На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

Лабораторная работа №1

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК
СВЯЗАННЫХ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Цель работы:
Получить навыки работы на компьютерных программах “LINECALC” и “TOUCHSTONE” на примере
 расчета характеристик связанных полосковых линий.

Домашнее задание (ДЗ):

Для заданных размеров связанных полосковых линий (рис.1.1) рассчитать матрицу рассеяния восьмиполюсника на заданной частоте (рис.1.2).
Исходные данные для расчета связанных полосковых линий передачи:
Частота 5 ГГц.

Рис. 1.1. Связанные в одной плоскости полосковые линии

Вариант

B (мм)
Высота

W(мм)
Ширина линий

S(мм)
Зазор

L (мм)
Длина линии

T(мм)
Толщина полоски

Er(ед.)Диэлектр. прониаем. заполнения

1

4

2

0.5

50

0.05 Сu

2

2

6

3

1

10

0.1 Cu

3

3

5

2

1

15

0.2 Cu

4

4

4

1.5

0.5

8

0.05 Au

6

5

2

1

0.5

6

0.05 Au

10

6

3

1

1

12

0.1 Cu

6

7

2.5

1

1

8

0.05 Au

4

8

5

2

1

8

0.1 Cu

5

9

5

1.5

1

12

0.05 Cu

2

10

3

1

1

10

0.05 Cu

2

11

4

1

1

15

0.1 Cu

2.4

12

3

1.5

1

12

0.05 Cu

4

13

2

0.8

0.5

9

0.05 Cu

9

14

2.5

0.5

0.5

10

0.1 Au

9

15

4

0.5

1

15

0.04 Au

4

Задание для выполнения лабораторной работы:

 1. На программе LINECALC рассчитать Zoe (волновое сопротивление при четном возбуждении), 
Zoo
(… при нечетном возбуждении), E (электрическая длина) по геометрическим размерам, заданным 
в таблице. Эти параметры будут нужны для анализа идеальных связанных линий передачи и расчета 
матрицы рассеяния восьмиполюсника.

2. На программе Touchstone рассчитать S-матрицу восьмиполюсника

а) с помощью элемента CLIN (идеальные связанные линии); 
b)
помощью элемента CLINP (физическая модель связанных линий);
c) c помощью элемента SCLIN (связанные полосковые линии).

 

Теоретическое введение

Рассчитываемое устройство является восьмиполюсником, т.е. имеет 4 плеча (выходных порта).

 

Искомая S-матрица имеет вид:

      (1.1)

Рис.1.2. Полосковые линии со связью по узкой стороне

В силу симметричности, в этой матрице неповторяющимися остаются только 4 элемента:

(1.2)

Элементы матрицы рассеяния находятся из матриц рассеяния схем, полученных разделением схемы электрической и магнитной стенками, соответствующими четным и нечетным типами колебаний, с помощью следующих соотношений (здесь при записи используется только симметрия вдоль структуры):

           

           

           

            (1.3)

           

           

           

            ,

где

  - элементы S-матрицы ЧП, полученные для четных колебаний,

- элементы S-матрицы ЧП, полученные для нечетных колебаний.

 

 

Рис.1.3. Схема восьмиполюсника, имеющего плоскость симметрии (а) и его половины для 
четных и нечетных типов колебаний (б).

 

Рис.1.4. Поперечные сечения связанных 
линий передачи и соответствующие 
сечения парциальных четырехполюсников
 в методе симметрии: а) круглый двухпроводный волновод;

б) - полосковые линии сл связью по узкой 
стороне , в) - полосковые линии со связью
 по широкой стороне.

 

 

Для полосковых линий волновые 
сопротивления при четном и нечетном возбуждениях [1] находятся по формулам:

(1.4)

, (1.5)

где K - полный эллиптический интеграл первого рода, - постоянная четного возбуждения, - постоянная нечетного возбуждения. Используя аппроксимацию, для k с обоими индексами [2]:

         (1.6)

где .                                                       (1.7)

Постоянные для четного и нечетного возбуждений определяются по формулам:

            (1.8)

           (1.9),

где:

W - ширина полосковых линий,

b - расстояние между экранирующими плоскостями полосковых линий,

s - зазор между полосками,

- диэлектрическая проницаемость материла, заполняющего пространство
между экранирующими плоскостями.

