Проектирование СВЧ-устройств с помощью пакета программ Serenade 8.0: Учебно-методическое пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

Ф И ЗИ ЧЕ СК И Й Ф А К У ЛЬТ Е Т Ф А К У ЛЬТ Е Т К О М ПЬЮ Т Е РН Ы Х Н А У К

ПРО Е К Т И РО В А Н И Е СВ Ч-У СТ РО Й СТ В С ПО М О Щ ЬЮ ПА К Е Т А ПРО ГРА М М SERENADE 8.0 По со биепо специально стям 013800 “Рад ио ф изика и электро ника” 071900 “И нф о рмацио нны есистемы и техно ло г ии”

В О РО Н Е Ж 2003

2 У тв ерж д ено нау чно -мето д ическим со в ето м ф изическо г о ф аку льтета

Со став ители:

А лг азино в Э .К ., Бо бреш о в А .М ., Д ы бо й А .В ., К итаев Ю .И .

Про г рамма по д г о то в лена на каф ед ре электро ники ф изическо г о ф аку льтета В о ро неж ско г о г о су д арств енно г о у нив ерситета.

Реко менд у ется д ля сту д енто в 4к. д /о специально стей 013800 “Рад ио ф изика и электро ника”, 071900 “И нф о рмацио нны есистемы и техно ло г ии”.

3 Н асто ящ ее у чебно е по со бие слу ж ит д ля изу чения пакета про г рамм Serenade 8.0 и по лу чения практических нав ы ко в рабо ты сним. У казанны й пакет яв ляется о д ним из в ед у щ их в о бласти про ектиро в ания СВ Чу стро й ств , а такж е у стро й ств рад ио - и о птическо г о д иапазо на. У д о бная г раф ическая сред а и по д ро бная в стро енная д о ку ментация д елаю т пакет у д о бны м д ля испо льзо в ания в у чебно м про цессе. О д нако в о течеств енно й литерату ре практически нет исто чнико в , по св ящ енны х Serenade. Д анно е мето д ическо епо со биепризв ано частично в о спо лнитьэто тпро бел. Н епретенд у я на по лно ту изло ж ения, эта рабо та тем не менее д ает о бщ ее пред став лениео пакетеи по зв о ляетпо лу читьначальны енав ы ки рабо ты . В по со бии такж е со д ерж ится о бзо р неко то ры х элементо в , ш иро ко испо льзу емы х в со в ременно й СВ Ч-технике. Д анно е мето д ическо е по со бие пред назначено д ля сту д енто в , о бу чаю щ ихся на ф изическо м ф аку льтете по специально сти “Рад ио ф изика и электро ника”, а такж е д ля сту д енто в ф аку льтета ко мпью терны х нау к В о ро неж ско г о г о су нив ерситета.

4 В В Е Д Е НИ Е ...................................................................................... 5 П А К Е Т SERENADE ....................................................................... 5 О И

БЩ И Е СВ Е Д Е Н И Я ........................................................................... 5 СПО ЛЬЗО В А Н И Е

ПРО Е К Т Е

ПО ЛО СК О В Ы Х

И

М И К РО ПО ЛО СК О В Ы Х

ЛИ Н И Й

В

................................................................................................... 7

О С НО В НЫ Е Т И П Ы Л И НИ Й П Е Р Е Д А Ч И И Х Р А С Ч Е Т .. 11 П О ЛО СК О В Ы Е И М И К РО ПО ЛО СК О В Ы Е ЛИ Н И И .............................. 11 Щ Е ЛЕ В А Я ЛИ Н И Я .......................................................................... 16 К О ПЛА Н А РН Ы Й В О ЛН О В О Д ........................................................... 17 СВ Я ЗА Н Н Ы Е М И К РО ПО ЛО СК О В Ы Е ЛИ Н И И .................................... 18 Н А ПРА В ЛЕ Н Н Ы Е О Т В Е Т В И Т Е ЛИ .................................................... 20 О СН О В Н Ы Е Т И ПЫ Н Е О Д Н О РО Д Н О СТ Е Й В М И К РО ПО ЛО СК О В Ы Х ЛИ Н И Я Х ............................................................................................................... 21 Л И Т Е Р А Т У Р А . ............................................................................. 24

5 В в едени е В по след ние д есятилетия про исхо д ит бу рно е разв итие СВ Чтехно ло г ий , причем г ро мо зд кая в о лно в о д ная техника по степенно в ы тесняется по ло ско в ы ми и микро по ло ско в ы ми у стро й ств ами. Д альней ш ая миниатю ризация СВ Ч-у стро й ств прив ела к по яв лению микро схем СВ Чд иапазо на. О сно в у этих техно ло г ий со став ляетко мбиниро в аниемикро миниатю рны х актив ны х элементо в с со сред о то ченны ми параметрами и микро по ло ско в ы х линий , на о сно в е ко то ры х в ы по лняю тся бо льш инств о пассив ны х элементо в и линий перед ач. По срав нению страд ицио нны ми в о лно в о д ами и в о лно в о д но й технико й по ло ско в ы е и микро по ло ско в ы е у стро й ств а о блад аю т ряд о м преиму щ еств . В перв у ю о черед ь это малы е размеры , д еш ев изна, о тно сительная про сто та техно ло г ии изг о то в ления, что д ает в о змо ж но сть по лу чать у стро й ств а с хо ро ш о в о спро изв о д имы ми параметрами. Н а заре разв ития микро миниатю рны х у стро й ств СВ Ч разрабо тчики сталкив ались с ряд о м тру д но стей , о бу сло в ленны х в перв у ю о черед ь о тсу тств ием про сто г о математическо г о аппарата д ля расчета параметро в таких линий перед ач. В д альней ш ем бы ли в ы в ед ены инж енерны е ф о рму лы , д аю щ ие приемлемы е резу льтаты . О д нако по -насто ящ ему про блема бы ла реш ена примерно 10 лет назад , ко г д а, с о д но й сто ро ны , бы ли разрабо таны стро г ие математические мето д ы расчета и мо д елиро в ания у стро й ств СВ Ч на электро д инамическо м у ро в не, а с д ру г о й – по яв ились мо щ ны е ко мпью теры , спо со бны е реш ать системы у рав нений бо льш о й размерно сти за мало е в ремя. В это ж е в ремя неско лько зару беж ны х ф ирм параллельно начали в ы по лнять рабо ты по со зд анию со о тв етств у ю щ ег о про г раммно г о о беспечения, в то м числеи д ляIBM PC. Н аибо лееш иро ку ю изв естно сть по лу чили про д у кты ф ирмы Compact Software и по д разд еления EESof ф ирмы Hewlett Packard. О бласть применения и в о змо ж но сти про г раммно г о о беспечения, со зд анно г о этими ф ирмами, практически ид ентичны . В д альней ш ем мы бу д ем рассматрив ать про г раммны й ко мплекс Serenade ф ирмы Compact Software, по ско льку о н о блад ает бо лее про сты м и инту итив но по нятны м интерф ей со м, что д елает в о змо ж ны м применениеег о в у чебны х целях. П а кет Serenade О бщ иес веден ия К о мплекспро г рамм Serenade о беспечив аетскв о зно епро ектиро в ание систем, у стро й ств и прибо ро в рад ио -, СВ Ч и о птическо г о д иапазо но в в о лн. Про изв о д ится анализ, о птимизация и расчет то по ло г ии элементо в схемы , в клю чая такие элементы , как в о лно в о д ы , перехо д ники, микро по ло ско в ы елинии, нео д но ро д но сти. Ред акто р схем Serenade по зв о ляет рабо тать со схемами, испо льзу я о бщ еприняты е симв о лы рад ио , СВ Ч ко мпо нент и д ру г их элементо в . Схе-

