Methodology for synthesizing the topology of a radio frequency path node board

Dmitry N. Novomeisky; Новомейский Дмитрий Николаевич; Mikhail N. Piganov; Пиганов Михаил Николаевич; Anton A. Luptsov; Лупцов Антон Алексеевич; Dmitry S. Bogdanov; Богданов Дмитрий Сергеевич

doi:10.18469/1810-3189.2025.28.3.49-55

Methodology for synthesizing the topology of a radio frequency path node board

作者: Novomeisky D.N.¹, Piganov M.N.¹, Luptsov A.A.¹, Bogdanov D.S.¹
隶属关系:
1. Samara National Research University
期: 卷 28, 编号 3 (2025)
页面: 49-55
栏目: Articles
URL: https://journal-vniispk.ru/1810-3189/article/view/343629
DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2025.28.3.49-55
ID: 343629

如何引用文章

全文:

详细
全文:
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

Background. The relevance of the topic of this work is due to the need to reduce the complexity of the process of designing the topology of boards of film nodes of radio frequency and microwave paths. Aim. Development of a methodology for modeling and synthesizing parameters of film assemblies of radio frequency and microwave paths of electronic equipment based on the upgraded AWR Microwave Office Environment 15 design environment. Methods. The article discusses a method for synthesizing board topology, which includes the following basic operations and procedures: setting up test benches, analyzing source data, estimating required electrical parameter values, adaptive grid partitioning, modeling multiplexed signals, modeling element distortions, routing circuit tracing, verifying solutions using tables, evaluating a completed project using test benches, minimizing the distances between conductors, plotting and optimizing graphs. Development of the conductor methodology using the example of modeling and design of a directional loop coupler of RF and MV paths. Results. The topology of a directional loop coupler with a 10 GHz signal frequency has been synthesized for its implementation using thick-film technology on a 0,25 mm thick polycor and Du Pont 951 substrate. The frequency response of the coupler is built. Conclusion. The resulting topology meets the requirements of the technical specification. Experimental testing of the technique has shown that it can reduce the complexity of modeling the main characteristics of nodes by 20–40 % and reduce information resources by up to 30 %.

关键词

methodology, design, topology, directional loop coupler, modeling, synthesis operations, labor intensity

全文:

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) $\bar{С} = 10 \lg (P_{1} / P_{4}),$ дБ. Здесь $P_{1}$ и $P_{4}$ – мощность в 1-м и 4-м плечах направленного ответвителя соответственно;
направленность $D = 10 lg(P_{4} / P_{3}),$ 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 $ε_{r} = 7,8$ и тангенс угла диэлектрических потерь Loss Tangent $tg(δ) = 0,006$ 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 $S_{21},$ $S_{31},$ $S_{41}$ . 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

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.
Проведена экспериментальная отработка методики на примере моделирования и проектирования ШНО. Получена топология ответвителя, удовлетворяющая требованиям технического задания.
Предложенная методика позволяет сократить трудоемкость моделирования основных характеристик узлов и конструкторского проектирования, а также уменьшить информационные ресурсы.

作者简介

Dmitry Novomeisky

Samara National Research University

编辑信件的主要联系方式.
Email: dmitr.novomejscky@yandex.ru

postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems

Research interests: manufacturing technology of radio frequency path elements

俄罗斯联邦, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Mikhail Piganov

Samara National Research University

Email: piganov@ssau.ru

professor of the Department of Radioelectronic Systems

Research interests: reliability of on-board electronic devices

俄罗斯联邦, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Anton Luptsov

Samara National Research University

Email: antonluptsov@yandex.ru

postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems

Research interests: modeling of frequency-selective systems

俄罗斯联邦, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

Dmitry Bogdanov

Samara National Research University

Email: kipres@ssau.ru

postgraduate student of the Department of Radioelectronic Systems

Research interests: design of printed circuit boards and components of radio engineering systems

俄罗斯联邦, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086

参考

A. S. Kuznetsov and M. N. Ushkar, “Methodology for forming a constructive basis for on-board radars of UAVs,” Uspekhi Sovremennoy Radioelektroniki, no. 9, pp. 51–62, 2023, doi: https://doi.org/10.18127/j20700784-202309-06. (In Russ.)
V. A. Maklashov and M. N. Piganov, “Simulation of ultrawideband embedded multilayer RF filters embedded in a printed circuit board,” in IV Int. Conf. and Youth School Information Technology and Nanotechnology (ITNT-2018), Samara: Novaya Tekhnika, 2018, pp. 1689–1697, url: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=34894908 (In Russ.)
V. A. Maklashov, M. N. Piganov, and M. V. Petrov, “Simulation of transition matrix and strip lines of RF switch,” in V Int. Conf. and Youth School Information Technology and Nanotechnology (ITNT-2019), vol. 3, Samara: Novaya Tekhnika, 2019, pp. 199–206, url: http://repo.ssau.ru/handle/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Modelirovanie-matricy-perehodov-i-poloskovyh-linii-SVCh-kommutatora-76262 (In Russ.)
A. V. Starenchenko, “Development of CAD for heat-loaded UAV devices,” Trudy MAI, no. 95, pp. 1–8, 2016. (In Russ.)
V. V. Sleptsov and M. V. Mostovskoy, “Methodology for assessing metrological characteristics of adjustable electric drive using circuit simulation method,” Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, vol. 87, no. 1, pp. 22–26, 2021, url: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=dczgaq (In Russ.)
A. V. Muratov, M. A. Romashchenko, and A. V. Sudarikov, “Methodology for optimizing shielding effectiveness for electromagnetic field screens,” in System Problems of Reliability in Innovation Projects: Materials of the International Conference, pt. 2, Moscow: Energoatomizdat, 2012, pp. 52–54. (In Russ.)
A. G. Kamaletdinov and A. Kh. Gilmutdinov, “Wideband phase shifter based on RC element,” Elektronnoe Priborostroenie, no. 5, pp. 55–62, 1998. (In Russ.)
M. N. Piganov and A. V. Ivanov, “Development of a program for calculating the fatigue reliability of solder joints using the Engelmaier models,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 21, no. 2, pp. 68–77, 2018, url: https://journals.ssau.ru/index.php/pwp/article/download/7038/6897.pdf (In Russ.)
S. Yu. Sizov, V. A. Shuvaev, and O. Yu. Makarov, “Organization of end-to-end design process for electronic equipment based on integrated CAD and CALS technologies,” Vestnik VGTU, vol. 3, no. 12, pp. 17–19, 2007. (In Russ.)
A. V. Kulikov, “Methods of control and measurement of components of onboard radio engineering complex,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 3, pp. 32–39, 2023, doi: https://doi.org/11.18469/1810-3189.2023.26.3.32-39. (In Russ.)
A. P. Bykov, “Algorithm for conducting autonomous tests of electronic equipment,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 23, no. 3, pp. 97–104, 2020, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2020.23.3.97-104. (In Russ.)