eng
Выпуск #4/2025
С. Сковородников, Д. Семенов
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ САПР ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРИТОВЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ САПР ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРИТОВЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ
Просмотры: 1048
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.245.4.68.71
В статье обсуждаются проблемы проектирования ферритовых СВЧ-устройств с использованием современных САПР и перспективы разработки отечественной САПР для расчета основных параметров этого класса приборов.
В статье обсуждаются проблемы проектирования ферритовых СВЧ-устройств с использованием современных САПР и перспективы разработки отечественной САПР для расчета основных параметров этого класса приборов.
Теги: circulator ferrite microwave devices phase shifter resonant filter saturation magnetization switch намагниченность насыщения переключатель резонансный фильтр фазовращатель ферритовые свч-устройства циркулятор
Перспективы разработки отечественной САПР для расчета основных электрических параметров ферритовых СВЧ-устройств
С. Сковородников, Д. Семенов
Разработка сложных СВЧ-устройств связана с применением интегрированных экосистем проектирования и производства, основу которых составляют различные инструменты САПР. Однако в том, что касается разработки ферритовых СВЧ-устройств, функционал современных САПР ограничен, отсутствуют также верифицированные библиотеки соответствующих материалов и проектов. Кроме того, эффективность существующих методов расчета некоторых типов ферритовых СВЧ-устройств недостаточна. В статье обсуждаются проблемы проектирования ферритовых СВЧ-устройств с использованием современных САПР и перспективы разработки отечественной САПР для расчета основных параметров этого класса приборов.
ВВЕДЕНИЕ
К ферритовым СВЧ-приборам относятся циркуляторы (рис. 1) и вентили, резонансные фильтры, а также фазовращатели и переключатели с магнитной памятью (рис. 2). Следует сказать, что для двух последних типов устройств готовых инструментов САПР на сегодняшний день просто нет. Несмотря на большое количество публикаций, посвященных методам расчета параметров ферритовых СВЧ-устройств и анализу результатов измерения параметров готовых образцов, для практического применения содержащейся в них информации недостаточно.
Кроме того, в ряде случаев отсутствует возможность использования зарубежных САПР вследствие юридических ограничений.
Наиболее широкое распространение получили три основных пакета САПР для разработки ферритовых СВЧ-устройств: Ansys HFSS, CST Microwave Studio и Keysight ADS. Эти САПР являются законченными средствами для расчета этого класса устройств: получаемые в результате данные представляют собой конечные геометрические размеры деталей и структур устройств, что не требует дальнейшей их интерпретации. Результаты расчетов, проведенных с помощью этих САПР, верифицированы подавляющим большинством разработчиков. Эти системы содержат набор вспомогательных инструментов, в том числе конверторы моделей, конверторы электрических параметров, развитые модули отображения графических данных, модули тепловых расчетов и др.
Помимо этого, существуют САПР низкого уровня – системы с открытой архитектурой для расчета проектов, описываемых дифференциально-интегральными уравнениями в 3D-объектах с последующим их решением методом конечных элементов (FlexPDE, SymPy, COMSOL Multiphysics и др.). Для работы с данными пакетами необходимы специалисты очень высокой квалификации и опытом работы не менее 10 лет. И даже в этом случае практический результат не гарантирован.
Типы ферритовых СВЧ-устройств, рассчитываемых в САПР
С точки зрения проектирования в САПР ферритовые СВЧ-устройства можно разделить на три большие группы: циркуляторы, вентили; фильтры и фазовращатели.
Циркуляторы, вентили. Это самый распространенный тип ферритовых СВЧ-устройств. Они в свою очередь могут быть разделены на подгруппы по физическим принципам работы: Y-циркуляторы; Y-циркуляторы на сосредоточенных элементах; вентили и циркуляторы на краевой волне, резонансные вентили; фазовые циркуляторы; циркуляторы на эффекте фарадея.
Для циркуляторов и вентилей всех типов современные САПР дают совпадение с результатами измерений на уровне 95% с точки зрения достоверности результатов расчетов по вентильным и развязывающим соотношениям.