6 ма рису ется на рабо чем по ле с по мо щ ью мы ш и. Д ля то г о что бы распо ло ж ить ну ж ны й элемент на рабо чем по ле, нео бхо д имо сначала в ы брать ег о симв о л на панели инстру менто в , распо ло ж енно й в в ерхней части экрана, а затем по д в ести ку рсо р мы ш и к ну ж но му месту и наж ать лев у ю кно пку . Д ля д о сту па к ну ж но му элементу схемы такж е мо ж но испо льзо в ать системно еменю про г раммы . Д ляэто г о ну ж но в о й ти в меню Parts (ко мпо ненты ) и д альш е, д в иг аясьв низ по иерархическо му списку , д о й ти д о ну ж но г о ко мпо нента. К аж д о му ко мпо ненту схемы со о тв етств у ет неко то рая математическая мо д ель, характеризу ю щ аяся св о им набо ро м параметро в . Н апример, д ля со сред о то ченно г о актив но г о со про тив ления зад ается в сег о о д ино бязательны й параметр – со про тив ление(в О мах). Д ру г о й параметр, температу ру , мо ж но неу казы в атьв яв но м в ид е, так как еезначениев это м слу чаебу д етзад ано по у мо лчанию . Бо лееко мплексны еэлементы со о тв етств енно характеризу ю тся бо льш им число м параметро в . Сто ит о тметить, что мо д ели актив ны х элементо в (транзисто ро в , д ио д о в и д р.) о тличаю тся о т мо д елей , приняты х в про г раммах типа PSPICE. Д ело в то м, что трад ицио нны е инстру ментальны е сред ств а PSPICE испы ты в аю т нед о стато к ад екв атны х мо д елей д ля часто т бо лее чем 300 MHz. Э то про исхо д ит по то му , что В Ч и СВ Чцепи часто испо льзу етраспред еленны еэлементы как ко мпо ненты схемы в у силителях, о сциллято рах, смесителях, сд в иг аю щ их у стро й ств ах ф азы и переклю чателях. В то в ремя как имеется мно г о различны х в ерсий SPICE, в се о ни испо льзу ет д искретны е мо д ели элементо в , что непо зв о ляетим мо д елиро в атьраспред еленны й характер емко стей , резистансо в и инд у ктив но сти в в ы со ко часто тны х цепях. О д нако ничто не меш ает испо льзо в ать пакет Serenade д ля расчета и бо лее низко часто тны х схем. В ы бирая в меню Parts пу нкт Device Library, мы по лу чаем д о сту п к библио текеко мпо ненто в су ж ео пред еленны ми параметрами мо д елей . Э та библио тека со д ерж ит наибо лее распро страненны е СВ Ч-элементы неко то ры х в ед у щ их миро в ы х про изв о д ителей . Д ля то г о , что бы о писать и рассчитать схему в пакете Serenade, нео бхо д имо о ткры ть или со зд ать так назы в аемы й про ект. Э то набо р нео бхо д имы х ф ай ло в , о бъед иненны х о д ним назв анием и о писы в аю щ их различны е параметры схемы . Д ля со зд ания но в о г о про екта в г лав но м меню Serenade в ы берем по след о в ательно пу нкты File->New… В по яв ив ш емсяо кнев ы бираем тип но в о г о ф ай ла – Project. Д алее у казы в аем имя про екта и катало г , в ко то ро м о нбу д ет храниться. В по леSimulator (мо д у льанализа) след у етв ы братьв ариантHarmonica. Д ру г о й мо д у ль, назы в аемы й Symphony, со д ерж итнабо р ф у нкцио нальны х бло ко в д ля расчета приемнико в , перед атчико в и неко то ры х д ру г их рад ио технических у стро й ств . По сле о ткры тия про екта на экране по яв ляется рабо чая о бласть – о кно , на ко то ро м мо ж но распо лаг ать элементы схемы и рисо в ать св язи меж д у ними. Что бы со хранитьпро д еланну ю рабо ту , ну ж но в меню File в ы брать пу нкт Save. В д альней ш ем мы мо ж ем в ерну ться к со храненно му про екту и про д о лж ить рабо ту сним. Д ля это г о по сле запу ска пакета Serenade в меню Project ну ж но в ы братьпу нктOpen Project. Т еперь

7 неско лько сло в о рабо тесред акто ро м схем пакета Serenade. К ак бы ло сказано в ы ш е, в ы бо р элементо в про изв о д ится с по мо щ ью меню Parts. По сле то г о , как мы в ы брали элементсхемы , по д в ели ку рсо р к то му месту , г д ео н бу д ет распо ло ж енна схеме, и щ елкну ли лев о й кно пко й мы ш и, по яв ится о кно , в ко то ро м зад аю тся параметры в ы бранно г о элемента. Д ля разны х типо в элементо в набо р параметро в бу д ет различны м. Д ля то г о что бы по лу чить справ ку по в ы бранно му элементу и зад ав аемы м д ля нег о параметрам, нео бхо д имо в ы брать кно пку Info, распо ло ж енну ю в прав о й ниж ней части о кна. О бязательны епараметры о тмечены значением *req*. И с п ользован иеп олос ковы х и м икроп олос ковы х лин ий в п роекте О св етим неко то ры ев о про сы , ко то ры екасаю тсярасчета по ло ско в ы х и микро по ло ско в ы х линий . О бы чно ко нстру кции из таких линий в ы по лняю тся на о бщ ей по д ло ж ке, что су щ еств енно у про щ аетизг о то в лениесистемы и о блег чает ее математическо е мо д елиро в ание. По это му сначала на схеме распо лаг ается по д ло ж ка и у казы в аю тся ее параметры , а у ж е затем линии перед ачи, д лякаж д о й из ко то ры х д елаетсяссы лка на испо льзу ему ю по д ло ж ку . Рассмо трим пример. О ткро ем но в ы й про ект, как о писано в ы ш е, по сле чег о в меню Parts в хо д им в по д меню Substrate Media. Зд есьмы мо ж ем в ы брать тип испо льзу емо й по д ло ж ки. Microstrip о значает по д ло ж ку д ля микро по ло ско в о й линии, Stripline – о бы чная по ло ско в ая линия, Coplanar Waveguide – ко планарны й в о лно в о д , Grounded Coplanar Waveguide – заземленны й ко планарны й в о лно в о д , Slotline – щ елев ая линия. Зад аем параметры по д ло ж ки. Н апример, д ля по д ло ж ки микро по ло ско в о й линии о бязательны ми яв ляю тся в сег о 3 параметра: H – в ы со та по д ло ж ки (например, 0.5mm), ER – о тно сительная д иэлектрическая про ницаемо сть материала, из ко то ро г о по д ло ж ка изг о то в лена (к примеру , 12), и label – про изв о льно е имя, ко то ро е присв аив ается по д ло ж ке д ля то г о , что бы д альш е на неессы латьсяпо это му имени. Д алеераспо ло ж им на это й по д ло ж кенео бхо д имы е элементы . Пред по ло ж им, мы хо тим исслед о в ать св язанны е симметричны е микро по ло ско в ы е линии. В меню Parts в ы бираем Distributed>Microstrip->Couplers->Symmetirc (Physical Length). М о ж но такж е в ы брать пу нкт … … ->Symmetric (Electrical Length). Разница меж д у этими в ариантами заклю чается в то м, что в о д но м слу чае у казы в ается ф изическая д лина линии, измеряемая в метрах, а в д ру г о м слу чае – электрическая д лина, измеряемаяв г рад у сах. Разместив на рабо чем по лев ы бранны й элемент и у казав ег о параметры (д ля по яснения ко то ры х мо ж но в о спо льзо в аться кно пко й Info в о кне зад ания параметро в ), например, W=0.5mm (ш ирина про в о д ящ их по ло со к), s=0.5mm (рассто яние меж д у про в о д никами), p=50mm (д лина линии), перей д ем к размещ ению по рто в . М икро в о лно в ы е по рты в пакете Serenade испо льзу ю тся д ля неско льких целей . В наш ем слу чае о ни бу д у т испо льзо в аны д ля о бо значения то чек, к ко то ры м мо г у тбы тьпо д клю чены исто чники или измерители сиг нала. По у мо лчанию в SERENADE считается, что микро в о лно в ы й по ртиме-

