Проектирование устройств СВЧ с применением системы проектирования Super-Compact

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Уральский государственный технический университет

C. Дайлис, С. Шабунин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СВЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Super-Compact

Екатеринбург 2000

УДК 621.396

Проектирование устройств СВЧ с применением системы проектирования Super-Compact :/C.Ю. Дайлис, С. Шабунин. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 32 с. Пособие предназначено для обучения решению задач по проектированию и разработке сверхвысокочастотных узлов на сосредоточенных и распределенных элементах с помощью системы компьютерного проектирования SuperCompactTM.

2

1. ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМЫ SUPER–COMPACT......................................................................5 2. ВСТРОЕННЫЙ ТЕКСТОВЫЙ РЕДАКТОР ОПИСАНИЙ СХЕМ. ................................................5 2.1. ОСНОВНОЕ МЕНЮ......................................................................................................................5 2.1.1. Команды встроенного редактора SC.............................................................................6 2.1.2. Управление файлами ........................................................................................................7 3. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ КОМАНДНОГО ФАЙЛА.....................................................................8 3.1. ОПИСАНИЕ БЛОКОВ ...................................................................................................................8 3.2. ОПИСАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ БЛОКОВ (BLK ИЛИ LAD). ....................................................................9 3.3. ЗАДАНИЕ СЕТКИ ЧАСТОТ АНАЛИЗА ........................................................................................... 11 3.4. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ЗАДАНИЕ НАГРУЗОК .................................. 12 4. АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК. УПРАВЛЕНИЕ НАГРУЗКАМИ. .......................... 12 4.1. НАСТРОЙКА РЕЖИМА ПРОСМОТРА ........................................................................................... 13 4.1.1. Условные обозначения для выводимых параметров ................................................. 13 4.1.2. Коррекция настроечной таблицы................................................................................ 13 5. ОПИСАНИЕ БЛОКА ОПТИМИЗАЦИИ. ..................................................................................... 16 6. СОХРАНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ............................................................................... 17 6.1. СОХРАНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА В ВИДЕ ТАБЛИЦ ............................................................. 17 6.2. СОХРАНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА В ВИДЕ ГРАФИКОВ ......................................................... 18 7. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМ .......................................................................... 18 7.1. ОПИСАНИЕ ПОДЛОЖЕК И ТИПОВ ЛИНИЙ ДЛЯ ПОЛОСКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ................................... 18 7.2. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ................................................................................................................... 20 7.2.1. Микрополосковые линии (MS) ....................................................................................... 20 7.2.2. Полосковые линии (SL)................................................................................................... 20 7.2.3. Связанные по широкой стенке полосковые линии (BSL)........................................... 21 7.2.4. Cмещенные связанные полосковые линии (OCL) ....................................................... 21 7.2.5. Подвешенная полосковая линия (SS) ........................................................................... 21 7.2.6. Связанные подвешенные полосковые линии (CPL) ................................................... 21 7.2.7. Щелевая линия (Slot) ...................................................................................................... 22 7.2.8. Копланарный волновод (CPW)...................................................................................... 22 7.3. ЭЛЕМЕНТЫ СВЧ ТРАКТА ......................................................................................................... 22 7.3.1. Примеры задания отрезков линий ............................................................................... 22 7.3.2. Линия передачи, замкнутая на конце .......................................................................... 23 7.3.3. Линия передачи, разомкнутая на конце ...................................................................... 23 7.3.4. Поворот линии под углом (только для несимметричной линии)............................. 24 7.3.5. Скачок ширины полосковой линии (STEP) ................................................................... 25 7.3.6. Т – разветвление в полосковой линии (TEE)............................................................... 26 Пересечение линий (только для несимметричных линий) (CROSS) ................................. 26 Зазор в полосковой линии (GAP) ............................................................................................ 26 7.3.9. Открытый конец полосковой линии (OPEN) .............................................................. 27 7.3.10. Индуктивность в виде круговой спирали плоского проводника на диэлектрической подложке (SPI)............................................................................................. 27 7.3.11. Индуктивность в виде прямоугольной спирали (RECI)........................................... 28 7.3.12. Проводник с круглым поперечным сечением, расположенный над диэлектрической подложкой (WIRE) ....................................................................................... 28 7.3.13. Фильтры на диэлектрических резонаторах (DRMS) .............................................. 29 8. ОПИСАНИЕ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ................................................................. 30 8.1. ОДИНОЧНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, ИНДУКТИВНОСТЬ, ЕМКОСТЬ .................................................... 30 8.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ, ИНДУКТИВНОСТЕЙ, ЕМКОСТЕЙ .............. 30 8.3. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ, ИНДУКТИВНОСТЕЙ, ЕМКОСТЕЙ ...................... 31 9. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ МОДЕЛИ ДИОДОВ СВЧ ........................................................................... 31

3

9.1. БЕЗКОРПУСНОЙ ДИОД ............................................................................................................. 31 9.2. ДИОД В КОРПУСЕ ДЛЯ ПЛАНАРНОГО МОНТАЖА НА ПОЛОСКОВОЙ ПЛАТЕ .................................... 32 9.3. ДИОД В КОРПУСЕ ДЛЯ НАВЕСНОГО МОНТАЖА........................................................................... 32 10. РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ........................................ 32 АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ .......................................................................................................... 32 10.2. ЕМКОСТЬ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ ............................................................................. 33 10.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ В ПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ.......................................................... 34 10.4. ПЛАНАРНАЯ ЕМКОСТЬ ........................................................................................................... 35 10.4.1. Последовательная емкость в полосковой линии .................................................... 35 10.4.2. Проходная емкость в полосковой линии ................................................................... 35 10.4.3. Емкость на конце полосковой линии.......................................................................... 36 11. ТРАНСФОРМАТОРЫ СОПРОТИВЛЕНИЙ ............................................................................. 36 12. ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЙ .................................................................................... 37 13. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ............................................................................................. 38 14. ДЕЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ ......................................................................................................... 39 14.1. ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НЕСОГЛАСОВАННЫЙ .......................................................................... 39 14.2. КВАДРАТНЫЙ МОСТ .............................................................................................................. 39 15. ОПИСАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ПОМЕЧЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ОПЕРАТОРОВ......... 40 16. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПЕРЕЧЕНЬ ИЗВЕСТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ, ИМЕЮЩИХСЯ В БИБЛИОТЕКЕ SC.................................................................................................................... 41 17. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИМЕРЫ ОФОРМЛЕНИЯ ПРОГРАММ РАСЧЕТА НА SC ................. 42 17.1. ТЕКСТ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ППФ ФИЛЬТРА ............................................... 42 17.2. ТЕКСТ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ПОЛОСКОВОЙ КОНСТРУКЦИИ .................................................... 44

4

1. Возможности системы Super–Compact. Что может Super-Compact? Система Super-Compact PC была разработана в 1986 году фирмой Compact Software (Paterson, NJ, U.S.A). Впоследствии вышли новые версии. В 1991 году появился пакет Microwave Harmonica PC, включающий в себя Super-Compact PC. Super-Compact PC (в дальнейшем SC) предназначен для исследования частотных характеристик СВЧ линейных пассивных и активных схем при гармонических входных сигналах, а также для их оптимизации или параметрического синтеза. SC хорошо приспособлен к потребностям проектировщика СВЧ аппаратуры, пригоден для описаний реальных моделей микрополосковых устройств, в том числе с включением СВЧ транзисторов различных фирм-производителей. SC обеспечивает графическое и табличное представление результатов с выводом как на экран, так и на бумагу. Чего не может Super-Compact? SC не рассчитывает характеристики устройств во временной области, не позволяет изучать переходные процессы. SC не анализирует характеристики нелинейных устройств, не пригоден для изучения работы устройств на СВЧ транзисторах, работающих при больших сигналах. SC не позволяет получить зависимости выходных сигналов от величины входных сигналов. SC не позволяет получить сквозные, вольтамперные и другие характеристики устройств.

2. Встроенный текстовый редактор описаний схем. 2.1. Основное меню В SC исследуются характеристики схемы, описание которой находится в так называемом командном файле с расширением ckt (circuit , что значит “схема”). Этот файл содержит как описание исследуемой схемы, так и команды, разрешающие SC выполнение определенных действий. Эти действия инициируются пользователем в интерактивном режиме, т.е. запускаются с клавиатуры. Управление с помощью мыши возможно только в отдельных случаях. Для анализа схемы необходимо командный файл с ее описанием загрузить (load) во временный буфер SC, расположенный в оперативной памяти. После окончания работы с описанием схемы необходимо содержимое этого буфера скопировать на диск (save) в виде командного файла.

