Московский энергетический институт

Курушин А.А., Пластиков А.Н.

Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio

Москва 2010

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06

Рецензенты: проф., д.т.н. Коган Б.Л., к.т.н. Грибанов А.Н., Папилов К.Б.

Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде

CST Microwave Studio. – М. Издательство МЭИ, 2010, 160 стр.

CST MICROWAVE STUDIO - это мощная программа трехмерного моделирования электромагнитного поля. Программа использует различные методы расчета поля (расчет переходного процесса во временной области, анализ в частотной области, метод нахождения собственных частот). Основной методрасчет переходного процесса решает задачи возбуждения структуры радиоимпульсами, что отличает её от большинства других программных продуктов.

В настоящее время в России имеются десятки официальных лицензионных пользователей программы CST Microwave Studio, а тысячи студентов используют студенческую демо-версию программы во время учебного процесса, курсового и дипломного проектирования.

Учебное пособие посвящено описанию CST Microwave Studio версии 2009 г. и предназначено для студентов и аспирантов, изучающих проектирование СВЧ приборов, расчет и распространение электромагнитных полей в неоднородных средах.

УДК 621.3.049.77.029:681.3.06

Введение

Современные СВЧ устройства: радиоприемники, передатчики, системы переноса информации на радиочастоте – фактически состоят из антенны, радиоканала приема/передачи, блоков перевода информации из аналогового вида в цифровой и обратно (посредством АЦП/ЦАП) и цифровой части. Отдельные радиотехнические узлы – цифровые фильтры, коммутаторы, системы распознавания образов сигнала, системы разделения полезных сигналов и помех – реализуются в виде микросхем и процессоров. Поэтому проектирование полной системы приема и обработки радиоволн включает анализ коммутационных, модуляционных и прочих узлов, управляемых на уровне «цифры». Эти и другие особенности современных радиосистем требуют разработки и исследований новых методов анализа, синтеза и проектирования как всей системы, так и отдельных узлов. В условиях высокого темпа производства современный исследователь должен однозначно получить ответ: какой метод нужно выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности.

Отметим тот факт, что необходимый темп исследований и разработок бортовых и наземных антенных систем невозможен без использования новых информационных технологий проектирования СВЧ структур разнообразных топологий на электродинамическом уровне. Подобные технологии не сводятся только к усовершенствованию распространённых методик аналитического и параметрического синтезов, используемых при анализе и оптимизации на вычислительных машинах в узкоспециализированных программах электродинамического моделирования, разработанных для расчета конкретных задач на основе численных методов решения уравнений Максвелла.

Рис. В.1. Ближнее электрическое поле в сечении автомобиля с антенной на его крыше (а) и диаграмма направленности планарной антенны(б) , расположенной на заднем стекле автомобиля

Программа CST MICROWAVE STUDIO™ , описанию которой посвящена данная книга - это мощный комплекс, предназначенный для трехмерного моделирования объектов разнообразной формы на электродинамическом уровне.

Стоит отметить, что в последние годы отечественные инженеры и исследователи уделяют данному программному комплексу всё больше внимания.

В процессе проектирования СВЧ устройств с помощью CST Microwave Studio вих конструкции в трехмерном представлении вводятся с помощью черчения простейших геометрических фигур – примитивов и выполнения логических (булевых) операций над ними. Имеются и широкие возможности импорта моделей из других программ. После того, как конструкция начерчена и заданы граничные условия, включая источники возбуждения, выполняется разбиение всего пространства задачи на сетку, а затем рассчитывается поле в каждой точке пространства.

Наиболее гибкий метод расчета, реализованный в Microwave Studio в виде переходного решающего устройства Transient Solver , может провести расчет проектируемого устройства в широком диапазоне частот после расчета единственной переходной характеристики (в отличие от частотного метода, который требует анализ во многих частотных точках). Этот метод очень эффективен для решения многих СВЧ устройств, типа разъемов, линий передачи, фильтров, антенн и т.д.

Рис. В.2. Стадии моделирования сотового телефона (а), рассчитанные распределения ближних полей (б) и диаграмма направленности антенны телефона (в)

При исследовании резонансных структур типа узкополосных фильтров, решение во временной области времени может стать неэффективным из-за медленно спадающих во времени сигналов - откликов. Для решения подобных задач Microwave Studio позволяет использовать метод Eigenmode .

Программа Transient Solver становится менее эффективным при решении низкочастотных задач, когда размер структуры намного меньше длины волны. В этих случаях может быть целесообразно решать задачу в частотной области. Этот подход наиболее эффективен, когда представляют интерес характеристики только в нескольких частотных точках.

Базовый метод расчета в Microwave Studio – метод конечного интегрирования (FIT)– является методом пространственной дискретизации, в котором пространство задачи разбивается на дискретные ячейки (сетку). При этом в решающем устройстве реализуется метод конечных разностей во временной области (FDTD ) как частный случай метода FIT . Очень важная особенность решения во временной области – пропорциональная зависимость требуемых вычислительных ресурсов от размеров структуры. В настоящее время, на современном персональном компьютере с помощью метода FDTD можно выполнить расчет структур с размером до нескольких десятков длин волн.

Исследования и разработки инженеров, работающих в аэрокосмической и оборонной промышленности, постоянно подталкивают к решению задач на грани возможного. Это распространяется и на специализированные области технологий электромагнитного моделирования. Одна из важных практических задач – оптимизация эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) летательных аппаратов и кораблей, а другая

– решение проблем электромагнитной совместимости радиотехнических систем с учетом влияния корпуса аппарата на эффективность связи. Оба этих направления характеризуются электрическими размерами аппаратов, которые, как правило, составляют сотни длин волн.

