1. Компьютерное моделирование микроволновых устройств

в “Microwave Office 2008”

1.1. Введение в “Microwave Office 2008”

Пакет Microwave Office 2008, являющийся продуктом Applied Wave Research, Inc. (http:// www.awrcorp.com) и специально предназначен для компьютерного моделирования линейных, нелинейных и электромагнитных (объемных) схем СВЧ.

Запуск пакета Microwave Office 2008 (MWO) выполняется стандартным для Windows-приложений способом. Правильный запуск приводит к появлению рабочей среды, показанной на рис. 1.1, где “Панель ниспадающего меню” содержит полный набор команд, доступный при работе с MWO; “Панель инструментов” облегчает доступ к наиболее часто используемым командам; “Окно проекта” содержит полный набор данных об активном проекте MWO, включая схему, выходные графики, набор частот анализа, электромагнитную (ЭМ) схему и др. В “Рабочей области” размещается анализируемая схема, итоговые графики и др. информация.

Ниспадающее меню располагается в верхней части окна среды проектирования и содержит все необходимые команды для работы с проектом. На рис. 1.2 пояснены функции для ряда пунктов некоторых ниспадающих меню.

Для получения помощи от MWO достаточно обратиться к пункту Help > Contents and Index F1 “Панели ниспадающего меню” или же в любой момент работы следует нажать клавишу F1.

Панель инструментов содержит кнопки, соответствующие наиболее часто употребляемым командам работы с проектом, и по умолчанию располагается в верхней части окна среды проектирования. Панель инструментов Microwave Office 2008 имеет базовую конфигурацию (рис. 1.3), которая видоизменяется в процессе работы в зависимости от выполняемой текущей операции.

Заголовок Панель ниспадающего меню Панель инструментов

Окно проекта Вкладки

Рис. 1.1. Рабочее окно Microwave Office 2008

“Окно проекта” состоит из 3-х вкладок. Вкладка “Project” предназначена для организации и управления процессом моделирования.

а) Меню File (Файл)

б) Меню View (Вид)

в) Меню Draw (Рисовать)

г) Меню Project (Проект)

д) Меню Simulate (Моделировать)

е) Меню Options (Опции)

ж) Подменю Project Options (Опции Проекта) в меню Options (Опции)

Рис. 1.2. Ниспадающие меню

Проект включает в себя произвольное число (одну или более) линейных, нелинейных или ЭМ схем и подсхемы. Проект, кроме того, включает и другие сведения, связанные с проектированием (как-то: значения глобальных параметров, импортированные файлы, изображения компоновки и выходные графики). MWO проект сохраняется с расширением *.emp. Всего программа имеет четыре зарегистрированных в системе Windows типа файлов:

Файлы проектов с расширением .emp;

Файлы EM структур с расширением .em;

Файлы схематических модулей с расширением .sch;

Файлы списков соединений с расширением .net.

Копировать

выделенный

объект

Создать Вставить Добавить

новый файл объект новый

проекта из буфера график

Сохранить Добавить

текущий новую

проект схему

Вырезать Добавить

выделенный новую ЭМ

объект структуру

Открыть Удалить Выполнить

доступный выделенный анализ

проект объект

Рис. 1.3. Базовая конфигурация панели инструментов

Помимо этого система использует еще несколько других расширений файлов.

Вкладка Elements содержит полный список электрических элементов и предназначена для быстрого поиска и введения в проект необходимой модели элемента. Для перехода на нее необходимо щелкнуть на корешке с надписью Elements в нижней части окна проекта. В верхней части вкладки отображается иерархическое дерево всех доступных библиотек, например, как показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Иерархическое дерево доступных библиотек

Если один из элементов дерева библиотек выделить, то в нижней части “окна проекта” откроется список её элементов, как показано на рис. 1.5 для библиотеки Linear Devices.

Рис. 1.5. Список элементов библиотеки Linear Devices

В случае если имеется необходимость ознакомиться с описанием какого-либо элемента из списка элементов библиотеки, то для этого следует навести курсор мыши на элемент и выполнить щелчок правой кнопкой мыши (ПКМ) − откроется окно, в котором необходимо левой кнопкой мыши (ЛКМ) выбрать пункт Element Help….

Вкладка “Layout” предназначена для установки опций просмотра и вывода результатов и для создания новых элементов компоновки (в данной работе не изучается).

