3479

автоматический синтез фильтров различных типов; согласование в заданной полосе частот линии передачи с нагрузкой,

согласование устройств с сочетаниями импедансов портов «активный – комплексный» и «комплексный – комплексный»;

использование S-параметров СВЧ элементов в качестве критериального или имитирующего представления;

анализ и автоматизированное проектирование сосредоточенных и распределенных видов топологий;

автоматическую генерацию схемного файла Touchstone/Dos; имеет удобную диалоговую справочную систему.

При автоматизированном синтезе сосредоточенных или распределенных фильтров могут быть использованы чебышевская, баттервортовская и эллиптическая аппроксимации (как равноволновые, так и максимально плоскостные). Программа может использоваться для синтеза широкополосных согласующих цепей, преобразователей, мультиплексоров.

Система E-Syn/DOS вычисляет эквивалентные сопротивления сложных СВЧ цепей, может преобразовывать элементы с сосредоточенными параметрами в эквивалентные с распределенными параметрами, анализирует и оптимизирует основные характеристики цепей. Существует возможность вариации рядом S-параметров при заданных частотно-зависимых ограничениях для синтезируемой согласующей цепи. В процессе синтеза генерируются топологии и элементные значения для всех возможных цепей, которые отвечают техническому заданию, сформулированному разработчиком. Далее выбранные пользователем варианты СВЧ цепей (схем) конвертируются в схемный файл

Touchstone/Dos.

Преимуществами симулятора E-Syn/DOS являются: автоматическая проверка и устранение ошибок редактирования; создание точных чертежей (схемы, дизайна) с первого раза; высокая точность и скорость моделирования характеристик;

взаимодействие с программой Touchstone/Dos моделирования СВЧ схем; возможность работы в автоматическом или ручном режимах; наличие редактора, позволяющего просмотреть схемную топологию

элементов с сосредоточенными параметрами, распределенными параметрами или комбинацией тех и других;

при работе с системой обеспечивается полный контроль процесса синтеза СВЧ цепей и схем.

При анализе синтезированных цепей используют топологию и значения элементов в том виде, в каком они изображены на экране проектировщиком. Программа позволяет анализировать уровень КСВН, входные и выходные проводимость и сопротивление СВЧ цепей, существует возможность оптимизации по критерию минимизации потерь в схеме.

Отсутствие жестких требований к вычислительной технике при работе с моделирующей программой E-Syn/DOS делает возможным ее широкое

применение. Для работы с программой необходимо: среды MS-DOS 3.3 либо более поздних версий, математический сопроцессор с объемом памяти не менее 2 Мб, при работе в оболочках DOS или Windows рекомендуется использовать ОЗУ объемом не менее 6 Мб.

Touchstone/Dos НР Е4730А (фирма Hewlett-Packard) является системой автоматизированного проектирования, линейного моделирования и оптимизации аналоговых схем вплоть до КВЧ диапазона, анализа статистических характеристик схем методом Монте-Карло. Как и один из самых эффективных симуляторов НР Eesof, программа Touchstone/Dos НР Е4730А обеспечивает высокую точность при проектировании СВЧ и КВЧ схем: усилителей, преобразователей частоты, фильтров, коммутаторов, мультиплексоров и элементарных излучателей антенн.

Легкодоступная командная структура Touchstone/Dos позволяет запускать различные задачи путем однократного нажатия клавиши. Программа представляет выходные графические данные (чертежи, схемы, графики) в широко используемых форматах.

Touchstone/Dos совместима с НР Eesof’s Windows и продуктами Series IV. Ее интерактивный измерительный интерфейс позволяет осуществлять подключение к стандартным промышленным векторным сетевым анализаторам фирм Hewlett-Packard и Wiltron. Это дает возможность вносить данные экспериментальных измерений напрямую в моделируемую схему. Программа позволяет автоматизировать измерение следующих параметров СВЧ и КВЧ схем:

H- и S- параметры;

коэффициенты усиления, ослабления и фазы; коэффициенты отражения, прохождения и КСВН; коэффициент шума; время групповой задержки;

фактор стабильности и периоды циклических процессов; полные сопротивления и проводимости в полосе частот.

Система Touchstone/Dos использует усовершенствованный алгоритм снижения размерности матриц, значительно повышающий скорость моделирования трехмерных электродинамических объектов. Средства настройки программы Touchstone/Dos позволяют проектировщику в интерактивном режиме изменять величины схемных параметров, в реальном масштабе времени просмотреть внесенные изменения.

