5.1. САПР СВЧ- и антенных устройств

MicroWave Office (Applied Wave Research). Программа Microwave Office в настоящий момент является

современным пакетом проектирования планарных СВЧ-устройств, включающим средства разработки и моделирования линейных и нелинейных схем, 2.5D-электромагнитного анализа планарных структур, топологический редактор, обширные наборы библиотек элементов с сосредоточенными и распределенными параметрами (рис. 47).

Счетное ядро программы может работать как в частотной, так и временной областях, и позволяет выполнять следующие виды анализа схем:

· одночастотный и многочастотный методы гармонического баланса для анализа нелинейных схем;

· анализ на основе рядов Вольтерра;

· анализ смесителей (также называемый конверсионно-матричным анализом);

· высокоскоростной метод линейного анализа;

· высокоскоростной метод анализа шумов;

· анализ переходных процессов.

В то время как существующие реализации метода гармонического баланса построены на базе кода, разработанного для схемотехнического анализа низкочастотных аналоговых схем, пакет Microwave Office был разработан исключительно для ВЧ- и СВЧ-приложений. Это делает его значительно быстрее всех существующих продуктов. Например, стало возможным, используя метод гармонического баланса, настраивать несложные нелинейные схемы фактически в реальном времени.

Многие из возможностей пакета Microwave Office просто недоступны в существующих системах моделирования. Например, применение метода анализа на основе рядов Вольтерра, являющихся самым быстрым методом анализа интермодуляционных искажений в приближенно-линейных схемах позволяет увеличить скорость анализа в 10…100 раз по сравнению с методом гармонического баланса. Более того, анализ на основе рядов Вольтерра легко интегрируется с методом линейного анализа, что позволяет оптимизировать коэффициент шума и такие линейные характеристики, как коэффициент передачи, коэффициент стоящей волны входов, одновременно с уровнем интермодуляционных составляющих.

Для анализа интермодуляционных искажений в смесителях пакет Microwave Office использует изменяющиеся во времени ряды Вольтера, по мнению разработчиков программы, единственный точный и реальный способ решить эту задачу.

Окно программы Microwave Office

Однако многочастотный метод гармонического баланса не сдает своих позиций, и Microwave Office поддерживает его, но в отличие от других продуктов предлагает более быстрое решение за счет использования самой современной технологии моделирования.

Линейный, нелинейный и шумовой методы анализа реализуются в пакете Microwave Office чрезвычайно эффективно. Высокая скорость здесь является следствием объектно-ориентированного подхода, а также того, что система уравнений формируется непосредственно из схематического представления без дополнительного преобразования списка соединений схемы в файл. В результате пользователи имеют возможность настраивать и оптимизировать параметры схем в режиме реального времени. Простым щелчком мыши можно изменить, например, длину шлейфа, а затем наблюдать изменение характеристик схемы на диаграмме Смита или на графиках в зависимости от движения мыши (рис. 48).

В Microwave Office компания AWR реализовала вычислительное ядро, интегрирующее собственную математику и алгоритмы HSpice компании Synopsys, соглашение о партнерстве с которой было подписано в ноябре 2002 г. В результате взаимодействия двух компаний стала возможной разработка новых моделей, библиотек элементов и измерений, использующих анализ во временной области. Доступные ранее только для анализа в частотной области EM-модели микрополосковых и щелевых линий теперь можно использовать как стандартные Spice-элементы. Аналогичным образом поддерживаются элементы, описанные матрицами S-параметров.

Библиотеки элементов включают свыше 500 моделей сосредоточенных и распределенных элементов, а также свыше 150 000 компонентов различных фирм-производителей. Сюда входят полосковые, микрополосковые и копланарные, активные и пассивные, различные стандартные подложки (например, компании Rogers), а также многие другие распространенные элементы, используемые для построения ВЧ-схем.

В случаях, когда правильная модель используемого устройства отсутствует или эффект близкого расположения элементов подрывает точность модели, пользователи могут обратиться к модулю 2.5D-электро-магнитного моделирования, использующего метод моментов Галеркина. Если необходимо выполнить полное трехмерное моделирование микрополоскового элемента, то это может быть сделано с помощью внешней программы 3D-электродинамического анализа, обмен данными с которой осуществляется через специальный интерфейс EM Socket, использующий COM-технологию для интеграции с системами моделирования других фирм. Текущая версия Microwave Office поддерживает совместный анализ с системами Sonnet Suite, Zealand IE3D, Analyst и CST Microwave Studio.

Результаты работы программы Microwave Office

Мощные графические возможности Microwave Office позволяют пользователю наблюдать цветное трехмерное анимационное изображение токов высокой частоты, на котором отображается не только амплитуда, но и направление этих токов, что дает новое представление о поведении СВЧ-структур. Кроме того, имеется широкий набор "традиционного" представления расчетных данных: диаграммы Смита, графики в декартовой и полярной системах координат, таблицы данных.

Средства электромагнитного моделирования Microwave Office позволяют выполнять анализ антенн в дальней зоне, в частности построение диаграмм направленности RHCP, LHCP, EPHi и ETheta. Имеется возможность экстракции эквивалентной схемы замещения антенны на сосредоточенных элементах (вывод в виде списка соединений в формате Spice).

