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  

 

Моделирование планарных волноводных устройств

во временной области

Авторы: д.т.н. Сестрорецкий Б.В., аспирант Климов К.Н.,аспирант Щербаковский С.С., д.т.н., проф. Петров А.С.

Методические указания к выполнению лабораторной работы составлены в соответствии с рабочей программой по курсу “Техническая электродинамика и устройства СВЧ”, который изучается в седьмом и восьмом семестрах студентами специальности 20.08 “Проектирование и технология РЭС”. Пособие содержит основополагающие сведения по вопросам моделирования планарных волноводных устройств и структур с неоднородным диэлектрическим заполнением на основе метода импедансных сеток во временной области, а также описание входного языка программы TAMIC Rt-H Planar Analyzer.

 

Введение

Цель настоящей лабораторной работы состоит в ознакомлении учащихся с методологией тополого-эвристического проектирования планарных волноводных СВЧ устройств, имеющих разветвления, а также сквозные металлические и диэлектрические включения в Н-плоскости.

Эффективное программное обеспечение (комплекс TAMIC Rt-H), используемое при проведении лабораторной работы, позволяет наблюдать процесс распространения электромагнитных волн и распределение интенсивности полей для стационарных и нестационарных режимов возбуждения для внутренних и внешних задач, анализировать частотные зависимости параметров S-матрицы рассеяния проектируемых устройств в удобных для критического восприятия алфавитно-цифровой и графической формах.

Отличительной особенностью рассматриваемого программного комплекса является возможность анализировать топологии с произвольным диэлектрическим заполнением (относительная диэлектрическая проницаемость e является функцией координат и может быть как больше 1, так и меньше 1). Данная возможность позволяет решать задачи рассеяния электромагнитных волн в плазме.

Задачи студента: во-первых, овладеть навыками работы с предлагаемой современной методикой автоматизированного проектирования волноводных СВЧ устройств, и тем самым освоить метод виртуального макетирования элементов аппаратуры в диалоговом режиме с ЭВМ; во-вторых, углубить и закрепить знания, полученные в курсе “Техническая электродинамика и устройства СВЧ”.

1. Физические модели и алгоритмы расчета планарных устройств с неоднородным диэлектрическим заполнением

Рассмотрим кратко принципы построения физических и схемно-проекционных моделей H-планарных устройств, на которых базируются автоматизируемые расчетные процедуры и алгоритмы программного комплекса TAMIC Rt-H [1, 2].

Планарными, или плоскостными, называют такие структуры для которых граничные условия вдоль одной из координат (например y) являются постоянными. Мы будем рассматривать H-задачу. Это означает, что имеются только три неравные нулю компоненты электромагнитного поля: Ey, Hx и Нz, и, соответственно, компоненты Ex, Ez, Hy равны нулю.

Пример такой структуры изображен на рис. 1.1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1.1. Волноводная планарная структура

 

 

 

При однородном магнитном заполнении эквивалентная схема планарного устройства имеет вид, изображенный на рис. 1.2.1а. Обозначим пространственные интервалы сетки по координатным осям , и . Проведем анализ параметров схемы в окрестности некоторого произвольно выбранного узла, рис. 1.2.1б, в. Вещество с моделируется шлейфом холостого хода (рис. 1.2.1б), который увеличивает ёмкость элемента пространства. Для моделирования , в т.ч. , необходимо подсоединять к узлу шлейф короткого замыкания (рис. 1.2.1в), эквивалентный индуктивности, который уменьшает ёмкость элемента пространства. Этот узел, обозначаемый индексом 0, связан с четырьмя ближайшими к нему узлами, обозначаемых индексами 1, 2, 3 и 4, линиями, проводимости которых равняются , , , соответственно. Пусть время задержки сигнала, проходящего отрезок линии длиной D , имеет значение, равное . Шлейф холостого хода с параметрами и , подключенный к узлу, моделирует диэлектрическое заполнение. Потери в узле определяются проводимостью .

Введем обозначения: напряжение в центральном узле в момент времени tn; напряжение волны, падающей на центральный узел по i-й линии (i=1, 2, 3, 4) в момент времени tn; напряжение волны, отраженной от центрального узла в i-й линии в момент времени tn; напряжение в i-м узле в момент времени tn; напряжение волны, падающей на i–й узел со стороны центрального узла в момент времени tn; напряжение волны, отраженной от i–го узла в сторону центрального узла в момент времени tn.

Рис. 1.2.1. Фрагмент планарной сетки а) и один узел, моделирующий диэлектрик с б), один узел, моделирующий диэлектрик с в).

 

Определим напряжение в центральном узле в момент времени tn. Для этого воспользуемся электродинамическим принципом суперпозиции, согласно которому значение можно определить как сумму напряжений , создаваемых в центральном узле эквивалентными генераторами, включаемыми в каждой отдельной линии, при условии того, что к каждой выходной линии подключены нагрузки, имеющие проводимости, равные характеристическим проводимостям соответствующих линий.

Выполняя сложение, получаем значение суммарного напряжения в центральном узле в момент времени tn, которое зависит от амплитуд падающих и отраженных волн в линиях:

, (1.2.1)

где – коэффициент отражения волны от общего узла в i-й линии при условии согласования выходов всех остальных линий. Коэффициент отражения длинной линии с характеристическим адмитансом Yi, нагруженной на нагрузку с проводимостью Yн,i , как известно [10], определяется с помощью соотношения

, причем из рис. 1.2.1 б очевидно, что . Поэтому

; и, следовательно,

. (1.2.2)

Подставляем (1.2.1) в (1.2.2):

(1.2.3)

Учитывая, что , перепишем выражение (1.2.3) в следующем виде:

, из которого следует, что

, и поэтому

. (1.2.4а)

Очевидно, что для момента времени tn-2

. (1.2.4б)

может быть представлена в следующем виде:

при i=1,2,3,4 . Для шлейфа (i=5), имеем

.