8 ет со про тив ление 50 О м. Д ля у стано в ки д ру г о г о значения нео бхо д имо в в ести ег о в по ле напро тив параметра term (termination value). Значение label о пред еляетимя, по д ко то ры м по ртбу д етизв естенсистеме. О тметим, что в о мно г их слу чаях в аж ен по ряд о к след о в ания (ну мерация) по рто в . Н апример, нам нео бхо д имо рассчитатьо д иниз S-параметро в , скаж ем, S21. Э то т параметр о пред еляет, какая часть в хо д но г о сиг нала по пад ает на в ы хо д . Д ля реш ения это й зад ачи ну ж но , по край ней мере, знать, како й из по рто в имеет но мер 1, а како й – но мер 2. В пакете Serenade по рты ну меру ю тся в алф ав итно м по ряд ке (в по ряд ке в о зрастания). Н апример, на схеме у стано в лено 4 по рта, ко то ры м д аны след у ю щ ие имена: P1, P2, P3, P4. В со о тв етств ии с у казанны м по ряд ко м по рт P1 бу д ет иметь но мер 1, а по рт P4 – но мер 4. В ернемся к ф о рмиро в анию про екта д ля расчета св язанны х микро по ло ско в ы х линий . По ско льку в в ед енная линия перед ачи яв ляется в о сьмипо лю снико м, д ля ее исслед о в ания ну ж но разместить на схеме 4 по рта. В меню Parts в ы берем Schematic Connectors->Microwave Port. Разместим их на схеме, о бо значив , к примеру , P1 – P4. Заметим, что на схематическо м о бо значении св язанны х линий в ы хо д ы о бо значены бу кв ами n1 – n4. По рты ну ж но разместить так, что бы по рт с но меро м 1 бы л напро тив в ы хо д а n1, и т.д . По ртсно меро м 4 д о лж енбы тьнапро тив в ы хо д а n4. Т еперь, ко г д а мы разместили элементы на схеме, ну ж но о пред елить электрическиесв язи меж д у ними, то естьнарисо в ать“про в о д а” (в о тличие о т реальны х про в о д нико в , ко то ры е имею т ко нечну ю электрическу ю д лину , электрическиесв язи в Serenade про сто о бо значаю тналичиеэлектриче-

Рис.1. Ред акто р схем пакета Serenade

9 ско г о со ед инения и имею т ну лев у ю электрическу ю д лину ). Д ля это г о в меню Draw (рисо в ание) в ы берем пу нкт Wire (про в о д ник) и д алее Draw Wire. Пу нктExtend Wire по зв о ляетред актиро в атьу ж есу щ еств у ю щ иесв язи. Зав ерш ив в ы ш еприв ед енны е о перации, мы по лу чаем схему , по д о бну ю изо браж енно й на рис.1. Т еперь, ко г д а мы нарисо в али схему , мо ж но присту пать к ее анализу . О д нако д ля это г о ну ж но зад ать параметры , при ко то ры х д о лж енпро изв о д иться анализ. В наш ем слу чае таким параметро м яв ляется часто та. В о тличие о т д ру г их анало г ичны х пакето в (MicroSim DesignLab, MicroCap и д р.), г д е параметры анализа зад аю тся непо сред ств енно в о кне анализа, в пакетеSerenade в сепараметры зад аю тсяна схеме. В ы берем элементParts>Control Blocks->Linear Frequency и разместим ег о на схеме. Е д инств енны м о бязательны м св о й ств о м это г о элемента яв ляется значение часто ты – св о й ств о Freq. В это м по ле мо ж но зад ать ед инств енно е значение, например, 3ghz, неско лько значений через про бел, например 3ghz 4ghz, или д иапазо нзначений : step 3ghz 4ghz 0.1ghz. В по след нем слу чае анализ бу д ет про в о д иться д ля часто т, леж ащ их в д иапазо не о т 3ГГц д о 4ГГц с интерв ало м 100К Гц. Зад ав рабо чие часто ты , мы мо ж ем в меню Analysis в ы брать пу нкт Analysis (или наж ать клав иш у F10). Бу д етпро изв ед енанализ схемы на зад анны х часто тах. Е сли при ко мпиляции про екта в схеме бы ли о бнару ж ены о ш ибки, то со о бщ ения о них бу д у т в ы в ед ены в о тд ельно м о кнев ниж ней части экрана. Е сли о ш ибо к в схеме нет, то мо ж но про смо тРис.2. ретьрезу льтаты анализа, д лячег о слу ж итменю ReО кно Quick Reporter port. Н аибо лее у д о бны м сред ств о м д ля про смо тра резу льтато в , по стро ения г раф ико в и о тчето в яв ляетсяQuick Reporter. Е г о в неш ний в ид изо браж енна рис.2. Д лято г о , что бы со зд ать о тчет, нео бхо д имо сначала о пред елить д анны е, ко то ры е в нег о в о й д у т. Д ляэто г о в о кнеQuick Reporter наж имаем на кно пку Report Editor. В неш ний в ид по яв ив ш ег о сяпри это м о кна изо браж енна рис.3. В о кнеResponse в ы бираем те д анны е, ко то ры е в о й д у т в о тчет. Пред по ло ж им, что мы исслед у ем зав исимо сть мо д у ля S21 о т часто ты . Н або р часто т у ж е бы л зад аннами ранее при рабо те со схемо й . В списке Function в ы бираем значение Mag() – амплиту д а. И з списка, о заг лав ленно г о Response, в ы бираем S21 и д в аж д ы щ елкаем мы ш ью на это м в ы бо ре. Т еперь мо ж но наж ать на кно пку Display и наблю д атьисслед у ему ю зав исимо стьв в ид ег раф ика.

