eng
Выпуск #8/2014
Н.Кисель, С.Грищенко, Д.Дерачиц
Проектирование фазовращателей – моделирование на базе САПР
Проектирование фазовращателей – моделирование на базе САПР
Просмотры: 3370
Значительно повысить эффективность разработки фазовращателей
удается с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР), о результатах применения которых рассказывается в статье.
удается с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР), о результатах применения которых рассказывается в статье.
П ринцип работы ФВ заключается в том, что под воздействием внешних электрических или магнитных полей, а также тока или напряжения, изменяется комплексное сопротивление элементов, входящих в состав управляющего устройства. В варакторах и варикапах при изменении управляющего напряжения на обратно смещенном p-n-переходе меняется реактивная составляющая комплексного сопротивления, имеющая емкостной характер. Изменение емкости происходит медленно, что и обусловливает применение этих управляющих элементов для ФВ с плавной регулировкой фазы. Использование pin-диодов для таких ФВ ограничено тем, что под воздействием управляющего напряжения скачкообразно меняется активная составляющая сопротивления. ФВ с плавной регулировкой фазы можно разделить на устройства двух типов: проходные и отражательные. Основными элементами отражательных ФВ являются включенные различными способами короткозамкнутые отрезки (отражающие звенья) линий с варакторами. Они могут соединяться с общим трактом линии передачи либо непосредственно, либо через четырехполюсники. В ФВ проходного типа варакторы подключены непосредственно к тракту линии передачи. Управляющие элементы регулируют фазу сигнала на пути к короткозамыкателю и обратно. Качество фазовращателя F определяется как отношение фазового сдвига Δϕ (градусы) к вносимым потерям L (дБ) [2]: F = Δϕ / L. Максимально достижимое значение F определяется выражением: , где К - фактор коммутационного качества (ФКК) активного элемента. Упрощенная эквивалентная схема варактора представляет собой последовательно соединенные сопротивление и емкость соответственно для нулевого и ненулевого постоянного напряжения смещения: R1, C ( U = 0 ) и R2, C ( U ). При изменении управляющего напряжения от 0 В до Umax сопротивление варактора практически не меняется ( R1 = R2 = R ) и ФКК определяется как: , где ω - рабочая частота фазовращателя. Используя это соотношение, можно выбирать варактор, комбинируя величины его емкости, с тем, чтобы получить максимальную величину К. Основным достоинством варактора как перестраиваемой емкости является параметр управляемости и более, что обеспечивает широкий диапазон перестройки. Кроме того, варакторы отличаются высокой добротностью, а управляющие напряжения составляют единицы вольт при силе тока в десятки микроампер. Последнее означает, что устройства с варакторным управлением могут перестраиваться с высокой скоростью и малым энергопотреблением. Один из перспективных путей снижения трудоемкости и повышения эффективности проектирования СВЧ-устройств - использование пакетов автоматизированного проектирования [3-5]. Существующие программы позволяют моделировать одно- и многослойные пассивные компоненты, такие как линии передачи, катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы, переходные отверстия, воздушные мосты, трансформаторы и др. Они дают возможность вычислить электромагнитные поля в любой структуре, а также оценить влияние технологических допусков и разброса электрических параметров, входящих в устройство элементов на его характеристики. Пакеты САПР СВЧ для электромагнитного моделирования (см. таблицу) [6-9] базируются на различных методах: методе моментов (Method of Moments, МoМ) для планарных структур, методе конечных элементов (Finite Element Method, FEM) и методе конечного интегрирования (Finite Integration Technique, FIT) для произвольных структур. На основе этих методов выполняется анализ в частотной области. Кроме того, существует несколько методов анализа во временной области: метод линий передачи (Transmission Line Method, ТLМ) и метод конечных разностей (Finite Difference Time Domain, FDTD), а для перехода в частотную область используется быстрое преобразование Фурье. Проектирование СВЧ микрополосковых устройств включает этапы системотехнического проектирования (выбор принципов работы и структурных схем устройств); схемотехнического и/или электродинамического проектирования (выбор и расчет принципиальной схемы устройства, моделирование); конструкторского проектирования (разработка топологии фазовращателя); технологического проектирования (разработка технологического процесса изготовления устройства). Исходные данные для моделирования - базовая архитектура ФВ с указанием электрофизических параметров применяемых материалов и параметры эквивалентной схемы варакторов, используемых в качестве переменных емкостей. Характеристики устройства, полученные в результате анализа, сравниваются с заданными техническими требованиями. Если полученные результаты не соответствуют