Рис. В.3. Экспортированная модель вертолета (а) и рассчитанный трехмерный график ЭПР (б)

Решить подобные задачи с помощью обычных методов объемной дискретизации пространства (FIT или FEM ) не представляется возможным. В последних версиях Microwave Studio для решения данного класса задач предлагается использовать метод интегральных уравнений (Integral Equation Solver , I-solver ). Это позволяет выполнить электродинамический анализ трехмерных структур больших электрических размеров (рис. В.3).

Не менее важная особенность Microwave Studio – возможность полной параметризации модели структуры (от геометрии до свойств материалов), которая использует переменные при определении каждого варьируемого параметра. В комбинации со встроенным оптимизатором и возможностью прямого изменения параметров, Microwave Studio эффективно выполняет проектирование устройств на электродинамическом уровне. Комплекс CST идет в ногу с появлением физических задач, связанных с освоением космоса, с работой в приборах исследовании элементарных частиц, биологии и медицине (рис. В.4). Комплекс CST значительно расширяется в последние годы, и таким образом не теряет пальму первенства в популярности.

Алгоритм решения современных задач с физическим содержанием сводится к точному моделированию физических процессов, включающих распространение электромагнитных волн, тепловые явления, учет движущихся в пространстве расчета частиц.

Рис. В.4. Модель введения катетера в брюшную полость человека (а) и получаемые распределения электрического поля (б) и температуры (в)

Он включает оптимизацию процесса проектирования, выработку соотношения между аналитическими и численными методами при решении актуальных задач, стоящих как перед организаторами научной работы, так и перед исполнителями от научных сотрудников до инженеров.

Главные особенности Microwave Studio

Microwave Studio - основанная на языке ACIS система параметрического моделирования трехмерных структур, с полной визуализацией структуры, так что:

- возможен импорт трехмерной структуры в формате *.sat, *.iges или *.stl ,

- возможен импорт слоев в формате *.dxf, *.gdsII и *.gerber ,

- импорт биологической модели человека в виде файла,

- экспорт данных в формате *.sat, *.iges, *.stl, *.drc и *.pov,

- параметризация структуры импортированных файлов CAD.

Рис. В.5. Модель военного корабля с рассчитанными токами на металлических поверхностях

В CST реализовано несколько методов расчета. Сделаем их обзор.

Расчет переходного процесса. В этом режиме CST обеспечивает:

- эффективное моделирование структур с потерями и без потерь,

- расчет S – параметров в широком диапазоне частот по единственного расчету переходного процесса, применяя преобразование Фурье,

Вычисление E, H-поля по одному выполненному моделированию,

- адаптивное уплотнение трехмерной сетки разбиения на ячейки,

- описание изотропных и анизотропных материалов,

- моделирование поверхностного импеданса для хороших проводников,

- расчет распределения типов волн в сечении порта,

- реализацию многоэлементных портов с TEM волнами,

- нормирование S - параметров для указанных импедансов портов,

- возбуждение структуры плоской волной,

Использование идеальных граничных условий излучения/поглощения, периодических граничных условий, -вычисление дальнего поля антенны (усиление, направленность, подавление боковых лепестков, и т.д.),

- расчет эффективной поверхности рассеяния RCS,

- вычисление различных характеристик электромагнитного типа: электрического поля, магнитного поля, поверхностных токов, потоки мощности, плотности тока, плотности потерь, а также тепловые, электрические, магнитные энергетические плотности,

- включение в структуру дискретных элементов (R,L,C), включая нелинейные диоды,

- в режиме расчета переходного процесса можно задать функцию возбуждения в виде прямоугольного и др. форм радиоимпульса,

- автоматическое извлечение схемной модели SPICE (R, L, C, G),

Параллелизацию работы солверов, полностью загружая 32-битовый процессор PC,

Оптимизацию структуры для произвольных целей использовать встроенный оптимизатор.

Расчет в частотной области. В этом случае программа CST

обеспечивает:

- расчет структур с потерями и без потерь,

- описание изотропных, анизотропных и гиротропных свойств материалов,

- равномерную и адаптивную выборку частот в диапазоне анализа,

- расчет типов волн в портах 2-D решающим устройством Eigenmode в частотной области,

- перенормирование S - параметров для заданных импедансов портов,

- разгерметизацию S – параметров,

- улучшенные граничные условия излучения/поглощения,

- вычисление дальнего поля антенны (включая усиление, угол излучения ДН, подавление боковых лепестков и т.д.),

- расчет дальнего поля антенной решетки,

- вычисление характеристик электрического и магнитного ближнего поля,

- включение сосредоточенных элементов R, L, C, G в любом месте структуры,

- автоматическое извлечение SPICE модели (генерирование R, L, C, G).

Метод собственных частот

В этом случае программа Eigenmode выполняет:

Расчет собственных частот, потерь и добротностей для каждого типа волны, резонирующих на этих частотах,

- анализ типов волн поля (мод) в замкнутой структуре,

- расчет структур, которые могут быть заполнены анизотропными материалами,

- оптимизация структуры, используя встроенный оптимизатор.

Программа решения методом интегральных уравнений

Эта программа позволяет моделировать большеразмерные объекты и выполняет:

- расчет S – параметров в широкой полосе частот, полученных по распределению поля и используемых типов волн,

- расчет структур, заполненных изотропными и анизотропными материалами,

- вычисление потерь и добротностей для каждого режима,

- параллельная работа на нескольких ядрах персонального компьютера,

- генерирование SPICE модели (R, L, C, G).

- параметрическую оптимизацию, в которой выполняется изменение одного или нескольких параметров проекта,

- автоматическая оптимизация структуры для произвольных целевой функции, создаваемой в виде аналитических выражений.

в) Визуализация результатов анализа и их экспорт

- вывод типов волн в портах, постоянную распространения, импеданс, и т.д.