Перед началом работы можно провести ряд настроек SC. В основном эти настройки определяют представление результатов работы SC на экране или на бумаге. Основное меню SC показано на Рис 1.

FILE ANA AUDIT PLTOP UTIL TWEAK STAT OPT ELOCK F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 help next locat chang insln deln block undo mark unmrk R001

C01 L03

M

Ins

Рис 1. Основное меню SC Видно, что меню состоит из трех строк. В средней строке указаны функциональные клавиши, с помощью которых пользователь управляет действиями SC. В верхней и нижней строках указаны мнемоники этих действий. Действия, указанные в верхней строке, осуществляются при одновременном нажатии клавиши Shift и соответствующей функциональной клавиши. Действия, указанные в нижней строке, выполняются при нажатии функциональной клавиши без нажатия на Shift. Все действия, указанные в нижней строке - это команды встроенного текстового редактора SC, с помощью которых можно редактировать содержимое копии командного файла с описанием схемы, находящейся в рабочем буфере SC. Все действия, указанные в верхней строке - это команды настройки или включения сложных действий SC. Обычно после нажатия Shift / функциональная клавиша на экране появляется новое меню, конкретизирующее указанное действие. Цифры, находящиеся в правом углу экрана указывают на текущее положение курсора буфере SC . Например, R10 - 10-я строка от начала буфера (R - row, т.е. строка), С11 - 11-я литера от начала строки (С - column, т.е. столбец), L3 - строки с курсором содержит 3 литеры (L - length, т.е. длина). Наличие буквы M в правом нижнем углу предупреждает о том, что на выводимых графиках будут присутствовать маркеры. 2.1.1. Команды встроенного редактора SC

Прежде всего, отметим, что после в начальный момент редактор работает в режиме замещения. Клавиша Insert переключает режимы вставка / замещение. На рис.1 продемонстрировано меню в режиме вставки (в правом нижнем углу есть слово Insert). В режиме вставки нажатие Enter в конце строки приводит к введению в текст пустой строки, в режиме замещения этого не происходит. Вставить пустую строку в любой режиме можно нажатием F5. Удалить строку можно с помощью F6. Удалять строки можно также с помощью блочных команд (см. ниже). Удаление необратимо. Но не следует пугаться, если Вы удалили по ошибке нужную информацию - ведь Вы вносите изменения только в содержимое буфера SC и не затрагиваете пока содержимое редактируемого файла. 6

Возможен также поиск по образцу, нажав F3 и введя по запросу образец в виде /образец/+ для поиска к концу буфера редактора и в виде /образец/– для поиска к началу буфера редактора. Учтите, что поиск чувствителен к регистру вводимых литер. Есть возможность произвести контекстную замену при нажатии F4 и введения строки / заменяемый_образец /заменяющий_образец/. И поиск, и контекстную замену можно проводить многократно для одного и того же образца, нажимая клавишу F2. Можно производить блочные команды над группой строк. Для этого сначала следует отметить соответствующий блок, поставив курсор на первую строку блока и нажав F9. Повторяя нажатие F9, можно отметить несколько последовательных строк текста. А можно и перевести курсор на последнюю строку подлежащего отметке блока и нажать F9 - отмечаются все строки блока. На экране блок отмечается желтой подсветкой. Отменить отметку блока можно, нажав F10. Если вы собираетесь копировать или перемещать блок, поставьте курсор в начало той строки, перед которой хотите Затем, поместить нажав F7, блок. можно войти в подменю блочных команд. Это подменю показано на Рис 2: COMMAND > Move Copy Delete Put Рис 2 Подменю блочных команд Выбрав нужное действие с блоком (COPY - копировать блок в месторасположения курсора, Move - перенести блок в место расположения курсора, Delete удалить блок, Put - записать блок в новый файл на жесткий диск), нажать Enter. Для выхода из подменю блочных команд нажать Esc. Удаленный блок можно восстановить, нажав F8. В заключение этого раздела отметим, что большие изменения файлов описания схем, связанные, в частности с переносом части строк из одного файла в другой, со слиянием нескольких файлов и т.д. гораздо удобнее делать с помощью любого привычного Вам текстового редактора (но только не с помощью редакторов типа Word для Windows!). 2.1.2. Управление файлами

Работа с файлами осуществляется по команде Shift /F1. При этом внизу экрана появляется подменю, показанное на Рис 3: COMMAND> Load Save Get Print Dir Rename Erase Copy Workdir Рис 3. Подменю работы с файлами Load - копирование нового файла описания схемы в буфер SC Save - запись содержимого буфера SC в файл Get - вставка файла в то место буфера, где стоит курсор Print - печать содержимого буфера SC Dir - вывод на экран содержимого текущего каталога (по маске *.*) 7

или по другой маске имени файла. Rename - переименование файла из текущего каталога Erase - удаление файла из текущего каталога Copy - копирование файла из текущего каталога.

3. Описание структуры командного файла Командный файл состоит из команд, задаваемых каждая в отдельной строке. Пустые строки допускаются. Допускаются также комментарии. Комментарием является строка, начинающаяся со звездочки (*). В конец любой команды также можно добавить комментарий, если отделить его от команды знаком точка с запятой (;). Регистр литер, из которых состоят команды, не имеет значения, т.е. неважно, строчными или прописными буквами введена команда. В основном команды располагаются внутри так называемых блоков команд. Блок представляет собой последовательность команд, заключенную в блочные скобки. Открывающей блочной скобкой является имя блока (blk, freq и т.д.), закрывающей скобкой всегда является ключевое слово end. Вне блока могут располагаться команды присвоения значений используемых в командном файле переменных–меток, т.к. в SC принято вместо термина переменная использовать термин “метка”. Команды присвоения значений меткам могут появляться как внутри блоков, так и вне них. В командном файле могут появляться блоки blk, lad, freq, out, opt, data, следующие в указанном порядке перечисления. Обязательно присутствие хотя бы одного блока blk или lad, содержащих описание схемы, блока freq, задающего сетку частот анализа и блока out, в котором перечисляются метки клеммных наборов (см. описание блоков blk и lad).

3.1. Описание блоков Блоков с элементами blk или lad может быть много. Каждый блок имеет вид: blk команды end или: blk команды end

В блоке обязательно должна содержаться хотя бы одна ссылочная метка (reference label), помечающая клеммный набор. Клеммный набор – это совокупность клемм, определяющая те выходные клеммы, относительно которых пользователь после проведения анализа схемы может просмотреть частотные зависимости таких параметров как модули и фазы коэффициентов рассеяния и др. (см. 4). Таких меток в пределах одного блока может быть несколько. Например:

8

out1: 2por 11 10 out2: 3por 4 6 8 Разрешено описывать блок как двухполюсник (1por), четырехполюсник (2por), шестиполюсник (3por) или восьмиполюсник (4por). Можно описать один и тот же блок в разных метках как устройство с различным количеством клемм. После (1por, 2por, 3por, 4por) следует перечисление узлов, подключаемых к внешним клеммам в порядке возрастания номеров клемм. В текст блока можно вносить комментарии. Комментарием считается часть любой строки, находящейся справа от литеры “точка с запятой” (;). Можно писать комментарии на русском языке.

3.2. Описание соединения блоков (BLK или LAD). Соединение блоков можно выполнить в двух равносильных частях blk или lad. В блоке lad должны содержаться описания только тех элементов, у которых количество входов не превышает двух (количество клемм не более четырех). В блоке blk могут содержаться любые элементы. Дело в том, что для анализа блока lad используется метод перемножения a – матриц, а для анализа блока blk используются y – матрицы. Ниже приведен пример построения лестничной схемы.