Для расчета для [S]e и [S]o – матриц отрезка полосковой линии длиной l, используем формулу из [2]:

                                                             (1.10),

где

. 

При расчете [S]e и [S]o положим (Zo = 50 Ом):

- для расчета [S]e : Z=Zoe ,              .                                                 (1.11)

- для расчета [S]o : Z=Zoo , ,.

Для справки: , ,

Контрольные вопросы

    1. Сформулируйте условия пассивности восьмиполюсника в терминах элементов S-
      матрицы.
    2. Физический смысл характеристических сопротивлений для четных и нечетных типов
       волн. Каково соотношение между этими сопротивлениями?
    3. Можно ли из связанных линий сделать направленный ответвитель и как?
    4. Как изменится S-матрица связанных линий при различных ширинах W1¹ W2?
    5. Сформулируйте определения электрической и магнитной стенки и установите их 
      в связанных полосковых линиях.
    6. Сформулируйте условия пассивности и недиссипативности для 8-полюсника.

Литература

  1. Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.А. Мишустин. Устройства СВЧ. М., “Высшая школа”, 1981, 295 стр.
  2. К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. Машинное проектирование СВЧ устройств. М., “Радио и связь”, 1987, 430 стр.
  3. Курушин А.А, Подковырин С.И. Программа анализа и проектирования СВЧ схем TOUCHSTONE/DOS. М., МГИЭМ, 1998. 251 с.

4.  Р. Карсон. Высокочастотные усилители. М., “Радио и связь”, 1981, 216 с.

 

 

Приложение 1

Порядок лабораторной работы

1. На программе LINECALC проводим анализ связанных полосковых линий и получаем Ze и Zo
сравнивая с полученными дома значениями:

 2. Составляем схемный файл TOUCHSTONE [3] для анализа этой линии и рассчитываем S - 
    матрицу восьмиполюсника:

(блок DIM)
!

SSUB ER=2 B=4 T=0.1 RHO=1

CKT

SCLIN 1 2 3 4 W=2 S=0.5 L=50
DEF4P 1 2 3 4 SWPOL

FREQ

SWEEP 5.0 10.0 5.0 !Анализ в частотном диапазоне 5 ... 10 ГГц

OUT

SWPOL MAG(s11) !Вывод параметра S11, затем S21 и т.д.

! MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
5.000 0.18831 22.9085 0.22683 23.3714 0.04956 138.677 0.95082 -65.4498
 

  1. Расчет линии с теми же данными, но используя элемент идеальных связанных линий
    (для ввода используем рассчитанные Ze и Zo в Омах, а также E в градусах).

!идеальные связанные линии
!FILE NAME: LABA1_1.CKT 27/1/1998
!
(блок DIM) FREQ GHZ \RES OH\ COND 1/OH\ CAP PF\ IND NH \LNG MM &
TIME PS\ ANG DEG 

CKT

CLIN 1 2 3 4 ZE=81.54 ZO=49.9 E=424.56 F=5.
DEF4P 1 2 3 4 SWLIN

FREQ

SWEEP 5.0 10.0 5.0
OUT

SWLIN MAG[S11] ... ( далее этот параметр меняем, и получаем в итоге таблицу)

 ! S-параметры на частоте 5 ГГц
! MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
5.000 0.20743 23.2367 0.20923 23.2582 0.04995 138.981 0.95431 -65.4502
 

4. Расчет с помощью элемента “физическая модель связанных линий”.