- вывод S – параметров в декартовой и полярной системах координат, диаграмму Смита,

- просмотр электрических и магнитных полей, потоков мощности, поверхностных токов в двумерном и трехмерном представлениях,

- вывод характеристик полей в дальней зоне (напряженность поля, коэффициент усиления антенны, направленность антенны, эффективная поверхность рассеяния RCS),

- вывод вида полей в дальней зоне (поля, усиление, направленность, RCS) в трехмерном и двумерном виде,

- анимация процесса распространения электромагнитного поля,

- просмотр сетки разбиения,

- экспорт S - параметров в формате Touchstone,

- экспорт данных расчета (полей, характеристик и т.д.) как файлы ASCII,

Экспорт графиков в табличной форме.

******************************************************************

Данное учебное пособие состоит из 5 глав. В первой делается обзор интерфейса программы и принципов построения модели, во второй проводится ознакомление с реализованными в программе численными методами расчета; далее в каждой главе рассматриваются примеры анализа конкретных устройств, от простых к сложным. Авторы приносят благодарность д.т.н., проф. Гутцайту Э.М., д.т.н., проф. Когану Б.Л., к.т.н. Грибанову А.Н., Папилову К.П. за помощь в процессе работы над рукописью.

Глава 1. Общая характеристика СВЧ студии

1.1. CST Microwave Studio как часть общей программной среды CST STUDIO SUITE

Программная среда CST STUDIO SUITE представляет собой мощную платформу для решения электромагнитных задач. Удобный в использовании графический пользовательский интерфейс позволяет одновременно

Подробности Опубликовано 18.11.2019

Уважаемые читатели! C 18.11.2019 г. по 17.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой уникальной коллекции в ЭБС «Лань»: «Военное дело» .
Ключевой особенностью данной коллекции является образовательный материал от нескольких издательств, подобранный специально по военной тематике. Коллекция включает книги от таких издательств, как: «Лань», «Инфра-Инженерия», «Новое знание», Российский государственный университет правосудия, МГТУ им. Н. Э. Баумана, и некоторых других.

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Подробности Опубликовано 11.11.2019

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

«Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки»

Подробности Опубликовано 06.11.2019

Уважаемые читатели! 13 ноября в 10:00 библиотека ЛЭТИ в рамках договора о сотрудничестве с Президентской библиотекой им.Б.Н.Ельцина приглашает сотрудников и студентов Университета принять участие в конференции-вебинаре «Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки». Мероприятие будет проходить в формате трансляции в читальном зале отдела социально-экономической литературы библиотеки ЛЭТИ (5 корпус пом.5512).

Ключевые слова

ФИЛЬТР ВЫСОКИХ ЧАСТОТ / ЧАСТОТА СРЕЗА / ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ / CST MICROWAVE STUDIO / HIGH-PASS FILTER CUTOFF FREQUENCY / BANDWIDTH

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы - Дерачиц Дмитрий Сергеевич, Кисель Наталья Николаевна, Грищенко Сергей Григорьевич

Для защиты устройств от помех и решения задачи электромагнитной совместимости необходимо использовать фильтры с затуханием 60 дБ и более в полосе заграждения. Устройства такого типа должны не только эффективно подавлять помеху в требуемом диапазоне частот, но и обладать хорошей экранировкой от проникновения в устройства наводимых внешних помех. Применение фильтров высоких частота в сигнальном тракте может значительно улучшить соотношение сигнал/шум всего устройства за счет подавления низкочастотных шумов и дрейфа сигналов с частотами ниже, чем нижняя граница спектра частот полезного сигнала. Было выполнено моделирование фильтра с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляет не более 1 дБ, а подавление вне полосы пропускания не менее 90 дБ. Фильтр представляет собой параллельно соединенные последовательные колебательные контуры. Каждый из контуров имеет емкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу режекции фильтра, заданную от 0 до 90 МГц. Проектирование осуществлялось в два этапа: схемотехническое моделирование и полное 3D-электромагнитное моделирование с учетом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счет поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра. Пакет САПР СВЧ CST Microwave Studio обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объеме проектируемого фильтра и осуществляет строгий расчет его технических характеристик.

Текст научной работы на тему «Моделирование на базе САПР CST Microwave Studio фильтра высоких частот»

17. Popovich V., Vanurin S., Kokh S., Kuzyonny V. Intellectual Geographic Information System for navigation safety // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. - 2011. - Vol. 26.

18. Беляков С.Л., Диденко Д.А., Самойлов Д.С. Адаптивная процедура управления представлением рабочей области электронной карты // Известия ЮФУ. Технические науки.

2011. - № 1 (114). - С. 125-130.

19. Беляков С.Л., Розенберг И.Н. Программные интеллектуальные оболочки геоинформационных систем. - М.: Научный мир, 2010.

20. Беляков С.Л., Белякова М.Л., Розенберг И.Н. Ограничения целостности при визуализации пространственной базы данных // Известия ЮФУ. Технические науки.- 2013. - № 5. (142). - С. 138-143.

21. Luger G.F. Artificial Intelligence: Structures and Strategies for Complex Problem Solving.

Addison Wesley. - 2004.

22. Беляков С.Л., Боженюк А.В., Гинис Л.А., Герасименко Е.М. Нечеткие методы управления потоками в геоинформационных системах. - Таганрог. - 2013.

23. Варшавский П.Р., Еремеев А.П. Моделирование рассуждений на основе прецедентов в интеллектуальных системах поддержки принятия решений // Искусственный интеллект и принятие решений. - 2009. - № 1. - С. 45-57.

24. Вагин В.Н., Головина Е.Ю., Загорянская А.А., Фомина М.В. Достоверный и правдоподобный вывод в интеллектуальных системах / Под ред. Вагина В.Н. и Поспелова Д.А.

М.: Физматлит. - 2008.

