Связанные полосковые линии и устройства на их основе. Часть 2

следующими:

Кроме того, вычислялись вторичные параметры, в частности вектор эффективных модальных диэлектрических проница-

емостей m = (3,190 4,777 5,305 5,464)Т. На рис. 7.28 показа-

ны зависимости эффективных диэлектрических проницаемостей мод m (модальных замедлений) от диэлектрической проницае-

мости 1,2 и толщины h1,2 слоёв (рис. 7.28, а–г), а также от расстояния между плоскостью, в которой лежат копланарные ли-

нии, и верхним экраном h3 (рис. 7.28, д).

151

Рис. 7.28. Рассчитанные эффективные модальные диэлектрические проницаемости экранированных четырёхпроводных КПЛ на двухслойной подложке (см. рис. 7.25) в зависимости от диэлектрических проницаемостей а

– «подполосочного», б – «надземельного» слоёв, а также в зависимости от толщин в – «подполосочного», г – «надземельного» и д

– верхнего «надполосочного» слоёв (геометрические параметры: N = 4, w1 =…= w4 = 1мм, s1 =…= s5 =

0,2 мм, 3 = 1)

Из графиков видно, что увеличение диэлектрической

диэлектрических проницаемостей m (см. рис. 7.28, а). В свою очередь, увеличение проницаемости 2 «надземельного» слоя h2 ведёт к некоторому росту эффективной проницаемости первой моды m1 , однако практически не влияет на самые

медленные третью и четвёртую моды, поле которых очевидно сконцентрировано в равной степени как в «подполосочном» диэлектрическом слое h1, так и в «надполосочном» воздушном слое h3 (см. рис. 7.28, б). Следует заметить, что здесь первая мода (i = 1) соответствует чётному возбуждению с вектором

модальных напряжений Um1 = (+u11 +u21 +u31 +u41)T, а четвёртой моде (i = 1) соответствует вектор Um4 = (+u14 –u24 +u34 –

u44)T. При равенстве проницаемостей нижних слоев 1= 2=10, а также одинаковом расстоянии плоскости копланарных проводников до верхнего и нижнего экранов h1+ h2 = h3

Увеличение толщины «подполосочного» слоя h1 ведёт к росту всех модальных эффективных диэлектрических проницаемостей m (см. рис. 7.28, в), увеличение толщины «надземельного» слоя h2 ведёт к их незначительному снижению

152

(см. рис. 7.28, г). Увеличение же расстояния от плоскости проводников КПЛ до верхней экранирующей крышки h3, ведёт к некоторому росту эффективных проницаемостей мод m и их стабилизации (см. рис. 7.28, д). Это согласуется с известным положением о том, что для пары связанных микрополосковых линий влиянием верхнего экрана можно пренебречь, если (h1+ h2

+ h3)/ (h1+ h2 ) > 5…7 [90].

Выводы

Представленные в этом разделе обобщения и модификации, позволили также расширить область применения метода МЧЕКО и проанализировать с достаточной для практики точностью не только одиночные, но и двух- и многопроводные связанные линии с многослойным диэлектрическим заполнением.

Даны решения конкретных задач по анализу сложных МПС, являющихся базовыми элементами интегральных СВЧ устройств. При этом были учтены слоистость диэлектрика в межэлектродном промежутке, который может располагаться как параллельно, так и последовательно. Для исследуемых МПС, предложены новые обобщённые декомпозиционнорекомпозиционные схемы и соответствующие математические модели.

Впервые методом МЧЕКО проанализированы известные и новые волноведущие структуры такие как: а) брусчатая полосковая линия на многослойном диэлектрике, б) брусчатая копланарно-желобковая линия, в) связанные микрополосковая и копланарно-желобковая линии, г) связанные микрополосковые линии с дополнительной копланарно-желобковой линией на обратной стороне подложки и др. Метод апробирован и на многопроводных структурах со слоистым диэлектриком, где также показал высокую скорость и точность расчётов.

Комбинированный метод МЧЕКО, сочетающий методы частичных емкостей (подобластей) и конформных отображений с предложенными модификациями весьма эффективен для разработки специализированных моделей вновь проектируемых полосковых волноведущих структур со сложной геометрией поперечного сечения. Метод при конструктивнотехнологических ограничениях, накладываемых традиционной гибридно-плёночной технологией, применим вплоть до верхней

153

части сантиметрового диапазона (около 20 ГГц) с погрешностью расчётов для «классических» волноведущих структур (микрополосковая линия, копланарная линия и т.п.) 1…6%, для сложных в поперечном сечении структур 5…10%.

Список использованных источников см. в конце раздела 8.

154

8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ LINES DESIGNER

Ранее в первом разделе мы уже касались методов анализа и общих вопросов компьютерного проектирования СВЧ устройств, здесь же рассмотрим некоторые дополнительные вопросы, касающиеся проектирования устройств. Также представим описание оригинального программного продукта

Lines Designer.

