Добавление проводников в слои структуры

Среда проектирования AWR DE или Microwave Office позволяет не только создавать новые образцы моделируемых физических структур, но и брать их готовыми из программ­ного обеспечения Applied Wave Research или файлов форма­тов AutoCAD, DXF, GDSII и Sonnet GEO. Границы модели­руемых электромагнитных структур могут быть криволинейными, работа с ними требует более глубокого изучения не только данного пакета программ, но и специаль­ных вопросов моделирования электромагнитного ноля.

В предлагаемом примере рассмотрено создание струк­туры микрополоскового встречно-штыревого фильтра встро­енными средствами черчения Microwave Office. Для создания новой физической электромагнитной структуры надо выпол­нить следующие действия.

• Выбрали в главном меню Draw (Чертить) команду Add Rect Conductor (Добавить прямоугольный про­водник).

• Вызвали окно ввода координат вершин прямоуголь­ника, поместив для этого курсор в окно Interdigital Filter и нажав клавишу Tab на клавиатуре. Появится диалоговое окно Enter Coordinates (Ввод координат). Последовательность ввода: сначала коор­динаты, а затем приращения координат.

Введите х=0 и у=2, затем нажмите ОК.

• Вызовите окно Enter Coordinates (Ввод координат) еще раз, нажав клавишу Tab на клавиатуре. Выделите поле Re в этом окне и установите значение прираще­ний dx=2.2, a dy- 0.6, нажмите на кнопку ОК.

• Осмотрите окно ЭМ-структуры Interdigital Filter (Встречно-штыревой фильтр). Здесь поя­вился прямоугольный проводник. Окно электромаг­нитной структуры для удобства раскрыто во все рабо­чее поле Среды проектирования AWR DE.

Для создания второго прямоугольного проводника вы­полните следующие действия.

• Выберите в главном меню Draw (Чертить) команду Add Rect Conductor (Добавить прямоугольный про­водник).

• Введите значения координат х-4 и у=2 в окне Enter Coordinates (Ввод координат), нажмите ОК. Вызовите окна ввода координат, нажав снова клавишу Tab на клавиатуре, и введите значения приращений координат 1,2 для dx и 7,2 для dy, нажмите ОК.

• Обратите внимание, в окне ЭМ-структуры Interdigital Filter (Встречно-штыревой фильтр) появился второй прямоугольный проводник.

• Переместите второй проводник к первому проводни­ку. Для этого выделите второй проводник в окне ЭМ- структуры щелчком левой клавиши мыши, затем пе­ремещайте курсор над проводником до тех пор, пока он не превратится в четырехстороннюю стрелку. На­жав левую клавишу мыши, перемещайте проводник так, чтобы значения dx и dy стали равными -2 и -1 соответственно (значения dx и dy появляются при пе­ремещении проводника).

Добавление перемычек

Перемычки осуществляют соединение между слоями металлизации.

Требуется перемычка на землю с одного конца длинного проводника. Ее создание выполняется следующими действиями.

• Выберите в главном меню Draw (Чертить) команду Add Via (Добавить переходное отверстие). Переместите курсор в окно Interdigital Filter (Встречно-штыревой фильтр) и нажмите клавишу Tab (рис.5.12).

• В диалоговом окне Enter Coordinates (Ввод координат) введите значение координат х=2.4 и у-1.2. Нажмите ОК.

• Нажмите клавишу Tab на клавиатуре для повторного вызова окна Enter Coordinates (Ввод координат) и введите значение приращения dx=0.4, а для dy=0.8. Нажмите ОК.

Выполнили следующие действия, чтобы освоить полезный прием построения электромагнитных структур.

• Выберите в главном меню Edit (Редактировать) команду Сору (Копировать), чтобы поместить в буфер обмена выделенное переходное отверстие.

• Затем выполните команду Edit - Paste (Редактор - Вставить). Переместите курсор в окно ЕМ-структуры. В окне отобразится скопированный элемент.

Отображение структуры в 3D режиме

Среда проектирования AWR DE обеспечивает визуальное отображение как в проекциях на плоскость, так и в трехмерном представлении. Получите трехмерное изображение построенной электромагнитной структуры.

