Методика синтеза топологии платы узла радиочастотного тракта

Полный текст

Введение

Конкурентоспособность выпускаемой продукции во многом определяется ее качеством. Это касается в первую очередь наукоемких отраслей, таких как радиотехника, электроника, приборостроение. Качество радиоэлектронных систем и устройств закладывается на этапе их проектирования. В связи с этим важно использовать высокоэффективные методы разработки, проектирования и синтеза этих изделий и процессов их производства.

На данном этапе разработано много методик такого типа. К ним можно отнести методики формирования конструктивного базиса бортовой радиоэлектронной аппаратуры [1], моделирования сверхширокополосных полосовых СВЧ-фильтров [2], моделирования матриц переходов СВЧ-коммутаторов [3], создания проектных решений обеспечения тепловых режимов аппаратуры БПЛА [4], оценки метрологических характеристик методом схемотехнического моделирования [5], оптимизации эффективности экранирования от ЭМ-полей [6], моделирования и синтеза фазовращающих пленочных элементов [7], расчета усталостной надежности паяных соединений [8], организации процесса сквозного проектирования радиоэлектронных средств на базе интегрированных САПР, CALS-технологий [9] и др. Качество устройств и узлов РЧ-тракта, заложенное на этапе проектирования, реализуется на этапах производства, испытания и контроля [10; 11].

Основным недостатком этих методик является большие трудоемкость проектирования и объем информационных ресурсов.

Целью данной работы является разработка методики моделирования и синтеза параметров пленочных узлов радиочастотного и микроволнового трактов радиоэлектронной аппаратуры на базе модернизированной среды проектирования AWR Microwave Office Environment 15, обеспечивающей уменьшение трудоемкости процесса разработки и сокращение информационных ресурсов.

1. Методика синтеза

Предлагаемая методика отличается тем, что она включает следующие операции и процедуры: предварительную настройку испытательных стендов системы (библиотек); электромагнитный (ЭМ) анализ исходных данных и требуемых значений электрических параметров; выявление и анализ возможных паразитных параметров; предварительную разработку испытательных стендов для конфигурирования; предварительную проверку испытательных стендов; настройку испытательных стендов системы проектирования; анализ электромагнитных пленочных структур с помощью интеллектуально адаптивного разбиения сетки; моделирование предполагаемых радиочастотных мультиплексированных сигналов; моделирование цифрового предварительного искажения элементов (фрагментов); маршрутизацию трассировки цепей с помощью динамически рассчитанных направляющих; сравнение комбинаций топологических решений; проверку решения с помощью справочных таблиц; оценку качества элементов и компонентов схемы; оценку выполненного проекта с помощью испытательных стендов; проверку проектного решения с помощью динамически расчлененных направляющих для маршрутизации трассировки проводников с минимально допустимыми расстояниями; минимизацию размеров топологических элементов; построение графиков; оптимизацию графиков и нанесение на них обозначений из диалогового окна измерения.

В качестве базовой среды проектирования использована AWR Design Environment 15.

2. Отработка методики

Отработка методики проводилась на примере моделирования основных характеристик и конструкторского проектирования шлейфного направленного ответвителя (ШНО) РЧ- и МКВ-трактов.

2.1. Краткая характеристика объекта исследования. В технике СВЧ мостовые схемы обычно используются как делители мощности на два канала (в равных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансные смесители с высокой развязкой между входными каналами.

При использовании мостовой схемы в качестве делителя энергия подается на плечо 1, распределение мощности энергии происходит в равном соотношении между плечами 2 и 4, а при подаче мощности в плечо 2 энергия распределяется между плечами 1 и 3. В первом случае в плече 3, а во втором – в плече 4 устанавливается оконечная нагрузка.

При использовании мостовой схемы в качестве смесителя энергия подается в плечи 1 и 3, выходными плечами будут 2 и 4.

Направленные ответвители шлейфные применяются в аппаратуре СВЧ: в разветвителях и сумматорах мощности, в фазовращателях, переключателях, балансных смесителях, для изоляции передающих и приемных устройств, работающих на одну общую нагрузку. Шлейфные направленные ответвители имеют большие габариты и узкую рабочую полосу частот.

Основные частотные характеристики следующие:

• связь (переходное ослабление) $\overline{С}=10\lg (P_1/P_4),$ дБ. Здесь $P_1$ и $P_4$ – мощность в 1-м и 4-м плечах направленного ответвителя соответственно;
• направленность $D=10\text{lg(}{P}_4/P_3\text{),}$ дБ. Здесь $P_4$ и $P_3$ – мощность в 4-м и 3-м плечах направленного ответвителя соответственно;
• коэффициент стоячей волны, КСВ.

2.2. Требования к параметрам шлейфного ответвителя: частота сигнала 10 ГГц, материал подложек – поликор и Du Pont 951 толщиной 0,25 мм. Технология изготовления – толстопленочная.