8.1. Общие сведения по проблеме компьютерного моделирования и проектирования СВЧ устройств

Основные способы проектирования. Моделирование СВЧ компонентов (линий передачи), а также проектирование СВЧ устройств и систем в общем случае может выполняться тремя возможными способами: 1) расчётным; 2) экспериментальным; 3) комбинированным расчётно-экспериментальным.

Современное расчётное проектирование немыслимо без компьютерного моделирования с помощью специально разработанных программных продуктов – СВЧ САПР. Последние создаются на основе адекватных электромагнитных моделей, которые позволяют осуществлять разнообразные численные эксперименты.

В случае недоступности достоверных моделей, реализованных в виде компьютерных программ, неизбежно обращение к стендовой отработке конструкций [29]. К экспериментальным исследованиям также прибегают всегда при проверке и оценке адекватности вновь разрабатываемых моделей.

Третий промежуточный путь заключается в применении расчетно-экспериментального метода проектирования (РЭМ). Он позволяет получать достаточно надёжные результаты расчетов, используя данные промежуточных экспериментов, обеспечивающих «настройку» изначально простой модели [91]. Такой моделью может быть: исходная таблица экспериментальных данных, сопровождаемая интерполяционной программой; математическая модель в виде полинома с предварительно найденными коэффициентами;

155

электрическая эквивалентная схема (схема замещения), параметры элементов которой предварительно вычислены; это может быть также и «обученная» нейронная сеть. Такого типа модели в общем можно назвать и эмпирическими, и аппроксимационными, и приближёнными, и «суррогатными», и имитационными, и т.п.

Отсюда вытекает важность не только точных электромагнитных и при этом довольно сложных громоздких моделей, но и относительно простых моделей, имеющих достаточную для практики точность. С этим связаны принципы формализации объекта и понятие уровня модели.

Исходным моментом и основным принципом при построении математической модели устройства является его декомпозиция на автономные блоки или базовые элементы (БЭ). Отсюда, вследствие дискретизации, вместо решения граничной электродинамической задачи весьма высокой конфигурационной сложности можно решить серию задач существенно меньшей сложности [30, c.10]. При этом решается проблема декомпозиции сложного полоскового устройства на БЭ и моделирование последних [92].

При моделировании СВЧ устройств используют два основных взаимодополняющих подхода: 1) приближённый квазистатический подход основан на предположении о существовании в системе только поперечных Т-волн. Многомодовой модификацией этого подхода является концепция квази-Т волн, которая учитывает различие скоростей нормальных волн в многопроводной структуре с неоднородным диэлектриком; 2) строгий электродинамический полноволновый (full wave) подход, принимающий в рассмотрение весь спектр волн, которые возможны в волноведущей структуре, является соответственно более сложным.

Математические методы. При реализации любого из подходов – и квазистатического и электродинамического – возможно применение следующих математических методов: численные; аналитические; численно-аналитические (полуаналитические, «гибридные»). Ранее, в 1-й главе, они уже подробно обсуждались, здесь же лишь заметим, что для конечного пользователя САПР, реализованные в ней методы, находятся «за кадром». Для пользователя важна лишь

156

доступность САПР, удобство использования и адекватность результатов проектирования экспериментальным результатам.

Погрешность модели может быть обусловлена следующими факторами: а) упрощением или игнорированием взаимодействия между подобластями (базовыми элементами – БЭ); б) приближенностью анализа каждой подобласти [92]. При этом точность метода может выявлена двумя путями: а) сравнением с экспериментом (при этом следует учитывать погрешность самого эксперимента); б) сравнением с другим более точным методом. Если рассматривать отдельно проблему точности расчетов, здесь уместны следующие замечания[93]:

1)оценка степени точности приближенного метода зачастую более трудоемка и сложнее, чем сам метод, и установить адекватность выбранной расчетной модели и реального физического объекта удается далеко не всегда. Следует также помнить, что приближенная модель, используемая вне области применения, может привести к бессмысленным результатам [29];

2)использование строгих методов должно быть осторожным, чтобы не допустить не всегда очевидного «превышения точности», ибо формальное применение численных методов далеко не всегда ведет к надежным результатам. Иными словами, «чрезмерная детализация модели (стремление добиться предельной адекватности моделируемому процессу) будет не только ненужной, но и просто вредной» [14].

Инструменты разработки программных продуктов.

Важным моментом при разработке программных продуктов – специализированных САПР СВЧ устройств – является выбор не только аппаратной части (компьютерной платформы), но также средств программирования. Этот выбор определяется целевым назначением и уровнем разрабатываемых программных продуктов. Фактически стандартом в аппаратной части для массового пользователя и специалистов стал IBM-совместимый персональный компьютер (хотя не исключается применение и суперкомпьютеров). При этом базовой операционной системой стала

Windows.