Знак ‘+’ соответствует шлейфу холостого хода (схема рис. 1.2.1б) – вещество с ), а знак ‘-‘ – шлейфу короткого замыкания (схема рис. 1.2.1в) – вещество с ).

Подставим эти выражения для в (1.2.3), и получим следующее соотношение:

,

из которого с учетом (1.2.4б) следует, что

. (1.2.5а)

Соотношение (1.2.5 а) можно представить также в следующем виде:

. (1.2.5б)

Таким образом, напряжение в центральном узле в момент времени tn определяется через значения напряжений в нем же, а также в соседних, окружающих его, узлах в предыдущий момент времени tn-1 и значения напряжения в этом же узле в момент времени tn-2.

Если исследуемая планарная область однородна, а сетка имеет равномерный шаг (), то все линии, соединяющие узлы, имеют одинаковые проводимости . Тогда

, .

Нормируя значения проводимостей относительно Y, получим y1=y2=y3=y4=1, , . Тогда зависимость (1.2.5б) запишется в следующем виде:

, (1.2.6)

Когда потери в волноводе равны нулю ():

, (1.2.6а)

Выражение (1.2.6) позволяет анализировать среды с (знак ‘+’ перед ) и с , в т.ч. (знак ‘-‘ перед ), что даёт возможность рассчитывать рассеяние волн в плазме (ионосфера, эксперименты в ТОКАМАКах).

Замечание:

Есть некоторые отличия при вычислении проводимости шлейфа, характеризующего свойства среды для и . Если представить диэлектрическую проницаемость (), то . Если (, в т.ч. ), то . Это различие связано с тем, что при вещество вносит дополнительную ёмкость , увеличивающую погонную ёмкость элемента пространства . При вещество уменьшает погонную ёмкость, что можно промоделировать внесением индуктивности (см. рис. 1.2.2).

 

а) б) в)
Рис. 1.2.2. Фрагмент планарной сетки а)
, б) , в) .

 

Получим выражение для расчета характеристического адмитанса планарной Rt -сетки, располагающейся в прямоугольном металлическом волноводе, в котором распространяется волна Нm0, рис. 1.3.1.

Напряжение волны Нm0, бегущей в волноводе, можно описать следующим уравнением:

, (1.3.1)

где – время, кратное величине ; – набег фазы волны по оси y на один шаг сетки D ; – длина волны в структуре в продольном направлении по оси y; –амплитудная функция распределения напряжения в поперечном сечении волновода вдоль оси , причем xk =D × k, k=1,…,M; М – число клемм в поперечном сечении волновода (первая и последняя клеммы закорочены на стенках волновода) (). Для волны Нm0 амплитудная функция, как известно, имеет вид:

. (1.3.2)

С целью сокращения выкладок полагаем для центрального узла i=0. Подставляя (1.3.1) в выражение (1.2.6) и учитывая соответствующие значения параметров для каждого операнда, входящего в (1.2.6), для узлов 1, 2, 3, 4, окружающих выбранный центральный узел, получаем следующее соотношение:

,

из которого находим набег фазы :

. (1.3.3)

Подставив (1.3.2) в (1.3.3), получаем выражение, позволяющее рассчитывать набег фазы на одном шаге сетки в продольном направлении по оси y для волны типа Hm0:

(1.3.4а)

Для плоской волны, распространяющейся в безграничной сеточной структуре, m=0, и поэтому для нее набег фазы на один пространственный интервал будет равняться, как это следует из (1.3.4а)

(1.3.4б)

Для вычисления значения характеристического адмитанса рассматриваемой планарной сетки, разрежем её вдоль оси x (рис. 1.3.26) и рассмотрим один из узлов на стыке двух ее частей. Найдём значение , которое будет обеспечивать выполнение условия баланса токов. Оно представлено выше в форме (1.2.6). Учитывая, что , ,

и полагая, что, а также вводя обозначение º U(xk, yi, tn) для напряжений в узлах j = 0, 1, 2, 3, 4 сетки, изображенной на рис. 1.3.1, получаем:

. (1.3.5)

Подставляем в (1.3.5) значения напряжений из (1.3.1) для всех узлов 1, 2, 3, 4. После ряда преобразований с учетом (1.3.4а) находим:

. (1.3.6)

Из (1.3.6) следует вывод о том, что физический смысл характеристического адмитанса сетки, погруженной в волновод с волной Нm0, состоит в том, что он выражает отношение синуса фазового набега для собственной волны на один продольный интервал сетки D к синусу фазовой длины элемента сетки.

 

Дисперсия плоской волны в планарной Rt -структуре

 

Оценим ошибку при определении длины плоской волны, распространяющейся в сетке вдоль оси y, по сравнению с точным значением. Длина плоской волны в сетке определяется выражением:

(1.3.7),

где a определяется с помощью (1.3.4б).Точное значение длины плоской волны в свободном пространстве:

(1.3.8)

Беря отношение получим выражение для определения коэффициента удлинения волны в сетке по сравнению с точным значением:

(1.3.9)

Для наглядного представления выражения (1.3.9) воспользуемся таблицей (1.3.1), в первом столбце которой заданы значения отношения шага сетки к длине волны , во втором столбце – относительная ошибка расчетной длины волны в сетке, в третьем столбце – ошибка вычисления фазового набега в градусах на одну длину волны.