Создание, открытие и сохранение проектов. Для создания нового проекта выберите File > New Project Ctrl+N из ниспадающего меню, как показано на рис. 1.6, или нажать кнопку на панели инструментов. Имя нового проекта устанавливается при сохранении File > Save Project As… и отображается в заголовке. Для открытия существующего проекта следует выбрать File > Open Project… Ctrl+O или нажать кнопку на панели инструментов и далее действовать стандартным для приложений Windows образом. Для сохранения активного проекта следует выбрать File > Save Project Ctrl+S или нажать кнопку на панели инструментов и далее действовать стандартным для приложений Windows образом.

Закрытие текущего проекта. Чтобы закрыть текущий проект надо выполнить команду меню File — Close Project, после чего программа выполнит запрос на закрытие проекта с его сохранением или без сохранения.

Создание схем и сетевых списков. Схема имеет графическое представление, а сетевой список является текстом. MWO проект может включать множество линейных, нелинейных и электромагнитных (ЭМ) схем. Для создания новой схемы или сетевого списка (необходимо наличие открытого проекта) выберите ПКМ в “Окне проекта” пункт Circuit Schematics и далее ЛКМ выберите New Schematic… или New Netlist… соответственно. После ряда манипуляций в “Рабочей области” откроется окно схемы или окно сетевого списка, а его имя появится в дереве группы Circuit Schematics.

Рис. 1.6. Создание нового проекта

Добавление элементов в схему. Каталог элементов вкладки “Elements” имеет иерархическую структуру и позволяет выбирать компоненты из групп (сосредоточенные элементы, полосковые элементы и т. д.). Для добавления элементов в схему, прежде всего, следует выбрать вкладку “Elements” в левой нижней части рабочего окна MWO, что приведет к появлению каталога элементов, как показано на рис. 1.7. Раскрытие и свертывание групп элементов выполняется щелчком ЛКМ по символам “+” и “−” соответственно. Также щелчком ЛКМ выбираются подгруппы, такие как емкости (Capacitor), индуктивности (Inductor) и т. д. Доступные модели элементов при этом демонстрируются в нижнем подокне.

Рис. 1.7. Добавление элементов в схему

Щелчок ПКМ по модели в нижнем подокне и выбор ЛКМ пункта “Element Help…” приводит к открытию справочного окна с описанием элемента и системы его параметров. Для установки выбранной модели в схему просто щелкните по ней ЛКМ и, не отпуская, переместите её в нужное место окна схемы, после чего отпустите ЛКМ. Затем, при желании, можно щелчками ПКМ выполнить вращение элемента и щелкнуть ЛКМ для завершения процесса установки элемента. Для редактирования параметров элемента следует дважды щелкнуть ЛКМ в той части графического изображения элемента, которое содержит его параметры. В открывающемся при этом диалоговом оконце становится возможным выполнить коррекцию значений параметров.

Аналогично вышесказанному, осуществляется добавление и редактирование подцепей (Subcircuits) и портов (Ports). Полюса размещенных в схемном окне элементов можно соединить проводником (Wire). Для этого курсор мыши следует подвести к свободному выводу элемента в схемном окне, что приведет к смене изображения курсора на изображение катушки провода. Далее пользуясь ЛКМ (щелчками на начальном и конечном полюсах) следует соединить выбранные выводы. Для удаления проводника следует по нему щелкнуть ЛКМ и далее нажать на клавишу “Delete”.

В качестве примера, введите с диска проект конструкции полосно-пропускающего фильтра, вид формализованного задания которого показан на рис. 1.8. Имя проекта wstrech.

При анализе не электромагнитных структур расчёт параметров схемы основывается на применении методов теории цепей (или метод Олинера, если в моделях учитываются неоднородности, неизбежно имеющиеся в местах соединения элементов).

Создание ЭМ структур. ЭМ структурами называют многослойные электрические структуры, например, типа спиральных проводников с воздушными мостиками. ЭМ структуры анализируются с использованием электродинамического метода расчёта (реализованный в подпрограмме EM-Sight), что позволяет поднять проектирование СВЧ устройств на более высокий качественный уровень. Конструкция устройства представляется в виде совокупности диэлектрических слоёв.

Рис. 1.8. Формализованное задание встречно-стержневого фильтра

Для создания новой ЭМ структуры следует щелкнуть ПКМ на группе EM Structures в окне проекта и ЛКМ выбрать New EM Structure…. После того как Вы определите имя структуры, в рабочей области откроется окно ЭМ структуры, а в окне проекта появится новая ЭМ структура как подгруппа в дереве ЭМ структур. Подгруппы новой ЭМ структуры содержат все параметры и опции, которые определяют и описывают ЭМ структуру. Кроме того, появятся новые элементы в “Панели инструментов” и в “Панели ниспадающего меню” для рисования и моделирования ЭМ структуры, как показано на рис. 1.9.

