23

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ-УСТРОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ

ПАКЕТА ПРОГРАММ SERENADE8.0

Пособие для студентов 4к. д/о специальности

“Радиофизика и электроника”

ВОРОНЕЖ

2003

Утверждено научно-методическим советом физического факультета

Составители: Алгазинов Э.К., Бобрешов А.М.,

Дыбой А.В., Китаев Ю.И.

Программа подготовлена на кафедре электроники физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 4к. д/о специальности “Радиофизика и электроника”

Настоящее учебное пособие служит для изучения пакета программ Serenade8.0 и получения практических навыков работы с ним. Указанный пакет является одним из ведущих в области проектирования СВЧ-устройств, а также устройств радио- и оптического диапазона. Удобная графическая среда и подробная встроенная документация делают пакет удобным для использования в учебном процессе. Однако в отечественной литературе практически нет источников, посвященныхSerenade. Данное методическое пособие призвано частично восполнить этот пробел. Не претендуя на полноту изложения, эта работа тем не менее дает общее представление о пакете и позволяет получить начальные навыки работы. В пособии также содержится обзор некоторых элементов, широко используемых в современной СВЧ-технике.

Данное методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся на физическом факультете по специальности “Радиофизика и электроника”, а также для студентов факультета компьютерных наук Воронежского госуниверситета.

Введение 5

Пакет Serenade 5

Общие сведения 5

Использование полосковых и микрополосковых линий в проекте 7

Основные типы линий передач и их расчет 11

Полосковые и микрополосковые линии 11

Щелевая линия 15

Копланарный волновод 16

Связанные микрополосковые линии 17

Направленные ответвители 18

Основные типы неоднородностей в микрополосковых линиях 20

Литература. 22

Введение

В последние десятилетия происходит бурное развитие СВЧ-технологий, причем громоздкая волноводная техника постепенно вытесняется полосковыми и микрополосковыми устройствами. Дальнейшая миниатюризация СВЧ-устройств привела к появлению микросхем СВЧ-диапазона. Основу этих технологий составляет комбинирование микроминиатюрных активных элементов с сосредоточенными параметрами и микрополосковых линий, на основе которых выполняются большинство пассивных элементов и линий передач. По сравнению с традиционными волноводами и волноводной техникой полосковые и микрополосковые устройства обладают рядом преимуществ. В первую очередь это малые размеры, дешевизна, относительная простота технологии изготовления, что дает возможность получать устройства с хорошо воспроизводимыми параметрами. На заре развития микроминиатюрных устройств СВЧ разработчики сталкивались с рядом трудностей, обусловленных в первую очередь отсутствием простого математического аппарата для расчета параметров таких линий передач. В дальнейшем были выведены инженерные формулы, дающие приемлемые результаты. Однако по-настоящему проблема была решена примерно 10 лет назад, когда, с одной стороны, были разработаны строгие математические методы расчета и моделирования устройств СВЧ на электродинамическом уровне, а с другой – появились мощные компьютеры, способные решать системы уравнений большой размерности за малое время. В это же время несколько зарубежных фирм параллельно начали выполнять работы по созданию соответствующего программного обеспечения, в том числе и для IBMPC. Наиболее широкую известность получили продукты фирмы Compact Software и подразделения EESof фирмы Hewlett Packard. Область применения и возможности программного обеспечения, созданного этими фирмами, практически идентичны. В дальнейшем мы будем рассматривать программный комплексSerenadeфирмы Compact Software, поскольку он обладает более простым и интуитивно понятным интерфейсом, что делает возможным применение его в учебных целях.

ПакетSerenade Общие сведения

Комплекс программ Serenade обеспечивает сквозное проектирование систем, устройств и приборов радио-, СВЧ и оптического диапазонов волн. Производится анализ, оптимизация и расчет топологии элементов схемы, включая такие элементы, как волноводы, переходники, микрополосковые линии, неоднородности.

Редактор схем Serenade позволяет работать со схемами, используя общепринятые символы радио, СВЧ компонент и других элементов. Схема рисуется на рабочем поле с помощью мыши. Для того чтобы расположить нужный элемент на рабочем поле, необходимо сначала выбрать его символ на панели инструментов, расположенной в верхней части экрана, а затем подвести курсор мыши к нужному месту и нажать левую кнопку. Для доступа к нужному элементу схемы также можно использовать системное меню программы. Для этого нужно войти в меню Parts(компоненты) и дальше, двигаясь вниз по иерархическому списку, дойти до нужного компонента. Каждому компоненту схемы соответствует некоторая математическая модель, характеризующаяся своим набором параметров. Например, для сосредоточенного активного сопротивления задается всего один обязательный параметр – сопротивление (в Омах). Другой параметр, температуру, можно не указывать в явном виде, так как ее значение в этом случае будет задано по умолчанию. Более комплексные элементы соответственно характеризуются большим числом параметров. Стоит отметить, что модели активных элементов (транзисторов, диодов и др.) отличаются от моделей, принятых в программах типа PSPICE. Дело в том, что традиционные инструментальные средстваPSPICE испытывают недостаток адекватных моделей для частот более чем 300 MHz. Это происходит потому, что ВЧ и СВЧ цепи часто использует распределенные элементы как компоненты схемы в усилителях, осцилляторах, смесителях, сдвигающих устройствах фазы и переключателях. В то время как имеется много различных версий SPICE, все они использует дискретные модели элементов, что не позволяет им моделировать распределенный характер емкостей, резистансов и индуктивности в высокочастотных цепях. Однако ничто не мешает использовать пакет Serenade для расчета и более низкочастотных схем. Выбирая в менюPartsпунктDeviceLibrary, мы получаем доступ к библиотеке компонентов с уже определенными параметрами моделей. Эта библиотека содержит наиболее распространенные СВЧ-элементы некоторых ведущих мировых производителей. Для того, чтобы описать и рассчитать схему в пакетеSerenade, необходимо открыть или создать так называемый проект. Это набор необходимых файлов, объединенных одним названием и описывающих различные параметры схемы. Для создания нового проекта в главном менюSerenadeвыберем последовательно пунктыFile->New…В появившемся окне выбираем тип нового файла –Project. Далее указываем имя проекта и каталог, в котором он будет храниться. В полеSimulator(модуль анализа) следует выбрать вариантHarmonica. Другой модуль, называемыйSymphony, содержит набор функциональных блоков для расчета приемников, передатчиков и некоторых других радиотехнических устройств. После открытия проекта на экране появляется рабочая область – окно, на котором можно располагать элементы схемы и рисовать связи между ними. Чтобы сохранить проделанную работу, нужно в менюFileвыбрать пунктSave. В дальнейшем мы можем вернуться к сохраненному проекту и продолжить работу с ним. Для этого после запуска пакетаSerenadeв менюProject нужно выбрать пункт Open Project. Теперь несколько слов о работе с редактором схем пакетаSerenade. Как было сказано выше, выбор элементов производится с помощью менюParts. После того, как мы выбрали элемент схемы, подвели курсор к тому месту, где он будет расположен на схеме, и щелкнули левой кнопкой мыши, появится окно, в котором задаются параметры выбранного элемента. Для разных типов элементов набор параметров будет различным. Для того чтобы получить справку по выбранному элементу и задаваемым для него параметрам, необходимо выбрать кнопкуInfo, расположенную в правой нижней части окна. Обязательные параметры отмечены значением*req*.