При предварительном проектировании устройств обычно используют отношение =1/10; при этом, как можно видеть из таблицы 1.3.1, погрешность расчета длины волны не превышает 1%. Для окончательных расчетов выбирают =1/30; в этом случае погрешность становится меньшей 0.1%.

 

 

Таблица 1.3.1.

]

(град.)

1/5

3.984053%

14.34259°

1/10

0.858787%

3.091632°

1/15

0.37251%

1.341037°

1/20

0.2078%

0.748081°

1/25

0.132485%

0.476946°

1/30

0.091814%

0.330529°

1/35

0.067371%

0.242536°

1/40

0.051539%

0.185542°

1/45

0.0407%

0.14652°

1/50

0.032954%

0.118634°

1/100

0.008228%

0.029621°

1/200

0.002056%

0.007403°

1/500

0.000329%

0.001184°

1/1000

0.0000822%

0.000296°

1/10000

0.000000798%

0.00000287°

 

Чтобы получить матрицу рассеяния анализируемого устройства, в узлах, располагающихся на его входах необходимо задавать не значения напряжений, а падающие волны, и затем уже определять значения отраженных волн, поскольку матрица рассеяния задает связи именно между комплексными амплитудами падающих и отраженных волн. Кроме того, необходимо перейти от совокупности клемм сетки, располагающихся на входах устройства, к единым общим сигнальным клеммам, каждая из которых соответствует отдельному входу. Эта операция называется операцией подключения к клеммам сетки входных трансформаторов. Процедура возбуждения сетки, или, что то же, подключения трансформатора, может быть реализована как с помощью установки на входах устройства реальных схем трансформаторов [4], так и с помощью формальных математических преобразований. Воспользуемся здесь вторым подходом.

 

2. Особенности программной реализации метода и порядок работы с программным комплексом TAMIC Rt-H

Программный комплекс Tamic Rt-H состоит из 4 программ:

  1. Tamic Rt-H Analyzer – счетное ядро, осуществляет ввод данных из файла входного задания, расчет, вывод в файл геометрии устройства, распределения полей, сигналов на выходах устройства и формирует матрицу рассеяния; программа реализована для двух моделей точности – 1) Float одинарная (вещественное число занимает 4 байта) и 2) Double двойная (вещественное число - 8 байт); использование модели Float позволяет уменьшить время вычислений на 40% и уменьшить используемую память в 2 раза по сравнению с Double, а использование двойной точности позволяет расширить динамический диапазон вычислений;
  2. Tamic Rt Output Field Viewer – программа для просмотра геометрии устройства и распределения интенсивности поля; позволяет синхронизировать расчет и просмотр полей;
  3. Tamic Rt Output Signal Viewer – программа для просмотра сигналов, амплитуд и фаз падающих и отраженных волн на входах устройства;
  4. Tamic S-matrix Output Characteristics Viewer – программа просмотра файлов S матриц устройства.

Входными данными является геометрия анализируемого устройства, которая описывается в файле задания (*.tpl). Файл задания дается программе Tamic Rt-H Analyzer, а она по результатам расчета выдает результаты анализа в виде файлов четырех типов: файл анализируемой геометрии (*.tt), файл распределения интенсивности полей(*.tf), файл сигналов на входах устройства (*.t), файл S- матрицы устройства (*.s), которые можно просматривать предложенными в пакете Viewer-ами, либо для обработки результатов пользоваться другими средствами. Подобное разделение позволяет повысить гибкость системы анализа заданной геометрии и минимизировать требования к ресурсам компьютера при проведении расчета.

Структурная схема пакета приведена на рис. 2.1


Рис. 2.1. Структурная схема пакета Tamic Rt-H .

 

Системное меню:

File

- Загрузка и запись файлов;

Edit

- Редактирование топологии устройства;

View

- Просмотр результатов анализа;

Run

- Выполнение анализа;

Config

- Настройка системы под пользователя;

Window

- Настройка оконного интерфейса;

Help

- Справочник.

Меню файловой системы (File):

Open

- Загрузка существующего файла;

New

- Создание нового файла;

Save

- Запись файла на диск;

Save As

- То же с новым именем;

Print

- Печать документа;

Close

- Закрытие документа;

Exit

- Выход из программы.

Меню системы редактирования (Edit):

Edit

- Редактирование задания;

Меню просмотра (View):

Output

- Просмотр частотно зависимых характеристик устройства в виде графиков;

Field and topology

- Просмотр топологии анализируемого устройства;

Statistics

- Просмотр статистики текущего шага задания;

S-matrix

- Просмотр параметров S-матрицы.

Меню выполнения (Run):

Run

- Выполнить все шаги задания начиная с текущего шага;

Load first step

- Загрузить первый шаг задания;

Run Step

- Выполнить текущий шаг задания;

Load Step

- Загрузить текущий шаг задания;

Skeep Step

- Перейти к следующему шагу задания;

Back Step

- Перейти к предыдущему шагу задания.

Stop

- Остановка расчета.

Меню конфигурации системы (Config):

Editor

- Выбор внешнего редактора;

Viewer

- Выбор программ просмотра результатов расчета;

Color

- Настройка окна просмотра;

Format

- Настройка формата вывода результатов;

Topology

- Флаг вывода файла топологии;

Field

- Флаг вывода файла распределения интенсивности поля;

Synchronization

- Флаг синхрониции.