Фазовые коэффициенты можно рассчитать из величины E (град) следующим преобразованием:

(рад/м)

Текст программы будет следующий:

...
CKT

CLINP 1 2 3 4 ZE=81.54 ZO=49.9 L=50 KE=7.4 KO=7.4 AE=0.02 &
AO=0.06
DEF4P 1 2 3 4 SWLIN

FREQ

SWEEP 5.0 10.0 5.0

OUT

SWLIN MAG[S11]

SWLIN ANG[S11]
SWLIN MAG[S21]
SWLIN ANG[S21]

SWLIN MAG[S12]
SWLIN ANG[S22]

 

Результаты расчета (после нажатия на F8)

! MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
5.000 0.22470 -5.42697 0.22669 -5.43276 0.05399 78.4703 0.94591 -95.7781

 

Приложение2

Программа анализа и синтеза линий LINECALC

 

Эта программа работает в одной связке с Touchstone и запускается файлом linecalc.exe. Программа LINECALC выполняет анализ и синтез, т.е. решает прямую и обратную задачу, например:

Прямая задача(анализ): Имеем геометрические размеры микрополосковой линии:

Ширина W = 1 мм,
Длина: L = 10 мм.

(Подложка имеет следующие параметры:

MSUB ER = 9.8 H = 1 мм T = 0.04 мм RHO = 0.84 RGH = 0)

Пусть необходимо рассчитать волновое сопротивление и фазовую задержку на частоте 1 ГГц. В результате расчета на LINECALC получаем:

Z0 = 47.95 Ом,

E (eff) = 30.6 градусов,

а также

Keff - эффективное волновое число Keff= 6.49 (градус/метр)
A = 0.01 дБ.

Обратная задача(синтез): Имеем волновое сопротивление и фазовую задержку. Необходимо рассчитать геометрические размеры (параметры) микрополосковой линии, которая реализует эти заданные характеристики.

                                                                 Интерфейс программы LINECALC:

На этой панели мы видим следующие обозначения:

ANA – режим анализа (на этом месте может быть SYN - синтез);
MSUB
– параметры диэлектрической подложки:
ER
– относительная диэлектрическая проницаемость,
H
– толщина подложки,
T –
толщина полоски,
RHO
– относительная удельная проводимость металла по отношению к золоту (2.44 мОм/см),
RGH
– оценка шероховатости поверхности металла.
TAND
– тангенс диэлектрических потерь,
MCOVER
– верхняя крышка,
HC
– расстояние от линии до верхней крышки,
FREQ
– параметр частота,
F
– значение частоты,
MWALL
– металлические стенки,
W1
– расстояние до правой металлической стенки,
W2 –
расстояние до левой металлической стенки,
DIM
– размерность,
LNG
– единица измерения длины,
ANG
– единицы измерения угла.

--------------исходные данные---------

MLIN – микрополосковая линия,
W
– ширина микрополосковой линии,
L
– длина микрополосковой линии.

-------------рассчитанные данные---------

Z0 – волновое сопротивление,
Keff
– постоянная распространения,
A,dB
– затухание линии длиной L,
E(eff
) - фазовый угол сдвига на заданной частоте.

Функции на панели программы Linecalc

(выполняются нажатием функциональных клавиш F1-F10)

 

Верхняя строка - F1...F10 + Shift

1= Type -
2= Menu - выбор типа линии из дополнительного окна,
3=Undo3 - отказ от изменения параметра, проведенного Sc
hift-F3,
4=Undo4 - отказ от изменения параметра, проведенного Schift-F4,
5=Undo5 - отказ от изменения параметра, проведенного Schift-F5,
6=Undo6 - отказ от изменения параметра, проведенного Schift-F6,
7=PrtSc - печать содержимого экрана на принтере,
8=SDpth - расчет глубины скин-слоя по отношению к золоту T=24.2826,
10 =Stop - выход из программы Linecalc.

                                      Нижняя строка меню

1=Help - помощь (небольшое сообщение),
2=ParEdit - редактирование параметров. При нажатии активное окно,
переходит из верхней части в среднюю и наоборот,
3= Inc1 - увеличение параметра на 1%,
4=Inc10 - увеличение параметра на 10%,
5=Dcr1 - уменьшение параметра на 1 %,
6=Dcr10 - уменьшение параметра на 10%,

7=An/Syn - переключение Анализ/Синтез. При нажатии активное окно пере
ходит 
                 из средней части в нижнюю и наоборот,

8=Calc - расчет (аналогично Enter после ввода в командную строку нового
  значения параметра),
9=Title - заголовок.