• Выберите в главном меню View (Вид) команду 31) View (Трехмерный вид).

• Осмотрите окно (рис.5.15) представления оболочки (электромагнитной) в трехмерном пространстве. Поверхности слоев показаны линиями следов пересечения с боковыми стенками оболочки. Обратите внимание, что видимая толщина и координаты явно не соответствуют друг другу. Вспомните о введенном ранее масштабном коэффициенте 4.

Порты используются, чтобы моделировать вход и вы­ход структуры.

Физически порт представляется источником мощности с внутренним сопротивлением, который возбуждает структу­ру, и вместе с тем порт служи т прибором для измерения па­раметров электромагнитной структуры.

В Среде проектирования AWR DE EM-Sight произво­дит вычисления моделирования электромагнитных процес­сов. Три типа портов в ней называются: краевыми портами, портами перемычек и внутренними портами, и все они имеют свои особые свойства. Порты краевые используются чаще. В данном примере используются именно такие порты.

Создать порты включения электромагнитной структу­ры в схемы позволяют следующие действия.

Выделите маленький проводник в окне ЭМ- структуры. Обратите внимание, чтобы этот проводник был размещен вплотную с левой стороной корпуса, его координаты х=0;у=2.2.

Выберите в главном меню Draw (Чертить) команду Add Edge Port (Добавить краевой порт). Поместите курсор на левом краю проводника и щелкните мышью. На левом краю проводника появится маленький квадрат с номером 1. Этими действиями установлен краевой порт на конце проводника вблизи проводящей стенки. Очевидно, что у проводящей стенки искажение поля будет значительным.

Ослабления влияния краевых условий стенки на электромагнитное поле структуры достигают тем, что смещают плоскость моделирования внутрь оболочки.

Смещение плоскости моделирования от края оболочки выполняется следующим образом.

• Выделите порт и перемещайте перекрестный курсор мыши по оси х до тех пор, пока число, соответствующее перемещению, станет равным 1. На рис.5.17 выделен порт, смещаемый от края, и показано приращение его координаты. Установленный порт смещен но длине провода внутрь оболочки на один миллиметр. 11а этом построение первого резонатора фильтра завершено и можно исследовать его резонансные свойства.

Определение частоты моделировании.

Диапазоны частот для всего проекта и для отдельной электромагнитной структуры могут быть различными. Для задания рабочего диапазона частот на моделирование фильтра выделите в окне Менеджера проекта Interdigital Filter и далее выполните следующие действия.

Вызовите контекстное меню для Interdigital Filter, нажав правую клавишу мыши, выберите в нем команду Options (Параметры).

Перейдите на вкладку Frequency Values (Значения час-тот) окна Project Options (Параметры проекта) (рис.5.19) она открыта, когда вызывается окно.

• Снимите флажок в ноле Use Project Frequency (Использовать частоту проекта), уберите галочку в белом квадратике.

• В разделе Data Entry Units (Единицы измерения ввода данных) установите GHz (ГГц).

Запуск электромагнитного симулятора.

Прежде чем запускать программу моделирования структур, необходимо оценить требуемые ресурсы. Чтобы получить необходимую информацию, дважды щелкните по узлу Information (Информация) (он находится под Interdigital Filter).

Отобразится окно ЕМ Solver Information (Информация ЭМ-решателя) (рис.5.20). В окне видны требуемые ресурсы и время счета. Надписи на рисунке окна помогают понять его структуру.

Выберите в главном меню Simulate (Моделировать) команду Analyze (Анализировать), которая показана на рис.5.21. Она выделена фоном и надписью. На экране появится окно, в котором отображается ход процесса моделирования (рис. 5.22). Два индикатора окна позволяют судить о ходе вычислений программы. Когда окно исчезнет, тогда моделирование завершено. В этот момент результаты моделирования получены, но еще не видимы. Для определения резонансной частоты фильтра нужен график частотной характеристики ЭМ-структуры.