Меню программы Touchstone/Dos предлагает активизировать один из оптимизаторов, автоматически модифицирующих параметры элементов СВЧ схем и устройств: градиентный, квазиньютоновский, минимаксный.

Пакет Touchstone/Dos содержит широкий диапазон активных и пассивных моделей, которые позволяют вычислять дисперсионные характеристики различных линий передачи и СВЧ устройств:

а) микрополосковых и полосковых элементов - пересечений, тройников, разрывов, короткозамыкателей, острые граней, скачков сечения, щелей, конусов, радиальных изоляторов, криволинейных изгибов, переключателей и ответвителей СВЧ мощности;

б) подвесных и совмещенных линий передач; в) волноводных неоднородностей: конденсаторов, индуктивных штырей

различной формы (в том числе спиральной), резисторов, сквозных отверстий, проводных соединений, лент, диафрагм.

База данных программы Touchstone/Dos включает файлы данных, представляющие свыше 2000 транзисторов 13 фирм-производителей.

Требования к вычислительной системе при работе с программами

Touchstone/Dos и E-Syn/DOS являются идентичными.

Основу системы электродинамического проектирования (СЭП)

MDS/Mentor Graphics Integration фирмы Hewlett-Packard составляют пакет ВЧ и СВЧ автоматизированного проектирования HP MDS и графическая подсистема Mentor Graphics Integration (приложение 1). Вышеупомянутые блоки связаны между собой посредством модуля схемотехнического проектирования HP 85187A и программы физического проектирования HP 85188A. Такое сочетание позволяет не только проводить математическое моделирование, оптимизацию параметров и автоматизированное проектирование СВЧ аппаратуры и антенных устройств, но и глубоко вникнуть в сущность протекающих в них физических процессов, осуществить коррекцию функционирования схем на уровне математических моделей и на физическом уровне.

СЭП MDS/Mentor Graphics Integration работает в системе Unix и

включает программы схематического ввода, СВЧ схемы и цепи, электромагнитные и системные симуляторы, программы компоновки элементов, библиотеки данных для 40000 различных СВЧ устройств. Данные средства внедрены в графическую среду пользователя и дают возможность решать проектные задачи от концепции до конечного продукта. В состав упомянутой САПР входит более 80 программных модулей (приложение 2).

Большинство программ в области проектирования устройств СВЧ, разработанных в 80-х годах, изначально предназначались для операционной системы Unix и после переноса на персональные компьютеры типа IBM существенно теряют степень быстродействия и утрачивают простоту использования.

САПР Microwave Office, разработанная фирмой AWR для функционирования в среде Windows, лишена данных недостатков. Стоимость данного пакета существенно ниже цены мощных программных средств фирмы Hewlett-Packard, хотя и составляет около 25000 долларов. В состав данной САПР входят пакет моделирования линейных и нелинейных схем Voltaire XL и система трехмерного электродинамического моделирования EMSight.

Пакет Voltaire XL включает в себя:

одночастотный и многочастотный методы гармонического баланса для анализа нелинейных схем; ряды Вольтерра (статический и изменяющийся во времени);

анализ смесителей (называемый также конверсионно-матричным анализом); высокоскоростные методы линейного и шумового анализа; интегрированную систему ввода схем со встроенной поддержкой файлов описания систем Spice и MMICAD.

Ближайшими перспективами развития данного пакета является добавление в

него нелинейного анализа генераторов, нелинейный шумовой анализ,

включая анализ фазовых шумов и шумов смесителей, а также нелинейный

анализ устойчивости. В то время как многие из программных реализаций

метода гармонического анализа построены на базе кода, разработанного для

схемотехнического анализа низкочастотных аналоговых схем, пакет Voltaire

XL был разработан исключительно для высокочастотных и СВЧ

приложений. Это существенно повышает его быстродействие относительно

других аналогичных ППП. В данном пакете возможно, используя метод

гармонического анализа, настраивать нелинейные схемы фактически в

реальном масштабе времени.

Применение 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. Анализ на основе рядов Вольтерра легко

интегрируется с методом линейного анализа, что дает возможность

оптимизировать коэффициент шума и такие линейные характеристики, как

коэффициент передачи, КСВН, одновременно с уровнем

интермодуляционных составляющих. Для анализа интермодуляции в смесителях пакет Voltaire XL использует изменяющиеся во времени ряды Вольтерра.