Sound

- Настройка звуковых эффектов;

AutoRun

- Флаг пакетного режима.

Входной язык программы Tamic Rt-H Analyzer позволяет пользователю с помощью файла входного задания управлять режимами работы программы, производить описание геометрии анализируемого устройства СВЧ и определять вид и объем выходных данных.

Каждая строка файла входного задания начинается уникальным описателем, который может определять следующие за ним входные данные. Начинаться входное задание должно всегда строкой #TMC_RT_H и заканчиваться - строкой #EOF.

Все входное задание делится на шаги. Каждый шаг задания может описывать независимое СВЧ устройство или его часть и должен начинаться строкой #STEP и заканчиваться строкой #END_STEP. В примере 2.2.1 дан общий вид входного задания из двух шагов. В каждом шаге задания вводятся данные, определяющие независимую задачу.

#TMC_RT_H Начало файла задания

#STEP Это первый шаг.

Данные для первой задачи.

#END_STEP

#STEP Это второй шаг.

Данные для второй задачи.

#END_STEP

#EOF Конец файла задания

 

Каждый шаг задания состоит из следующих секций:

· параметров (#PARM);

· топологии (#TOPOLOGY);

· таблицы связей (#LINK_LIST);

· выходных данных (#OUTPUT).

В секции параметров задаются:

· единицы измерения углов (ANGLE_UNIT);

· единицы измерения частоты (FREQ_UNIT);

· единицы измерения длины (LONG_UNIT);

· единицы измерения времени (TIME_UNIT);

· параметр, определяющий точность анализа (DELTA);

· время анализа (TIME);

· величины, определяющие размеры “коробки” вдоль оси X (X_MIN, X_MAX);

· величины, определяющие размеры “коробки” вдоль оси Y (Y_MIN, Y_MAX);

· частота анализа (FREQ);

В секции топологии определяются блоки (графические примитивы), из которых состоит анализируемое устройство. Блок начинается описателем BLOCK и заканчивается описателем END_B. Каждому блоку присваивается уникальный номер. Между описателями блока описывается его геометрия.

В секции таблицы связей описывается геометрическое положение каждого блока в “коробке”.

В секции выходных данных задаются:

· имя файла выходного сигнала (FILE);

· флаг вывода геометрии (TOPOLOGY);

· флаг вывода интенсивности поля (FIELDS);

· флаг вывода и параметры для формирования файла с матрицей рассеяния (SMATRIX).

В настоящем разделе дается подробное описание всех ключевых структур входного языка, определяющих шаг входного задания.

Несколько слов о синтаксисе входного языка. Все операторы входного задания имеющие символ "#" должны начинаться с первой позиции строки. Остальные операторы должны иметь как минимум один пробел в первой позиции строки.

Признаком начала секции ввода параметров служит строка с описателем #PARM. Секция заканчивается строкой #END_PARM

В секции параметров задаются:

· единицы измерения углов (ANGLE_UNIT);

· единицы измерения частоты (FREQ_UNIT);

· единицы измерения длины (LONG_UNIT);

· единицы измерения времени (TIME_UNIT);

· параметр, определяющий точность анализа (DELTA);

· время анализа (TIME);

· величины, определяющие размеры “коробки” вдоль оси X (X_MIN, X_MAX);

· величины, определяющие размеры “коробки” вдоль оси Y (Y_MIN, Y_MAX);

· частота анализа (FREQ);

Секция параметров, в которой определены: единицы измерения углов – радианы, частот – ГГц, длин – мм, времени – нс; величина пространственного дискрета – 0.5 мм; время анализа – от 0 до 5 нс; геометрическое положение коробки – от –4 до 10 мм вдоль оси X и от 2 до 5 мм, вдоль оси Y; частота сигнала возбуждения – 10 ГГц, будет выглядеть следующим образом:

 

Ввод топологии осуществляется сразу после секции параметров. Признаком начала описания топологии служит строка с описателем #TOPOLOGY, признаком окончания ввода топологии строка с описателем #END_TOPOLOGY.

В секции топологии определяются блоки (графические примитивы), из которых состоит анализируемое устройство. Блок начинается описателем BLOCK и заканчивается описателем END_BLOCK. Каждому блоку присваивается уникальный номер <n>, который должен быть целым числом большим нуля. Между описателями блока определяется тип базового элемента. Параметры для каждого графического примитива описываются в его локальной системе координат. Местоположение блока в коробке определяется в секции таблицы связей (#LINK_LIST), поэтому всем блокам описанным в секции топологии обязательно должна соответствовать одна строка в секции #LINK_LIST.

Все примитивы, кроме блоков типа INPUT_X, INPUT_Y (входы устройства) могут накладываться и пересекаться между собой. Входы устройства обязательно должны помещаться только на границе “коробки”. Сама граница коробки является металлом.

Пусть анализируемое устройство состоит из трех блоков, тогда секция топологии будет выглядеть следующим образом:

Неподвижный прямоугольник (RECT_STAT)

Неподвижный прямоугольник описывается примитивом типа RECT_STAT.

1. Первый параметр данного графического примитива задает материал, из которого состоит прямоугольник – металл (METAL), магнетик (MAGNETIC), поглотитель (ABSORBER), либо распределение добавки относительной диэлектрической проницаемости к вакуума внутри него. Для повышения эффективности расчета (при повторении вычислений) применяется сохранение рассчитанного распределения в файл. Формула для задания распределения - функция от декартовых координат и , или от полярых координат и .