Y-циркуляторы и вентили на их основе (в одном из плечей циркулятора установлена СВЧ-нагрузка) являются наиболее востребованными в СВЧ-электронике (рис. 3). Служат для согласования СВЧ-трактов, обеспечения непрерывной работы приемопередающих трактов. Благодаря простоте конструкции и востребованности этих устройств сегодня на рынке существуют глубоко проработанные решения для применения в САПР.
Не случайно для демонстрации возможностей современных САПР в том, что касается проектирования ферритовых СВЧ-устройств, используются проекты Y-циркуляторов.
Y-циркуляторы на сосредоточенных элементах – более сложные устройства. В отличие от классических Y-циркуляторов, которые представляют собой «сильно нагруженные» полуволновые резонаторы, Y-циркуляторы на сосредоточенных элементах являются тремя вложенными друг в друга четвертьволновыми резонаторами (рис. 4). Это в значительной степени находит отражение в сложности построения модели, в частности в разы увеличиваются вариации геометрии устройства для обеспечения требуемых характеристик. Жесткие технологические ограничения и наличие в модели тонких функциональных слоев (изолированных перекрестий резонаторов) требуют кратного увеличения узлов разбиения модели. Характерные размеры элементов модели выглядят следующим образом: толщина ферритовых вкладышей – порядка 0,5 мм, толщина полосков резонаторов – около 0,05 мм, толщина зазоров между резонаторами – около 0,01 мм. Для реализации такой модели САПР должна поддерживать функцию динамического разбиения сетки. От разработчика требуются не только детальные знания принципов работы ферритовых СВЧ-устройств, но и виртуозное владение навыками параметрического построения сложных трехмерных моделей.
Вентили и циркуляторы на краевой волне, резонансные вентили (рис. 5) работают по принципу «втягивания» электромагнитной волны, движущейся в определенном направлении в толщу ферритового вкладыша, намагниченного до ферромагнитного резонанса, соответствующего рабочей полосе частот. В этом случае САПР должна также обеспечивать функции динамического разбиения сетки (магнитная проницаемость ферритового материала в области ферромагнитного резонанса может достигать значений в сотни единиц) и корректного описания поведения электромагнитной волны в данной области (в первом приближении описывается таким физическим параметром, как ΔН – ширина линии ферромагнитного резонанса).
Фазовые циркуляторы (рис. 6) работают на основе невзаимных линий задержки (90° или 180°) с использованием намагниченного ферритового вкладыша в волноводе. Применяются, как правило, в системах с высоким уровнем мощности. Эта особенность требует от САПР
наличия функционала и/или модулей расчета тепловых характеристик.
Циркуляторы на эффекте Фарадея представляют собой продольно намагниченные вкладыши в симметричном волноводе с селекторами поляризации (рис. 7). С точки зрения расчетов в САПР это устройство сравнимо с Y-циркуляторами.
Что касается проектирования ферритовых СВЧ-фильтров, то современные САПР обеспечивают не только качественное, но и количественное совпадение результатов расчетов и измерений параметров фильтров. Это стало возможным благодаря появлению компьютеров с достаточно высокими вычислительными ресурсами.
Фильтры ЖИГ на сферах (рис. 8) представляют собой магнитно-диэлектрические резонаторы в виде сфер с характерными размерами порядка 1–2 мм. В них функциональный тип колебаний расположен в области ферромагнитного резонанса, где магнитная проницаемость, как в случае с вентилями на краевой волне и резонансными вентилями, составляет сотни единиц. Это требует разработки корректной (пусть даже приближенной) математической модели в САПР, описывающей магнитную проницаемость.
Фильтры ЖИГ на пленке – магнитно-диэлектрические волноводы также с высокими значениями магнитной проницаемости в области ферромагнитного резонанса.
Оба типа фильтров требуют от САПР динамического разбиения сетки и значительных вычислительных ресурсов для расчета модели во всех областях нахождения электромагнитных волн с шагом, много меньшим длины волны.