25. Хорошевский В.Ф.Семантическая интерпретация паттернов данных на основе структурного подхода // Искусственный интеллект и принятие решений. - 2013. - № 2. - С. 3-13.

Беляков Станислав Леонидович - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: +78634371695; кафедра информационно-аналитических систем безопасности; д.т.н.; профессор.

Боженюк Александр Витальевич - e-mail: [email protected]; д.т.н.; профессор.

Розенберг Игорь Наумович - ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт инженеров железнодорожного транспорта» (НИИАС); e-mail: [email protected]; 109029, г. Москва, ул. Нижегородская, 27, стр. 1; тел.: 84959677701; зам. генерального директора; д. т. н.

Belyakov Stanislav Leonidovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371695; the department of information analytical systems of safety; dr. of eng. sc.; professor.

Bozhenyuk Alexander Vitalievich - e-mail: [email protected]; dr. of eng. sc.; professor.

Rozenberg Igor Naymovich - Public corporation "Research and development institute of railway engineers"; e-mail: [email protected]; 27/1, Nizhegorodskaya, Moscow, 109029, Russia; phone: +74959677701; deputy director; dr. of eng. sc.

УДК 621.396.67

Д.С. Дерачиц, Н.Н. Кисель, С.Г. Грищенко

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА БАЗЕ САПР CST MICROWAVE STUDIO ФИЛЬТРА ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

внешних помех. Применение фильтров высоких частота в сигнальном тракте может значительно улучшить соотношение сигнал/шум всего устройства за счет подавления низкочастотных шумов и дрейфа сигналов с частотами ниже, чем нижняя граница спектра частот полезного сигнала. Было выполнено моделирование фильтра с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляет не более 1 дБ, а подавление вне полосы пропускания - не менее 90 дБ. Фильтр представляет собой параллельно соединенные последовательные колебательные контуры. Каждый из контуров имеет емкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу режекции фильтра, заданную от 0 до 90 МГц. Проектирование осуществлялось в два этапа: схемотехническое моделирование и полное SD-электромагнитное моделирование с учетом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счет поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра. Пакет САПР СВЧ CSTMicrowave Studio обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объеме проектируемого фильтра и осуществляет строгий расчет его технических характеристик.

Фильтр высоких частот; частота среза; полоса пропускания; CST Microwave Studio.

D.S. Derachits, N.N. Kisel, S.G. Grishchenko

SIMULATION OF HIGH-PASS FILTER USING SOFTWARE CST MICROWAVE STUDIO

To protect against interference and solve the problem of electromagnetic compatibility is necessary to use filters with attenuation of 60 dB or more in the stopband. Devices of this kind must not only effectively reduces the noise in the desired frequency range, but also have good shielding from penetrating into the device induced by external noise. The use of high-pass filter in the signal path can significantly improve the signal/noise ratio of the entire device by suppressing the low-frequency noise and drift signals with frequencies lower than the lower limit of the frequency spectrum of the desired signal. The work was performed modeling filter with a cutoff frequency of 90 MHz, the attenuation of which in the operating band is less than 1 dB, and the suppression is bandwidth - not less than 90 dB. A filter is a parallel-connected series resonant circuit. Each circuit is capacitively coupled to an adjacent circuit and operates as a band stop filter configured to suppress one of the frequencies. Overlapping bands of each filter implements the entire band rejection filter set from 0 to 90 MHz. Design was carried out in two phases: circuit simulation and full 3D - electromagnetic simulation with the metal body and the possible impact between stages due to surface waves generated on a dielectric substrate filter. Microwave CAD software CST Microwave Studio provides an analysis of the parameters of the electromagnetic field in the volume of the filter design and implement a rigorous calculation of its technical characteristics.

High-pass filter cutofffrequency; bandwidth; CST Microwave Studio.

Введение. Темпы развития инфокоммуникационного оборудования и энергетических систем ведут к ухудшению электромагнитной обстановки. Повышенный уровень помех за пределами рабочего диапазона частот приводит к сбоям действующей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Для защиты РЭА от помех и решения задачи электромагнитной совместимости необходимо использовать фильтры с затуханием 60 дБ и более в полосе заграждения. Устройства такого типа должны не только эффективно подавлять помеху в требуемом диапазоне частот, но и обладать хорошей экранировкой от проникновения в РЭА наводимых внешних помех.

К основным техническим параметрам любого фильтра обычно относят: амплитудную и фазовую частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ), частоту (частоты) среза, полосу пропускания, полосу подавления, уровень затухания в полосе пропускания, уровень подавления и другие. Частотой среза в любом фильтре принято считать такую частоту, при которой амплитуда выходного сигнала достигает уровня 0,707 (-3 дБ в логарифмическом масштабе) от своего максимального значения. При этом мощность, поступившая в нагрузку на выходе фильтра, составляет половину своего максимального значения. Полосу частот, в пределах которой

мощность выходного сигнала изменяется от своего максимального значения до половины, называют полосой пропускания (прозрачности) фильтра. Соответственно, полосу частот, в пределах которой мощность в нагрузке изменяется от половины максимального значения до своего минимума (в пределе - нуля), традиционно принято считать полосой подавления (заграждения или режекции) фильтра .

Известно, что фильтр высоких частот (ФВЧ) - это устройство, подавляющее входные сигналы в диапазоне частот ниже частоты среза этого фильтра. ФВЧ аналоговых сигналов бывают активными, т.е. требующими источников питания для своей работы, и пассивными, которые таких источников не требуют. В активном ФВЧ необходимо использовать активные элементы, выполненные по микроэлектронной технологии, например, операционные усилители, а пассивный ФВЧ можно изготовить только на пассивных электронных компонентах. Здесь важно отметить, что применение любых ФВЧ в сигнальном тракте РЭА может значительно улучшить соотношение сигнал/шум всего устройства за счет подавления низкочастотных шумов и дрейфа сигналов с частотами ниже, чем нижняя граница спектра частот полезного сигнала.

