Связанные полосковые линии и устройства на их основе. Часть 2

базирующиеся на аналитических методах. Здесь при построении моделей применён описанный в книге комбинированный метод МЧЕКО.

Рассчитываемые линии и входные данные.

Рассчитываемые структуры группируются в следующие четыре блока (рис. 8.3, табл. 8.1): 1) одиночные линии (8шт.); 2) связанные линии (7шт.); 3) трёхполосковые связанные линии (3шт.); 4) многопроводные связанные линии (10шт.).

161

Оболочка – графический интерфейс пользователя (GUI) – LD.exe

Рис. 8.2. Структура пакета Lines Designer-3

162

Пакет Lines Designer позволяет проводить анализ в диалоговом режиме – после выбора из меню той или иной линии, подлежащей анализу, в подокне автоматически выводится изображение её поперечного сечения и список ассоциированных параметров геометрии и диэлектрического заполнения. Это позволяет разработчику ясно представлять конструкцию структуры и её параметры (исходные данные).

163

Рис. 8.3. Одиночные, двух- и трёхполосковые линии, рассчитываемые пакетом Lines Designer: а – несимметричная полосковая линия (НПЛ); б – несимметричная планарная полосковая линия; в – МПЛ со щелью в экране; г – микрополосковая линия (МПЛ); д – МПЛ на двух-

слойной подложке; е – брусчатая копланарно-желобковая линия (КПЖЛ); ж – брусчатая полосковая линия на двухслойном диэлектрике; з – копланарная линия (КПЛ); и – связанные МПЛ со щелью в экране, к – связанные МПЛ; л – связанные МПЛ на двухслойной подложке; м – связанные МПЛ и КПЖЛ; н – связанные МПЛ с накладкой; о – связанные полосковые линии на вертикальной подложке; п – связанные полосковые линии с вертикальной вставкой; р – связанные трёхполосковые МПЛ; с – связанные трёхполосковые МПЛ на двухслойной подложке; т – связанные МПЛ с дополнительной КПЖЛ на обратной стороне подложки

Режимы проектирования. При работе с пакетом предусмотрены два режима проектирования: 1) режим с фиксированными значениями; 2) режим вариации одного из параметров линии в заданном диапазоне. В первом режиме – с фиксированными исходными данными – программа рассчитывает электрические параметры для выбранной структуры по параметрам её материалов и геометрии. Во втором режиме – вариации одного из параметров в заданном диапазоне – программа выдаёт графики характеристик структуры в зависимости от изменения выбранного параметра. Пример интерфейса в режиме вариации одного из параметров представлен на рис. 8.1,б. Для наглядности и повышения графической точности любой участок графика может быть увеличен с использованием мыши.

Результаты проектирования представляются в виде списка или графических зависимостей, также предусмотрена возможность получения отчета о проектировании. Все исходные данные и результаты работы с программой могут быть сохранены в файле и впоследствии быстро вновь загружены. Кроме того, существует возможность создания отчёта проектирования, а также выдача его в файл или печать на принтере.

164

Таблица 8.1. Многопроводные полосковые линии передачи, входящие в состав рассчитываемых структур пакета Lines Designer

165

Выходные данные. Пакет в режиме фиксированных исходных данных выдаёт полный набор выходных электрических параметров, включая для одиночных линий (таких как микрополосковая, копланарная и т.п.) погонные ёмкость C и индуктивность L, волновое сопротивление Zo и эффективную диэлектрическую проницаемость эфф. Для более сложных связанных линий количество расчётных параметров равно 23 (матрицы погонных ёмкостей и индуктивностей, коэффициенты связи по ёмкости и индуктивности, модальные мощности, токи и напряжения, характеристические сопротивления и проводимости). Для трёхполосковых связанных линий количество этих параметров – более 50, а для многопроводных связанных линий, например девяти линий, оно достигает 100. Для многопроводных связанных линий рассчитываются матрицы погонных емкостей и индуктивностей, а также матрица волновых сопротивлений и вектор модальных диэлектрических проницаемостей m.

Таким образом, специализированный пакет Lines Designer является достаточно эффективным завершённым Windowsприложением, позволяющим рассчитывать параметры 28 типов разнообразных полосковых структур, в том числе многопроводных линий на многослойном диэлектрике (многомодовые структуры с квази-Т волнами). Анализ некоторых структур реализуется впервые. Для расчета параметров линий передачи используются новые модели, построенные на основе комбинированного метода МЧЕКО. Пакет является открытым с возможностью расширения, с другой стороны возможна интеграция отдельных модулей пакета в состав других систем моделирования и проектирования СВЧ устройств.

Заключение

В разделах 6-8 была изложена теория и применение комбинированного метода частичных емкостей и конформных отображений (МЧЕКО) для анализа многомодовых полосковых структур. Было обоснованно расширено применение метода путём реализации не только параллельной, но и последовательной и смешанной стратегий объединения емкостных ячеек как соприкасающихся, так и вложенных.

Были представлены и исследованы новые типы волнове-

166

дущих МПС, в том числе связанные полосковые линии с внутренним экраном и их варианты. Построение СВЧ устройств на основе предложенных МПС позволяет значительно улучшить их параметры – электрические, массогабаритные, технологические.

При предварительном исследовании МПС из их поперечного сечения выделены расчётные многоугольные области с углами кратными /2, которые разбиты на пять групп и сведены в единый систематизированный каталог, содержащий 51 область, при максимальном количество углов в области равном 8. С использованием вновь разработанного метода построены модели широкого класса используемых в конструкциях устройств СВЧ многомодовых полосковых структур.

