3712 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ УСТРОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ MICROWAVE OFFICE

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития микроэлектроники невозможен без широкого внедрения САПР. Они позволяют не только повысить полноту и точность решения проектных задач с одновременным сокращением материальных и временных затрат, но и решать качественно новые гораздо более сложные вопросы.

Одной из известных САПР электронных устройств является MICROWAVE OFFICE  (MWO) – полностью интегрированный пакет программ, предназначенный для разработки устройств СВЧ [1]. MWO работает под управлением Windows 98/Me и Windows NT/2000/VP. Данный программный продукт состоит из модулей:

- для линейного  и нелинейного моделирования схем в частотной области;

- для трехмерного электромагнитного моделирования многослойных структур;

- для проектирования печатных конструкций и топологии интегральных схем (ИС).

Анализ схем проводится одночастотным и многочастотным методом гармонического баланса, а также методом рядов Вольтерра. Высокая скорость анализа является следствием объектно-ориентированного подхода к программированию, а также того, что система уравнений (в методе гармонического баланса) формируется непосредственно из схемного представления без промежуточного преобразования в файл списка соединений. В результате появилась возможность настройки и оптимизации схем с помощью инструмента Tuner, не имеющего аналогов в других пакетах программ.

Библиотека базовых элементов состоит из сосредоточенных и распределенных, линейных и нелинейных, идеальных и неидеальных элементов. В случаях, когда правильная модель устройства отсутствует или эффект близкого расположения элементов уменьшает точность модели, предусмотрена возможность использования модуля электромагнитного анализа EM-Sight. Данный модуль имеет собственный графический редактор и позволяет моделировать топологические структуры методом моментов.

EM-Sight – 3-D моделирующее устройство, содержащее блоки, анализируемые с использованием электродинамического метода расчета, основанного на решении в спектральной области уравнений Максвелла. Эта особенность переводит проектирование СВЧ-устройств на более высокий качественный уровень по сравнению с программами, использующими методы, основанные на объединении матриц, рассчитываемых методами теории цепей. Кроме того, редактор EM-Sight осуществляет моделирование потерь, уход от резонансов и позволяет получить анимацию тока и визуализацию Е-поля, что обеспечивает наглядное представление физических процессов, протекающих в ЕМ-структурах.

Уникальной частью проекта MWO является модуль топологического анализа LAYOUT. Он используется для проектирования топологии СВЧ-устройства и управления связью между электрической схемой и топологией, а также служит для контроля физической реализуемости проектируемого устройства и для создания конструкторской документации.

Таким образом, MWO обеспечивает высокую производительность и дает возможность моделировать схемы различной сложности одновременно с использованием результатов многомодового анализа электромагнитного поведения моделируемых устройств, а также с учетом цифроаналогового функционального устройства обработки сигналов.

Основной задачей данного учебного пособия является приобретение навыков проектирования микроволновых устройств в среде MWO. В рамках решения этой задачи рассматриваются вопросы линейного моделирования селективных устройств СВЧ, в частности, фильтра низких частот (ФНЧ) с сосредоточенными параметрами и полосно-пропускающего фильтра в микрополосковом исполнении.

1. ЛИНЕЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВЫХ СЕЛЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ

Линейное моделирование позволяет рассчитывать характеристики линейных схем, таких как фильтры, направленные ответвители, т.е. схемы, для которых можно составить матрицу S-параметров.

 

1.1. Метод анализа линейных СВЧ устройств

Разнообразные типы СВЧ устройств можно описать с помощью падающих и отраженных волн, распространяющихся в подключенных к ним линиях передачи [2]. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей S-параметров. СВЧ устройство в общем случае можно представить в виде многополюсника (рис. 1).

 

 

Рис. 1. СВЧ устройство в виде многополюсника

 

 

Cвойства многополюсника описываются с помощью N уравнений, связывающих комплексные амплитуды падающих и отраженных волн в сечении входных полюсов СВЧ устройства.

 

(1)

где A1, A2, AN - комплексные амплитуды волн, входящих в многополюсник (падающие волны);

B1, B2, BN - комплексные амплитуды волн, выходящих из многополюсника (отраженные волны);

Skk (k=1, 2,…n) – коэффициенты отражения по соответствующим входам многополюсника при подключении согласованных нагрузок, равных r0, ко всем остальным входам;

Skm (k,m=1, 2,…n, k # m) – коэффициенты передачи амплитуд волн напряжения с m–й линии в k-ю при подключении согласованных нагрузок, равных r0, ко всем остальным входам.

Уравнения (1) можно представить в матричной форме

 

= , (2)

 

= , (3)

- матрица рассеяния многополюсника. Элементами этой матрицы являются S-параметры СВЧ устройства. S-параметры позволяют определить такие важные характеристики многополюсника, как коэффициент стоячей волны (КСВ) и коэффициент ослабления [3].

Если ко входу k подключен источник сигнала, а ко всем остальным входам – согласованные нагрузки, равные r0, то

, (4)

α -  коэффициент ослабления между входами k и m

. (5)

Коэффициент αmk показывает, какая часть мощности сигнала, подведенная к k-му входу достигает m-го входа.

Для четырехполюсника, к которому относится и фильтр нижних частот (ФНЧ), рассматриваемый в п.2.2,

, (6)

 

.                                     (7)

В полосе пропускания фильтра коэффициент ослабления должен быть минимальным и величина его определяется требованием технического задания.

При проектировании фильтра необходимо обеспечить величину КСВ, близкую к 1.

 



 
позволяет легко расширить. корпусов мобильных устройств. интерфейсу чейнджера штатной