2. Второй параметр задает левую границу прямоугольника по оси X – X_min.

3. Третий параметр задает правую границу прямоугольника по оси X – X_max.

4. Четвертый параметр задает нижнюю границу прямоугольника по оси Y – Y_min.

5. Пятый параметр задает верхнюю границу прямоугольника по оси Y – Y_max.

Единица измерения X_min, X_max, Y_min, Y_max - мм, см, м в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром LONG_UNIT.

При задании граничных условий типа MAGNETIC и ABSORBER необходимо соблюдать 2 дополнительных условия:

  1. разность X_max - X_min и разность Y_max - Y_min должна превышать 2*DELTA из секции параметров; это означает, что толщина и высота прямоугольника должна быть больше двух пространственных дискретов (шагов сетки);
  2. весь прямоугольник должен находится в коробке и его граница должна отстоять от границы коробки не менее чем на один шаг сетки.

Неподвижный сектор (CIRCLE_STAT)

Неподвижный сектор описывается примитивом типа CIRCLE_STAT.

1. Первый параметр данного графического примитива задает материал, из которого состоит прямоугольник – металл (METAL), магнетик (MAGNETIC), поглотитель (ABSORBER), либо распределение добавки относительной диэлектрической проницаемости к вакуума внутри него. Формула для задания распределения - функция от декартовых координат и , или от полярых координат и .

2. Второй параметр задает минимальный радиус сектора – R_min ³ 0 .

3. Третий параметр задает максимальный радиус сектора – R_max > R_min .

4. Четвертый параметр задает минимальный угол – F_min ³ 0.

5. Пятый параметр задает максимальный угол – 2p ³ F_max ³ F_min .

Единица измерения R_min, R_max - мм, см, м в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром LONG_UNIT.

Единица измерения F_min, F_max – радианы или градусы в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром ANGLE_UNIT.

Неподвижный многоугольник (POLYGON_STAT)

Неподвижный многоугольник описывается примитивом типа POLYGON_STAT.

В первой строке данного графического примитива определяется материал, из которого состоит прямоугольник – металл (METAL), магнетик (MAGNETIC), поглотитель (ABSORBER), либо распределение добавки относительной диэлектрической проницаемости к вакуума внутри него. Формула для задания распределения - функция от декартовых координат и , или от полярых координат и .

В последующих строках описываются вершины задаваемой односвязанной выпуклой области при обходе ее по часовой стрелке. После символа L вводится абсцисса (X) и ордината (Y), описывающие положение вершины в локальной системе координат данного блока. Число вершин должно быть больше 3.

Если первым параметром задано распределение добавки диэлектрической проницаемости, то последняя точка соединяется с первой, образуя замкнутую область. Программа не контролирует является ли область замкнутой и односвязанной, а также правильность направления обхода вершин.

В случаях, когда первый параметр задает в качестве границ данного графического примитива металл, магнитную стенку или поглотитель, последняя точка не соединяется с первой, формируя не замкнутую область, а ломанную линию с заданными вершинами. В этих случаях нет необходимости соблюдать направление обхода и следить за выпуклостью многоугольника.

Единица измерения для координат - мм, см, м в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром LONG_UNIT.

Вход вдоль оси Y (INPUT_X)

1. По функциональному назначению блоки делятся на два типа: трансформаторы возбуждения и внутренние области. Все описанные выше графические примитивы относились к типу внутренних областей. Трансформатор возбуждения (вход устройства) вдоль оси Y описывается примитивом типа INPUT_X. На нем можно задать падающую волну в виде прямоугольного радиоимпульса, частота которого определяется параметром FREQ из секции параметров. Данный трансформатор возбуждения позволяет изучать процессы рассеяния для плоских волн (значение первого параметра при этом должно быть MAGNETIC) и для первого типа колебаний прямоугольного волновода - волны ( первый параметр либо отсутствует, либо имеет значение METAL). Мода колебания, по которому смотрится отраженный сигнал, соответствует падающей моде.

2. Второй параметр задает нижнюю границу входа по оси Y – Y_min.

3. Третий параметр задает верхнюю границу входа по оси Y – Y_max > Y_min.

Для входа, возбуждающего плоскую волну, ширина (Y_max-Y_min) должна быть меньше половины длины волны входного сигнала. Для входа, возбуждающего волну , ширина должна быть больше половины длины волны, но меньше полной длины волны входного сигнала. Данные условия необходимо соблюдать, чтобы во входном сечении реализовывался одномодовый режим возбуждения и согласования.

Единица измерения Y_min, Y_max - мм, см, м в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром LONG_UNIT.

Рассматриваемый графический примитив может находиться либо на левой границе “коробки”, либо – на правой. Это определяется в секции таблицы связей (#LINK_LIST).

4. Четвертый параметр задает время начала радиоимпульса возбуждения T – T_min.

5. Пятый параметр задает время окончания радиоимпульса возбуждения T – T_max > T_min.

Единица измерения T_min, T_max - секунды, миллисекунды, микросекунды, наносекунды или пикосекунды в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром TIME_UNIT.

Если на входе отсутствует падающая волна, то T_min должно быть больше времени анализа из секции параметров (TIME).

Вход вдоль оси X (INPUT_Y)

1. Трансформатор возбуждения вдоль оси X описывается примитивом типа INPUT_Y. На нем можно задать падающую волну в виде прямоугольного радиоимпульса, частота которого определяется параметром FREQ из секции параметров. Возможные моды падающих волн: 1) плоская волна (значение первого параметра при этом должно быть MAGNETIC); 2) первый тип колебаний прямоугольного волновода - волна ( первый параметр либо отсутствует, либо имеет значение METAL). Мода колебания, по которому смотрится отраженный сигнал, соответствует падающей моде.