Моделирование фильтра высокой частоты. В работе было выполнено моделирование ФВЧ с частотой среза 90 МГц, у которого затухание в рабочей полосе составляет не более 1 дБ, а подавление вне полосы пропускания - не менее 90 дБ. Фильтр реализован как ФВЧ двадцатого порядка и представляет собой параллельно соединенные последовательные колебательные контуры (рис.1).

Каждый из контуров имеет емкостную связь с соседним контуром и работает как заграждающий фильтр, настроенный на одну из частот подавления. Перекрытие полос каждым из фильтров реализует всю полосу режекции ФВЧ, заданную от 0 до 90 МГц .

Рис. 1. Электрическая схема ФВЧ двадцатого порядка

Проектирование осуществлялось в два этапа: схемотехническое моделирование и полное 3Б - электромагнитное моделирование с учетом металлического корпуса и возможного влияния между каскадами за счет поверхностных волн, возникающих на диэлектрической подложке фильтра. В результате схемотехнического моделирования рассчитаны емкости и индуктивности схемы фильтра, АЧХ которого показана на рис. 2. Параметры сосредоточенных элементов фильтра приведены в табл. 1

Рис. 2. Трехмерная модель ФВЧ в СБТ Ы1его^аув &ийю

Таблица 1

Параметры сосредоточенных элементов фильтра

Обозначение Номинал, нГн Обозначение Номинал, пФ Обозначение Номинал, пФ

L4, L5, L6, L7 82 С13 33 С17 75

L8 100 C5, C9, С11 36 С4 82

L3 110 С7 39 С16 100

L9 133 C15 43 С2 120

L2 220 С3 47 С1 150

L10 276 C8, С10 51 С18 280

L1 680 С6 56 С19 1000

3D-моделирование выполнялась в пакете САПР СВЧ CST Microwave Studio , в качестве исходных данных использовались параметры сосредоточенных пассивных элементов фильтра, полученных на первом этапе схемотехнического моделирования и приведенные в таблице выше. В качестве подложки использован стеклотекстолита FR4 толщиной 1 мм, диэлектрической проницаемостью £=4,6 и тангенсом диэлектрических потерь 5=0,015. Модель фильтра в CST Microwave Studio и зависимости АЧХ для S-параметров показаны на рис. 2, 3 соответственно.

S-Parameter

12D -i-i-i-i-i-i-i-

0 50 100 150 200 250 300 350 «0

Рис. 3. АЧХБ-параметров ФВЧ

Как видно из рис. 3 в области режекции ФВЧ от 0 до 70 МГц наблюдался неравномерный характер АЧХ. При этом уровень подавления изменялся в значительных пределах от -70 дБ до -110 дБ. Кроме того минимальный уровень подавления оказался на 20 дБ меньше аналогичного параметра, полученного на этапе схемотехнического моделирования. Данный факт можно объяснить взаимным влиянием каскадов ФВЧ друг на друга из-за возникновения поверхностных волн в диэлектрической подложке, которые при схемотехническом моделировании учесть невозможно.

На рис. 4-7 представлены распределения вектора Пойнтинга и напряженности электрического поля в продольном сечении ФВЧ без экранирования между каскадами в полосе подавления на частоте 80 МГц и в полосе пропускания на частоте 400 МГц, соответственно.

Рис. 4. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ в полосе подавления на частоте 80 МГц

Рис. 5. Распределение напряженностей электромагнитного поля в продольном сечении ФВЧ в полосе подавления на частоте 80 МГц

Рис. 6. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ в полосе пропускания на частоте 400 МГц

Рис. 7. Распределение напряженностей электромагнитного поля в продольном сечении ФВЧ в полосе пропускания на частоте 400 МГц

Как видно из приведенных распределений, амплитуды электромагнитного поля и вектора Пойнтинга практически полностью ослабляются ФВЧ на расстоянии менее половины продольной длины фильтра на частоте 80 МГц и практически без потерь достигают выхода фильтра на частоте 400 МГц. В полосе режекции при удалении от подложки перпендикулярно вверх амплитуды поля и вектора Пойн-тинга заметно убывают. В полосе пропускания при удалении от микрополосковой линии и диэлектрической подложки в любом направлении затухание амплитуд поля и вектора Пойнтинга происходит значительно медленнее и слабее, поле локализуется в непосредственной близости к диэлектрику.

Для уменьшения электромагнитной связи между каскадами использованы стальные экраны в виде пластин, разделяющие друг от друга все каскады фильтра. Модель такого фильтра и зависимости АЧХ для его S-параметров показаны на рис. 8, 9, соответственно.

Рис. 8. Фильтр высоких частот с экранированием между каскадами

На рис. 9, 10 изображены распределения вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ с экранированием между каскадами в полосе подавления и в полосе пропускания фильтра. Аналогично результатам для фильтра без экранов (см. рис. 6, 7), амплитуды вектора Пойнтинга практически полностью ослабляются экранированным ФВЧ на расстоянии менее половины продольной длины фильтра на частоте 80 МГц и практически без потерь достигают выхода такого фильтра на частоте 400 МГц. Однако в этом случае, согласно рис. 10 и 11, энергия электромагнитного поля сконцентрирована вокруг микрополосковой линии, межкаскадных экранов и на самой диэлектрической подложке и занимает значительно меньший объем во всем фильтре.