• Для добавления графика выберите в главном меню Project команду Add Graph (Добавить график). Па рис.5.23 показана команда создания графика. Она выделена фоном и поясняющей надписью. Появится диалоговое окно Create Graph (Создать график) (рис.5.24). Имя можно не изменять. На данном рисунке оно оставлено по умолчанию. Селектор установлен на прямоугольную форму.

• Выберите в области Graph Туре (Тип графика) Rectangular (Прямоугольный) и нажмите ОК. Окно графика отобразится в рабочей области. Поле графика не заполнено ничем. Этим завершена первая фаза создания графика. Следующая фаза определения графика оформлена тоже в форме диалога.

Выполните следующие действия. Сделайте активным окно Graph 1, кликнув в любой его точке левой клавишей мыши. Выберите в главном меню Project (Проект) (рис.5.26) команду Add Measurement (Добавить измерения). Она расположена строкой ниже команды Add Graph (Добавить график).

Обратите внимание, выбор содержания графика в этом окне требует знания основных методов расчета схем, электромагнитных структур, систем и всего другого, что можно рассчитать. Когда требуется уточнить детали методики расчета, можно вызвать справку кнопкой Meas. Help (Справка об измерениях). После подачи команды Add Measurement (Добавить измерения) появится окно Add Measurement (Добавить измерения). Изучив его, выберите строку S в ноле Measurement (Измерения), выберите Interdigital Filter в Data Source Name (Имя источника данных), DB (Децибел) в области Result Туре (Тип результата). Нажмите Add (Добавить) и нажмите Close (Закрыть). Этими действиями определено содержание графика, т.е. величина, которую требуется отобразить на графике.

Получить изображение графика позволяют следующие действия.

• Выберите в главном меню Simulate (Моделировать) команду Analyze (Анализировать).

• График на рабочем иоле отобразит результаты расчета. Видно, что резонансная частота находится вблизи 4 ОН/, (рис.5.27). Грубый трафик позволяет оценить резонансную частоту, но не форму частотной характеристики.

Изменение частотного диапазона

Для изменения диапазона частоты в окне Менеджера проекта щелкните правой клавишей мыши по Interdigital Filter и выберите в контекстном меню команду Options (Параметры).

• Выберите вкладку Frequency Values (Значения частот). Введите частоту Start (Начало) 3 ГГц, конечную частоту установите 5 ГГц (т.е. диапазон частот сужаем), а шаг установите 0,1 ГГц. Уменьшение шага увеличивает время счета. Такая тактика совместного изменения ширины области и шага сетки позволяет сохранить достаточно малое число циклов вычисления характеристики цепи. Щелкните на кнопке Apply (Применить). В окне Current Range (Текущий диапазон) появится заданный диапазон частот (рис.5.29). Нажмите ОК.

Настройка анимации электромагнитного поля сложнее, поэтому рассмотрим ее подробнее.

• Выберите в главном меню Animate (Анимация) команду E-Field Setting (Настройки показа электрического поля) (рис.5.30), чтобы выбрать слои отображения электрического поля.

• На экране монитора появится окно диалога E-Field Computation (Вычисление электрического поля). Окно служит для выбора тех слоев, поле на которых надо показать. Выберите Layer 2 (Слой 2) (рис.5.31) и нажмите ОК.

• Для прекращения вычислений электрических полей выберите в г лавном меню Animate (Анимация) команду E-Field Settings (Настройки электрических полей). Отмените выбор Layer 2 в окне E-Field Computation (Е-поле вычисления) и нажмите ОК.

• Просмотр анимации электрических нолей или токов запускают и останавливают одними и теми же коман-дами.

На экране отображается мультфильм анимации тока или напряженности электрического поля (рис.5.32а и 5.326).

Рис.5.32а. Режим анимации тока

Рис.5.326. Режим анимации напряженности электрического ноля

Завершение проектирования топологии фильтра

Для завершения проекта используем более развитые средства Среды проектирования AWR DE, предназначенные для редактирования чертежей. Это команды для выделения, вырезания или копирования и вставки из буфера обмена тех или иных частей проектируемого изделия. Добавим небольшой проводник к концу входного резонатора.

