konstruktörer i SI/PI och fem år senare började man simulera kretskortskonstruktioner.
Hittills har man kunnat utgå från ”best case”/”worst case”.  Men nu kräver konstruktionerna mycket snävare gränser. Idag är datahastigheter kring 10 Gbit/s vanliga, med tillhörande bandbredd 0 – 15 GHz. I nästa generation handlar det i stället om 28 Gbit/s och 42 GHz.
En annan utmaning för kretskortskonstruktörer är IC med bara 1 V matningsspänning och ett strömbehov av 50 A. Andra krav som Anders Ekholm tog upp är snabbare tid till marknaden, högre kvalitet och verifiering som innefattar såväl mätningar som simuleringar.
Hittills har man tillämpat passiv modellering, något som inte passar för moderna modeller av mönsterkortet. Det krävs nya modeller för stripline och microstrip och modeller för vior mellan mönsterkortets lager för att klara överföringar på 28 Gbit/s.
Det blir allt svårare att mäta på dessa kretsar då hastigheterna höjs, med tanke på att mätningarna inte skall påverka resultaten.
För att simulera konstruktionerna behöver man passiva modeller för mönsterkortets ledningsmönster och dessa modeller måste korreleras mot kalibrerade data. Det krävs också att mönsterkortleverantörerna kan garantera den gaussiska spridningen av parametrar.
– Det behövs fler parametrar från mönsterkortleverantörerna i framtiden och vi måste få bättre data från dessa, förklarar Anders Ekholm.
Han pekade ut parametrar som förlusttangent (tang Δ), dielektricitetskonstant (E_r), h och w.
För modellering används idag IBIS, IBIS AMI, Spice och Touchstone.
Anders Ekholms sammanfattning löd:
– Vi behöver omvärdera metoder för simulering, vi behöver kunna importera mycket mer detaljerade parametrar och vi behöver kunna hantera variationer av dessa parametrar.

Strategisk mångfald
Dagens Ansys är ett exempel på en medveten strategi för att sätta samman olika bitar till en helhet. Med olika företagsförvärv täcker man idag ett marknadssegemnt som man är ensamt om.
– Konkurrenter finns naturligtvis, men enbart inom enskilda delområden, säger Matt Commens.
Ansys grundades 1970 i Pittsburg för att ta fram analysverktyg, baserade på finita elementmetoden, för att simulera termiska problem i kärnkraftverk. Ursprungligen hette företaget Swanson Analysis Systems efter sin grundare dr John A Swanson.
Sedan millennieskiftet har Ansys genomfört ett antal strategiska företagsköp.
År 2008 köpte Ansys företaget Ansoft, även de beläget i Pittsburg, för att komplettera sin portfölj med verktyg för radiofrekvens.
Ansoft grundades 1984 av Zoltan Cendes och hans bror Nicholas Csendes (som behöll familjenamnets originalstavning). Zoltan Cendes, professor vid Carnegie Mellon University, utvecklade programvaran HFSS tillsammans med sina studenter.
Ansoft köpte Compact Software 1997. SuperCompact (Compact: Computer Optimization of Microwave Passive and Active CiruiTs) var marknadens första CAD-program för kretsar för RF och mikrovåg. Den första varianten utvecklade Les Besser så tidigt som 1973.
Den nuvarande versionen av programmet heter Ansys DesignerRF.

Filed under: Teknikartiklar