Высокая скорость линейного, нелинейного и шумового методов анализа является следствием объектно-ориентированного подхода, а также в результате того, что система уравнений формируется непосредственно из схематического представления без дополнительного преобразования списка соединений СВЧ схемы в файл. Работа пакета в реальном времени позволяет,

например, изменить длину шлейфа и наблюдать изменение отклика на диаграмме Смита.

В случаях, когда правильная модель используемого устройства отсутствует

(хотя в библиотеку данных входит более 450 моделей только различных линейных СВЧ элементов) или эффект близкого расположения элементов может снизить точность модели, пользователи могут обратиться к пакету трехмерного электродинамического моделирования EMSight.

Пакет EMSight представляет собой графическую среду для быстрого анализа поведения ЭМП в различных структурах, часто встречающихся в высокочастотных интегральных схемах, монолитных СВЧ микросхемах,

микрополосковых антеннах и высокоскоростных цифровых печатных платах.

Данный пакет включает в себя: двухнаправленный DXF и GDSII транслятор,

внутренние порты для контроля напряжения и тока, дополнительные возможности для моделирования антенн: анимационное представление поля

в дальней зоне, введение измерительного зонда, построение диаграмм направленности, создание эквивалентной схемы антенны на сосредоточенных элементах (вывод в виде комбинации соединений формата

Spice), простой симулятор линейных схем, удобную программу визуализации полученных результатов, программу учета взаимовлияний между СВЧ элементами.

Система EMSight использует метод моментов Галеркина, отличающийся универсальностью и устойчивостью. Структура анализируется внутри ограниченной многослойной области прямоугольной формы, боковые границы которой всегда представляются как идеальные проводники, в то время как верхняя и нижняя границы могут иметь потери. Количество анализируемых слоев, межслойных соединений и внешних портов не ограничено.

Для анализа СВЧ структур в частотной области применен метод быстрого сканирования по частоте FFS, который позволяет на порядок сократить время моделирования по сравнению с обычным методом последовательного перебора частотных точек. Метод FFS позволяет экстраполировать частотную характеристику структуры в широком диапазоне частот на основании ее значения всего на одной частоте в силу аналитической природы линейных электромагнитных задач. Данный метод вычисляет передаточную функцию схемы и ее производные по частоте, причем порядок дифференцирования определяется пользователем (но не более 12).

Передаточная функция, а также ее производные используются для вычисления доминирующего полюса и нуля передаточной функции вблизи частот анализа. Тем самым для относительно простых структур, линейные размеры которых меньше длины волны в свободном пространстве,

обеспечивается точная экстраполяция частотной характеристики в широкой полосе частот. Точное описание характеристик структур в резонансной области требует большего количества полюсов и нулей передаточной функции. В этом случае увеличивается число анализируемых частот.

Мощные графические возможности системы EMSight позволяют проектировщику наблюдать цветное трехмерное анимационное изображение токов высокой частоты, на котором отображаются не только амплитуда, но и направление этих токов, что дает возможность получить наглядное представление о поведении СВЧ структур. Кроме того, имеется широкий набор «традиционного» представления расчетных данных, таких, как диаграммы Смита, графики в декартовой и полярной системах координат и таблицы данных.

Благодаря встроенному интерфейсу импорта-экспорта пакет может сохранять данные в стандартных форматах промышленных систем, например,

Touchstoune, что делает возможным использование их другими популярными системами линейного и нелинейного анализа производства компаний Ansoft, HP Esoft, Optotec и др. Функционирование пакета Microwave Office в среде

особенностей высокочастотных и СВЧ плат на их электрические характеристики и моделирования электромагнитной совместимости сложных объектов. Пакет включает в себя следующие модули:

1)BoardScan – анализ печатных плат (расчет паразитных эффектов, интерференционных сигналов и электромагнитного излучения, идентификация наиболее излучающих сегментов печатных проводников);

2)Phidias – создание пользователями собственных моделей источников сигналов, нагрузок, аналоговых и цифровых ВЧ и СВЧ компонентов;

3)EZ Greenfield 2d – составление схем замещения в формате SPICE для связанных и несвязанных отрезков линий передач;

4)Layout Tool Interfaces – импорт печатных плат из разных САПР (ACCEL EDA, SPECCTRA, Mentor BoardStation, OrCAD Layout, PADS Power PCB, Protel) и просмотр их;

5)Database Manager – менеджер библиотек компонентов, использующих модели IBIS/Phidias и SPICE;

6)Greenfield – анализ целостности сигналов до и после выполнения трассировки печатных плат. Данный модуль включает средства анализа и синтеза отрезков линий передач, программу составления

электродинамических макромоделей трехмерных объектов.