Созданы адекватные модели, компактные высокоскоростные алгоритмы, обширные библиотеки подпрограмм, также разработана САПР и пакеты прикладных программ моделирования разнообразных полосковых структур и проектирования СВЧ устройств на их основе. В частности, разработана вспомогательная компьютерная библиотека, включающая 27 оригинальных подпрограмм расчёта специальных функций и 66 подпрограмм расчёта емкостных ячеек. Вновь разработанным пакетом Lines Designer поддерживается 28 типов волноведущих структур. Модули пакета имеют скорость расчётов на порядок выше в сравнении с известными программными продуктами.

Для ряда моделируемых структур приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих обоснованность применения метода МЧЕКО.

Перспективы дальнейшего развития метода МЧЕКО видятся в развитии стратегии объединения ячеек в виде подобластей пересекающегося типа. Пока такой необходимости не было, но она может возникнуть при использовании и анализе более сложных многомодовых полосковых структур, являющихся «строительными блоками» современных интегральных СВЧустройств.

Таким образом, примение многомодовых полосковых структур и их анализ комбинированным методом частичных емкостей и конформных отображений позволит проектировать интегральные СВЧ-устройства с улучшенными техническими характеристиками для вновь создаваемых и модернизации суще-

167

Литература к разделам 6, 7, 8

1.Кочанов Э.С. Паразитные емкости при печатном монта-

же радиоаппаратуры // Радиотехника. – 1967. – Т. 22, № 7. –

С. 82–85.

2.Kochanov E.S. Parasitic capacitances in printed wiring of radio equipment // Telecommun. and Radio Engineering. – 1967. – Vol. 22, № 7. – P. 129–132.

3.Veyres C. Extension of the application of conformal mapping

asymmetric coplanar waveguides / V.F. Hanna, D. Thebault // IEEE

Ю.А. Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский. – 2-е изд. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 288 с.

6.Вендик О.Г. Моделирование и расчёт ёмкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика / О.Г. Вендик, С.П. Зубко, М.А. Никольский //

Журнал технической физики. – 1999. – Т. 69, вып. 4. – С. 1–7.

7.Деленив А.Н. К вопросу о погрешности метода

частичных емкостей // Журнал технической физики. – 1999. – Т. 69, вып. 4. – С. 8–13.

8.Ghione G. Revisiting the partial-capacitance approach to the analysis of coplanar transmission lines on multilayered substrates / G. Ghione, M. Goano // IEEE Trans. – 2003. – V. MTT-51, № 9. – P. 2007–2014.

9.Гвоздев В.И. Объёмные интегральные схемы СВЧ / В.И. Гвоздев, Е.И. Нефедов // – М.: Наука, 1985. – 256 с.

10.Сычёв А.Н. Управляемые СВЧ устройства на многомодовых полосковых структурах. – Томск: Том. гос. ун-

т. – 2001. – 318 с.

11.Нефёдов Е.И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Изд. центр «Академия», 2006. –

320с.

12.Gevorgian S. Basic parameters of coplanar-strip waveguides on multilayer dielectric semiconductor substrates, Part 2: Low per-

169

mittivity superstrates / S. Gevorgian, H. Berg, H. Jacobsson, et al… // IEEE Microwave Magazine, 2003. – V. 4, № 3. – P. 59, 60, 62–66, 78.

13.Ghione G. The partial capacitance technique / G. Ghione, M. Goano // 32 European Microwave Conf., Workshop WM2. Conformal mapping: A generator of closed form analytic approximations for computationally effective CAD, Milan, Italy, 2002.

14.Миниатюрные устройства УВЧ и ОВЧ диапазонов на отрезах линий / Э.В Зелях, А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич и др. // –

М.: Радио и связь, 1989. – 112 с.

15.Фельдштейн А.Л. Матрицы некоторых ВЧ-

трансформаторов / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.С. Брилон //

Радиотехника и электроника.– 1984. – № 4. – С. 870–874.

16.Лондон С.Е. Справочник по высокочастотным

трансформаторным устройствам / С.Е. Лондон, С.В. Томашевич // – М.: Радио и связь,– 1984. – 216 с.

17.Кусков А.С. Матричные параметры несимметричной нерегулярно включённой линии / Радиотехника и электроника,

1995. – Вып. 6. – С. 946–949.

18.Фильтры и цепи СВЧ / под ред. А. Матсумото; пер. с англ. Л.В. Алексеева, А.Е. Знаменского, В.С. Полякова. – М.: Связь, 1976. – 248 с.

19.Громадка II.Т. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах: пер. с англ. / II.Т. Громадка, Ч. Лей. – М.: Мир, 1990. – 303 с.

20.Мишустин Б.А. Применение метода статистических испытаний к расчету микрополосковых линий передачи в Т-

Радиоэлектроника, 1980. – Т. 23, № 9. – С. 17–22.

21.Садовский Н.В. RSL-Complex-3 – универсальный пакет моделирования полосковых линий методом статических испытаний // Перспект. технол. в средствах передачи инф.: Матер. Междун. науч.-техн. конф., – Владимир, 1995. – C. 57–62.

22.Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1990. – 288 с.

23.Яшин А.А. Разработка элементной базы микроэлектронных устройств с использованием геометрических методов

170