Для этого надо выполнить следующие действия.

• Сделайте активным окно фильтра Interdigital Filter, щелкнув по любой его точке левой клавишей мыши.

• Выберите в главном меню Draw (Чертить) команду Add Reet Conductor (Добавить проводник прямоугольный).

• Поместите курсор в окно Interdigital Filter.

• Вызовите окно диалога Enter Coordinates (Ввод координат), нажав клавишу Tab на клавиатуре.

Введите значение координат х=2, у-=8,2 и нажмите ОК.

Вызовите окно диалога Enter Coordinates (Ввод координат), нажав клавишу Tab на клавиатуре еще раз. Выделите поле Re в окне Enter Coordinates (Ввод координат), чтобы перейти к относительным координатам.

Введите значения приращений координат dx=-0.4 и dy=-0.2 и нажмите ОК. В окне ЭМ-структуры появится еще один прямоугольный проводник. Выходной резонатор фильтра имеет идентичные размеры с входным резонатором, но другую ориентацию и местоположение. Поэтому используйте команды редактирования: выделения частей чертежа, копирования их и вставки в определенные места чертежа. Выберите в главном меню Edit (Редактор) команду Select АН (Выделить все).

Выберите в главном меню Edit (Редактор) команду Сору (Копировать).

Выберите в главном меню Edit (Редактор) команду Paste (Вставить) и в окне появятся очертания копии входного резонатора.

Поместите копию точно поверх входного резонатора, щелкните левой клавишей мыши. Создастся новый проводник, он остается выделенным, хотя очертания его совпадают с чертежом первою резонатора. Выберите в главном меню Edit (Редактор) команду Flip (Перевернуть).

Переместите курсор на середину окна ЭМ-структуры. Щелкните и потяните курсор вниз, затем отпустите кнопку мыши - появится изображение перевернутого резонатора.

• Переместите перевернутый проводник резонатора к краю структуры. Для перемещения объекта он должен быть выделенным, курсор мыши должен принять форму стрелки крестообразной. Наведите курсор на выделенный резонатор, нажмите левую кнопку мыши и переместите выделенный объект. Когда выходная линия резонатора совместится с краем структуры, отпустите кнопку мыши (рис.5.33а).

• Рассмотрите рис.5.33а внимательно. Рамка выделения охватывает только резонатор. Этот этап требует выполнения нескольких попыток выделения, копирования и вставки копии из буфера обмена при различных вариантах рамки. Ее можно делать уже и шире, короче или длиннее. Испытайте несколько вариантов. Все варианты можно удалять клавишей Delete. Освоив процедуру выделения частей объекта, можно переходить к выполнению следующих пунктов.

Для создания среднего резонатора выделите те части, которые должны присутствовать в среднем резонаторе. Выделите их рамкой.

• Установите курсор мыши вблизи левого верхнего угла первого резонатора за пределами проводника.

• Нажмите и удерживайте нажатой левую клавишу мыши.

• Переместите курсор за пределы проводника резонатора вблизи его нижнего правого края.

• Убедитесь, что пунктирным прямоугольником выделен главный вертикальный проводник резонатора. Таким образом, выделены большой проводник резонатора и две перемычки. Такая рамка выделения показана на рис.5.33а. Теперь, имея опыт тренировки действий, легко понять, сколь важно правильно выделять детали.

Скопируйте и вставьте выделенный комплекс геометрических элементов. Вставленные элементы остаются выделенными. Переместите выделенные элементы на иоле окна и дважды щелкните правой клавишей мыши, чтобы повернуть их на 180°.

• Поместите выделенные элементы посредине структуры между двумя ранее установленными резонаторами.

Добавление второго порта

Для завершения эскиза электромагнитной структуры требуется порт на линии выходного резонатора. Требуется исключить влияние боковой стенки смещением плоскости моделирования на 1мм от границы оболочки.

Установите краевой порт и сместите плоскость моделирования на 1 мм следующими действиями.

Выберите в главном меню Draw (Чертить) команду Add Edge Port (Добавить краевой порт), щелкнув но крайнему справа проводнику.