При анализе электромагнитной совместимости моделируется подключение всех источников и нагрузок к печатной плате, вычисляются напряженности электрического и магнитного полей вблизи платы в заданном диапазоне частот. Если уровень излучения превышает предельно допустимый, диагностируются цепи (или области) печатной платы, вносящие наибольший вклад в уровень излучения, и производится повторная трассировка платы, изменяются типы компонентов, вводятся новые слои металлизации для минимизации паразитных излучений и взаимовлияния элементов. При этом учитываются особенности конструктивного исполнения платы, элементов крепления, подводимых кабелей.

Пакет Omega PLUS разработан для использования в среде Windows на персональных IBM – совместимых компьютерах с процессорами Pentium (минимально рекомендуемый объем ОЗУ – 32 Мб), что делает возможным его использование широким кругом разработчиков ВЧ и СВЧ аппаратуры.

Планарные электромагнитные симуляторы Edge Mesh осуществляют текущие численные представления токов в устройстве, разделяя его на ячейки, называемые временными схемами. Если текущее численное представление токов имеет сильно локализованный характер (например, в торце микрополосковой линии передачи или в спиральном индукторе), симулятор автоматически уменьшает шаг сетки вблизи острых кромок и других сингулярных участков моделируемой структуры. Это дает возможность вычислить и графически представить токи с одинаковым уровнем точности на разных участках схемы, а также позволяет осуществить оптимальное разбиение ячеек сетки.

В Иллинойском университете (США) в 1998 году разработана одна из самых мощных систем электродинамического моделирования FISC (Fast Illinois Code), предназначенная для анализа процесса дифракции электромагнитных волн на металлодиэлектрических объектах сложной формы (например, на реальных автомобилях и самолетах). Данная система рассчитана для применения на суперкомпьютере CRAY ORIGIN 2000. Процесс моделирования дифракции на реальном объекте на одной частоте занимал около четырех часов машинного времени, т. к. модель сводилась к решению

СЛАУ с комплексными коэффициентами порядка 2.4 106 .

Среди отечественных САПР СВЧ устройств и антенн следует отметить систему электродинамического моделирования СЭМ-04, разработанную авторами Харьковской школы радиофизики под руководством А. А. Кириленко и В. И. Ткаченко. При реализации систем электродинамического моделирования возможно использование различных приоритетов, определяющих выбор той или иной схемы САПР и алгоритмов ее функционирования. Для системы СЭМ-04 была избрана следующая иерархия приоритетов: общность конфигураций, быстродействие, простота формирования объектов исследования, наполнения библиотеки базовых элементов и входного языка. Концептуальной основой системы СЭМ-04 является сочетание высокоэффективных методов решения краевых задач для широкого набора конфигураций элементарных рассеивающих объектов и использование углубленных форм принципа декомпозиции в задачах прикладной электродинамики.

Библиотека ключевых элементов системы моделирования СЭМ-04 использует самые различные числовые и численно-аналитические подходы к решению краевых задач электродинамики для структур с дискретным пространственным спектром. В системе СЭМ-04 реализованы следующие основные структуры и задачи:

1)метод частичного обращения матричного оператора задачи (излом прямоугольного волновода в Н-плоскости, наклонная граница раздела диэлектриков в Н-плоскости, Н-плоскостные линейные переходы, Е- и H- плоскостные скачки поперечного сечения прямоугольных волноводов, скачок диаметра круглого волновода);

2)метод частичных областей (разветвления прямоугольных и круглых волноводов в скалярном и векторном вариантах, плоскостные стыки трактов разной формы поперечного сечения);

3)метод проекционного сшивания на основе теоремы Грина (тройниковые и крестообразные сочленения прямоугольных волноводов в Е- и H-плоскости);

4)метод частично пересекающихся областей (Y-сочленение прямоугольных волноводов в Е- и H-плоскости, Е- и H-плоскостные волноводные трансформаторы с круговой областью связи);