Ферритовые СВЧ-фазовращатели и переключатели (рис. 9, 10). Наиболее сложными в САПР являются расчеты ферритовых СВЧ-фазовращателей (фарадеевских, тороидальных, Реджиа-Спенсера, двухмодовых) и переключателей (микрополосковых, рамочных, волноводных, волноводных с магнитной памятью, квадрупольных, фарадеевских). С точки зрения САПР необходимо решить две задачи: выполнить моделирование полей подмагничивания, то есть расчет зависимости намагниченности насыщения от постоянного поля подмагничивания Мs(Hi), а также обеспечить моделирование остаточной намагниченности в частных петлях гистерезиса. Кроме того, следует создать инструменты для расчета дифференциального фазового сдвига в полосе частот в зависимости от величины намагниченности насыщения.
Часть задач можно решить качественно. Например для оценки дифференциального фазового сдвига создается некоторое количество копий проекта, в которых физические свойства ферритовых материалов вводятся вручную. Далее эти копии сопоставляются между собой. Практического применения данные приемы не нашли. Для моделирования фазовращателей и переключателей с магнитной памятью ферритовый вкладыш модели разбивается на части и параметры полей подмагничивания и/или свойства материалов задаются в них отдельно.
Особенности расчета ферритовых
СВЧ-устройств в САПР
Все типы перечисленных выше ферритовых СВЧ-устройств имеют статическую систему подмагничивания. Она может быть создана: а) постоянным магнитом, б) катушками с током, в) за счет собственной остаточной намагниченности или комбинируя эти способы. Моделирование полей подмагничивания является самостоятельной, сложной и емкой задачей. В большинстве реальных устройств ферритовые вкладыши имеют неравномерное и неоднородное поле подмагничивания. Их основные электрические параметры совершенно не совпадают с электрическими параметрами моделей, в которых поля подмагничивания задаются однородными и равномерными.
В применяемых сегодня САПР отсутствуют библиотеки ферритовых материалов. В каталогах производителей ферритовых материалов также не указаны необходимые для расчетов физические параметры материалов. Кроме того, отсутствуют подробные описания проектов для расчета СВЧ-параметров ферритовых СВЧ-устройств и библиотеки верифицированных проектов, что создает сложности для начинающих разработчиков.
Отечественная САПР для расчета ферритовых СВЧ-устройств
В России сегодня нет САПР, способной заменить по функционалу зарубежные системы для расчета ферритовых СВЧ-устройств. Однако одним из перспективных решений является САПР «ГАММА» разработки Севастопольского государственного университета. Результаты расчетов СВЧ-приборов в этой системе для устройств близкого класса верифицированы. Разработчики заложили в архитектуру данного пакета возможность работы с анизотропными средами. В планах – оснащение программного комплекса функционалом для расчета ферритовых СВЧ-устройств.
Учитывая особенности ферритовых СВЧ-устройств с точки зрения их проектирования и расчета в САПР, в том числе большое количество физических параметров материалов (намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, начальная кривая намагниченности, фактор Ланге и др.) и необходимость верификации результатов расчетов, при разработке подобной САПР необходимо участие компетентной организации. Наилучшим претендентом может стать НИИ «Феррит-Домен», который является головной организацией в области ферритовых материалов и СВЧ-приборов. НИИ производит широкую номенклатуру ферритовых материалов, оснащен комплексом метрологического оборудования для измерения физических свойств ферритовых материалов, используемых в САПР для расчета ферритовых СВЧ-приборов. Кроме того, НИИ серийно выпускает все типы ферритовых СВЧ-приборов, упомянутых в данной статье, что позволяет верифицировать получаемые результаты расчетов.
На сегодняшний день складывается благоприятная ситуация для создания отечественной САПР для расчета ферритовых СВЧ-устройств. Это качественно улучшит работу российских компаний и инженеров, работающих в данной сфере.
ЛИТЕРАТУРА
Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики / Перевод с английского под редакцией А.Г. Гуревича. М.: Мир, 1965.