Рис. 10. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧ с экранированием всех каскадов в полосе подавления на частоте 80 МГц

Рис. 11. Распределение вектора Пойнтинга в продольном сечении ФВЧс экранированием всех каскадов в полосе пропускания на частоте 400 МГц

S-Parameter

к ■->.____

Рис. 9. Частотные характеристики S-параметров ФВЧ с экранированием всех

каскадов

Заключение. Сравнение зависимостей АЧХ для ФВЧ с экранами и без них показало, что применение экранирующих пластин существенно улучшает подавление сигналов в полосе режекции фильтра. При этом наименьший уровень ослабления сигнала составил не менее -90 дБ. Использование экранов существенно влияет на поверхностную и пространственную волн, значительно уменьшая их уровень внутри объема фильтра. По сути, межкаскадные экраны образуют гребенчатую замедляющую структуру, которая совместно с диэлектрической подложкой способствует возникновению поверхностных волн. Характерным признаком поверхностной волны является экспоненциальное затухание амплитуды поля и вектора Пойнтинга в поперечном направлении от продольной поверхности самой замедляющей структуры, вдоль которой и происходит перенос энергии поля, что полностью подтверждается приведенными выше результатами моделирования.

Таким образом, задача проектирования фильтра включает в себя разработку его принципиальной схемы с обязательным учетом наличия внешних источников помех и возможного влияния корпуса и каскадов фильтра друг на друга, действие которых значительным образом влияет на технические характеристики фильтра. При проектировании фильтров с большим уровнем подавления схемотехническое моделирование не может адекватно описать, происходящие процессы формирования электромагнитного поля, поэтому необходимо выполнять трехмерный электромагнитный анализ всего устройства с помощью специализированных сред электронного моделирования. Пакет САПР СВЧ CST Microwave Studio обеспечивает анализ параметров электромагнитного поля в объеме проектируемого фильтра и осуществляет достаточно строгий расчет его технических характеристик.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Херреро Д., Уиллонер Г. Синтез фильтров: Пер. а англ. / Под ред. И.С. Гоноровского.

М.: Сов. радио, 1971. - 232 с.

2. Ханзед Г.Е. Справочник по расчету фильтров. Пер. с англ. / Под ред. А.Е. Знаменского.

М.: Сов. радио, 1974. - 288 с.

3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование Фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2012. - 744 с.

4. Веселое Г.И., Егоров Е.Н., Алёхин Ю.Н. и др. Под ред.Веселова Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., 1988. - 280 с.

5. Сычёв А.Н. Управляемые СВЧ устройства на многомодовых полосковых структурах.

Томск: Томский государственный университет, 2001. - 318 с.

6. Бова Н.Т., Стукало П.А., Храмов В.А. Управляющие устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1973. - 163 с.

7. Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.

8. Statz H., Newman P., Smith I., Pucel R., Haus H. GaAs FET device anl circuit simulation in SPICE // IEEE Trans. Electron Devices. - 1987. - Vol. ED-34, №2. - P. 160-169.

9. РазевигВ.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office - М.: СОЛОН- Пресс, 2003. - 496 с.

10. Конструирование и расчёт полосковых устройств / Под ред. И.С. Ковалёва. - М.: Сов. радио, 1974. - 295 с.

11. Бова Н.Т. и др. Микроволновые устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1984. - 182 с.

12. Воронин М.Я. Нерегулярные линии передачи на СВЧ: теория и применение. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 1994. - 291 с.

13. Знаменский А.Е., Попов Е.С. Перестраиваемые электрические фильтры. - М.: Связь, 1979. - 128 с.

14. Saavedra С., Zheng Y. Ring-Hybrid Microwave Voltage-Variable Attenuator Using HFET Transistor s // IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53, № 7. - P. 2430-2433.

15. ПостниковВ.Ф. Элементы теории полосковых линий. - Новосибирск, 1994. - 89 с.

16. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи.

М.: Связь, 1971. - Т. 1. - 495 с.

17. Разинкин В.П., Белотелов В.В. Новые принципы построения полосовых фильтров СВЧ // Труды 4-й Международной конференции АПЭП-98, Новосибирск, 1998. - С. 133 136.

18. Расчёт фильтров с учётом потерь. Справочник, перевод с немецкого / Под ред. Сильвин-ской К.А. - М.: Связь, 1972. - 200 с.

19. Осипенков В.М., Бачинина Е.Л., Фельдштейн А.Л. Вопросы расчёта фильтров СВЧ с потерями // Радиотехника. - 1973. - Т. 28, № 4. - С. 25-30.

20. Lucyszyn S., Robertson D. Analog reflection topology building blocks for adaptive microwave signal processing applications // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - 1995. - Vol. 43, № 3. - P. 601-611.

21. Матвеев С.Ю., Разинкин В.П. Узкополосный СВЧ фильтр // Патент 2185693 РФ: 7 Н 01 Р 1/20, 7/00. 2002. Бюл. № 20.

22. Разинкин В.П., Белотелов В.В. Высокоизбирательные фильтры СВЧ// Proceeding IEEE-Russia conference Microwave electronics (MEMIAT997). - Novosibirsk: NSTU, 1997.

23. Матвеев С.Ю., Разинкин В.П. Микрополосковый фильтр СВЧ // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2001. - Т. 44. - № 7-8. - С. 38-41.

24. Грищенко С.Г., Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н. 3D-моделирование микрополоскового фильтра высоких частот в пакете БГ^//Современная электроника. - 2015. - № 4. - С. 72-76.

25. Курушин А.А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST Studio Suite. - М.: One-book, 2014. - 433 c.

Дерачиц Дмитрий Сергеевич - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 88634371634; кафедра антенн и радиопередающих устройств; аспирант.

Кисель Наталья Николаевна - кафедра антенн и радиопередающих устройств; профессор; к.т.н.; доцент.

Грищенко Сергей Григорьевич - директор Института радиотехнических систем и управления; к.т.н.; доцент.

Derachits Dmitriy Sergeevich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371634; the department of antennas and radio transmitter, graduate student.

Kisel Natalia Nikolayevna - the department of antennas and radio transmitters; professor; cand. of eng. sc.; associate professor.