Одним из наиболее мощных модулей программы является редактор топологий, работающий в режиме горячей связи с редактором схем. Каждому элементу на схеме в библиотеке соответствует его топологический эквивалент. Большинство таких элементов уже разработаны компанией AWR, но редактор имеет богатые возможности для создания новых, заимствования и изменения уже имеющихся элементов. Таким образом, топология создается автоматически по мере создания схемы. Изменение параметров элементов схемы влечет за собой соответствующее изменение топологии. И наоборот, изменение рисунка в редакторе топологий изменяет параметры планарных элементов на схеме.

В редакторе имеется возможность создания многослойных плат, а также учета различных технологических подслоев. Информация о слоях и способах их отображения содержится в специальных технологических файлах. Помимо плоского послойного отображения топологии редактор топологий может просматривать трехмерное представление проектируемого СВЧ-устройства как в "прозрачном" режиме, так и с наложением различных, в том числе и пользовательских, текстур. Имеется настройка на технологию конкретного производителя с помощью специальных технологических библиотек.

В редакторе топологий присутствует модуль контроля топологических норм Design Rule Checking (DRC), позволяющий отслеживать минимальную ширину микрополосковых линий, зазоры между двумя межслойными соединениями на разных слоях, перекрытие элементов, расположенных на разных слоях,
удаление элементов, расположенных на разных слоях; наличие небольших зазоров между торцами элементов, не выявленных визуально (рис. 49). Удобная система просмотра и устранения выявленных наруше-
ний позволяет значительно повысить эффективность труда разработчиков монолитных СВЧ-микросхем (MMIC).

Последняя версия пакета (по состоянию на декабрь 2014 г.) содержится в сборке AWR Design Environment v11.02, 2014 г.

Моделирование полосковой антенны в Microvave Office

HFSS ANSOFT (Agilent Technology). Корпорация Ansoft, входящая в состав компании Ansys, занимает-

ся разработками ПО для автоматизации проектирования электронных приборов и устройств. Одним из продуктов компании является САПР HFSS (рис. 50).

Окно программы HFSS

HFSS – это стандартизованный в промышленности инструмент для моделирования трехмерных электромагнитных полей. Технология HFSS позволяет выполнять расчет электрических и магнитных полей, токов, S-параметров, излучений полей в ближней и дальней зоне. Процесс выполнения расчета полностью автоматизирован, пользователю необходимо всего лишь определить геометрические параметры, свойства материалов и желаемый результат. HFSS автоматически построит точную сеточную модель, соответствующую конкретному случаю, для решения задачи при помощи метода конечных элементов. В технологии HFSS физика определяет параметры сеточной модели, а не наоборот. Модуль HFSS может быть связан с Ansys Mechanical и Ansys DesignXplorer для выполнения междисциплинарного анализа и изучения возможностей оптимизации изделия. Технология HFSS является надежным инструментом, используемым при разработке высокоскоростных компонентов, в том числе расположенных на кристалле пассивных компонентов, корпусов интегральных схем, соединительных элементов печатных плат и ВЧ-компонентов, таких как антенны, СВЧ/ВЧ-компоненты, биомедицинские устройства (рис. 51).

HFSS позволяет рассчитывать S, Y, Z-параметры, визуализировать трехмерные электромагнитные поля и излучения, создавать Spice-совместимые модели для расчета качества сигнала.

Окно результатов работы программы HFSS

Использование HFSS позволяет решать задачи расчета радиочастотных и микроволновых устройств, например, при разработке ВЧ-компонентов, применяемых в принимающих и передающих частях коммуникационных систем, радиолокационных системах, спутниках и сотовых телефонах (рис. 52). Кроме того, HFSS используется для расчета электромагнитного взаимодействия между соединительными элементами, линиями электропередачи, переходными отверстиями печатных плат, а также для расчета высокоскоростных компонентов, применяемых в компьютерных серверах, устройствах хранения данных, мультимедийных ПК, развлекательных и телекоммуникационных системах.

HFSS может решать следующие задачи:

· моделирование трехмерного электромагнитного поля;

· конечные элементы, описываемые тангенциальными векторами;

· автоматическое адаптивное создание и сгущение сетки;

· расчет S, Y, Z-параметров через трансфинитные элементы;

· восстановление модели, автоматическое определение свойств, управление разрешающей способностью сеточной модели, отказоустойчивые алгоритмы построения сетки при импорте модели из CAD-системы;

· базисные функции низшего, среднего и высшего порядков;

· прямые и итерационные решатели матриц (возможность для 64-битных систем);

· обобщенные многорежимные описания портов, в том числе портов с большими потерями и портов Флоке;

· автоматическое назначение управляемых портов;

· различные случайные источники электромагнитных полей, в том числе диполи и произвольные плоские волны.

По состоянию на декабрь 2014 г. имеется версия R2.1 только для ОС Windows. Последняя рабочая версия – Ansys HFSS 15 (2013 г.).

Модель антенны с частотой 350 МГц, установленной
на истребитель-бомбардировщик F-35: диаграмма направленности излучения