2. Второй параметр задает левую границу входа по оси X – X_min.

3. Третий параметр задает правую границу входа по оси X – X_max > X_min.

Для входа, возбуждающего плоскую волну, ширина (X_max- X_min) должна быть меньше половины длины волны входного сигнала. Для входа, возбуждающего волну , ширина должна быть больше половины длины волны, но меньше полной длины волны входного сигнала. Данные условия необходимо соблюдать, чтобы во входном сечении реализовывался одномодовый режим возбуждения и согласования.

Единица измерения X_min, X_max - мм, см, м в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром LONG_UNIT.

Рассматриваемый графический примитив может находиться либо на нижней границе “коробки”, либо – на верхней. Это определяется в секции таблицы связей (#LINK_LIST).

4. Четвертый параметр задает время начала радиоимпульса возбуждения T – T_min.

5. Пятый параметр задает время окончания радиоимпульса возбуждения T – T_max > T_min.

Единица измерения T_min, T_max - секунды, миллисекунды, микросекунды, наносекунды или пикосекунды в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром TIME_UNIT.

Если на входе отсутствует падающая волна, то T_min должно быть больше времени анализа из секции параметров (TIME).

Чтение распределения диэлектрической проницаемости из файла (FILE)

При расчете распределения добавки диэлектрической проницаемости для больших площадей прямоугольников (графический примитив RECT_STAT) можно сохранить вычисленные значения в файл (см. раздел 4.2.1.), а затем их использовать в последующих шагах задания или в других файлах задания.

1. Первый параметр – имя файла с распределением . Он должен находится в той же директории, что и файл задания.

2. Второй параметр задает левую границу прямоугольника по оси X – X_min.

3. Третий параметр задает правую границу прямоугольника по оси X – X_max.

4. Четвертый параметр задает нижнюю границу прямоугольника по оси Y – Y_min.

5. Пятый параметр задает верхнюю границу прямоугольника по оси Y – Y_max.

Единица измерения X_min, X_max, Y_min, Y_max - мм, см, м в зависимости от того, какая единица измерения зафиксирована параметром LONG_UNIT.

Величины X_min, X_max, Y_min, Y_max должны быть такими же, как и для RECT_STAT, из которого формировался файл с распределением .

Секция #LINK_LIST служит для указания геометрического положения всех блоков внутри “коробки”. Анализируемое устройство 'разбитое' на блоки в секции #TOPOLOGY, собирается из них в данной секции, т.е. осуществляется процедура pекомпозиции (объединения) базовых элементов (блоков). Секция графа связей обязательна. Каждому блоку из секции топологии должна соответствовать одна строка в #LINK_LIST.

Задание геометрического положения одного блока в “коробке” описывается отдельной строкой. Каждая строка таблицы связей начинается с описателя T. Строка :

T <n>; <X0>; <Y0>;

обозначает следующее :

начало координат блока <n> поместить в точку “коробки” с абсциссой <X0> и ординатой <Y0>.

Блоки могут накладываться друг на друга и пересекаться. Не допустимо лишь пересечение трансформаторов возбуждения (INPUT_X и INPUT_Y). Кроме этого необходимо следить, чтобы трансформаторы возбуждения находились на границе “коробки”.

Если накладываются два или более блока с задаваемым распределением , то итоговое распределение добавки диэлектрической проницаемости будет равно сумме от каждого блока, в области наложения.

Области с граничными условиями металл (METAL), магнетик (MAGNETIC), поглотитель (ABSORBER) могут накладываться на области заполненные диэлектриком. При пересечении между собой металл, магнетик и поглотитель степень приоритета определяется порядком следования соответствующих блоков в секции топологии.

 

Признаком начала секции выходных данных служит строка с описателем #OUTPUT. Признаком конца ввода секции служит строка с описателем #END_OUTPUT.

В секции выходных данных задаются:

· имя файла выходного сигнала (FILE);

· флаг вывода геометрии (TOPOLOGY);

· флаг вывода интенсивности поля (FIELDS);

· флаг вывода и параметры для формирования файла с матрицей рассеяния (SMATRIX).

Задание имени файла для вывода сигналов на входах (FILE)

Данная строка в секции выходных данных является обязательной и должна быть первой. Она задает имя файла, в который будут записаны результаты анализа – падающие и отраженные волны для каждого временного дискрета. Файл будет иметь расширение “t” и записан в директорию, в которой находится входное задание. Полученный файл можно просматривать и обрабатывать с помощью “Tamic Rt Output Signal Viewer”, либо других внешних программ.

Включить вывод геометрии (TOPOLOGY)

Данная строка в секции параметров не является обязательной. Если она отсутствует, то файл с геометрией анализируемого устройства не формируется. Такой файл имеет расширение “tt”, а имя определяется в строке с описателем FILE. Этот файл можно просматривать программой “Tamic Rt Output Field Viewer”.

При включении вывода распределения полей (см. пункт 4.4.3) необходимо включить и вывод топологии.

Включить вывод распределения полей (FIELDS)

Данная строка в секции параметров не является обязательной. Если она отсутствует, то файл с распределением полей анализируемого устройства не формируется. Такой файл имеет расширение “tf”, а имя определяется в строке с описателем FILE. Этот файл можно просматривать программой “Tamic Rt Output Field Viewer” ( тогда необходимо включить флаг вывода геометрии TOPOLOGY), либо использовать другую программу. Однако при использовании других программ следует учесть, что в файле записывается распределение поля для одного временного такта.