IPC/JEDEC J-STD-020D.1 RU Классификация негерметичных твердотельных электронных
компонентов для поверхностного монтажа по чувствительности к влаге при пайке оплавлением.
Дроздовский А.В., Зарецкая Г.А., Кустов И.Е. Моделирование спин-волновых устройств
в программе Ansys HFSS // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2020. Т.1. С. 32–35.
С. Сковородников, Д. Семенов
Разработка сложных СВЧ-устройств связана с применением интегрированных экосистем проектирования и производства, основу которых составляют различные инструменты САПР. Однако в том, что касается разработки ферритовых СВЧ-устройств, функционал современных САПР ограничен, отсутствуют также верифицированные библиотеки соответствующих материалов и проектов. Кроме того, эффективность существующих методов расчета некоторых типов ферритовых СВЧ-устройств недостаточна. В статье обсуждаются проблемы проектирования ферритовых СВЧ-устройств с использованием современных САПР и перспективы разработки отечественной САПР для расчета основных параметров этого класса приборов.
ВВЕДЕНИЕ
К ферритовым СВЧ-приборам относятся циркуляторы (рис. 1) и вентили, резонансные фильтры, а также фазовращатели и переключатели с магнитной памятью (рис. 2). Следует сказать, что для двух последних типов устройств готовых инструментов САПР на сегодняшний день просто нет. Несмотря на большое количество публикаций, посвященных методам расчета параметров ферритовых СВЧ-устройств и анализу результатов измерения параметров готовых образцов, для практического применения содержащейся в них информации недостаточно.
Кроме того, в ряде случаев отсутствует возможность использования зарубежных САПР вследствие юридических ограничений.
Наиболее широкое распространение получили три основных пакета САПР для разработки ферритовых СВЧ-устройств: Ansys HFSS, CST Microwave Studio и Keysight ADS. Эти САПР являются законченными средствами для расчета этого класса устройств: получаемые в результате данные представляют собой конечные геометрические размеры деталей и структур устройств, что не требует дальнейшей их интерпретации. Результаты расчетов, проведенных с помощью этих САПР, верифицированы подавляющим большинством разработчиков. Эти системы содержат набор вспомогательных инструментов, в том числе конверторы моделей, конверторы электрических параметров, развитые модули отображения графических данных, модули тепловых расчетов и др.
Помимо этого, существуют САПР низкого уровня – системы с открытой архитектурой для расчета проектов, описываемых дифференциально-интегральными уравнениями в 3D-объектах с последующим их решением методом конечных элементов (FlexPDE, SymPy, COMSOL Multiphysics и др.). Для работы с данными пакетами необходимы специалисты очень высокой квалификации и опытом работы не менее 10 лет. И даже в этом случае практический результат не гарантирован.
Типы ферритовых СВЧ-устройств, рассчитываемых в САПР
С точки зрения проектирования в САПР ферритовые СВЧ-устройства можно разделить на три большие группы: циркуляторы, вентили; фильтры и фазовращатели.
Циркуляторы, вентили. Это самый распространенный тип ферритовых СВЧ-устройств. Они в свою очередь могут быть разделены на подгруппы по физическим принципам работы: Y-циркуляторы; Y-циркуляторы на сосредоточенных элементах; вентили и циркуляторы на краевой волне, резонансные вентили; фазовые циркуляторы; циркуляторы на эффекте фарадея.
Для циркуляторов и вентилей всех типов современные САПР дают совпадение с результатами измерений на уровне 95% с точки зрения достоверности результатов расчетов по вентильным и развязывающим соотношениям.
Y-циркуляторы и вентили на их основе (в одном из плечей циркулятора установлена СВЧ-нагрузка) являются наиболее востребованными в СВЧ-электронике (рис. 3). Служат для согласования СВЧ-трактов, обеспечения непрерывной работы приемопередающих трактов. Благодаря простоте конструкции и востребованности этих устройств сегодня на рынке существуют глубоко проработанные решения для применения в САПР.
