Диссертация (Исследование печатных плат с многослойными диэлектрическими подложками и разработка микрополосковых СВЧ устройств на их основе), страница 7

Диэлектрик внутренних конденсаторов изготовлен наосновеконденсаторнойпасты5674сдиэлектрическойпроницаемостью 60-80, обкладки – на основе проводниковой пасты6148. Расчеты параметров фазовращателя с помощью программныхсредств Microwave Office показали, что при изменении управляющегонапряжения варикапов от 0,5 до 15 В, изменение фазы можетдостигать 300 градусов (рисунок 1.24).Рисунок 1.24 - Расчетное изменение фазы сигнала, проходящего черезфазовращатель, при изменении напряжения на варикапахТакимобразом,рассмотренныевданномразделемикрополосковые СВЧ устройства на многослойных керамическихплатах подтверждают актуальность и перспективность рассмотреннойтехнологии LTCC и ее модификаций. Существующий уровеньосвоения этой технологии позволяет изготавливать малогабаритныемногофункциональныеСВЧмодулииузлысвысокой50повторяемостьюистабильностьюзаданныхэлектрическиххарактеристик и параметров.1.5 Анализ методов расчета, проектирования имоделирования микрополосковых СВЧ устройств напечатных платах с многослойными диэлектрическимиподложкамиДляпроектированиямикрополосковыхмногослойнымиСВЧикомпьютерногоустройствдиэлектрическиминамоделированияпечатныхподложкамиплатахмогутсбытьиспользованы аналитические и численные методы расчета [54, 55].К аналитическим методам расчета таких устройств, следуетотнести, прежде всего, метод частичных областей, который вэлектродинамике используется наиболее часто.

В основе этого методазаложено разделение исследуемой структуры на простые подобласти,в каждой из которых получают решение системы уравненийМаксвелла с учетом граничных условий на части поверхностиподобласти. Из условий удовлетворения граничным условиям наостальной поверхности подобласти и непрерывности на общихграницах раздела находят неизвестные амплитуды составляющихполей в каждой частичной подобласти и области в целом.Модификациями метода частичных областей, в зависимости отспособа согласования полей на границах сред, являются методТрефтца (метод прямого сшивания полей), метод сшивания полей сучетом условия на ребре и методы, основанные на вариационныхпринципах.51Метод Трефтца обеспечивает решение электродинамическойзадачи за счет ее сведения к решению бесконечной системы линейныхалгебраическихуравненийдляпространственныхгармониквчастичных областях.

Единственность решения достигается учетомусловия на ребре структуры.Метод сшивания полей с учетом условия на ребре сводится ксшиванию полей в частичных областях с полями, задаваемыми награницах их раздела. При аппроксимации полей на границахчастичных областей в системе базисных функций достигаетсяединственность решения.Использованиеметодов,основанныхнавариационныхпринципах, предполагает нахождение собственных значений краевойзадачииопределениестационарногозначенияфункционала,аппроксимирующего распределение полей на границах частичныхобластей.

При этом даже грубые аппроксимации позволяют получитьискомую характеристику в виде стационарного значения некоторогофункционала. Более точные решения находятся в виде бесконечныхсистемлинейныхалгебраическихуравненийдляамплитудаппроксимирующих полей. Учет условия на ребре в системе базисныхфункций позволяет найти единственное решение.Следует отметить, что применение методов частичных областейзависит от геометрии исследуемой электродинамической структуры,которая может быть разделена на частичные области, как впродольном, так и в поперечном направлениях.Проанализированныеразновидностиметодачастичныхобластей довольно часто рассматриваются как вариации методамоментов, приводящие к одной и той же системе уравнений, если длякаждой границы раздела вместо систем базисных и весовых функцийприменяются собственные функции одной из смежных частичных52областей.

Точность решения, скорость сходимости и время счетаопределяются выбором системы базисных функций.Сложность формулировки граничных задач, необходимостьучета конечных размеров и толщины проводников микрополосковыхлиний, а также сдвига фазы на период системы, приводят кзначительнымтрудностямэлектродинамическоймикрополосковыхполучениязадачи.структурприближенно-аналитическихстрогогоПоэтомуболеедляэффективнометодоврасчета,решениясложныхприменениепредполагающихзамену реальной системы эквивалентной схемой или длинной линией.При этом необходимая точность расчета достигается возможностьюучета дисперсионных свойств эквивалентных погонных параметров:индуктивности и емкости.Численные методы расчета и компьютерного моделированиямикрополосковыхмногослойнымиСВЧустройствдиэлектрическиминапечатныхподложками,платахтакжекаксианалитические, основаны на решении системы уравнений Максвелла сучетом граничных условий.