L1

1

L2

2 C2

C1

3 C3

0

C 1 = 25 пф C 2 = 25 пф C 3 = 25 пф L 1 = 100 нГн L 2 = 100 нГн

Рис.4. Модель фильтра нижних частот blk cap 1 0 c =25pf cap1: 1por 1 0 end blk cap 1 0 c =25pf cap3: 1por 1 0 end blk 9

cap 1 0 c 25pf cap5: 1por 1 0 end blk ind 1 2 l=100nh ind2: 2por 1 2 end blk ind 1 2 l=100nh ind4: 2por 1 2 end blk cap1 1 0 ind2 1 2 cap3 2 0 ind4 2 3 cap5 3 0 sum: 2por 1 3 end Здесь несколько блоков имеют клеммные метки, на которые есть ссылки в последнем блоке, осуществляющем объединение этих блоков в общую схему. Если параметры некоторых элементов в схеме повторяются, эти элементы можно описать перед блоками blk. Например, выше приведенная модель фильтра более кратко описывается следующим образом. C1: 25pf L1: 100nh blk cap 1 0 C=C1 ind 1 2 L=L1 cap 2 0 C=C1 ind 2 3 L=L1 cap 3 0 C=C1 sum: 2por 1 3 end В ряде случаев, особенно при оптимизации радиоэлектронных схем, часто бывает так, что одни параметры строго привязаны к другим определенными математическими соотношениями. В этом случае есть возможность соответствующие выражения запрограммировать. Выглядит это примерно так W1: (2PI*F) W2: (30MHZ*2*PI) W3: (SIN(W1+W2)) 10

Для описания формул выбран стандарт языка FORTRAN. Допустимые команды и функции: сложение (+), вычитание (-), умножение (*), деление (/), возведение в степень (** или ∧), sin(x), cos(x), tan(x), abs(x), log(x), asin(x), acos(x), atan(x), exp(x), log10(x), sinh(x), cosh(x), tanh(x), sqrt(x), а также параметры pi (3.1415926…) и f – текущая при анализе частота в Гц. Пример описания параллельного колебательного контура из емкости и индуктивности, а также с подключенным сопротивлением: R1: 500OH C1: 5PF F0: 1GHZ ……………. ……………. PLC 1 0 L=(1/((2*PI*F0)**2*C1)) C=C1 R 1 2 R=(F*SIN(PI*F/F0)/F0*R1)

3.3. Задание сетки частот анализа Для задания сетки частот, на которой будет проводиться анализ схемы, вводится блок: freq step 1ghz 2.5ghz 10mhz end Первой указывается минимальная частота, второй максимальная частота, третьим числом задается шаг равномерной частотной сетки. Эта сетка будет использована и при дальнейшей оптимизации схемы. Частота может иметь размерность hz – Гц, khz – КГц, mhz – МГц, ghz – ГГц. Можно задавать несколько диапазонов с различным шагом: step 1ghz 2.5ghz 10mhz step 2.5ghz 5.5ghz 5mhz Общее количество частот в полученной таким образом дискретной сетке не может превышать 500. При выборе неравномерного частотного шага (изменяющегося по экспоненциальному закону) следует использовать ключевое слово estp. Например, по команде Estp 1khz 10ghz 8 Частотная сетка будет выглядеть так: 1, 10, 100 кГц, 1,10,100 МГц, 1,10 ГГЦ. В данной записи х1 – низшая частота, х2 – высшая частота, х3 – число точек по частоте.

11

3.4. Описание структуры выходной информации и задание нагрузок Для описания структуры выходной информации схемы и задания нагрузок нужно использовать блок out следующего вида: out pri out1 s z1 40.5 -7.9 z2 65 pri out2 y r1 75 r2 75 pri out3 z end Служебное слово pri указывает на то, что запрашивается вывод информации с клеммных блоков out1, out2, out3. out1, out2, out3 - метки описаний выходных клемм схемы. Обязательно следует указать вид совокупности выходных параметров, контролируемых на помеченных выходных клеммах, т.е. указать тип вывода. В нашем примере: S указывает на то, что выходной информацией является матрица рассеяния; Z,Y - соответственно матрицы импедансов и проводимостей; VG - коэффициенты передачи по напряжению: (см. 4.1) На самом деле тип вывода определяет только начальный набор параметров, включаемых в настроечную таблицу для анализа. Этот набор в последующем можно изменить, как показано в разделе 4. Не забудьте сохранить командный файл с помощью команды save.

4. Анализ частотных характеристик. Управление нагрузками. Анализ частотных характеристик может быть запущен двумя способами. Вопервых, можно включить один из вариантов настройки режима просмотра результатов анализа, активизировав пункт ANA/Linear и получив подменю, показанное на рис.5. COMMAND>Walk Table Rect_plot Log_plot Imped_plot Admit_plot Polar_plot Header

Рис. 5. Подменю настройки параметров для просмотра Эти пункты позволяют отобрать параметры схемы, частотные зависимости которых будут просматриваться после проведения анализа.

12

Во-вторых, можно с помощью так называемых “горячих клавишей” запустить анализ схемы, после окончания которого на экран (или в файл) будут выведены частотные зависимости параметров, отобранные на предыдущих этапах.

4.1. Настройка режима просмотра 4.1.1. Условные обозначения для выводимых параметров

SC может рассчитывать и выводить на экран и в файлы элементы матрицы рассеяния [S] (s11, s21 и т.д.), матрицы проводимостей [Y] ( y11, y12 и т.д.), матрицы импедансов [Z] (z11, z12 и т.д.) - для всех допустимых многополюсников (от двух– до восьмииполюсника); элементы матрицы [A] (a11, a12 и т.д.), элементы матрицы [H] (h11, h12 и т.д.), элементы матрицы [G] (g11, g12 и т.д.) только для четырехполюсников; коэффициент стоячей волны (VSWR - voltage standing wave ratio) – только для двухполюсников; VG - коэффициенты передачи по напряжению – только для четырехполюсников. Выводить можно графики и таблицы модулей и фаз всех этих комплексных величин, а также графики комплексных величин на круговой диаграмме Вольперта–Смита. В SC принято модуль комплексной величины задавать присоединением буквы M к обозначению величины (например, MS11), а фазу – присоединением буквы P (например, PS11). Коэффициент передачи по напряжению может быть только одного из трех видов: VG1, VG2, VG3. • V1 – амплитуда и фаза отношения полных напряжений на источнике и на нагрузке; • V2 – вносимые потери по напряжению • V2 – отношение полного напряжения на выходных клеммах к полному напряжению на входных клеммах. 4.1.2. Коррекция настроечной таблицы

Предварительно напомним, что задание типа вывода в блоке out, как и задание нагрузок в операторе pri этого блока эффективно только после первого удачного выполнения анализа схемы. При этом редактор отчета автоматически генерирует и выводит на экран для последующего редактирования таблицу, в которую он включает типы выводных параметров, соответствующих указанному типу вывода и задает указанные величины (или метки!) нагрузок. Впоследствии этот отчет можно (и нужно) редактировать вручную. Прежде всего, отметим, что просмотр результатов анализа возможен как в текстовом окне - просмотр таблиц частотных зависимостей, так и в графическом окне. Просмотр таблиц возможен при выборе пункта меню Table (см. рис.5), просмотр графиков обеспечивается при выборе всех остальных пунктов, кроме

13

Walk. Подменю Walk позволяет осуществить оперативную настройку и просмотр отдельных параметров схемы. Допустим, что мы собираемся просматривать частотные зависимости в графическом режиме в виде обычных графиков типа F(x). В этом случае следует выбрать подменю Rect_plot (вывод графиков в прямоугольной сетке координат). После выбора этого пункта на экране появляется настроечная таблица, предназначенная для выбора тех параметров, значения которых вы собираетесь просмотреть в виде графиков. Эта настроечная таблица имеет (примерно) следующий вид:

Рис. 6. Пример настроечной таблицы для выбора выводимых параметров. В верхней части каждого столбца указан тип параметра, подлежащего выводу. Параметры, разрешенные для вывода, имеют специальные сокращенные обозначения. Вообще говоря, список разрешенных для вывода параметров, зависит от того, какой пункт меню на рис.5 выбран. Этот список можно уточнить, нажав клавишу F1 в ходе диалога настройки В нижней части экрана содержатся инструкции по настройке таблицы. С помощью клавиш управления горизонтальным перемещением курсора можно выбрать любой столбец таблицы. Нажатие клавиши Enter приводит к включению диалога между SC и пользователем, в ходе которого и осуществляется настройка. Перечислим задаваемые SC вопросы и укажем способы ответов. Enter OUTPUT parameter (Введите обозначение типа выходного параметра). Нужно отредактировать поле ввода, указав интересующий Вас параметр из числа допустимых (см. 4.1.1) Enter UNITS for MS21 (Введите единицы измерения - в нашем случае для MS21 14

SELECT> db mag (выберите – дБ или относительные единицы) Установите курсор на нужную Вам единицу Enter CKT name or press F1 for help (введите имя клеммного блока или нажмите F1 для выяснения всех меток клеммных блоков в Вашем описании схемы) Select type of termination for PORT1 (выберите тип нагрузки для входа 1) SELECT> Value Default Reference Здесь Вы можете установкой курсора на необходимое Вам поле выбрать способ задания нагрузки на вход 1. Default–вход 1 нагружается на импеданс 50+j0 ом; Value – в дальнейшем диалоге можно будет ввести произвольную частотно-независимую комплексную нагрузку. Затем в таком же диалоге можно будет задать нагрузки для всех входов выбранного Вами клеммного блока. Если файл схемы настраивается впервые, то настроечная таблица, полученная при выборе пункта Table (этот пункт предназначен для вывода частотных зависимостей параметров схемы, организованных в виде таблицы), содержит все элементы той матрицы параметров, которая соответствует типу вывода, указанному в команде pri в блоке out (см. раздел 3.4). При выборе других пунктов подменю, предназначенных для вывода частотных зависимостей в виде графиков, при первичной настройке настроечная таблица содержит только один параметр. При выборе пункта меню Рис. 5 Table настроечная таблица предлагает вопрос Enter format for… F6.3 Редактирование поля формата (в нашем примере F6.3) позволяет увеличить ширину колонки (в примере она 6 позиций), количество цифр в дробной части числа (в нашем примере 3) и способ преставления числа – с фиксированной точкой (F) и в экспоненциальном виде (E). Особым случаем при проведении анализа четырехполюсников является расчет коэффициента передачи по напряжению VG. Есть возможность рассчитывать три разновидности VG. При этом нагрузка, подключенная к входным клеммам, рассматривается как внутренний импеданс источника сигнала. Первая разновидность (VG1): отношение напряжения на нагрузке к напряжению источника. Вторая разновидность (VG2): отношение напряжения на нагрузке в отсутствие исследуемого четырехполюсника (т.е. при прямом включении источника с отличным от нуля внутренним сопротивлением на нагрузку) к напряжению на нагрузке в присутствии исследуемого четырехполюсника. Третья разновидность (VG3): отношение напряжения на ВЫХОДНЫХ КЛЕММАХ четырехполюсника к напряжению на ВХОДНЫХ КЛЕММАХ. При этом нельзя осуществить холостой ход выходных клемм четырехполюсника и нельзя использовать источник с нулевым внутренним сопротивлением - этому противится редактор отчетов. При необходимости вычислить коэффициент передачи собственно четырехполюсника следует использовать VG3 (при этом внутренне сопротивление источника не оказывает влияния, да и редактор отчетов, как буде показано ниже, не позволяет при заказе вывода VG3 менять ранее установленные импедансы нагрузок). Интересно, что при задании параметра вывода MVG3 или PVG3 (модуль и фаза коэффициента передачи по напряжению между входными и выход15

ными клеммами четырехполюсника) генератор отчета НЕ ПОЗВОЛЯЕТ редактировать нагрузки. Для их редактирования следует изменить имя параметра вывода, изменить нагрузки.

5. Описание блока оптимизации. Блок оптимизации позволяет подобрать параметры элементов устройства с целью получения требуемых характеристик. Он имеет вид: opt r1 50 r2 75 out f 7.5ghz 8.1ghz ms21 -2.9db -3.1db w 3 ms11 -0.05db f 6.0ghz 7.0ghz ms21 -20db w 10 end В этом блоке содержится описание целевой функции, подлежащей минимизации. Указана метка выходных клемм (out), диапазоны частот ( f 7.5ghz 8.1ghz, f 6.0ghz 7.0ghz ), после каждого из которых указаны эталонные уровни параметров оптимизации - в нашем случае это модули элементов матрицы рассеяния (ms11 -0.05db, ms21 -20db w 10) или интервал эталонных уровней (ms21 -2.9db 3.1db w 3).К этим уровням должны стремиться текущие (рассчитываемые программой на каждой итерации) уровни параметров (модули коэффициентов отражения и прохождения в нашем примере). В качестве параметров оптимизации могут выступать все параметры вывода (см. п. 2.1) Критерием расхождения уровней является сумма квадратов разностей текущих и эталонных уровней на всей дискретной сетке частот оптимизации. Границы этой сетки заданы в блоке оптимизации, а сами частоты, попадающие в эти границы, программа берет из дискретного множества частот, вычисленных в блоке FREQ. Допускается указание веса параметра в целевой функции (w 3 в нашем примере), задание эталонного уровня параметра в различных единицах. Затем можно (но не обязательно) указать номиналы нагрузочных сопротивлений, подключенных к помеченным клеммам: r1 цифра r2 цифра - активные сопротивления нагрузок на соответствующих клеммах; z1 цифра1 цифра2 z2 цифра1 цифра2 - комплексные импедансы нагрузок на соответствующих клеммах. Если предполагается проводить оптимизацию при нагрузках, отличных от 50 Ом, то указание величин этих нагрузок ОБЯЗАТЕЛЬНО.

16

Следует соблюдать соответствие между задаваемыми в блоке оптимизации параметрами и указанным в метке блока описания структуры выходной информации ТИПОМ ВЫВОДА. Для успешного проведения оптимизации необходимо в тексте командного файла для нужных параметров указать границы интервала изменения этих параметров и их начальное значение. Делать это нужно примерно так: в заголовке программы wid: ?0.9mm,1.5mm,2.0mm? или в блоке описания сегмента схемы res 2 16 r=?100oh,150oh,200oh? cap 4 5 c=?10pf,20pf,100pf? Здесь первое и последнее числа, заключенные в вопросительные знаки - границы интервала изменения параметра, второе число - начальное значение параметра, используемое при проведении анализа. Если ограничения на изменяемую величину не накладываются, то следует писать cap 4 5 c=?20pf? Можно задавать возможное относительное изменение оптимизируемой величины в процентах. cap 4 5 c=?10%,20pf,100%? Здесь возможное изменение емкости ограничено значениями от 2 до 20 пФ. Следите за тем, чтобы частоты, на которых проводится оптимизация, не выходили за пределы интервала частот, указанного в блоке задания частот FREQ. Критериями оптимизации могут быть заданные значения элементов матрицы рассеяния (sij, isij, msij,psij, rsij), проводимостей (yij, iyij, myij, pyij, ryij), сопротивлений (zij, izij, mzij, pzij, rzij), коэффициента передачи по напряжению (vgi, ivgi, mvgi, pvgi, rvgi) в выбранном диапазоне частот. Символ i обозначает мнимую часть данного параметра, символ m – его модуль, символ p – его фазу, а символ r – вещественную часть. Нельзя проводить оптимизацию по параметрам блока DATA!!!

6. Сохранение результатов анализа 6.1. Сохранение результатов анализа в виде таблиц Результаты расчетов в виде таблиц можно сохранить либо в файле, содержащем накапливающийся отчет о всех вычислениях, производимых со схемой (по умолчанию этот файл имеет имя audit.lst – но его можно изменить), либо в файле с расширением flp. Последний файл особенно удобен, т.к. при его формировании можно отдельные его участки пометить литерными метками. Впоследствии этот файл можно будет вставить в любой файл с описанием схемы, а в схему включить ссылки на

17

эти метки, что может быть удобным при последующей обработке полученных результатов другими программами. Для сохранения файлов нужно перейти из основного меню в подменю AUDIT, показанное на рис.7. COMMAND> Printer File Neither Width Datafile Рис. 7. Подменю сохранения результатов анализа

6.2. Сохранение результатов анализа в виде графиков Результаты расчетов в виде графиков средствами SC можно сохранить двумя способами: • с помощью вывода на установленный на вашей машине по умолчанию принтер. • с помощью сохранения содержимого окна с графиками в буфере хранения Windows с последующим включением содержимого этого буфера в файл текстового редактора, обладающего этой возможностью (например, MS Word для Windows). Для этого нужно войти в подменю PLTOP (Plot Options - Режимы вывода графиков) основного меню ( Рис. 8) COMMAND> Accumulate Noaccum Rescale Select Dump Clear Рис. 8 Подменю настройки режимов вывода графиков и активизировать режим DUMP. После этого произойдет вывод содержимого графической памяти видеоадаптера Вашей машины на установленный по умолчанию принтер. Рисунок будет выведен на лист стандартного формата А4.

7. Описание моделей элементов схем 7.1. Описание подложек и типов линий для полосковых элементов Подложки и различные типы линий описываются в блоке data в отдельных помеченных операторах. Для несимметричной полосковой линии информация задается в виде: sub: ms h=1mm er=2.5 tand=7.e-4 sub – произвольная метка, задаваемая пользователем ms – ключевое слово, указывающее на тип линии (ms - microstrip) h – толщина подложки er – относительная диэлектрическая проницаемость подложки tand – тангенс угла потерь подложки

18

hu - высота крышки корпуса над верхней поверхностью подложки (по умолчанию hu=10h) Для симметричной полосковой линии информация задается в виде: sub: sl b=1mm er=2.5 tand=7.e-4 sub – произвольная метка, задаваемая пользователем sl – ключевое слово, указывающее на тип линии (sl - stripline) b – расстояние между экранами симметричной полосковой линии er – относительная диэлектрическая проницаемость подложки tand – тангенс угла потерь подложки hu - высота крышки корпуса над верхней поверхностью подложки Для подвешенной несимметричной полосковой линии (это подложка с полоской как в несимметричной линии, размещенная внутри прямоугольного волновода параллельно широкой стенке на некотором расстоянии от нее) информация задается в виде: sub: ss a=73mm hl=11mm h=1mm hu=11mm er=2.5 tand=7.e-4 sub – произвольная метка, задаваемая пользователем ss – ключевое слово, указывающее на тип линии (ss- suspended stripline) a – ширина волновода hu - расстояние от верхней широкой стенки волновода до верхней поверхностью подложки hl - расстояние от нижней широкой стенки волновода до нижней поверхности подложки er – относительная диэлектрическая проницаемость подложки tand – тангенс угла потерь подложки Здесь же описывается металлизация диэлектрической подложки (толщина проводников и проводимость или тип металла). В зависимости от вида линии передачи ее структура может состоять одного, двух или трех слоев металла, которые описываются ключевыми словами met1, met2, met3. Основные типы проводников сведены в таблицу Ключевое слово Металл au Золото cr Хром cu Медь ag Серебро fe Железо pt Платина al Алюминий zn Цинк sc Сверхпроводник Толщина проводников задается после ключевого слова, определяющего тип металла. met1=cu 0.04mm met2=au 0.02mm 19

Таким образом, вся строка описания металло-диэлектрической структуры микрополосковой линии может выглядеть следующим образом sub: ms h=1mm er=2.5 tand=7.e-4 met1=cu 0.04mm met2=au 0.02mm

7.2. Линии передачи 7.2.1. Микрополосковые линии (MS)

Одиночная линия (TRL)

Связанные линии (CPL)

Верхний экран

Верхний экран

W

Воздух

HU H

Подложка εr Нижний экран

Воздух

W

S

W

HU

Подложка εr

H

Нижний экран

7.2.2. Полосковые линии (SL)

Одиночная линия ( SL)

Связанные линии (CSL)

Верхний экран

Верхний экран W Подложка εr

W

t

S

W b

b Подложка εr Нижний экран

Нижний экран

20

7.2.3. Связанные по широкой стенке полосковые линии (BSL)

Верхний экран W

S

t

b

Подложка εr Нижний экран 7.2.4. Cмещенные связанные полосковые линии (OCL)

Верхний экран W

S

t

Подложка

εr

b

W

Нижний экран 7.2.5. Подвешенная полосковая линия (SS)

HU

Воздух

Прямоугольный экран

W

H

Подложка

HL

Воздух A

7.2.6. Связанные подвешенные полосковые линии (CPL)

HU

Воздух

W

H

Подложка

HL

Воздух

S

W

A 21

Прямоугольный экран

7.2.7. Щелевая линия (Slot)

HU

Воздух

Прямоугольный экран

G

H

Подложка

HL

Воздух A

7.2.8. Копланарный волновод (CPW)

HU

Воздух

G

H

Подложка

HL

Воздух

W

G

Прямоугольный экран

A

7.3. Элементы СВЧ тракта 7.3.1. Примеры задания отрезков линий

Полосковая линия шириной 2 мм и длиной 25 мм: trl 1 2 w=2mm p=25mm sub Полосковая линия шириной 2 мм и электрической длиной 90 градусов на частоте 1000 МГц (в данном примере на частоте 1000 МГц длина линии составляет одну четверть длины волны в линии): trl 1 2 w=2mm e=90 f=1000mhz sub Здесь sub – метка описания подложки и типа линии в блоке data (см. 7.1), 1 и 2 - номера узлов начала и конца линии, w – ширина полоски, p – длина линии в линейных единицах длины, e – электрическая длина линии в градусах Связанные микрополосковые линии шириной 2 мм, разнесенные на расстояние 1 мм и имеющие область связи 25 мм: cpl 1 2 3 4 w=2mm s=1mm p=25mm sub , или линии, область связи которых на частоте 1000 МГц составляет 90 градусов: cpl 1 2 3 4 w=2mm s=1mm e=90 f=1000mhz sub

22

Здесь sub – метка описания подложки и типа линии в блоке data (см. 7.1), 1, 2, 3, 4 - номера узлов начала и конца линий (первая линия - вход 1, выход 4; вторая линия – вход 2, выход 3), w – ширина полоски (можно w1 и w2 - при разной ширине полосок), p – длина линии в линейных единицах длины, e – электрическая длина линии в градусах 7.3.2. Линия передачи, замкнутая на конце

sst 1 2 w=2mm p=25mm sub или sst 1 2 w=2mm e=90 f=1000mhz sub

Здесь sub – метка описания подложки и типа линии в блоке data (см. 7.1), 1 и 2 - номера узлов начала и конца линии, w – ширина полоски, p – длина линии в линейных единицах длины, e – электрическая длина линии в градусах на частоте f. На конце линии предполагается наличие короткозамыкателя на нижний экран. 7.3.3. Линия передачи, разомкнутая на конце

оst 1 2 w=2mm p=25mm sub или ost 1 2 w=2mm e=90 f=1000mhz sub Здесь sub – метка описания подложки и типа линии в блоке data (см. 7.1), 1 и 2 – номера узлов начала и конца линии, w – ширина полоски, p – длина линии в линейных единицах длины, e – электрическая длина линии в градусах на частоте f. Толщина линии t задается в блоке data.

n2 W

t

n1 h

подложка Заземляющий экран

Здесь не учитывается паразитное излучение открытого конца полосковой линии.

23

7.3.4. Поворот линии под углом (только для несимметричной линии)

Ключевое слово (BEND) 7.3.4.1. Поворот линии под прямым углом (NCUT)

n2 W

n1 W

t

h

подложка Заземляющий экран

Пример: bend 1 2 ncut w=2mm sub Здесь sub – метка описания подложки и типа линии, 1 и 2 – номера плоскостей отсчета начала и конца поворота линии, w – ширина полоски. 7.3.4.2. Поворот микрополосковой линии на угол 90 градусов с согласующим срезом (CUT)

450 n1 W1

n2 W2

t

900 h

подложка Заземляющий экран Пример: bend 1 2 cut w1=2mm w2=3mm sub или bend 1 2 cut w=2mm sub

7.3.4.3. Оптимально согласованный поворот микрополосковой линии (OPT)

n2 W

W n1

W

t

900 h

подложка Заземляющий экран Пример: bend 1 2 opt w=3mm sub или bend 1 2 w=3mm sub 24

Режим оптимального среза установлен по умолчанию. Данный режим работает только для несимметричных полосковых линий. 7.3.4.4. Дугообразный поворот микрополосковой линии на произвольный угол (BEND)

A

n2

n1 W

W R h

подложка Заземляющий экран Пример: bend 3 4 w=3mm r=10mm ang=30 sub

7.3.4.5. Поворот полосковой линии на произвольный угол (BEND)

S

D AN

W

n2

n1 h

подложка Заземляющий экран

Пример: bend 4 6 w=1.5mm ang=60 m=0.2 sub Здесь угол поворота задан 60 градусов. Значение параметра m=S/D. 7.3.5. Скачок ширины полосковой линии (STEP)

D

W2 W1

n1

Пример: step 1 2 w1=3mm w2=1mm sub или step 1 2 w1=3mm w2=1mm d=0.2mm sub - для несимметричного скачка ширины линии

25

7.3.6.