Опираясь на требования технического задания, синтезируем топологию шлейфного направленного ответвителя. Для этого используем вышеуказанную методику и модернизированную программу Microwave Office, а именно – AWR Design Environment 15. Последовательность операций будет следующей: создаем новый проект «ШНО»; открываем Options → Project Options → Edit Units → Length; устанавливаем этот параметр («длина») в миллиметровый диапазон, так как длины и ширины элементов MLIN (двухсторонняя микрополосковая линия) удобнее рассматривать в миллиметрах. Схема установки параметра приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Установка глобальной переменной «Длина» в миллиметровый диапазон

Fig. 1. Setting the global variable «Length» to the millimeter range

 

Теперь во вкладке Elements → Ports → PORT вынесем четыре порта в рабочее поле. Затем во вкладке Elements выберем опцию Microstrip и подопцию Lines. Затем выберем пункт MLIN и вынесем четыре двухсторонние микрополосковые линии в рабочее поле. Соединим между собой порты и линии для получения топологической схемы. Таким образом, получаем схему (рис. 2) со стандартными значениями ширины и длины у микрополосковых линий. Везде установлены значения W = 0,04 мм и L = 0,1 мм, что не соответствует волновым сопротивлениям, необходимым для работы мостового устройства.

 

Рис. 2. Электрическая схема с параметрами по умолчанию

Fig. 2. Electrical diagram with default parameters

 

Необходимо получить на линиях MLIN ID = 1 и MLIN ID = 4 такие длины и ширины, которые будут соответствовать волновому сопротивлению $Z_1$ и $Z_4=50/\sqrt{2}$ Ом. А на линиях MLIN ID = 2 и MLIN ID = 3 такие длины и ширины, которые будут соответствовать волновому сопротивлению $Z_2$ и $Z_3=50$ Ом. Для этого воспользуемся встроенным в среду проектирования AWR Design Environment 15 инструментом (вкладкой) TXLine: Tools. В этой вкладке выбираем опцию TXLine, при этом открывается окно (рис. 3).

 

Рис. 3. Окно настроек инструмента TXLine

Fig. 3. TXLine tool settings window

 

В этом окне установим параметры диэлектрической постоянной Dielectric Constant, то есть нашу диэлектрическую постоянную ${\epsilon }_r=\mathrm{7,8}$ и тангенс угла диэлектрических потерь Loss Tangent $\text{tg(}\delta \text{)}=\mathrm{0,006}$ Затем вводим через клавиатуру для параметров MLIN ID = 1 и MLIN ID = 4 Impedance равным $50/\sqrt{2}=$35,36 Ом. А для MLIN ID = 2 и MLIN ID = 3 установим параметр импеданса Impedance равным 50 Ом. В поле Frequency установим 10 ГГц для всех линий. Electrical Length также для всех линий равна 90°. Вводим параметры высоты и толщины Height(H) = 0,25 мм и Thickness (T) = 0,01.

После, выбрав в папке Substrates опцию MSUB, зададим наши электрические параметры в соответствии с техническим заданием. Электрическая схема ШНО приведена на рис. 4.

 

Рис. 4. Электрическая схема с параметрами, соответствующими техническому заданию

Fig. 4. Electrical diagram with parameters corresponding to the technical specifications

 

3. Построение графиков

Построим АЧХ для схемы шлейфного направленного ответвителя. Для этого во вкладке Graphs выбираем опцию New Graph и внутри New Graph добавим измеряемые параметры. В нашем случае это передаточные характеристики матрицы рассеяния в прямом направлении $S_{21}\text{,}$ $S_{31}\text{,}$ $S_{41}$. Для построения графиков также необходимо добавить некоторый диапазон частот около нашей рабочей частоты 10 ГГц. Во вкладке Options выберем опцию «проект» Project и во вкладке Options выбираем опцию Frequences и задаем f = 9,5 Start 9,5 GHz, в той же вкладке Options в опции Project Options → Frequences задаем частоту Stop 10,5 GHz. АЧХ приведена на рис. 5.

 

Рис. 5. АЧХ шлейфного направленного ответвителя

Fig. 5. Frequency response of a directional coupler

 

Отметим, что у 2-го и 3-го выхода передаточная характеристика соответствует уровню 3 дБ, а у 4-го выхода – 40 дБ, что удовлетворяет техническому заданию.

На рис. 6 приведена топология шлейфного ответвителя, смоделированная с помощью программы.

 

Рис. 6. Топология шлейфного ответвителя

Fig. 6. Topology of a pigtail splitter

 

Заключение

1. Разработана методика синтеза пленочных узлов РЧ- и МКВ-трактов. В качестве базовой среды проектирования использована модернизированная AWR Design Environment 15. Методика предусматривает использование интегрированных технологий.
2. Проведена экспериментальная отработка методики на примере моделирования и проектирования ШНО. Получена топология ответвителя, удовлетворяющая требованиям технического задания.
3. Предложенная методика позволяет сократить трудоемкость моделирования основных характеристик узлов и конструкторского проектирования, а также уменьшить информационные ресурсы.

Об авторах

Дмитрий Николаевич Новомейский

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Автор, ответственный за переписку.
Email: dmitr.novomejscky@yandex.ru

аспирант кафедры радиоэлектронных систем

Область научных интересов: технология изготовления элементов радиочастотного тракта

Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Михаил Николаевич Пиганов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: piganov@ssau.ru

профессор кафедры радиоэлектронных систем

Область научных интересов: надежность бортовых радиоэлектронных устройств

Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Антон Алексеевич Лупцов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: antonluptsov@yandex.ru

аспирант кафедры радиоэлектронных систем

Область научных интересов: моделирование частотно-избирательных систем

Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Дмитрий Сергеевич Богданов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: kipres@ssau.ru

аспирант кафедры радиоэлектронных систем 

Область научных интересов: проектирование печатных плат и узлов радиотехнических систем

Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

Список литературы

Дополнительные файлы