Если включен режим вывода полей и установлен флаг синхронизации, то счетное ядро не будет просчитывать следующий временной такт, пока “Tamic Rt Output Field Viewer” не прорисует текущее распределение полей.

При проведении серии расчетов этот флаг лучше выключить, т.к. вывод распределения полей существенно замедляет анализ устройства.

2.4.1. Поворот волновода на 180° в H-плоскости

Рассмотрим поворот волновода на 180° , показанный на рис. 2.4.1а. Данное устройство можно разбить на следующие графические примитивы (рис. 2.4.1б):

B7, B12 - входы волновода (примитив INPUT_X);

B1, B2,B10,B11 – металлические прямоугольники (RECT_STAT).

B3, B4,B5,B6 – металлические сектора (CIRCLE_STAT). 

Данная геометрия описывается следующим образом (листинг входного задания находится в каталоге

...TMC\TPL\SAMPLE_R\METALL\POVOROT\POVOR180.TPL):

#define a1 @ ( W_input )

#define r1 @ ( 30 )

#STEP

#PARM

ANGLE_UNIT radian;

FREQ_UNIT GHz;

LONG_UNIT mm;

TIME_UNIT ns;

DELTA W_delta;

TIME 0.; 50;

X_MIN 0.0;

X_MAX L_waveg;

Y_MIN 0.0;

Y_MAX W_waveg;

FREQ 10.0;

#END_PARM

#TOPOLOGY

BLOCK 7;

INPUT_X ; -a1/2; a1/2; 0; 50;

END_B

BLOCK 12;

INPUT_X ; -a1/2; a1/2; 50; 110;

END_B

BLOCK 1;

RECT_STAT METAL; 0; (L_waveg)/2; -a1/2; -a1/2+0.1;

END_B

BLOCK 10;

RECT_STAT METAL; 0; (L_waveg)/2; -a1/2; -a1/2+0.1;

END_B

BLOCK 2;

RECT_STAT METAL; 0; (L_waveg)/2; a1/2; a1/2+0.1;

END_B

BLOCK 11;

RECT_STAT METAL; 0; (L_waveg)/2; a1/2; a1/2+0.1;

END_B

BLOCK 3;

CIRCLE_STAT METAL; r1-W_delta*0.1; r1; 3.141592653589*1.5; 3.141592653589*2;

END_B

BLOCK 4;

CIRCLE_STAT METAL; r1-W_delta*0.1; r1; 0.0; 3.141592653589*0.5;

END_B

BLOCK 5;

CIRCLE_STAT METAL; r1+a1; r1+a1+W_delta*0.1; 3.141592653589*1.5; 3.141592653589*2;

END_B

BLOCK 6;

CIRCLE_STAT METAL; r1+a1; r1+a1+W_delta*0.1; 0.0; 3.141592653589*0.5;

END_B

#END_TOPOLOGY

LINK_LIST

T 1; 0.0; (W_waveg)/2-r1-a1/2;

T 10; 0.0; (W_waveg)/2+r1+a1/2;

T 2; 0.0; (W_waveg)/2+r1+a1/2;

T 11; 0.0; (W_waveg)/2-r1-a1/2;

T 7; 0.0; (W_waveg)/2-r1-a1/2;

T 12; 0.0; (W_waveg)/2+r1+a1/2;

T 3; (L_waveg)/2; (W_waveg)/2;

T 4; (L_waveg)/2; (W_waveg)/2;

T 5; (L_waveg)/2; (W_waveg)/2;

T 6; (L_waveg)/2; (W_waveg)/2;

#END_LINK

#OUTPUT

FILE pov_180;

FIELDS;

TOPOLOGY;

#END_OUTPUT

#END_STEP

#EOF

2.4.2. Гермовставка в H-плоскости

Рассмотрим гермовставку, показанную на рис. 2.4.2а. Данное устройство можно разбить на следующие графические примитивы (рис. 2.4.2б):

B1, B5 - входы волновода (примитив INPUT1, рис. 3.4.1а);

B2, B3, B4 – отрезки основного волновода (примитив WAVEG1, рис. 3.4.1а).

 

Данная геометрия описывается следующим образом.

#TMC_RT_H

#define L1 @ ( 10.00 )

#define L2 @ ( 4.00 )

#define L3 @ ( 58.00 )

#define L4 @ ( 4.00 )

#define L5 @ ( 10.00 )

#define W1 @ ( 124+36+36 )

#define W2 @ ( 124 )

#define W3 @ ( 124+36+36 )

#define W4 @ ( 124 )

#define W5 @ ( 124+36+36 )

#define Eps2 @ ( 3.8 )

#define Eps4 @ ( 3.8 )

#define W_freq @ ( 1.3 )

#define W_waveg @ ( 200. )

#define W_delta @ ( 2.0 )

#define W_type @ METAL

#STEP

#PARM

ANGLE_UNIT radian;

FREQ_UNIT GHz;

LONG_UNIT mm;

TIME_UNIT ns;

DELTA W_delta;

TIME 0.; 100;

X_MIN 0.0;

X_MAX L1+L2+L3+L4+L5;

Y_MIN 0.0;

Y_MAX W_waveg;

FREQ W_freq ;

#END_PARM

#TOPOLOGY

BLOCK 1;

INPUT_X W_type ; -W1/2; W1/2; 0; 200;

END_B

BLOCK 2;

INPUT_X W_type ; -W1/2; W1/2; 200; 201;

END_B

BLOCK 3;

RECT_STAT W_type ; 0.0; L1; -W1/2-0.1*W_delta; -W1/2;

END_B

BLOCK 4;

RECT_STAT W_type ; 0.0; L1; W1/2; W1/2+0.1*W_delta;

END_B

BLOCK 5;

RECT_STAT W_type ; L1; L1+L2; -W1/2; -W2/2;

END_B

BLOCK 6;

RECT_STAT W_type ; L1; L1+L2; W2/2; W1/2;

END_B

BLOCK 7;

RECT_STAT W_type ; L1+L2; L1+L2+L3; -W3/2-0.1*W_delta; -W3/2;

END_B

BLOCK 8;

RECT_STAT W_type ; L1+L2; L1+L2+L3; W3/2; W3/2+0.1*W_delta;

END_B

BLOCK 9;

RECT_STAT W_type ; L1+L2+L3; L1+L2+L3+L4; -W5/2; -W4/2;

END_B

BLOCK 10;

RECT_STAT W_type ; L1+L2+L3; L1+L2+L3+L4; W4/2; W5/2;

END_B

BLOCK 11;

RECT_STAT W_type ; L1+L2+L3+L4; L1+L2+L3+L4+L5; -W5/2-0.1*W_delta; -W5/2;

END_B

BLOCK 12;

RECT_STAT W_type ; L1+L2+L3+L4; L1+L2+L3+L4+L5; W5/2; W5/2+0.1*W_delta;

END_B

BLOCK 13;

RECT_STAT (Eps2-1); L1; L1+L2; -W2/2; W2/2;

END_B

BLOCK 14;

RECT_STAT (Eps4-1); L1+L2+L3; L1+L2+L3+L4; -W4/2; W4/2;

END_B

#END_TOPOLOGY

#LINK_LIST

T 1; 0.0; W_waveg/2;

T 2; L1+L2+L3+L4+L5; W_waveg/2;

T 3; 0.0; W_waveg/2;

T 4; 0.0; W_waveg/2;

T 5; 0.0; W_waveg/2;

T 6; 0.0; W_waveg/2;

T 7; 0.0; W_waveg/2;

T 8; 0.0; W_waveg/2;

T 9; 0.0; W_waveg/2;

T 10; 0.0; W_waveg/2;

T 11; 0.0; W_waveg/2;

T 12; 0.0; W_waveg/2;

T 13; 0.0; W_waveg/2;

T 14; 0.0; W_waveg/2;

#END_LINK

#OUTPUT

FILE test5;

FIELDS;

TOPOLOGY;

#END_OUTPUT

#END_STEP

#EOF

3. Задания для самостоятельной работы

Составить формализованные задания для анализа S-параметров четырех H-плоскостных волноводных устройств, имеющих формы и конструктивные размеры, которые указаны на рис.3.1.1а-г. Размеры поперечного сечения волновода a = 58.0 мм, b = 25 мм. Диапазон частот, в котором необходимо рассчитывать параметры устройств: 3.4 - 4.2 ГГц.

 

Рис.3.1.1. Конструктивные размеры Н-плоскостных устройств

 

4. Вопросы для контроля

1. Поясните принципы построения RLC и Rt -схем, моделирующих планарные волноводные устройства.

2. В чем состоят основные особенности распространения электромагнитных волн в полых прямоугольных металлических волноводах? Чем отличаются волны Н- и Е-типов?

  1. Поясните различия в моделировании вещества с e >1 и e <1 в импедансной сетке.
  2. Какими преимуществами обладают устройства, конструируемые на прямоугольных металлических волноводах с колебаниями Н10 ?
  3. Дайте определение S-матрицы рассеяния волноводных устройств и поясните физический смысл ее коэффициентов.
  4. Поясните принципы построения эквивалентной Rt -схемы, моделирующей планарные задачи рассеяния.

 

Список литературы

1. Кухаркин Е.С., Сестрорецкий Б.В. Машинные методы расчета в инженерной электрофизике. - М.: МЭИ, 1986. - 58 с.

2. Кухаркин Е.С., Сестрорецкий Б.В. Диалоговая оптимизация топологии устройств в электродинамических САПР. - М.: МЭИ, 1987. - 96 с.

3. Загарно Г.Ф., Ляпин В.П. и др. Волноводы сложных сечений. - М.: Радио и связь, 1986. - 124 с.

4. Баскаков С.И. Основы электродинамики. Москва, Советское радио, 1973. - 248 с.

5. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. Москва, Высшая школа, 1980. - 399 с.

6. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. т.1, Москва, Высшая школа, 1970. - 439 с.; т.2, М. - Л., Энергия, 1964. - 616 с.

  1. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митры: Пер. с англ. / Под ред. Э.Л. Бурштейна. - М.: Мир, 1977.
  2. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / В.В. Никольский, В.П. Орлов, В.Г. Феоктистов, и др.; Под ред. В.В. Никольского. - М.: Радио и связь, 1982. - 272 с.

9. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. - М.: Наука, 1977. - 456 с.

  1. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ, Москва, Высшая Школа, 1981. - 295 с.
  2. Сестрорецкий Б.В., Петров А.С., Иванов С.А., Климов К.Н., Королев С.А., Фастович С.В. Анализ электромагнитных процессов на основе RLC и Rt-сеток. Учебное пособие. – Московский государственный институт электроники и математики, М.: 2000. – 149 с.
 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июня 22, 2000