требованиям, то параметры устройства могут быть изменены разработчиком по определенному алгоритму, либо оптимизированы с помощью встроенных программ. Метод оптимизации выбирается из условия достижения минимума целевой функции и в процессе проектирования может меняться, при этом достигнутые значения параметров считаются исходными при использовании следующего метода оптимизации. В качестве оптимизируемых функций выступают элементы S-матрицы устройства, то есть коэффициент передачи, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) или другие характеристики. Если модель ФВ была выбрана правильно, обеспечивается достаточно высокое совпадение характеристик рассчитанного и изготовленного устройства. Рассмотрим примеры моделирования ФВ. Базовыми задачами моделирования являются исследование и оптимизация одного каскада (Т-схемы) (рис.1). Затем можно перейти к моделированию многозвенного модуля ФВ, состоящего из нескольких каскадов. В данной работе рассматривался шестизвенный ФВ на основе Т-мостов (рис.2, 3). Звено электрически управляемого СВЧ ФВ состоит из диэлектрической подложки, нижняя поверхность которой полностью металлизирована и заземлена; на верхней стороне подложки выполнена полосковая структура, представляющая собой неоднородную микрополосковую линию (МПЛ), в разрывы которой включены варакторы. К участкам этой линии, примыкающим к местам включения варакторов, подключены микрополосковые шлейфы. В многозвенной конструкции при изменении емкости варакторов смещается фаза сигнала на входе очередного Т-моста, что приводит к соответствующему сдвигу фазы на выходе. И устройство в рабочей полосе частот Т-мостов может функционировать как управляемый ФВ с плавной регулировкой фазы. При моделировании учитывались следующие конструктивные параметры устройства: подложка длиной 45,8 мм, шириной 22,7 мм и толщиной 1 мм; относительная диэлектрическая проницаемость материала RF4 ε = 4,6; тангенс угла диэлектрических потерь tg δ = 0,001; ширина участков МПЛ 0,9 мм; длина входного и выходного участков 3,2 мм; длина соединительных участков 4,1 мм; длина участков, входящих в состав Т-мостов, 1,5 мм; длина шлейфа 16,8 мм; ширина шлейфа 0,961 мм. Характеристики рассчитаны для пяти значений управляющего напряжения, реализующего емкости варакторов Cvar равные 0,5; 1,8; 3; 5,1 и 7,5 пФ. Для численного моделирования устройства использовалась программа электромагнитного моделирования FEKO компании EM Software. В результате оптимизации фазовый сдвиг одного каскада (Т-схемы) составляет примерно 60° в полосе 1,4-1,6 ГГц. Изменение фазы имеет линейный характер, как в зависимости от частоты (в диапазоне 1,2-2,5 ГГц), так и при варьировании управляющего напряжения на варакторе. Максимальный КСВН в полосе частот 1,4-1,6 ГГц не превышает 2. Коэффициент отражения ФВ на входе (S11) не превышает -12 дБ. Увеличение емкости варактора приводит к расширению полосы частот, в пределах которой КСВН не превышает 2. Однако по мере увеличения емкости уменьшается скорость изменения фазы. Максимальные потери (S21) в диапазоне рабочих частот 1,4-1,6 ГГц, составившие 0,3 дБ, отличаются малой неравномерностью. С увеличением частоты уровень потерь возрастает тем больше, чем меньше емкость варактора, и составляет -1 дБ для 7,5 пФ и -2 дБ для 1,8 пФ. Для обеспечения большего фазового сдвига использовался ФВ в виде каскадного соединения шести Т-мостов (см. рис.3). На вход и выход ФВ добавлены разделительные емкости, реализующие развязку по питанию от других устройств СВЧ-тракта. Каждая ячейка имеет пару емкостей и индуктивностей для блокировки СВЧ-сигнала на устройство управления. Питание каскадов выполняется параллельно, в цепи питания последовательно включены токоограничивающие сопротивления для защиты варакторов. Моделирование такого модуля дало следующие результаты. При изменении значения емкостей происходит сдвиг фаз колебаний (рис.4). Разность фаз между значениями 1,8 и 7,5 пФ превышает 360°. Изменение фазы носит практически линейный характер как в диапазоне изменения напряжений, так и в частотном диапазоне. КСВН ФВ на частоте 1,5 ГГц не превышает 3 (рис.5), максимальный коэффициент отражения (S11) ФВ на входе (рис.6) составляет -8 дБ, а максимальные вносимые потери равны -3 дБ (рис.7) при изменении емкости варактора от 1,8 до 5,1 пФ (дальнейшее увеличение емкости приводит к недопустимому росту S11 и S21). Результаты численного моделирования сравнивались с экспериментальными данными (рис.8) для частотных характеристик вносимых и обратных потерь ФВ, подключенного в прямом (S21, S11, кривая 1) и обратном (S12, S22, кривая 2) направлениях. Выяснилось, что экспериментальные и расчетные характеристики хорошо согласуются друг с другом. Различия объясняются несоответствием между реальной архитектурой ФВ и расчетными параметрами, а также возможным разбросом электрофизических параметров подложки. Таким образом, проведенные исследования подтверждают эффективность применения САПР для разработки фазовращателей с плавной регулировкой фазы.
Отзывы читателей