Прежде чем изображать структуру следует задать корпус. Корпус задаёт толщины граничных стенок и материал диэлектрика каждого уровня структуры. Чтобы задать корпус дважды щелкните ЛКМ на подгруппе корпусов (Enclosure) в окне проекта для запуска диалога, в котором следует определить необходимую информацию. После задания корпуса можно создать рисунки путем выбора пункта Draw в “Панели ниспадающего меню”, как показано на рис. 1.10, и рисовать компоненты, как-то: прямоугольные проводники, перемычки и т. д.

Рис. 1.9. Создание ЭМ структуры

Можно получить 2D и 3D изображения ЭМ структуры при выборе команд View EM Layout и View 3D EM Layout в пункте View “Панели ниспадающего меню”. В последнем случае становится возможным вращение формируемого объекта.

Рис. 1.10. Пункт ниспадающего меню Draw

Генерация компоновки. Компоновка является видом физического представления цепи, в котором каждой компоненте схемы соответствует ячейка. В объектно-ориентированном MWO ячейки жестко интегрированы со схемами и ЭМ структурами их представляющие – это просто другой вид той же самой схемы. Любая модификация схемы или ЭМ структуры автоматически и немедленно отражаются соответствующим образом в компоновке. Для создания компоновки, соответствующей схеме, следует щелкнуть на окне схемы, сделав его активным, и затем выбрать Draw > View Layout в “Панели ниспадающего меню”. Окно компоновки демонстрируется (поверх окна схемы) с автоматической генерацией вида окна схемы (см. рис. 1.11).

Рис. 1.11. Компоновка встречно-стержневого фильтра

Генерация выходных графиков и добавление измерений. Прежде чем начать моделирование, необходимо сформировать выходной график. Для этого следует определить данные или измерения, которые следует отобразить, например, коэффициент усиления, шум или коэффициенты матрицы рассеяния.

Для создания графика щелкните ПКМ по группе Graphs в окне проекта (Project View) и выберите New Graph… из ниспадающего меню. После введения имени и типа графика появляется пустое окно графика. Возможные типы графиков показаны в таблице 2. Чтобы задать данные, которые следует визуализировать, щёлкните ПКМ на имени нового графика в окне проекта (Project View) и выберите Add Measurement… в ниспадающем меню. Окно диалога предоставит выбор из возможного списка измерений.

Таблица 2

Тип графика	Описание
Прямоугольный (Rectangular)	Результаты измерений демонстрируются на плоскости x-y, обычно как функции частоты
Диаграмма Смита (Smith Chart)	Обычно нормированные комплексные значения сопротивления или проводимости на круговой диаграмме единичного радиуса
Полярный (Polar)	Отображается амплитуда и угол результатов измерений
Гистограмма (Histogram)	Результаты измерений представляются как диаграмма
Антенная диаграмма (Antenna plot)	Зависимости величины измерений как функции угла
Таблица (Tabular)	Результаты измерений в колонках, обычно по соседству с частотой
Созвездие (Constellation)	Изображаются реальные и мнимые компоненты результатов вычислений
Объёмный (3D Plot)	Результаты представляются в виде трёхмерного графика

Установка частот и выполнение моделирования. Для установки частот моделирования дважды щелкните ЛКМ на группе Project Options в окне проекта (Project) чтобы появилось диалоговое окно, в котором следует выполнить установку значений частот, как показано на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Установка частот моделирования

Для выполнения моделирования активного проекта следует выбрать Simulate > Analyze из “Панели ниспадающего меню”. MWO выполнить моделирование всего проекта, автоматически запустит соответствующий анализатор (т. е. линейный анализатор, анализатор гармонического баланса, нелинейный анализатор рядов Вольтерра или 3D-планарный ЭМ анализатор) для различных частей проекта.

Результаты моделирования можно увидеть после его завершения на графиках (как показано на рис. 1.13). Для редактирования графического изображения следует щёлкнуть ПКМ по графику и ниспадающем меню (см. рис. 1.14) выбрать пункт Properties….

Рис. 1.13. Результаты вычислений

Рис. 1.14. Панель графического редактора

MWO позволяет увидеть в реальном масштабе времени эффект настройки на результаты моделирования. Оптимизатор позволяет видеть изменения параметров и переменных цепи в реальном масштабе времени, чтобы зафиксировать заданную цель оптимизации. Во время выполнения оптимизации схемы, ЭМ структуры и всё связанное с ними автоматически модифицируются. При повторном моделировании пересчитываются лишь модифицированные части проекта.