• Поместите курсор мыши на левом краю проводника и щелкните мышью. На левом краю проводника появится маленький квадрат с номером 2.

«Выделите порт и перемещайте курсор мыши по оси X до тех пор, пока число, соответствующее перемещению, станет равным dx=-1.

На этом построение фильтра из трех резонаторов завершено. Влияние двух установленных резонаторов на потери в первом резонаторе можно исследовать, не внося никаких изменений в ранее созданные графики.

• Повторите еще раз действие. Выберите команду Analyze (Анализировать) из главного меню Simulate (Моделировать).

Наличие двух портов в схеме фильтра превратило его в более сложную структуру, из чего следует необходимость большего количества графиков для отображения ее свойств.

Добавление измерений в график

Следующие действия позволяют внести изменения в представление графической информации.

• Сделайте активным окно Graph 1, щелкнув левой клавишей мыши по окну.

• Добавьте отображение параметра S21, выбрав в главном меню Project (Проект) команду Add Measurement (Добавить измерения).

• Появится диалоговое окно Add Measurement (Добавить измерения).

• Выберите строку Port Parameters (Параметры порта) в поле Meas. Туре. (Тип измерения) и S в поле Measurement (Измерение), выберите Interdigital Filter в поле Data Source Name (Имя источника данных). Установите значение 2 в То Port Index (Порт приемник), щелкая левой клавишей мыши на кнопках счетчика, и выберите 1 в From Port Index (Индекс порта источника), затем установите в области Result Туре (Тип результата) галочку в тюле DB (Децибел).

• Завершив выбор, нажмите Add (Добавить) и затем Close (Закрыть). Результат этих действий появится, прежде всего, в легенде графика как вторая строка легенды, указывающая на то, что в графике отображается две кривые параметров двух портов SI 1 и S21.

• Выберите в главном меню Simulate (Моделировать) команду Analyze (Анализировать). График результатов анализа содержит две линии (рис.5.35а), как и следовало ожидать. Линии графика на экране монитора легко различить по цвету. В черно-белом изображении печатных документов различить линии на графиках помогают маркеры: треугольники, квадраты. Электромагнитную структуру легко видоизменить, например, подвинув средний резонатор вниз.

Заключение: Поняли работу пакта программ и освоили приемы работы в нем на примерах. Научились созданию электромагнитной структуры. Научились созданию макета, моделированию проходных отверстий.

Список литературы

1) Колмакова, И. В. Микрополосковый фильтр без кратной паразитной полосы пропускания / Колмакова И. В. [Текст] // Политехнический симпозиум Молодые ученые промышленности северо-западного региона, Санкт-Петербург, Россия. – 2004. – с. 44.

2) Kolmakova, Irina V. Microwave filter without spurious passband / Irina V. Kolmakova and Yaroslav Kolmakov [Text] // 11th International student seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena, Saint-Petersburg, Russia. – 2004. – pp. – 54-56.

3) Горюнов Н.Н., Носов Ю.Р – Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

4) Пасынков В.В., Чиркин Л.К – Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» – 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.

5) Беляев Б.А., Лексиков А.А., Тюрнев В.В. // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49. № 11. С. 1315–1324.

6) Беляев Б.А., Сержантов А.М. // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49. № 1. С. 24–31.

7) Hung C.-Y., Weng M.-H., Lan S.-W., Huang C.-Y. // J. Electromagnetic Wavesand Applications. 2012. V. 26. P. 12–23.

8) Lee Y-T., Lim J.-S., Kim Ch.-S., Ahn D., Nam S.A. // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2002. V. 12. N 10. P. 375–377.

9) Беляев Б.А., Бутаков С.В., Лалетин Н.В., Лексиков А.А., Тюрнев В.В.,Чесноков О.Н. // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51. № 1. С. 24–36.

10) Hong J.S., Lancaster M.J. // Electronics Letters. 1994. V. 30. N 18. P. 1494–1495.

11) Zhu J., Feng Zh. // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2006. V. 16. N 12. P. 672–674

Поиск по сайту: