Прежде чем заняться моделированием следует упомянуть о граблях которые подстерегают новичка. Тем кто работает с цифровой и низкочастотной техникой необходимо усвоить круг задач, попадающих под термин « грабли СВЧ моделирования». Во первых, с ростом частоты колебания его длина волны становится соизмеримой, а затем и много меньшей относительно физических размеров печатных плат. В этом случае заземления элементов перестают быть «честной землей», топология разветвления, ширина и длина проводников становятся критичной для параметров устройства. Важным становится значение импеданса тракта. В низкочастотной технике обычно моделируются только физические эффекты, но никак не топологический эквивалент схемы, в то время как вся суть СВЧ схемы зависит от физического расположения, а не только от номиналов элементов. Вторая проблема произрастает из первой, даже если создать распределенную модель  (к примеру транзистора с учетом паразитных цепей)на базе SPICE это не даст 100% решения, т.к. при установке транзистора на плату необходимо учитывать что линии передачи имеют дисперсионные потери и распределенные параметры во времени. Конечно ряд современных PSPICE симуляторов таких как TINA , MultiSim позволяют моделировать идеальные линии СВЧ, но не более того. В третьих, моделирование СШП сигналов предполагает исследование длительных переходных процессов во временной области. Это приводит к резкому увеличению объема расчета и как правило SPICE не выполняет эту задачу ссылаясь на ограниченность ресурсов.

Если моделирование системой SPICE или PSPICE больше не дает разработчику уверенность в том, что его система правильно заработает после изготовления, необходимо воспользоваться инструментами СВЧ проектирования. В чем их отличие? Прежде всего следует разделить инструменты СВЧ проектирования на те что работают частотной области и во временной.

Новый метод расчета переходных процессов во временной области, реализованная в симуляторах HSPICE. Он продолжает добрые традиции SPICE, но на боллее высоком уровне точности,благодаря нелинейному анализу цепей по переменному току с высокой интегральной длительностью. Он представляет собой инструмент моделирования схем высокой точности на уровне транзисторов, объединяющий достоверные модели c передовыми алгоритмами моделирования и анализа.Ключевые преимущества HSPICE:

• высокий уровень точности моделирования схем
• поддержка самого точного и полного набора запатентованных моделей, соответствующих промышленным стандартам
• поддержка моделирования параметров рассеивания (S-parameter) при моделировании переходных процессов
• простота адаптации, благодаря широкой поддержке со стороны производства и поддержке стандартных форматов SPICE
• поддержка анализа взаимовлияния цепей и целостности сигналов поддержка расширенных возможностей при определении параметров элементов поддержка расширенных возможностей при оптимизации и анализа граничных условий

 

Рис 1. а	Частотные инструменты как правило оснаванны на методе гармонического анализа, они позволяют разработчику смоделировать эффекты, связанные с изменением частоты, оптимизировать проект, с целью подавить эти эффекты или использовать их себе на пользу. Эти инструменты представляют собой практическую альтернативу изготовлению схем-прототипов, значительно ускоряют регулировку, а также помогают понять суть возникающих проблем. В частности метод гармонического анализа обходит проблемы возникающие в SPICE путем перевода расчета схемных уравнений из временной в частотную область. Анализ в частотной области получается путем замены формы сигнала на комплексные вектора и затем их согласования на различных частотах. В этом изящном решении тоже скрыты грабли. Во первых не правильный выбор частот для гармонического анализа ведет к неправильному решению в следствии плохого согласования коэффициентов комплексных компонент. Это наиболее часто возникающая проблема у тех кто не сталкивался с СШП моделированием. Поясним это на примере представленном на рис.1(в качестве среды моделирования здесь и в последующих примерах использован Microwave Office от AWR). Наша задача получить источник сигнала коротких прямоугольных импульсов =5нс с частотой повторения 10 МГц. Выбираем тип источника (на рис.1 это port_pls) и настраиваем его свойства в соответсвии с требованием, затем запускаем симулятор. Результат моделирования показан на рис 1.b - синяя линия. Почему это произошло, ведь параметры сигнала мы ввели правильно? Дело в том что, с точки зрения гармонического анализа область наших интересов сосредоточена на 10МГц. Эта гамоника в спектре прямоугольного сигнала обладает наибольшей мощностью как показано на рис.1с. Спектральная область 5нс импульса находиться значительно дальше 10 МГц и не обладает большой мощностью. А поскольку гармонический анализ оперирует в частотной области то для анализа эта гармоника более важная чем остальные. В случае узкополосных сигналов такое решение было бы разумно поскольку частота повторения есть несущая частота, а значит и нет такой проблемы. В случае СШП сигналов, необходимо расширить область частот для гармонического анализа путем увеличения числа гармоник в анализе. Результат моделирования показан на рис 1.b - красная линия.   Рис 1. c
Рис 1. b
Файл модели в формате MWO 6.5  sample0.emp(4.6k)

1. ГЕНЕРАТОР КОРОТКИХ ВИДЕОИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРА

Построение СШП генератора на транзисторе уже было кратко рассмотренно в предыдущей части курса. Это одна из самых простых схем, идеально подходит для изучения вопроса построения модели. Допустим нам необходимо построить генератор для работы на 1ГГц с полосой +/-250МГц по уровню -10дБ.