Программа LINECALC анализирует следующие элементы СВЧ тракта:

Имя элемента, одинаковое и для программы LINCALC, и TOUCHSTONE

Нумерация узлов в программе TOUCHSTONE

Параметры, вводимые в программе TOUCHSTONE

Наименование элемента программы TOUCHSTONE, который можно анализировать и синтезировать на программе LINECALC (вид см. [3])

MLIN

n1 n2

W L

Отрезок МПЛ

MCLIN

n1 n2 n3 n4

W S L

Связанные МПЛ

MLANG

n1 n2 n3 n4

W S L

НО Ланге

MLANG6

n1 n2 n3 n4

W S L

НО Ланге 6 штырьковый

MLANG8

n1 n2 n3 n4

W S L

НО Ланге 8 штырьковый

SLIN

n1 n2

W L

Полосковая линия

SCLIN

n1 n2 n3 n4

W S L

Связанные полосковые линии

SBCLIN

n1 n2 n3 n4

W S L

Связанные по широкой стороне линии

SOCLIN

n1 n2 n3 n4

W WO S L

Выступающие связанные линии

CPW

n1 n2

W G L

Копланарный волновод

CPWG

n1 n2

W G L

Копланарный волновод с подложкой снизу

COAX

n1 n2 n3 n4

DI DO L ER TAND RHO

Коаксиальный кабель

COAXA

n1 n2 n3 n4

DI DO L ER TAND RHO

Коаксиальный кабель с

другой нумерацией

SSCLIN

n1 n2 n3 n4

W S L

Связанные ЛП с подвешенной подложкой

SSLIN

n1 n2

W L

ЛП с подвешенной подложкой

 

Данные о подложке

(вводятся отдельной строкой в программе TOUCHSTONE
и вводятся в окно исходных данных в программе LINECALC)

SSSUB ER H T RHO RGH HU HL

Описание линии с подвешенной подложкой

SSUB ER B T RHO

Описание полосковой линии

MSUB ER H T RHO RGH

Описание подложки для микрополосковой линии

Например:

SSUB - описание конструкции полосковой линии

Данные:

ER - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения,
B -
толщина подложки (полосковой линии),
T -
толщина металлического проводника,
RHO -
удельное сопротивление проводника по отношению к меди.

Синтаксис:

SSUB ER=x1 B=x2 T=x3 RHO=x4

Пример:

SSUB ER=3.2 B=50 T=0.2 RHO=1

Замечание. Touchstone использует значение 1.72 микроОм/см для удельного сопротивления меди. Действительное значение удельного сопротивление будет равно этому значению, умноженному на RHO. Если потери в проводнике полагаются незначительными, то RHO = 0.

Справочный материал

Коды и удельные сопротивление металлов

Код

Материал

RHO (мкОм/см)

AU

Золото

2.44

CR

Хром

18

CU

Медь

1.72

RC

Катаная медь

1.673

MO

Молибден

5.69

AG

Серебро

1.59

NI

Никель

8.707

PD

Палладий

10.69

PT

Платина

10.62

TA

Тантал

15.52

TI

Титан

55.0

W

Вольфрам

5.6

FE

Железо

9.66

AL

Алюминий

2.65

MG

Магний

4.45

SN

Олово

11.55

IN

Индий

15.52

ZN

Цинк

5.68

ZR

Цирконий

4.10

RH

Родий

4.51

IR

Иридий

5.30

TN

Нитрид тантала

250

SC

Сверхпроводник

0

 Примечания:

    1. В расчете используется коррекция толщины.
    2. Коррекция толщины применяется при толщине полоски меньшей, чем 1000 А.
    3. Толщина катаной меди дается в унциях меди (1 унция = 0.00135 дюйма, 1 дюйм = 25.4 мм).
 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июня 26, 2000