Наиболее известным из них являетсяметод моментов, который реализован в программе AWR DesignEnvironment (Microwave Office (MWO)) [16, 56, 57]. Этот методописывает исследуемое микрополосковое СВЧ устройство в видемногослойной планарной конструкции. При этом слои могут бытьсоединены между собой металлическими перемычками.

Такаяструктура разбивается на элементарные области, в которых известныфункции Грина, а далее решается система уравнений, основанная нанепрерывности полей на границах слоев.Еще одной программой, также основанной на методе моментов,является IE3D, на базе которой в настоящее время компанией MentorGraphics выпущена программа Hyper Lynx 3DEM [58, 59]. Данная53программа менее популярна среди разработчиков микрополосковыхустройств, однако, в отличие от MWO, она позволяет учесть элементыкорпуса проектируемого СВЧ устройства.Следует также отметить, что эффективность примененияпрограмм численного моделирования существенно возрастает прииспользовании специальных технологических библиотек (ProcessDesign Kit, PDK), в которых сгруппированы наиболее частовстречающиеся элементы схем и моделей для определенной системыпроектирования с учетом конкретной технологии изготовления этихкомпонентов [33, 57, 59].

Например, в системе проектирования AWRDesignEnvironment, такаябиблиотека учитывает стек слоев,выполняет согласование слоев, а также определяет слои длясоединениякомпонентов.прорисованнымСоответствиетопологическимдиэлектрическимислоямитехнологическимиLPF-файлами.междурисункомиописываетсяДляслоямисреальнымиспециальнымипостроениябиблиотекиспользуется структурированный язык XML. PDK использует XMLбиблиотекудлямоделями,описаниясвязейтопологическиммеждусхемотехническимипредставлениемкомпонентов,специальными символами элементов и ссылками на библиотекикомпонентов поверхностного монтажа. Таким образом, достигаетсяуниверсальнаясредаинтегрированныеупорядоченныхипроектирования,навесныенаборов,позволяющаякомпонентыкоторыеизвыбиратьспециальныхпрорисовываютсяводномредакторе.Рассмотрим далее пример проектирования в AWR DesignEnvironment с помощью PDK-библиотеки спиральной замедляющейсистемыпрямоугольногосечениявмногослойнойсреде(рисунок 1.25).

Процесс создания такой модели занимает два этапа.54Рисунок 1.25 – Структура спирали в AWR Design EnvironmentНа первом этапе структура спирали прорисовывается как наборпримитивов в виде связанных линий, расположенных на разныхслоях,моделированиекоторыхвозможновквазистатическомприближении для поперечного сечения подложки. Такая модель будетучитывать электромагнитные связи только между параллельнымисегментами спирали. Далее, с помощью специальной программыAWR Model Wizard, формируется С++ код, представляющий собойпроцедуру прорисовки электродинамической структуры по заранееопределенному набору ее основных параметров и топологии. ВрезультатепоследующейкомпиляцииС++кодаформируетсяисполняемая DLL – библиотека.На втором этапе полученная DLL - библиотека сохраняется вспециальной директории моделей технологических библиотек PDK.Послеэтого,необходимостипризапускеиспользованияпрограммыданнойMicrowaveмоделиOfficeиспиральнойзамедляющей системы в виде эквивалентной схемы или топологии,сформированный программный код из DLL-файла автоматическинарисует ее на соответствующих слоях согласно описанию.

Причастом использовании модели можно создать специальный символ, спомощью которого она будет отображаться на схеме, а также сделать55файлсправкисописаниемпараметровмодели,возможныхограничений по частотному диапазону и т.д. Такое описание будетпредставлено в XML-библиотеке в структурированной форме.Израссмотренногопримера следует,чтоиспользованиеспециальных технологических библиотек при электродинамическоммоделировании имеет ряд преимуществ.

Компилированные моделиработают быстрее аналогичных им интерпретированных версий.Кроме того, такие модели дают более точный результат, чем модели,описанные в аналитической форме и имеющие ограничения.Дополнительным преимуществом является небольшой размер DLLбиблиотеки, что позволяет пересылать ее по электронной почте привнесении каких-либо изменений в технологический процесс илиобновлениисамоймодели.Можнотакжеотметить,чтоскомпилированная модель обладает защитой от третьих лиц,поскольку декомпиляция исходного кода представляет значительныетрудности.Появление открытых вычислительных технологий, таких какMicrosoft Component Object Model (COM), позволяет интегрироватьпрограммы моделирования различных производителей в рамкахединой среды проектирования. Так компанией AWR разработанинтерфейс EM Socket, который использует СОМ-технологию и даетвозможностьпроверкирезультатовэлектродинамическогомоделирования, полученных с помощью разных методов [60].Таким образом, многообразие существующих методов расчета икомпьютерного моделирования микрополосковых СВЧ устройствпозволяет осуществлять выбор конкретного метода, производитьрасчеты разными методами и выполнять их сравнение с цельюповышения точности и уменьшения времени счета.