Т – разветвление в полосковой линии (TEE)

n1, n2 W1

W2

W3

n3

Пример: tee 2 2 3 w1=1mm w2= 1.5mm w3=3mm sub 7.3.7. Пересечение линий (только для несимметричных линий) (CROSS)

W2

n2 W3

W1

n1 n4

n3

W4

Пример: cros 1 2 3 4 w1=1mm w2=1mm w3=1mm w4=2mm sub w1 – ширина линии узла 1 – входная линия w2 – ширина линии узла 2 – первое ответвление w3 – ширина линии узла 3 – выходная линия (является продолжением входной линии) w4 – ширина линии узла 4 – второе ответвление 7.3.8. Зазор в полосковой линии (GAP) W1

G

n1

W2

n2

Пример: gap 2 3 w1=3mm w2=5mm g=1.6mm sub или gap 2 3 w=3mm g=2.6mm sub - для зазора в линии постоянной ширины

26

7.3.9. Открытый конец полосковой линии (OPEN) W

n1

Пример: open 4 w=3.2mm sub Здесь учтены потери на излучение и увеличение электрической длины линии за счет краевой емкости. 7.3.10. Радиальный короткозамыкатель (CST)

RL A

RI

WI

n1 n2

Пример: sct 5 6 a=30 {ri=4 ⏐wi=6mm} rl=20mm sub При задании данного элемента можно вводить либо внутренний радиус кривизны, либо ширину полоскового проводника. 7.3.11. Индуктивность в виде круговой спирали плоского проводника на диэлектрической подложке (SPI)

spi 1 2 n=3 w=2mm s=0.5mm r=0.5mm t=0.001mm rb=1.5 g (или ng) sub n – количество витков w – ширина проводника s – расстояние между краями проводников r – внутренний радиус самого внутреннего витка t – толщина металлизации rb – объемное удельное сопротивление металлизации (единицы не указывать – по умолчанию подразумевается микроом · см) g – имеется заземленный экран с нижней стороны подложки (принято по умолчанию) ng – отсутствует заземленный экран с нижней стороны подложки

Индуктивность выполняется на слое диэлектрика в виде плоской спирали Архимеда.

27

7.3.12. Индуктивность в виде прямоугольной спирали (RECI)

n2 W

LI

AI

S

подложка BI

n1 reci 1 2 li=1mm ai=2mm bi=2mm n=3 w=2mm s=0.5mm r=0.5mm + t=0.001mm rb=1.5 g или ng sub li – длина отрезка внутренней подводящей линии ai – длина части внутреннего витка, параллельной li bi – длина части внутреннего витка, перпендикулярной li n – количество витков w – ширина проводника s – расстояние между краями проводников r – внутренний радиус самого внутреннего витка t – толщина металлизации rb – объемное удельное сопротивление металлизации (единицы не указывать – по умолчанию подразумевается микроом · см) g – имеется заземленный экран с нижней стороны подложки (принято по умолчанию) ng – отсутствует заземленный экран с нижней стороны подложки Индуктивность выполняется в виде прямоугольной плоской спирали на слое диэлектрика. 7.3.13. Проводник с круглым поперечным сечением, расположенный над диэлектрической подложкой (WIRE)

wire 1 2 d=0.5mm l=10mm h=0.5mm r=1 s=5mm sub d – диаметр провода l – длина провода h – необязательная высота провода над подложкой (в отсутствии этого параметра считается, что проводник лежит на подложке) r – объемное удельное сопротивление материала провода (единицы не указывать – по умолчанию подразумевается микроом · см)

28

7.3.14. Фильтры на диэлектрических резонаторах (DRMS)

n2

D Hd Hs

S

εr

εs

L

L

W n1

Рис. 9. Полоснозапирающая структура на диэлектрическом резонаторе (BSF)

S

LO S

L W

n1

LO

n2 L

W

Рис. 10. Полоснопропускающая структура на диэлектрическом резонаторе

(BPR) D – диаметр диэлектрического резонатора HD – высота диэлектрического резонатора ER – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического резонатора S – расстояние между диэлектрическим резонатором и полосковой линией HT – расстояние от верха диэлектрического резонатора до верхней крышки экрана HS – высота основание (по умолчанию равна 0) W – ширина полосковой линии L – расстояние от центра диэлектрического резонатора до плоскостей отсчета SDR – проводимость диэлектрического резонатора ES –диэлектрическая проницаемость подставки (по умолчанию равна 1) Пример: drms 1 2 d=8мм hd=6мм er=6.5 s=10мм ht=25мм hs=1мм + w=4.2мм l=12мм bsf sub

29

drms 4 5 d=6мм hd=6мм er=5.5 s=12мм ht=25мм w=3.5мм + l=12мм bpf sub

Ограничения: 1 ≤ ES ≤ ER 1 ≤ ER ≤ 100 2mm < D < 50 mm 1.5 mm < HD < 100 mm

0.1< D / HD < 10 HT ≥ 0 0.5 D < L < 0.1 m 0.0 ≤ S ≤ 50 mm

0.0 ≤ HS ≤ HD LO = λ g / 4

8. Описание сосредоточенных элементов 8.1. Одиночное сопротивление, индуктивность, емкость В пакете используются следующие обозначения единиц измерения Сопротивление По умолчанию Ом OH Ом KOH кОм MOH МОм

n1

R

n1

L C

n1

Индуктивность По умолчанию Гн L Гн MH мГн UH мкГн NH нГн

n2

Емкость По умолчанию F UF NF PF

Ф Ф мкФ нФ пФ

Пример: res 1 2 r=10.7 res 3 5 r=1koh

n2

Пример: ind 1 2 l=10.7 ind 3 5 l=1hh

n2

Пример: cap 1 2 c=10.7pf cap 3 5 c=1nf

8.2. Последовательное соединение сопротивлений, индуктивностей, емкостей

n1 n1

R

R

C

L C

L

n2

Пример: srl 1 2 r=10oh l=15nh

n2 n2

Пример: src 1 2 r=10oh c=15nh

30

Пример: slc 1 2 l=10nh c=150pf

Пример: srx 1 2 r=1oh l=1nh c=5pf

8.3. Параллельное соединение сопротивлений, индуктивностей, емкостей

n1

R

n2

L

Пример: prl 1 2 r=10oh l=15nh

R

n1

C

Пример: src 1 2 r=10oh c=15pf

n2

L

n1

n2

C

Пример: plc 1 2 l=10nh c=15pf

L

n1

C

Пример: prx 1 2 r=1oh l=1nh c=1pf

n2

R

9. Эквивалентные модели диодов СВЧ 9.1. Безкорпусной диод

n1

RS

CJ RJ

31

n2

Пример: diod 1 2 rs=1 cj=0.2pf rj=1000 chip

9.2. Диод в корпусе для планарного монтажа на полосковой плате

n1

Lp

RS

CJ RJ

n2

CP

Пример: diod 1 3 rs=2 cj=0.2pf rj=700 lp=0.5nh cp=0.5pf beam

9.3. Диод в корпусе для навесного монтажа CJ Lp RS n2 n 1

CP

RJ

Пример: diod 1 3 rs=6 cj=0.2pf rj=700 lp=0.5nh cp=0.5pf pack Электрические параметры элементов эквивалентных схем диодов СВЧ следует брать из соответствующей справочной литературы.

10. СВЧ элементы в интегральном исполнении 10.1. Пленочное сопротивление Выполняется вставкой пленочного материала в полосковую линию с заданной проводимостью.

32

W

P t

Параметры пленочного сопротивления задаются либо с использованием выбранного значения поверхностного сопротивления (rs, Ом/ ), либо удельного сопротивления и толщины материала (rb, микроОм/см, t). Пример: tfr 4 5 w=2mm p=2mm rs=100 sub tfr 4 5 w=2mm p=2mm rb=2.44 t=0.01mm sub

10.2. Емкость в интегральном исполнении (mim)

n2

W2

n1

R

W1 t

h

L

Диэлектрическая пленка

ε, tgδ, t

Диэлектрическая подложка

Пример: mim 2 3 l=0.5mm w1=0.2mm w2=0.5mm c=1.3ph sub mim 2 3 l=0.5mm w1=0.2mm w2=0.5mm t=0.01mm erf=5 r=0.2mm + sub mim 2 3 l=0.5mm w1=0.2mm w2=0.5mm t=0.01mm erf=5 + r=0.2mm sub tand=0.002

n2

L

n1

B A

W2 W1 t

Диэл. пленка Er, t, TAND

h

Диэл. подложка Er, h, TAND

Пример: mim 2 3 l=0.5mm w1=0.2mm w2=0.5mm c=1.3ph sub 33

mim 2 3 l=0.5mm w1=0.2mm w2=0.5mm t=0.01mm erf=5 a=0.4mm +b=0.4mm sub mim 2 3 l=0.5mm w1=0.2mm w2=0.5mm t=0.01mm erf=5 a=0.4mm +b=0.4mm sub tand=0.002

Конденсатор в интегральном исполнении может быть выполнен в виде многослойной структуры с дополнительной диэлектрической вставкой. В зависимости от формы конденсатора в пакете он обозначается как mim или Ключевые слова:

10.3. Последовательная емкость в полосковой линии

W

подложка

H

n1

T

n2

W пленка

L

Используемые параметры: длина прямоугольного конденсатора (L), ширина (W), удельная емкость единицы поверхности (CS), толщина диэлектрической пленки (T), относительная диэлектрическая проницаемость (ER), тангенс угла потерь (TAND). Примеры: tfc 1 2 l=1.5mm w=2mm cs=236pf sub tfc 1 2 l=1.5mm w=2mm t=0.05mm er=5 sub tfc 1 2 l=1.5mm w=2mm t=0.05mm er=5 tand=0.001 sub

34

10.4. Планарная емкость (icap) Емкость небольшой величины на СВЧ может быть выполнена и в планарном исполнении, т.е. в виде однослойной металлической конструкции, нанесенной на диэлектрическую подложку. Ниже показана топология планарных конденсаторов и их эквивалентная схема включения в линию. 10.4.1. Последовательная емкость в полосковой линии

Пример:

Cэкв

n1

n2 L

W T

GAP S

WF WT

WT

подложка

n1

n2

Пример: icap 1 2 n=25 w=0.2mm s=0.1mm l=0.5mm wt=0.4mm + wf=1mm gap=0.01mm se sub Символом se обозначена конструкция с последовательным включением конденсатора. 10.4.2. Проходная емкость в полосковой линии

n2

n1 Cэкв

35

L n1

GAP S

W

n2 t Пример: icap 1 2 n=25 w=0.2mm s=0.1mm l=0.5mm wt=0.4mm + wf=1mm gap=0.01mm pa sub Символом pa обозначена конструкция проходного конденсатора. 10.4.3. Емкость на конце полосковой линии

n1 Cэкв

n1

L

GAP S

W WF WT

Пример: icap 1 0 n=25 w=0.2mm s=0.1mm l=0.5mm wt=0.4mm + wf=1mm gap=0.01mm pa sub Символом pa в данном случае обозначена конструкция заземляющего конденсатора (второй порт равен нулю, что соответствует замыканию на землю). Во всех примерах n – число штырей (не менее 3).

11. Трансформаторы сопротивлений (tap)

36

В цепях устройств СВЧ часто применяются различных схемы согласования волновых сопротивлений. Шлейфное согласование и согласование с помощью четвертьволновых трансформаторов может быть выполнено с использованием моделей, описанных выше. Широкополосное согласование реализуется на основе использования отрезков линий с переменным волновым сопротивлением. Ниже рассмотрены схемы согласующих устройств с экспоненциальным (zexp) и линейно (zlin) меняющимся волновым сопротивлением. n1

p

n2

Пример: tap 2 3 r1=50 r2=100 p=50mm zexp sub tap 2 3 w1=50 w2=100 p=50mm zexp sub n1

p

n2

Пример: tap 2 3 r1=50 r2=100 p=50mm zlin sub tap 2 3 w1=50 w2=100 p=50mm zlin sub В приведенных примерах показано, что можно задавать либо волновое сопротивление в сечениях n1, n2 устройства, либо ширину полосковой линии в этих сечениях.

12. Трансформаторы напряжений (trf) Трансформаторы напряжений выполняются в виде элементов навесного монтажа. Ниже показаны эквивалентные схемы включения обмоток трансформаторов и соответствующие им ключевые слова пакета SC. Трансформаторы считаются идеальными. Задаются параметры n – коэффициент трансформации или r1 - сопротивление, наведенное в цепи между входами 1 и 3, если к входам 2 и 4 подключено сопротивление r2, r2 - сопротивление, наве-

37

денное в цепи между входами 1 и 3, если к входам 2 и 4 подключено сопротивление r1.

n2

n1 n3

n4

Пример: trf 4 5 7 8 n=2 trf 4 5 7 8 r1=50 r2=12.5 В трансформатор с тремя катушками задаются коэффициенты трансформации n1 и n2

N1:1 n1

n2

n5

n3

n4

n6

N2:1

13. Операционные усилители (opa)

Ключевые слова: коэффициент усиления по постоянному току (a), входное сопротивление (r1), выходное сопротивление (r2), частота среза по уровню –3дБ (f, по умолчанию равна 1), время запаздывания (t), по умолчанию равно нулю. opa 2 7 a=1e4 r1=1e6 r2=1e-6 t=1e-5 Если номера портов не указаны, они считаются заземленными. Использование модели операционных усилителей позволяет проектировать устройства с активными усилительными элементами.

38

14. Делители мощности 14.1. Делитель мощности несогласованный Несогласованный делитель мощности выполняется в виде Y-ветвления полосковых линий. Линии могут расходится под произвольным углом.

ang W2

W3

n2

n3 n1

W1

Пример: yjun 2 4 5 w1=2mm w2=1.8mm w3=0.8mm ang=45 sub

14.2. Квадратный мост Квадратный мост используется для создания делителей мощности СВЧ на равные и неравные части. Реализуется на основе четвертьволновых отрезков линий.

w2

n2 w4

w1 n1

w5 L2

w3

L1

n4

39

n3

15. Описание с помощью помеченных информационных операторов При расчете параметров СВЧ устройств можно пользоваться не только эквивалентными схемами используемых элементов, но и экспериментально снятыми характеристиками. Пример ввода экспериментальных данных в полосе частот показан ниже. data qq: imp описание измеренного комплексного импеданса 8.00ghz 3.4 -6.9 8.5ghz 4.4 -7.5 ...... ... ...... ... Q1:S • S-par описание измеренной матрицы рассеяния транзистора • 3P602A-2 Uds=5V, Ids=120mA 8GHZ .854 35 1.2287 -94.5 .0795 -82 .322 173.13 40

8.2GHZ .83 32.36 1.34 -96.4 .082 -79.2 .359 169.8 8.4GHZ .769 27.22 1.267 -101.6 .08 -81.18 .365 168.7 8.6GHZ .771 17.43 1.195 -108.88 .084 -83.7 .36 162.99 8.8GHZ .77 11.59 1.19 -116 .081 -88.9 .384 155.65 9GHZ .72 5.358 1.246 -123.55 .0748 -96.97 .408 152.13 9.2GHZ .659 -4.27 1.244 -127.13 .0724 -101.173 .445 155.25 9.4GHZ .607 -18.52 1.188 -129.18 .0774 -102.929 .448 159.825 9.6GHZ .644 -31.481 1.093 -133.447 .0864 -106.893 .42 161.575 9.8GHZ .674 -38.835 1.041 -139.231 .087 -111.279 .379 160.707 10GHZ .706 -46.973 1.008 -145.807 .0884 -113.105 .344 159.613 Здесь коэффициенты рассеяния заданы модулями и фазами (в градусах)

16. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Перечень известных моделей элементов, имеющихся в библиотеке SC Сокращенное обозначение TRL

CPL OST

BEND STEP TEE CROS

Полное наименование

Two-conductor, four terminal transmission Линия передачи Coupled transmission lines Симметричные и несимметричные связанные МПЛ, СПЛ, отрезки копланарных волноводов Линия передачи, замкнутая на конце Transmission line open at one end Линия передачи, разомкнутая на конце Right angle bend Поворот МПЛ под прямым углом, под произвольным углом Abrupt change in line width Скачок ширины полоска Tee junction in microstrip or stripline Т-разветвление в МПЛ или СПЛ Cross junction Пересечение МПЛ

SPI

Spiral inductor in microstrip

RECI

Rectangular inductor in microstrip Индуктивность в виде прямоугольной спирали

41

CAP IND PLC RES SLC TRF FOU IMP ONE THR TWO WIRE

Capacitor Конденсатор Inductor Индуктивность Capacitor and inductor in parallel Параллельное соединение емкости и индуктивности Resistor Резистор Inductor and capacitor in series Последовательное соединение индуктивности и емкости Transformer Трансформатор Four-port, five-terminal element Восьмиполюсник с заземленным отводом от четырех объединенных клемм Two terminal impedance Импедансный двухполюсник One port, two-terminal element Двухполюсник Three port, four terminal element Шестиполюсник с заземленным отводом от трех объединенных клемм Two port three-terminal element Четырехполюсник с заземленным отводом от двух объединенных клемм Wire of circular cross section Проводник с круглым поперечным сечением над слоем диэлектрика

Two n1 n2 n3 {x1g/x2g} label Data Label: s 0.42 –40 35 170 .005 80 .9 –10 0.4217. –40ПРИЛОЖЕНИЕ 35 170 .005 80 .9 –102. Примеры оформления программ рас0.42на –40SC 35 170 .005 80 .9 –10 чета 0.42 –40 35 170 .005 80 .9 –10 акт элемент с общей землей

17.1. Текст фильтра

программы

расчета

характеристик

ППФ

******************************************************************* Файл с описанием схемы для SC ******************************************************************* ;Thu Jan 30 16:27:08 1997

42

;Центральная частота фильтра= 0.063246 GHz ;Крайние частоты полосы пропускания:0.040000, 0.100000 GHz ;Частота в полосе запирания:0.170000, -0.000000 GHz ;Потери в полосе пропускания:0.500000 dB ;Потери на заданных частотах в полосе запирания:20.000000 dB ; 0 1.000000 ; 1 1.596608 ; 2 1.096621 ; 3 1.596608 ; 4 1.000000 ; ППФ ;Первый элемент индуктивность blk slc 1 2 l= 317.635nH c= 19.937pf plc 2 0 l= 163.274nH c= 38.785pf slc 2 3 l= 317.635nH c= 19.937pf filter:2por 1 3 end freq step 0.004000GHz 0.255000GHz 0.012550GHz end out pri filter s r1=75.000000 r2=75.000000 end BLK CAP 1 0 C ?0.1PF,1.35011PF,10PF? SLC 1 2 L=?1NH,3.58798NH,100NH? C=?10PF,13.1375PF,100PF? SLC 1 0 L=?5NH,25.1082NH,50NH? C=?5PF,35.433PF,50PF? SLC 1 0 L=?5NH,19.7797NH,50NH? C=?5PF,35.2834PF,50PF? RES 2 0 R 8200OH RES 4 2 R 56000OH IND 4 3 L 1000NH CAP 4 0 C 1000PF TWO 2 3 TWO1 CAP 3 0 C=?0.1PF,25.0234PF,150PF? SLC 3 5 L=?2NH,26.6697NH,100NH? C=?1PF,2.29229PF,10PF? IND 4 6 L 1000NH RES 5 0 R 8200OH RES 6 5 R 56000OH IND 6 8 L 1000NH TWO 5 8 TWO1 CAP 6 0 C 1000PF RES 6 7 R 1000OH SLC 8 9 L=?2NH,99.7436NH,150NH? C=?.1PF,.511059PF,10PF? CAP 9 0 C=?0.1PF,2.47161PF,10PF? SUM: 2POR 1 9 END

43

FREQ STEP 0.04GHZ 0.9GHZ 10MHZ END OUT PRI SUM s R1 75 R2 75 END opt sum f 470mhz 790mhz ms11 .33 lt ms21 24db gt sum f 40mhz 100mhz ms21 0dB lt sum f 170mhz 230mhz ms21 0dB lt end DATA TWO1:S 0.1ghz .55 -65 33.264 142 .011 0.5ghz .44 -155 10.832 96 .027 0.9ghz .44 -179 6.19 81 .042 1.0ghz .44 176 5.588 78 .046 END

66 61 66 67

.82 .54 .50 .50

-17 -21 -22 -23

18. 18.1. Текст программы расчета полосковой конструкции Требуется рассчитать частотные характеристики СВЧ полосковой схемы, показанной на рис.11. Полосковая линия шириной 4 мм на расстоянии 50 мм от входа имеет разрыв шириной 1.5мм, затем на расстоянии 40 мм включен шлейф

50

4

40 1.5ю 5

50

80

2 Рис. 11. Топология полосковой схемы холостого хода длиной 50мм. Длина линии до выходного разъема составляет 80 мм. Толщина подложки 2мм. Подложка выполнена из армированного фторопласта ФАФ-4.

44

На первом этапе определяется положение плоскостей отсчета рассматриваемой схемы. Для этого повторим топологию устройства с указанием номеров плоскостей отсчета.

4 1

7

2 3

6

5 Рис. 12. Нумерация плоскостей отсчета полосковой конструкции Рассмотренная полосковая конструкция (рис.12) содержит 4 отрезка полосковой линии (1-2, 3-4, 4-6, 7-5), один зазор в полосковой линии (2-3) и одно Т-образное разветвление (4-4-7), а также один обрыв полосковой линии (5). Составляем описание конструкции с помощью соответствующих операторов пакета SC. blk trl 1 2 w=4mm p=50mm sub trl 3 4 w=4mm p=42.5mm sub trl 4 6 w=4mm p=82.5mm sub trl 7 5 w=5mm p=50mm sub gap 2 3 w1=4mm w2=4mm g=1.5mm sub open 5 w=5mm sub tee 4 4 7 w1=4mm w2=4mm w3=5mm sub out1: 2por 1 6 end

Пусть диапазон частот, в котором исследуется данное устройство, лежит от 2ГГц до 4ГГц. Шаг изменения частоты 25МГц. freq step 2ghz 4ghz 25mhz end

Пусть в качестве подложки использован материал ФАФ-4, имеющий толщину 2мм, относительную проницаемость ε=2.6 и тангенс угла диэлектрических потерь 1.5.10-3. data sub: ms h=2mm er=2.6 tand=1.5e-3 end

45

Таким образом, составлена программа анализа данного полоскового устройства с помощью пакета SC. При первом запуске программы в качестве выходных параметров отметим модули коэффициентов отражения (элемент S11 матрицы рассеяния) и прохождения (элемент S21 матрицы рассеяния). Частотная зависимость модулей коэффициентов отражения на входе 1 и прохождения с первого входа на шестой показана на рис.13. Рис.13. Рассчитанные с помощью пакета SC частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения полоскового СВЧ устройства В настоящее время на базе пакета SC построен более мощный пакет для расчета устройств СВЧ Serenade8.0. ПРИЛОЖЕНИЕ Используемые единицы измерения Обозначение Физическая в пакете SC величина Коэффициент передачи db дБ Сопротивление oh Ом koh кОм moh МОм Проводимость /oh Ом-1 /koh кОм-1 /moh МОм-1 Единицы длины m м nm нм (10-9 м) mm мм (10-3 м) cm см (10-2 м) km км (103 м) in дюйм mil 0,001 дюйма A 10-7 мм Фазовые углы deg В градусах rd В радианах Частота hz Гц khz кГц

46

mhz ghz

МГц ГГц Емкость

f mf uf nf pf Индуктивность L mh uh nh ph

47

Ф мФ мкФ нФ пФ Гн мГн мкГн нГн пкГн

С. Дайлис, С. Шабунин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СВЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Super-Compact™

Редактор Подписано в печать Усл.п.л. Уч.-изд.л.

Формат 60х84 1/16 Тираж

Заказ

Редакционно-издательский отдел УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 Ротапринт УГТУ, 620002, Екатеринбург, Мира, 19

48

Цена “С”