Не случайно для демонстрации возможностей современных САПР в том, что касается проектирования ферритовых СВЧ-устройств, используются проекты Y-циркуляторов.
Y-циркуляторы на сосредоточенных элементах – более сложные устройства. В отличие от классических Y-циркуляторов, которые представляют собой «сильно нагруженные» полуволновые резонаторы, Y-циркуляторы на сосредоточенных элементах являются тремя вложенными друг в друга четвертьволновыми резонаторами (рис. 4). Это в значительной степени находит отражение в сложности построения модели, в частности в разы увеличиваются вариации геометрии устройства для обеспечения требуемых характеристик. Жесткие технологические ограничения и наличие в модели тонких функциональных слоев (изолированных перекрестий резонаторов) требуют кратного увеличения узлов разбиения модели. Характерные размеры элементов модели выглядят следующим образом: толщина ферритовых вкладышей – порядка 0,5 мм, толщина полосков резонаторов – около 0,05 мм, толщина зазоров между резонаторами – около 0,01 мм. Для реализации такой модели САПР должна поддерживать функцию динамического разбиения сетки. От разработчика требуются не только детальные знания принципов работы ферритовых СВЧ-устройств, но и виртуозное владение навыками параметрического построения сложных трехмерных моделей.
Вентили и циркуляторы на краевой волне, резонансные вентили (рис. 5) работают по принципу «втягивания» электромагнитной волны, движущейся в определенном направлении в толщу ферритового вкладыша, намагниченного до ферромагнитного резонанса, соответствующего рабочей полосе частот. В этом случае САПР должна также обеспечивать функции динамического разбиения сетки (магнитная проницаемость ферритового материала в области ферромагнитного резонанса может достигать значений в сотни единиц) и корректного описания поведения электромагнитной волны в данной области (в первом приближении описывается таким физическим параметром, как ΔН – ширина линии ферромагнитного резонанса).
Фазовые циркуляторы (рис. 6) работают на основе невзаимных линий задержки (90° или 180°) с использованием намагниченного ферритового вкладыша в волноводе. Применяются, как правило, в системах с высоким уровнем мощности. Эта особенность требует от САПР
наличия функционала и/или модулей расчета тепловых характеристик.
Циркуляторы на эффекте Фарадея представляют собой продольно намагниченные вкладыши в симметричном волноводе с селекторами поляризации (рис. 7). С точки зрения расчетов в САПР это устройство сравнимо с Y-циркуляторами.
Что касается проектирования ферритовых СВЧ-фильтров, то современные САПР обеспечивают не только качественное, но и количественное совпадение результатов расчетов и измерений параметров фильтров. Это стало возможным благодаря появлению компьютеров с достаточно высокими вычислительными ресурсами.
Фильтры ЖИГ на сферах (рис. 8) представляют собой магнитно-диэлектрические резонаторы в виде сфер с характерными размерами порядка 1–2 мм. В них функциональный тип колебаний расположен в области ферромагнитного резонанса, где магнитная проницаемость, как в случае с вентилями на краевой волне и резонансными вентилями, составляет сотни единиц. Это требует разработки корректной (пусть даже приближенной) математической модели в САПР, описывающей магнитную проницаемость.
Фильтры ЖИГ на пленке – магнитно-диэлектрические волноводы также с высокими значениями магнитной проницаемости в области ферромагнитного резонанса.
Оба типа фильтров требуют от САПР динамического разбиения сетки и значительных вычислительных ресурсов для расчета модели во всех областях нахождения электромагнитных волн с шагом, много меньшим длины волны.
Ферритовые СВЧ-фазовращатели и переключатели (рис. 9, 10). Наиболее сложными в САПР являются расчеты ферритовых СВЧ-фазовращателей (фарадеевских, тороидальных, Реджиа-Спенсера, двухмодовых) и переключателей (микрополосковых, рамочных, волноводных, волноводных с магнитной памятью, квадрупольных, фарадеевских). С точки зрения САПР необходимо решить две задачи: выполнить моделирование полей подмагничивания, то есть расчет зависимости намагниченности насыщения от постоянного поля подмагничивания Мs(Hi), а также обеспечить моделирование остаточной намагниченности в частных петлях гистерезиса. Кроме того, следует создать инструменты для расчета дифференциального фазового сдвига в полосе частот в зависимости от величины намагниченности насыщения.