Средства программирования, используемые непосредственно при создании новых прикладных программных продуктов, можно свести в следующие группы:

157

1)языки программирования, такие как Ассемблер, Си, Си++, Паскаль, Фортран, которые реализуются в виде систем объектного и визуального программирования, как правило, ра-

ботающих под Windows (Borland Delphi, Visual C++, Compaq Visual Fortran и др.);

2)математические системы общего назначения – MathCAD, MatLab и др. – чрезвычайно облегчающие и ускоряющие создание специализированных некоммерческих приложений. Однако их основным недостатком является то, что созданные с их помощью продукты не являются автономными. Подобными системами пользуются в основном для оперативного исследования новых типов полосковых структур и устройств на их основе.

Классификацию типов специализированных САПР СВЧ компонентов, устройств и систем можно осуществить следующим образом:

1)программы моделирования компонентов. Они обеспечивают расчет сосредоточенных компонентов, параметров линий передачи и других волноведущих структур для последующего моделирования схем устройств (LINPAR, Lines

Designer);

2)программы схемотехнического анализа и проектирования СВЧ устройств. Развитые программы этого класса включают, как правило, модули оптимизации характеристик устройств (AWR Microwave Office, FILTEX-32 [8]);

3)программы по моделированию электромагнитных полей планарных и объёмных структур выполняют полный электродинамический (full wave) анализ последних (AWR Microwave Office, Ansoft HFSS, CST Microwave Studio, ADS);

4)программы моделирования систем, в частности систем беспроводной связи. В этих программах, как правило, моделируются цифровые и аналоговые сигналы и их обработка – модуляция, коррекция, кодирование и т.п. (AWR Microwave Office).

8.2Описание пакета моделирования Lines Designer

Назначение пакета. Пакет Lines Designer для Windows

предназначен для расчета параметров полосковых линий пере-

158

дачи различных типов – как одиночных, так и многосвязных и представляют собой интегрированную среду моделирования1. Существующая версия пакета поддерживает 28 типов линий передачи и позволяет проводить расчет всех необходимых для дальнейшего анализа СВЧ устройств параметров [95, 96, 97].

Интерфейс пакета для Windows. Интерфейс пакета отвечает стандартам приложений, созданных для работы в среде

Windows (рис.8.1).

а)

б)

Рис.8.1 Интерфейс пакета Lines Designer для Windows (а), пример моделирования в режиме вариации одного из параметров (б)

Состав и структура пакета. Пакет программ Lines De-

1 Основной вклад в разработку интерфейса пакета внесли: Чернов Ю.Д., Князев А.С., Емельянов А.Л., в разработке ряда вычислительных модулей участвовали Шевцов А.Ю., Емельянов А.Л., разработка справочной системы – Путилов В.Н.

159

signer для Windows состоит из программного ядра – управляющей программы LD.EXE, файла справочной информации, а также набора расчётных исполняемых DLL-модулей, каждый из которых соответствует своей линии передачи и вызывается управляющей программой (см. рис. 8.2).

Используется оригинальная библиотека подпрограмм, написанная на Фортран, для вычисления специальных функций (эллиптических функций, эллиптических и гиперэллиптических интегралов) и вычисления емкостей элементарных двух-, трёх- и многоэлектродных ячеек. Эта библиотека используется при создании новых модулей для пакета Lines Designer.

Средства программирования, использованные при разра-

ботке пакета Lines Designer для Windows. Управляющая про-

грамма пакета, реализующая дружественный интерфейс, запуск исполняемых модулей анализа линий и генерацию отчётов, выполнена в среде визуального программирования Delphi. Часть модулей пакета, реализующих моделирование линий передачи, запрограммированы в среде Compaq Visual Fortran 6.6.

Требования к системе. Операционная система Windows 9x/XP или выше. Оперативная память от 16 Мб, а также 8 Мб дискового пространства.

Запуск и главное меню. Запуск пакета Lines Designer осу-

ществляется командой LD.EXE, после выполнения которой на экране появляется главное меню системы (см. рис. 8.1). Для выхода из системы следует нажать клавиши Alt+Х. Первая строка экрана содержит все команды главного меню, последняя – название выделенной линии передачи. Для входа в главное меню нажмается функциональная клавиша F10, при этом выделенный прямоугольник появится в первой строке экрана (главном меню). Для выхода из главного меню или любого подменю нажмается клавиша Esc. В главном меню содержатся следующие команды: 1) Файл (File); 2) Расчёт (Calculate); 3) Настройки

(Settings); 4) Отчет (Report); 5) Помощь (Help). Все они, кроме команды «Расчёт», имеют собственные подменю; команда «Отчет» до проведения расчётов неактивна.

Метод анализа. Анализ и моделирование многомодовых полосковых структур выполняется в квазистатическом приближении (предположение квази-Т волн). Наиболее подходящими алгоритмами для быстрого моделирования являются алгоритмы,

160