10

Рис.3. Ред акто р о тчето в

Зд есьмы рассмо трели то лько наибо леепро сты еприемы рабо ты спакето м Serenade. Бо лее по д ро бну ю инф о рмацию мо ж но най ти в справ о чно й системе, ко то раяв ы зы в аетсянаж атием клав иш и F1. Д ля расчета про сты х типо в линий пакетSerenade имеетспециальну ю у тилиту , ко то рая в ы зы в ается при в ы бо ре в меню Tools пу нкта Transmission Lines (линии перед ачи). У тилита мо ж етрабо татьи о тд ельно о тпакета Serenade (ф ай л trl80.exe). Н иж е бу д ет по казано , как по льзо в аться это й у тилито й д ля анализа и синтеза микро по ло ско в ы х линий , щ елев ы х линий и ко планарны х в о лно в о д о в . О д нако д ля реш ения бо лее сло ж ны х зад ач в о змо ж но стей это й про г раммы нед о стато чно . При расчете св язанны х по ло ско в ы х линий (см. пример в ы ш е), направ ленны х о тв етв ителей , различны х типо в нео д но ро д но стей и д р. бу д у т испо льзо в аться в о змо ж но сти пакета Serenade.

11 О с нов ны е т и пы ли ни й переда ч и и х ра с ч ет П олос ковы еи м икроп олос ковы елин ии С то чки зрения математическо г о расчета наибо лее про сты м типо м линии перед ач яв ляется симметричная по ло ско в ая линия, по казанная на рис. 4а. В тако й линии мо г у т распро страняться по перечны е T-в о лны , след о в ательно , о тсу тств у ет д исперсия. К ро ме то г о , электро маг нитно е по ле со сред о то чено в о бласти д иэлектрика, что наряд у со св о й ств о м про странств енно й симметрии су щ еств енно у про щ ает анализ. О д нако наибо льш е распро странение по лу чил д ру г о й тип линий перед ач - микро по ло ско в ы е линии (рис. 4б). Д ля микро по ло ско в ы х линий характерна малая в ы со та

h

εr

W

а)

h

W

εr

б) Рис.4. Линии перед ач. а) – симметричнаяпо ло ско в аялиния; б) – микро по ло ско в аялиния

по д ло ж ки (менее 1 мм) и ее бо льш ая д иэлектрическая про ницаемо сть (ε>10). Благ о д аря в ы со ко й д иэлектрическо й про ницаемо сти электро маг нитно е по ле в микро по ло ско в о й линии ко нцентриру ется в о бласти меж д у про в о д нико м и заземленны м о сно в анием. Благ о д аря это му у меньш аю тся по тери на излу чение, что бы в аетсу щ еств енно д ляСВ Ч-д иапазо на, а кро ме то г о , о слабев аю т паразитны е св язи. В силу св о ей ко нстру кции микро по ло ско в ы е линии бо лее ко мпактны . О со бенно ш иро ко микро по ло ско в ы е линии испо льзу ю тсяв интег ральны х схемах СВ Ч, а такж ев д ру г их миниатю рны х у стро й ств ах. О тсу тств ие про странств енно й симметрии, бо лее сло ж ная картина по ля, ко то ро емо ж но лиш ьу сло в но о писать в в ид епо перечны х T-в о лн(это так назы в аемаякв ази-Т в о лна) прив о д ятк у сло ж нению анализа. И зв естны е численны е мето д ы расчета таких линий св язаны с бо льш им о бъемо м в ы числений , о д нако су щ еств у ю т у про щ енны е в ы раж ения, прив ед енны ек аналитическо му в ид у . О стано в имсяпо д ро бнеена этих

12 в ы раж ениях. В ы раж ение д ля в о лно в о г о со про тив ления микро по ло ско в о й линии имеетв ид : W  η  8h ln 0 , 25 ⋅ +   д ля( W h ≤ 1),  2π ε h W  rэ Z0 =  , −1  η ⋅  W + 1,393 + 0,667 ⋅ ln W + 1,444  д ля(W h ≥ 1)   ε rэ  h  h 

г д е η = 120π - в о лно в о есо про тив лениесв о бо д но г о про странств а. Э ф ф ектив ная д иэлектрическая про ницаемо сть д ля микро по ло ско в о й линии о пред еляетсяпо ф о рму ле: −1 2 εr +1 εr −1 h ε rэ = + 1 + 10  ,г д е ε r - о тно сительная д иэлектриче2 2  W ская по сто янная по д ло ж ки. Э ф ф ектив ная д иэлектрическая по сто янная ε rэ меньш е д иэлектрическо й по сто янно й по д ло ж киε r , так как о на у читы в ает по ле в не по д ло ж ки. В ы ш еприв ед енны е со о тно ш ения не у читы в аю т то лщ ину про в о д ника, д лину по ло ско в о й линии, а такж енеко то ры ед ру г ие

Рис.5. И нтерф ей спро г раммы расчета параметро в линий перед ач

13 ко нстру ктив ны е параметры , что прив о д ит к наличию по г реш но сти. Д ля бо лее то чно г о расчета испо льзу ем у тилиту Transmission Lines из пакета Serenade. Д ля это г о , в о й д я в меню Tools, в ы берем пу нкт Transmission Lines. При это м в ы зы в ается про г рамма trl80.exe, интерф ей с ко то ро й изо браж енна рис.5. Про изв ед ем расчет про стей ш ей микро по ло ско в о й линии (рис.4б), ко то рая пред став ляет со бо й сло й металла, нанесенны й на пластину д иэлектрика. В о й д я в меню Structure (тип стру кту ры ), о стано в имся на по д меню Microstrip (микро по ло ско в ы е линии). В ы берем пу нкт меню Single, при это м о ткро ется но в о е о кно д ля расчета параметро в микро по ло ско в о й линии. К артинка в в ерхней части о кна схематично изо браж ает зад анны й тип линии перед ачи, а такж е о бо значение неко то ры х ко нстру ктив ны х параметро в . Д ля микро по ло ско в ы х линий про г рамма по зв о ляет зад атьслед у ю щ иепараметры : О писание ПараЗначение Е д иница И змереметр по ния У мо лчанию W м* Ш ирина про в о д ника P 0 м Ф изическаяд лина линии перед ачи Z0 О м И мпед анслинии перед ачи E 0 г рад у сы Э лектрическаяд лина линии перед ачи F 0 Гц* Часто та ER О тно сительная д иэлектрическая про ницаемо сть H м Т о лщ ина по д ло ж ки HU 40·H м Рассто яниео тпо д ло ж ки д о экрана (значение по у мо лчанию св о д ит в лияние экрана к ну лю ) TAND 0 Т ангенсд иэлектрических по терь RGH 0 м Размер ш еро хо в ато стей по в ерхно сти MSAT 0 Гау сс М аг нитно епо ленасы щ ения MREM 0 Гау сс О стато чны й маг нетизм TANM 0 Т ангенсмаг нитны х по терь *Система ед иницы измерения, испо льзу емая в про г рамме, по казана в прав о м в ерхнем у г лу о кна расчета линии перед ач (пенель Units). Е д иницы измерения рассто яния и часто ты мо г у т бы ть изменены . В сев в о д имы езначенияд о лж ны со о тв етств о в атьу казанно й системеед иниц.

Про г рамма по зв о ляетпро изв о д ить как синтез, так и анализ линии перед ач. Д лясинтеза нео бхо д имо зад атьв еличины Z0, H и ER. Д ру г иев еличины , если о ни незад аны , принимаю тзначенияпо у мо лчанию . По д синтезо м имеется в в ид у расчет ш ирины про в о д ника (по ло ски металлизации) при про чих зад анны х у сло в иях. По д анализо м зд есьи д алеепо д разу мев аетсярасчетв о лно в о г о со про тив ленияZ0. В это м слу чаенео бхо д имо яв но зад атьпараметры W, H и ER.

14 О со бо е в нимание как при анализе, так и при синтезе нео бхо д имо у д елить значению часто ты . По у мо лчанию про изв о д ится расчет по по сто янно му то ку , по это му резу льтаты мо г у тсильно о тличатьсяо то ж ид аемы х. И з в ы ш еприв ед енно й таблицы в ид но , что система прив ед енны х параметро в избы то чна, по ско льку электрическая д лина E мо ж ет бы ть в ы раж ена через ф изическу ю д лину линии P, часто ту F и ф азо в у ю ско ро стьв о лны . Про г рамма у читы в ает это св о й ств о . Т ак, если зад ать электрическу ю д лину E и часто ту F, то при наж атии кно пки Synthesize (синтез) бу д етрассчитано значение P. Н ао бо ро т, зад ав P и F и наж ав кно пку Analyze (анализ), по лу чим значениеE. Д иэлектрическаяпо д ло ж ка зад аетсяпараметрами H, ER и TAND. Е сли параметр TAND (тангенс д иэлектрических по терь) не зад ан, то по д ло ж ка неимеетпо терь. М аг нитны е св о й ств а по д ло ж ки у читы в аю тся в то м слу чае, если зад аны параметры MSAT и MREM. По у мо лчанию маг нитны е св о й ств а по д ло ж ки неу читы в аю тся. Т ангенс маг нитны х по терь TANM в в о д ится д ля у чета по терь, св язанны х с маг нитны ми св о й ств ами по д ло ж ки, по д о бно тангенсу д иэлектрических по терь TAND. В месте эти д в е в еличины о пред еляю т по тери, св язанны еспо д ло ж ко й . М аг нитны е св о й ств а по д ло ж ки наклад ы в аю т о г раничение на д о пу стимы е часто ты . Т ак, часто та F д о лж на бы ть бо льш е т.н. г иро маг нитно й часто ты , то естьд о лж но в ы по лнятьсясо о тно ш ение: F > 2.8 (MГц/Гау сс) ·MSAT (Гау сс) В ы бо р типа про в о д ника о су щ еств ляется в спискеMetalization (металлизация). Е сли тип про в о д ника не у казан, то считается, что о но блад ает ну лев ы ми по терями и имеет ну лев у ю то лщ ину . М о ж ет бы ть у казано д о трех сло ев металлизации – Bottom (ниж ний ), Middle (сред ний ) и Top (в ерхний ). Д лякаж д о г о сло яо тд ельно у казы в аетсяег о то лщ ина (см.рис.5). Параметр RGH (metalization rms surface roughness) о писы в ает неид еально сть по в ерхно сти металлизиро в анно й о бласти (о бы чно ег о значение мо ж но неу казы в ать). Д лянеко то ры х параметро в , таких как ш ирина линии, ш ирина зазо ра и часто та, в место о д но г о значения параметра мо ж ет бы ть зад анцелы й списо к значений . Д ля это г о в со о тв етств у ю щ ем по ле в в о д ится три значения: начально езначение, ко нечно езначениеи ш аг измененияпараметра. По сле это г о параметр при анализе бу д ет про бег ать в есь набо р значений о т начально г о д о ко нечно г о су казанны м ш аг о м. Н апример, в по лев место о д но г о значениячасто ты мо ж но у казатьслед у ю щ ее: 1GHZ, 5GHZ, 500MHZ. Резу льтаты анализа о то браж аю тся в специально м о кне, ко то ро епо яв ляетсяв ниж ней части системно г о о кна по слео ко нчаниярасчето в . Д о по лнительны е пу нкты г лав но г о меню по зв о ляю т, к примеру , со хранитьпро ектв ф ай ле, заг ру зитьранеесо храненны й про ект, распечатать

15 значения параметро в и резу льтаты расчета, в о спо льзо в аться справ о чно й инф о рмацией .

16 Щ елевая лин ия Щ елев ая линия пред став ляет со бо й у зку ю щ ель или зазо р в то нко м про в о д ящ ем сло е, в ы по лненно м на о д но й сто ро не д иэлектрическо й по д ло ж ки (рис.6). О сно в но й тип ко лебаний в щ елев о й линии о тличено тTEM, зд есь распро страняется в о лна TE10, ко то рая имеет про д о льну ю со став ляю щ у ю маг нитно г о по ля. Д ля у меньш ения излу чения в таких линиях испо льзу ю тсяпо д ло ж ки с в ы со ким значением ε. Щ елев ы е линии о блад аю т ряд о м д о сто инств , сред и ко то ры х – W εr h в о змо ж но сть по лу чения в ы со ко г о в о лно в о Рис.6. Щ елев аялиния г о со про тив ления за счет расш ирения щ ели, эллиптическая по ляризация по ля (испо льзу ется д ля изг о то в ления нев заимны х у стро й ств ), низкие требо в ания к качеств у о брабо тки о братно й сто ро ны по д ло ж ки. Рассмо трим со о тно ш ения, ко то ры еприменяю тсяд лярасчета щ елев ы х линий . И зв естны е мето д ы анализа не по зв о ляю т по лу чить про сты е в ы раж ения д ля расчета параметро в щ елев ы х линий . По это му о бы чно испо льзу ю т ф о рму лы , прив ед енны е ниж е и по лу ченны е аппро ксимацией экспериментальны х крив ы х. Н ай д ем д лину в о лны типа TE10, ко то рая распро страняется в щ елев о й линии, а такж е ее в о лно в о е со про тив ление. Е сли в ы по лняется у сло в ие 0,02 ≤ W h ≤ 0,2 , то справ ед лив ы след у ю щ иесо о тно ш ения: λ s λ 0 = 0,923 − 0,195 ⋅ ln ε r + 0,2 W h − (0,126 W h + 0,02 ) ⋅ ln (h λ 0 ⋅ 100) , (W h − 0,02) ⋅ (W h − 0,1) + Z 0 = 72,62 − 15,283 ⋅ ln ε r + 50 ⋅ Wh + ln (W h ⋅100 ) ⋅ [19,23 − 3,693 ln ε r ] − [0,139 ⋅ ln ε r − 0,11 + W h ⋅ (0,465 ⋅ ln ε r + 1,44)]× 2 × (11,4 − 2,636 ⋅ ln ε r − h λ 0 ⋅ 100) Зд есь λ s - д лина в о лны в в о лно в о д е, λ 0 - д лина в о лны то й ж е часто ты в св о бо д но м про странств е. В слу чае, если 0,2 ≤ W h ≤ 1,0 , со о тно ш ениябу д у тд ру г ими: λ s λ 0 = 0,987 − 0,21 ⋅ ln ε r + W h ⋅ (0,111 − 0,0022ε r ) − , − (0,053 + 0,041 ⋅ W h − 0,0014ε r ) ⋅ ln (h λ 0 ⋅ 100 ) Z 0 = 113,19 − 23,257 ⋅ ln ε r + 1,25 ⋅ W h ⋅ (114,59 − 22,531 ⋅ ln ε r ) + + 20 ⋅ (W h − 0,2 ) ⋅ (1 − W h ) − [0,15 + 0,1 ⋅ ln ε r + W h ⋅ (− 0,79 + 0,899 ⋅ ln ε r )]× 2 × [10,25 − 2,171 ⋅ ln ε r + W h ⋅ (2,1 − 0,617 ⋅ ln ε r ) − h λ 0 ⋅ 100] Знаяд лину в о лны в св о бо д но м про странств еи в линии перед ачи, лег ко рассчитатьзначениеэф ф ектив но й д иэлектрическо й про ницаемо сти:

{

}

17 λ  ε rэ =  0  .  λ  Д ля расчета параметро в щ елев о й линии спо мо щ ью пакета Serenade в г лав но м меню про г раммы Trl80.exe ну ж но в ы братьпу нктSlotline (щ елев ая линия). При это м по яв ится о кно , в ко то ро м, как и в в ы ш ерассмо тренно м слу чае, в в ерхней части бу д етизо браж ена щ елев аялиниясу казанны ми на ней о бо значениями ко нстру ктив ны х параметро в и набо р по лей д ля в в о д а значений . По ско льку о бо значения ко нстру ктив ны х параметро в в про г рамме ед ино о бразны д ля в сех типо в линий перед ач, то не бу д ем касаться о тд ельно это г о в о про са (см. микро по ло ско в ы е линии перед ач). Д ля по лу ченияд о по лнительно й инф о рмации мо ж но в о спо льзо в атьсясправ о чно й системо й , ко то рая в ы зы в ается наж атием клав иш и F1 на панели слу ж ебны х клав иш клав иату ры .

Коп лан арн ы й волн овод Гео метрически и электрически ко планарны й в о лно в о д пред став ляет со бо й “сд в о енну ю ” щ елев у ю линию перед ачи. О нсо сто итиз центрально г о про в о д ника и д в у х параллельны х ему заземленны х про в о д нико в , распо ло ж енны х в то й ж е пло ско сти по о бе сто S W W W W W ро ны о т центрально г о про в о д ника (рис.7). ε h Т ако й в о лно в о д о блаr д ает теми ж е преиму Рис.7. К о планарны й в о лно в о д . щ еств ами, что и щ елев ая линия перед ачи. К ро ме то г о , ег о в о лно в о е со про тив ление практически не зав исит о т то лщ ины по д ло ж ки, что д аетв о змо ж но стьиспо льзо в атьпо д ло ж ки св ы со ким значением ε, за счет чег о у меньш ить линей ны е размеры микро схем. В аж ны м д о сто инств о м ко планарно г о в о лно в о д а яв ляется такж е в о змо ж но сть бо лее про сто г о мо нтаж а пассив ны х и актив ны х ко мпо ненто в по след о в ательно и параллельно с линией перед ачи. При это м нет нео бхо д имо сти в в ы св ерлив ании о тв ерстий и изг о то в лении пазо в в по д ло ж ке. Д ляпро сто ты бу д ем считать, что эф ф ектив ная д иэлектрическая про ницаемо сть ко планарно г о в о лно в о д а приближ енно рав на эф ф ектив но й д иэлектрическо й про ницаемо сти щ елев о й линии. В о лно в о есо про тив лениебу д ем рассчиты в атьпо ф о рму ле: 30π K ′(k ) Z0 = , ε rэ K (k ) г д е k = s (s + 2 W ) , K ′(k ) В ы раж ение , ко то ро е ш иро ко испо льзу ется при расчете по ло сK (k ) ко в ы х линий , аппро ксимиру етсяслед у ю щ им о бразо м:

18 1  1+  ln 2 ′ K (k )  π  1 − = K (k )  1  1 + ln 2  π  1 − 

k′   k ′ 

k   k 

д ля0 ≤ k ≤ 0,7 (1)

−1

д ля0,7 ≤ k ≤ 1

г д е k′ = 1 − k . Д ля бо лее то чно г о расчета параметро в ко планарно г о в о лно в о д а в о спо льзу емся пакето м Serenade. В г лав но м меню про г раммы Tr80.exe в ы берем пу нкт Structure->Complanar Waveguide. У каж ем нео бхо д имы е д ля расчета д анны епо анало г ии со слу чаями, рассмо тренны ми в ы ш е. Свя зан н ы ем икроп олос ковы елин ии При изг о то в лении мно г их ко мпо ненто в с испо льзо в анием микро по ло ско в ы х линий испо льзу ю т электро маг нитну ю св язь меж д у параллель-

W

h

W

S

εr

а) Э лектрическаястенка

М аг нитнаястенка

Cga

Cf

Cp

C′f C

C′f C

б)

Cp

Cf

Cf

Cp

C gd

Cp

Cf

в)

Рис.8. Св язанны елинии. а) о бщ ий в ид ; б) экв ив алентнаясхема при четно м в о збу ж д ении; в ) экв ив алентная схема при нечетно м в о збу ж д ены ми про в о д никами. Э та св язь распред елена по в сей д лине про в о д нико в . Св язанны е линии (рис.8а) ш иро ко испо льзу ю тся в схемах ф ильтро в , направ ленны х о тв етв ителей , элементо в св язи и т.д . В таких линиях мо г у т распро странятьсяд в а в ид а ко лебаний . При четно м типев о збу ж д енияпо ле в о беих линиях распро страняетсясинф азно , а при нечетно м - про тив о ф азно . Св о й ств а св язанны х линий о пред еляю тся значениями со бств енны х и в заимны х инд у ктив но стей и емко стей . При кв ази-Т приближ ении со бств енная инд у ктив но сть с по мо щ ью несло ж ны х со о тно ш ений мо ж ет бы ть