Grishchenko Sergey Grigorievich - director of Institute radio engineering system and control; cand. of eng. sc.; associate professor.

Перед многими инженерами в области электромагнитного моделирования часто встают вопросы дальнейшей обработки и использования результатов моделирования задачи в других средах или, наоборот, передачи параметров из одной среды в другую. Казалось бы, нет никакой проблемы экспортировать результаты в понятную другой программе форму и пользоваться ими, либо ввести данные вручную. Однако часто встают задачи, требующие выполнения данной последовательности действий N раз и производительность выполнения данных действий устремляется к нулю. Если вам интересна тема обозначенная в заголовке, тогда прошу под кат.

Современные тенденции в обработке данных привели радиоинженеров к повсеместному использованию для достижения своих целей мощного инструмента Mathworks Matlab . Данный пакет позволяет решать задачи цифровой обработки сигналов, моделирования ПЛИС и систем связи в целом, проектирования радиолокационных моделей и многое другое. Всё это делает Matlab незаменимым помощником практически любого радиоинженера.

Специалисты по высокоточному электродинамическому моделированию чаще оперируют другими специфическими пакетами программ, одним из которых является CST Microwave Studio . О данном продукте изложено множество статей на сайте компании «Евроинтех» . Потому оспаривать его лидирующие аспекты нет необходимости.

Стратегия

В общем случае необходимо было провести моделирование проекта в Microwave Studio в частотном диапазоне, задаваемом некоторой функцией, выполняющейся в Matlab, и последующем использованию результатов моделирования коэффициентов передачи S ij в других расчетах.

Способ ручного ввода и вывода данных пал сразу, так как описанная последовательность действий должна была быть выполнена от 1 до нескольких тысяч раз.

Было принято решение пытаться наладить управление параметрами моделирования Microwave Studio непосредственно из функций Matlab. Анализ доступной справки CST и Matlab, а также интернет-ресурсов показал, что обе программы поддерживают использование фреймворка ActiveX.
ActiveX - фреймворк для определения программных компонентов, пригодных к использованию из программ, написанных на разных языках программирования. Программное обеспечение может собираться из одного или более таких компонентов, чтобы использовать их функциональность.

Впервые эта технология была внедрена в 1996 году компанией Microsoft как развитие технологий Component Object Model (COM) и Object Linking and Embedding (OLE) и теперь она широко используется в операционных системах семейства Microsoft Windows, хотя сама технология и не привязана к операционной системе.

Из описания CST Studio следует, что любой ее компонент может выступать в качестве управляемого OLE сервера. OLE - технология связывания и внедрения объектов в другие документы и объекты, разработанная корпорацией Майкрософт. Тем самым вот оно решение Microsoft Windows, Matlab, CST Microwave Studio + технология OLE.

Теперь необходимо разобраться, как же все это реализовать в Matlab.

Базовые функции для управления CST из Matlab

Из можно выделить несколько базовых функций, необходимых для работы с ActiveX интерфейсом:

Actxserver – создать локальный или удаленный сервер;

Invoke – вызвать метод для объекта ActiveX.

Проще говоря, суть команды actxserver сводится к инициализации (открытию) программы, выступающей в качестве управляемой, invoke – к обращению к тем или иным разделам управляемой программы.

Пример:

Сst = actxserver("CSTStudio.Application") – команда привязывает к переменной «cst» управляемый с помощью OLE объект «CSTStudio.Application ». В данном случае название «CSTStudio.Application » является уникальным именем в среде ActiveX, позволяющим понять, к какой именно программе мы хотим обратиться.

Mws = invoke(cst , "NewMWS") - позволяет перемещаться между основными меню программы, в данном случае отправляет команду в переменную «cst », связанную с приложением CST Studio, на создание нового пустого файла проекта;

Invoke(mws, "OpenFile", "<Путь к файлу>") – отправляет команду на открытие конкретного файла находящегося по адресу <Путь к файлу> в только что созданной пустой вкладке, с которой связана переменная «mws»;

Solver = invoke(mws, ‘Solver’) –данная команда присваивает переменной solver обращение к вкладке решателя во вкладке проекта, связанного с переменной «mws » Microwave Studio;

Invoke(solver, "start") – данная команда обратившись к CST Studio к открытому проекту войдет во вкладку решателя и запустит расчет модели.

Если обратиться к вкладке Workspace в Matlab и посмотреть значения(Value) переменных: cst , mws , solver , можно заметить следующее:

Переменная cst имеет значение <1x1 COM.cststudio_application> . Это означает, что переменная cst связана с главным окном Microwave Studio, и в нем можно создавать файлы, закрывать его и т.д. Если создание файла происходит с помощью функции invoke(cst, "NewMWS") , то закрытие осуществляется командой
Invoke(cst, "quit")
Переменная mws имеет значение <1x1 Interface.cststudio_application.NewMWS> . Это означает, что переменная mws связана с конкретной вкладкой проекта в главном окне CST. Во вкладке проекта можно открывать готовые проекты, сохранять и закрывать их, а также переходить к вкладкам для работы над проектом.
Примеры команд:
Invoke(mws, "quit") – закрыть текущий проект;
Invoke(mws,’SelectTreeItem’,’1D Results\S-Parameters\S1,1’) – выбрать файл в древе папок рабочего пространства, таким образом можно обратиться к любому файлу из «древа». Данная функция при задании пути к файла чувствительна к регистру.
Brick = invoke(mws, "brick ") – переходит к вкладке создания куба;
Units = invoke(mws, "units") – переходит к окну изменения величин измерений проекта.
Переменная solver и переменные brick и units , созданные в предыдущем пункте, имеют значение <1x1 Interface.cststudio_application.NewMWS.solver> , <1x1 Interface.cststudio_application.NewMWS.brick> и <1x1 Interface.cststudio_application.NewMWS.units> соответственно, что означает - все эти переменные связаны с оконечным окном по заданию тех или иных свойств объектов. К примеру, при обращении к переменной brick набором команд:
Invoke(brick,"Reset"); invoke(brick,"name","matlab"); invoke(brick,"layer","PEC"); invoke(brick,"xrange","-10","10"); invoke(brick,"yrange","-10","10"); invoke(brick,"zrange","-10","10"); invoke(brick,"create");
Мы создадим куб размерами 20x20x20 текущих единиц проекта из материала «PEC » с именем «matlab ».