Часть задач можно решить качественно. Например для оценки дифференциального фазового сдвига создается некоторое количество копий проекта, в которых физические свойства ферритовых материалов вводятся вручную. Далее эти копии сопоставляются между собой. Практического применения данные приемы не нашли. Для моделирования фазовращателей и переключателей с магнитной памятью ферритовый вкладыш модели разбивается на части и параметры полей подмагничивания и/или свойства материалов задаются в них отдельно.
Особенности расчета ферритовых
СВЧ-устройств в САПР
Все типы перечисленных выше ферритовых СВЧ-устройств имеют статическую систему подмагничивания. Она может быть создана: а) постоянным магнитом, б) катушками с током, в) за счет собственной остаточной намагниченности или комбинируя эти способы. Моделирование полей подмагничивания является самостоятельной, сложной и емкой задачей. В большинстве реальных устройств ферритовые вкладыши имеют неравномерное и неоднородное поле подмагничивания. Их основные электрические параметры совершенно не совпадают с электрическими параметрами моделей, в которых поля подмагничивания задаются однородными и равномерными.
В применяемых сегодня САПР отсутствуют библиотеки ферритовых материалов. В каталогах производителей ферритовых материалов также не указаны необходимые для расчетов физические параметры материалов. Кроме того, отсутствуют подробные описания проектов для расчета СВЧ-параметров ферритовых СВЧ-устройств и библиотеки верифицированных проектов, что создает сложности для начинающих разработчиков.
Отечественная САПР для расчета ферритовых СВЧ-устройств
В России сегодня нет САПР, способной заменить по функционалу зарубежные системы для расчета ферритовых СВЧ-устройств. Однако одним из перспективных решений является САПР «ГАММА» разработки Севастопольского государственного университета. Результаты расчетов СВЧ-приборов в этой системе для устройств близкого класса верифицированы. Разработчики заложили в архитектуру данного пакета возможность работы с анизотропными средами. В планах – оснащение программного комплекса функционалом для расчета ферритовых СВЧ-устройств.
Учитывая особенности ферритовых СВЧ-устройств с точки зрения их проектирования и расчета в САПР, в том числе большое количество физических параметров материалов (намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, начальная кривая намагниченности, фактор Ланге и др.) и необходимость верификации результатов расчетов, при разработке подобной САПР необходимо участие компетентной организации. Наилучшим претендентом может стать НИИ «Феррит-Домен», который является головной организацией в области ферритовых материалов и СВЧ-приборов. НИИ производит широкую номенклатуру ферритовых материалов, оснащен комплексом метрологического оборудования для измерения физических свойств ферритовых материалов, используемых в САПР для расчета ферритовых СВЧ-приборов. Кроме того, НИИ серийно выпускает все типы ферритовых СВЧ-приборов, упомянутых в данной статье, что позволяет верифицировать получаемые результаты расчетов.
На сегодняшний день складывается благоприятная ситуация для создания отечественной САПР для расчета ферритовых СВЧ-устройств. Это качественно улучшит работу российских компаний и инженеров, работающих в данной сфере.
ЛИТЕРАТУРА
Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики / Перевод с английского под редакцией А.Г. Гуревича. М.: Мир, 1965.
IPC/JEDEC J-STD-020D.1 RU Классификация негерметичных твердотельных электронных
компонентов для поверхностного монтажа по чувствительности к влаге при пайке оплавлением.
Дроздовский А.В., Зарецкая Г.А., Кустов И.Е. Моделирование спин-волновых устройств
в программе Ansys HFSS // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2020. Т.1. С. 32–35.
Отзывы читателей