19 в ы раж ена через со бств енну ю емко сть. К ро ме то г о , д ля бо льш инств а у стро й ств на св язанны х линиях в заимны е инд у ктив но сти и емко сти такж е о казы в аю тся в заимо св язанны ми. Т аким о бразо м, д ля св язанны х микро по ло ско в ы х линий в бо льш инств еслу чаев д о стато чно о пред елитьто лько емко стны е параметры . Причем число и значения этих параметро в бу д у т о тличаться при четно м и нечетно м в о збу ж д ении (см. рис.8 б,в ). О чев ид но , что св язь меж д у линиями о пред еляется в о сно в но м нечетны м типо м ко лебаний (при четно м типе в о збу ж д ения по ля в пло ско сти симметрии ко мпенсиру ю т д ру г д ру г а, то есть о бразу ется так назы в аемая маг нитная стенка, изо браж енная на рис.8б пу нктиро м). Благ о д аря св о й ств у симметрии (или антисимметрии) по ля значительно у про щ ается сло ж ны й анализ в заимо д ей ств у ю щ их линий , так как мо ж но рассматрив ать каж д у ю из линий о тд ельно при у сло в иях четно г о и нечетно г о в о збу ж д ения. Су ммарны е емко сти, прихо д ящ иеся на ед иницу д лины , при четно м и нечетно м в о збу ж д ении мо ж но записатьв в ид е: C e = C p + C f + C′f - при четно м в ид ев о збу ж д ения, C o = C p + C f + C ga + C gd - при нечетно м в ид ев о збу ж д ения, г д е C p = ε 0ε r W h . C f , C′f , C ga и C gd - различны екраев ы еемко сти. ε rэ

− Cp с⋅ Z 0 Cf Cf = , C′f = ⋅ ε r ε rэ , 2 1 + A ⋅ (h s ) ⋅ th (10 ⋅ s h ) г д е A = exp[− 0,1 ⋅ exp(2,33 − 2,53 W h )] . Е мко сть C ga - со став ляю щ ая, о пред еляемая краев ы м по лем в щ ели в св о бо д но м про странств е при нечетно м в о збу ж д ении. О на мо ж ет бы ть най д ена из след у ю щ их со о тно ш ений : K (k ′) sh K (k ′) C ga = ε 0 ⋅ ; k= ; k ′ = 1 − k 2 , г д е о тно ш ение о преK (k ) K (k ) s h + 2W h д еляетсяиз со о тно ш ения(1). Е мко сть C gd , ко то рая о пред еляется краев ы м по лем в щ ели в ну три д иэлектрика, мо ж етбы тьнай д ена по ф о рму ле: ε ε  0,02    πs  C gd = 0 r ⋅ ln cth   + 0,65 ⋅ C f  ε r + 1 − ε −2 r . π   4h   s h  В о лно в о е со про тив ление и эф ф ектив ная д иэлектрическая по сто янная о пред еляю тсяпо ф о рму лам:

[

Z 0i = c ⋅ C i ⋅ C iв ε rэ = C i C iв .

]

−1

,

20 И нд ексi заменяетинд ексы e или o д лячетно г о и нечетно г о в ид о в в о збу ж д ения со о тв етств енно , а C в - значениеемко сти в то м слу чае, ко г д а д иэлектрико м яв ляетсяв о зд у х. Нап равлен н ы еответвители Н аправ ленны й о тв етв итель (Н О ) яв ляется в о сьмипо лю сны м у стро й ств о м, о су щ еств ляю щ им направ ленно ео тв етв лениеэнерг ии. В у стро й ств е различаю тперв ичну ю (о сно в ну ю ) и в то ричну ю (в спо мо г ательну ю ) линии. При в о збу ж д ении о д но г о из плеч перв ично й линии часть мо щ но сти перед ается в д ру г о е плечо это й линии, а часть – в о д но из плеч в то рично й линии. При это м в ид еально м слу чае в о д но из плеч в то рично й линии мо щ но стьв о о бщ енеперед ается, и о но о казы в аетсяразв язанны м о тно сительно в о збу ж д аемо г о плеча перв ично й линии. К о нечно , разд еление линий на перв ичну ю и в то ричну ю у сло в но , так как их мо ж но по менять местами и в о збу ж д атьо д но из плеч в то рично й линии. Гибрид ны м со ед инением (или трехд ецибельны м направ ленны м о тв етв ителем) назы в аю ттако й Н О , ко то ры й о су щ еств ляетрав но ед елениемо щ но сти меж д у св язанны ми плечами. В ид еально м слу чаеН О пред став ляетсо бо й чисто реактив ны й (не имею щ ий по терь) в заимны й в о сьмипо лю сник, ко то ры й мо ж етбы тьо писанматрицей рассеянияслед у ю щ ег о в ид а: S11 S12 S13 S14  S S 22 S 23 S 24  S =  21 S S32 S33 S34    31 S 41 S 42 S 43 S 44  Х арактеристики Н О мо г у т бы ть най д ены через элементы матрицы рассеяния. О бы чно анализиру ю тсяслед у ю щ иехарактеристики: Р абоч е е зат у хание (д Б) о пред еляется о тно ш ением мо щ но стей на в хо д е и в ы хо д еперв ично й линии 2 C13 = 10 lg(P1 P3 ) = 10 lg 1 S13 . П е ре ходное ос лабле ние о пред еляется о тно ш ением мо щ но стей на в хо д е перв ично й линии и на св язанно м сним в ы хо д ев то рично й линии 2 C12 = 10 lg(P1 P2 ) = 10 lg 1 S12 . Р азвязка о пред еляется о тно ш ением мо щ но стей на в хо д еперв ично й линии и на разв язанно м в ы хо д ев то рично й линии 2 C14 = 10 lg(P1 P4 ) = 10 lg 1 S14 . Направле ннос т ьНО 2 2 C 24 = 10 lg(P2 P4 ) = 10 lg S12 S14 . Коэф ф ицие нт с т ояч е й волны вi-м пле ч е K стUi = (1 + Sii ) (1 − Sii ).

(

)

(

)

( (

)

)

21 В матрицерассеяния ид еально г о Н О рав ны ну лю элементы S11 , S 22 , S33 , S 44 (у сло в ия ид еально г о со г ласо в ания), а такж е элементы S14 , S 41 , S 23 , S32 (у сло в ия ид еально й разв язки). В реальны х у стро й ств ах, ко то ры е рабо таю т в ко нечно й по ло се часто т, эти со о тно ш ения стро г о не в ы по лняю тся. Рассмо трим о д иниз типо в Н О – ш лей ф ны й Н О (рис.9). О нпред λ4

1

Y2 , λ 4 Y1, λ 4

2

Y2 , λ 4

а)

3

1

Y

Y

0

Y

Y1, λ 4

4

Y 2

Y

2

λ4

1

Y

3 0

1

Y

0

Y

0

4

2

б)

Рис.9. Ш лей ф ны й направ ленны й о тв етв итель а) э лектрическаясхема; б) то по ло г ия.