Принципиальная схема генератора состоит из фильтра источника питания DC_VS, буфер входного сигнала S2,схемы формирования импульса на транзистора S1 и  выходной нагрузки в виде 50 Ом-ного порта (см.рис.2). На вход схемы поступает сигнал тактовых импульсов прямоугольной формы. Это может быть непосредственно тактовый сигнал с цивровой схемы управления (микроконтроллер, ПЛИС или др.). В качестве буфера между цифровой частью и СШП используется буферный логический элемент NC7SZ04.

Рис.2

Рис.3(a)

Рис.3(b)

Поскольку не все симуляторы СВЧ поддерживают модели цифровых схем IOBIS, этот элемент представлен в виде не линейного источника который точно повторяет форму выходного сигнала логического элемента. Проходя через диференцирующую цепь C1R2 мы получаем в базе транзистора S1 два импульса- положительной и отрицательной полярности которые формируются на фронтах сигнала. Поскольку в базе нет смещения по напряжению, то R2 выбирается таким образом чтобы пиковое напряжение импульса в базе было больше 0.7В(импульс отрицательной полярности лишь запирает переход транзистора) и в тоже время надо помнить что R2 является нагрузкой для NC7SZ04 для которой нагрузка менее 100 Ом приводит к деградации сигнала.Эффективность работы данной схемы во многом зависит от правильного подбора RC цепей. Пробники M_Probe свободно перемещаются по узлам схемы и позволяют контролировать правильность выбора элементов.Поскольку транзистор работает в режиме с общим эммитером, то к-ф передачи регулируется только одним элементом R1 который запитывает транзистор с источника V1 через блокировачную емкость C3. Элемент C2 блокирует постоянное напряжение и в связке R1C2 служит ФВЧ. В результате на выходе схемы (Output) формируется видеоимпульс отрицательной полярности. Результат моделирования показан на рис.3(a)- осциллограмма входного(INPUT) и выходного(OUTPUT)сигнала,рис.3(b)-спектрограмма. Согласно рисунку наше задание успешно выполнено, схема позволяет получить видео импульс со значением пикового напряжения более 3В и ширине спектра+/-250МГц по уровню -10дБ. Несмотря на то, что длительность импульса 2нс по уровню 0,1, первый спектралный ноль находиться в области 1.4ГГц.Объясняется это тем, что соотношение 1/T работает только в случае когда фронт импульса значительно меньше длительноси импульса. Так же следует заметить, что транзистор в данной схеме является лишь усилителем сигнала. Поэтому сигнал на выходе во многом зависит от того какой сигнал поступает на вход тактовых импульсов. С точки зрения усиления, выбранный режим уступает линейному. Это видно по маркерам входного и выходного сигнала, усиление составило 10dB на 1ГГц, в то время как в линейном режиме этот усилитель дает 12dB.Однако по потреблению такой режим значительно выгоднее т.к. транзистор находиться в открытом состоянии только несколько наносекунд, в то время как в линейном режиме он постоянно потребляет 50mA.

Нетрудно догадаться, что представленная модель не сильно отличается от PSPICE. Поэтому посмотрим, что произойдет если еще ближе приблизить модель к реальности. Перейдем к полной принципиальной схеме генератора(см. рис.4), заменяя идеальные элементы на модели реальных элементов и установим схему на печатную плату (см. рис.5).Конструктивно ПП выволнена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита типа FR4. Одна сторона испльзуется как экран земли, второая для монтажа элементов схемы. Все пассивные элементы предназначены для поверхностного монтажа.

Результат данной модели представлен на тех же рисунаках рис.3(а,b) -розовая линия Layout OUTPUT. Введение реальных элементов привнело к увеличению потерь, что сказалось на амплитуде выходного сигнала. Влияние ПП не столь значительно, поскольку частоты в области 1ГГц имеют  еще достаточны большие длины волн  по сравнению с элементами ПП. Кроме того потери в диэлектрике на этих частотох малы.

Рис.4

Рис.5

Файл модели в формате MWO 6.5  sample1.emp(47.8k)   5892