Иерархия управляемых объектов

На основе вышесказанного можно выделить некоторую иерархию управляемых элементов, которую придется соблюдать для доступа к CST Studio из Matlab.

Рисунок 1 – Иерархия управляемых элементов CST Studio

Как видно из рисунка 1, чтобы поменять какой-либо параметр в проекте необходимо: во-первых инициализировать главное окно CST Studio, во-вторых обратиться к конкретной вкладке проекта, в третьих обратиться к окну изменения свойств конкретного объекта интерфейса (вычислителя, геометрии, единиц измерения и т.д.).

Алгоритм поиска команд для управления

Если с инициализацией главного окна и вкладки проекта все просто, то набор окон для ввода и изменения параметров очень велик, и все способы обращения к ним привести в одной статье кажется невозможным. В полном объеме они доступны в справочных материалах, поставляемых с пакетом программ CST Studio Suite. Но более простым представляется следующий алгоритм поиска формата всех команд по обращению к любому месту CST Studio.

Рассмотрим предыдущий пример по созданию куба размерами 20x20x20. Создадим такой же куб, но с помощью графического интерфейса в CST Studio и найдем во вкладке Modeling кнопку History List .

Рисунок 2 – Окно вызова History List

Откроем пункт Define brick и обратимся к его содержимому и коду в Matlab, позволяющему повторить данную последовательность действий.

Рисунок 3 – Окно Define brick и код Matlab

Из рисунка 3 видно, что код в Matlab является практически копией пункта из History List . Таким образом понять к какому оконечному объекту следует обращаться после выбора вкладки проекта (после второй строки кода Matlab) можно, образовав связь между объектом интерфейса CST, в данном случае Brick , и последовательно отправить в этот объект команды прямо из History List .

Однако не все команды в History List имеют такой синтаксис. Например, задание частотного диапазона для расчета осуществляется с помощью следующей строки:

Рисунок 4 – Задание частотного диапазона в History List

Здесь опять же очевидным образом присутствует название объекта, которому следует отправлять команды – Solver . Тогда команда для изменения частотного диапазона из Matlab будет выглядеть следующим образом:

Solver = invoke(mws,"Solver"); invoke(solver,"FrequencyRange","150","225");
Сформулируем алгоритм поиска имен объектов и формата команд для управления CST Studio из Matlab:

Необходимо выполнить все действия, которые хочется автоматизировать в Matlab, из графического интерфейса CST Studio;
Открыть в Modeling\History List текст требуемой операции («define brick », «define frequency range » и т.д.);
С помощью команд, представленных ниже, связаться с CST Studio из Matlab и открыть требуемый файл:
Сst = actxserver("CSTStudio.Application") mws = invoke(cst , "NewMWS") invoke(mws, "OpenFile", "<Путь к файлу>")
Инициализировать связь с объектом CST Studio, параметры которого необходимо изменять, по заголовку из History List с помощью команды:
<переменная> = invoke(mws, "<Имя объекта>")
Построчно ввести команды, описанные в History List для объекта:
Invoke(<переменная>, "<команда>", "<значение1>", "<значение2>")

Данный алгоритм действий методом проб и ошибок приводит к решению задачи управления CST Studio посредством кода Matlab.

Вывод результатов анализа

После написанного выше можно уже отправить читателя разбираться дальше самому, но в самом начале статьи задача была поставлена как ввод параметров частотного диапазона из Matlab в CST и импорт результатов моделирования в виде S-параметров передачи обратно в Matlab. К тому же операции экспорта результатов в History List не отображаются.

С помощью графического интерфейса это осуществляется следующим образом:

После расчета выбираем файл в «древе» папок для его отображения;
2 Экспортируем его в ASCII файл через вкладку Post Processing\Import/Export\Plot Data(ASCII) .

Теперь с помощью команд Matlab нужно осуществить то же самое.

Выше уже была упомянута команда

Invoke(mws,"SelectTreeItem","1D Results/S-Parameters/S1,1")
позволяющая выбрать необходимый файл в «древе» рабочего поля. Для вывода результатов в ASCII воспользуемся встроенной функцией CST «ASCIIExport ».
Из справки к CST для выполнения данной функции необходимо послать CST следующие команды:
export = invoke(mws,"ASCIIExport") - инициализация функции экспорта с переменной export;

Invoke(export,"reset") - сброс всех внутренних параметров на значения по умолчанию;

Invoke(export,"FileName","C:/Result.txt") - задание пути сохранения и имени файла;

Invoke(export,"Mode","FixedNumber") - выбор метода сохранения точек. FixedNumber – выводит строго заданное количество точек, FixedWidth – выводит точки через заданный шаг;

Invoke(export,"step","1001") – число точек для вывода/ширина шага;

Invoke(export,"execute") – команда на вывод.

Данный набор команд позволит вывести значения коэффициента отражения S 11 в размере 1001 точки в файл расположенный на диске C с именем Results.txt
Тем самым поставленная изначально задача была полностью решена.

Используемая литература

Потемкин, Валерий Георгиевич Введение в MATLAB / В.Г. Потемкин. - Москва: Диалог-МИФИ, 2000. - 247 с.: табл. - ISBN 5-86404-140-8
Справочные материалы, поставляемые с пакетом программ CST Studio Suite