став ляетсо бо й д в а о трезка лини перед ач, со ед иненны х меж д у со бо й д в у мя или бо лее ш лей ф ами, д лина ко то ры х рав на четв ерти д лины в о лны в линии. Ш лей ф ы в клю чаю тся в линию такж ена рассто янии λ 4 . При в о зрастании числа ш лей ф о в расш иряется по ло са рабо чих часто т, о д нако при числе ш лей ф о в бо льш е трех в о лно в ы е со про тив ления край них ш лей ф о в стано в ятся слиш ко м бо льш ими. По это му на практике ред ко испо льзу ю т Н О с число м ш лей ф о в бо льш е трех. Лег ко рассчитать, что при ид еально м со г ласо в ании матрица рассеянияд в у хш лей ф но г о Н О имеетв ид : j y1  0 0 1  0 0 y1 j  S=−  . y 2  j y1 0 0   y1 j 0 0  О с н овн ы етип ы н еодн ородн ос тей в м икроп олос ковы х лин ия х Н аибо лееизв естны и хо ро ш о тео ретически о писаны след у ю щ иетипы нео д но ро д но стей : разо мкну ты й ко нец линии, разры в микро по ло ско в о г о про в о д ника, паз в микро по ло ско в о м про в о д нике, скачо к по ш ирине микро по ло ско в о г о про в о д ника, изг ибег о по д прямы м у г ло м, T-со ед инение и пересечение линий . Н е бу д ем о станав лив аться на в сех у казанны х типах нео д но ро д но стей , в место это г о о г раничимся рассмо трением лиш ь неко то ры х из них, а именно тех, ко то ры енаибо леечасто в стречаю тсяна практикепри изг о то в лении интег ральны х схем СВ Чд иапазо на. Скач ок пош ирине микрополос ковогопроводника Э то т в ид нео д но ро д но сти в о зникает при со ед инении д в у х линий различно й ш ирины , т.е. различны х в о лно в ы х со про тив лений . О бщ ий в ид и экв ив алентная схема тако й нео д но ро д но сти пред став лена на рис.10. Рассмат-

22

W2

W1

L2

T

L1

Z2

Z1

Cc

T

T

а)

б)

Рис. 10. Скачо к по ш иринемикро по ло ско в о г о про в о д ника а) – то по ло г ия б) – экв ив алентнаясхема

рив аемая схема со сто ит из параллельно й емко сти в сечении скачка C c и д в у х по след о в ательны х инд у ктив но стей L1 и L 2 с каж д о й сто ро ны . Д ля расчета мо г у тбы тьиспо льзо в аны след у ю щ иев ы раж ения: Cc = (4,386 ln ε r + 2,33) W2 W1 − 5,472 ln ε r − 3,17 W1 W2 , ε r ≤ 10; 1,5 ≤ W2 W1 ≤ 3,5 Значение C c о пред еляется в пико ф арад ах, в се о стальны е значения – в ед иницах СИ . L w1 Lw2 L1 = ⋅ Lc L2 = ⋅ Lc L w1 + L w 2 L w1 + L w 2 L w1 и L w 2 - инд у ктив но сти на ед иницу д лины (Гн/м) микро по ло ско в ы х линий сш ирино й W1 и W2 со о тв етств енно , о пред еляемы екак: L w = Z 0 ε rэ c , г д ес – ско ро стьсв ета ( 3 ⋅ 10 8 м с). L c , или су ммарнаяинд у ктив но сть, рав наясу мме L1 и L 2 , о пред еляетсяпо ф о рму ле: 2

 W  W Lc W = 40,5 2 − 1,0  − 32,57 ln 2 + 0,2 2 − 1,0  .  W h W1  W1    1

Значение L c по в ы ш еприв ед енно й ф о рму ленахо д итсяв нано г енри (нГн). И згибмикрополос ковогопроводника под прямы м у глом И зг ибы микро по ло ско в ы х про в о д нико в чащ ев сег о в стречаю тся при ко нстру иро в ании у зла су чето м размещ енияег о на плате. О бщ ий в ид и экв ив алентная схема тако й нео д но ро д но сти по казана на рис.11. Схема со сто ит из трех элементо в – ш у нтиру ю щ ей емко сти C и и д в у х о д инако в ы х по след о в ательны х инд у ктив но стей , значение каж д о й из ко то ры х рав но Lи 2 .  (14ε r + 12,5) W h − (1,83ε r − 2,25) 0,02ε r Cи  + д ляW h < 1 = , Wh Wh W (  9,5ε r + 1,25) W h + 5,2ε r + 7,0 д ляW h ≥ 1

23 W

T1 Lи 2

T2 Z0

а)

Z0

Cи

T2

T1

W

Lи 2

б)

Рис. 11. И зг ибмикро по ло ско в о г о про в о д ника по д прямы м у г ло м а) – то по ло г ия б) – экв ив алентнаясхема

(

)

Lи = 100 4 W h − 4,21 , h г д е C и о пред еляетсяв пико ф арад ах (пФ ), а L и - в нано г енри (нГн).

24

1. 2. 3. 4. 5. 6.

7.

Л и т ера т ура . М ило рацкий Л.Г.. М икро миниатю ризация элементо в и у стро й ств СВ Ч/ Л.Г М ило рацкий . – М .: Со в етско ерад ио , 1976. – 216 с. М икро электро нны е у стро й ств а СВ Ч/ Г.И . В есело в , Е .Н . Е г о ро в , Ю .Н . А лехини д р. – М .:В ы сш . ш к., 1988. – 280 с. К ац Б.М . и д р. О птимальны й синтез у стро й ств СВ Ч с Т -в о лнами/По д ред . В .П. М ещ ано в а. – М .: Рад ио и св язь, 1984. – 288 с. А в то матизиро в анно е про ектиро в ание у стро й ств СВ Ч/ По д ред . В .В Н ико льско г о . - М .: Рад ио и Св язь, 1982. – 272 с. Гу пта К ., Гард ж Р., Чад ха Р. М аш инно епро ектиро в аниеСВ Чу стро й ств / К . Гу пта, Р. Гард ж , Р. Чад ха. - М .: Рад ио и св язь, 1987. – 432 с. Лы пкань В .Н ., Т екш ев В .Б. А в то матизиро в анно е про ектиро в ание мало ш у мящ их транзисто рны х у силителей СВ Ч/ В .Н . Лы пкань, В .Б. Т екш ев .СПб.: В ЗУ И С,1992. – 230 с. Разев иг В .Д . Система скв о зно г о про ектиро в анияэлектро нны х у стро й ств DesignLab 8.0/ В .Д . Разев иг . - М .:Со ло н, 1999. – 698 c.

25

Со став ители: А лг азино в Э д у ард К о нстантино в ич, Бо бреш о в А нато лий М ихай ло в ич, Д ы бо й А лександ р В ячеслав о в ич, К итаев Ю рий И в ано в ич

Ред акто р: Т ихо миро в а О .А .