Схемы и результаты моделирования

В программной среде "Microwave office" имеется две возможности для расчета реалистичных моделей плоско слоистых электромагнитных структур. Первая возможность наиболее универсальная реализована в моделировщике электромагнитных структур. Он разбивает объект на мелкие ячейки сеткой и производит решение уравнений Максвелла на этой сетке числовым методом. Объем вычислений оказывается тем большим, чем мельче шаг сетки. Метод отличается универсальностью и способен обеспечить высокую точность. Он всегда требует большую вычислительную мощность компьютера и искусства уменьшить объем вычислений за счет использования внутренней симметрии задачи.

Другой метод расчета в программной среде "Microwave office" связан с использованием готовых элементов, для которых частотные характеристики заранее вычислены. Очевидно, что скорость решения задач в этом варианте может быть выше. Однако варианты геометрии здесь ограничены тем, что есть в библиотеке элементов.

Начнем расчет с электромагнитного моделировщика.

Широкая микрополосковая двухпроводная линия из проводников с различным сопротивлением

Конструкция линии показана на рис. 1. Над идеальным проводником лежит слой диэлектрика. На его верхней поверхности лежит проводник. Он является одним из двух проводников линии. Он имеет малое сопротивление, или высокую проводимость. Над первым слоем лежит второй диэлектрик и на его верхней поверхности находится второй проводник линии. Его низкая проводимость, или высокое сопротивление соответствует в RC-структуре резистивному слою. Лежащий непосредственно под ним проводник имеет высокую проводимость и соответствует слою нулевого потенциала в RC-структуре. Он имеет два вывода, а не является носителем потенциала ноль. Его геометрия показана на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция линии

Чтобы лучше было видно края электромагнитной модели, они даны крупным планом на рис. 2. Здесь видны номера портов. Порты являются теми точками, к которым присоединяются внешние цепи.

Рис. 2. Нумерация портов

Левый край структуры несет порты 1 и 4. На правом ее краю находятся порты 2 и 3. Порты 1 и 2 являются границами нижнего проводящего слоя, а на верхнем резистивном слое порты имеют номера 2 и 3. Специфический для электромагнитного моделировщика программной среды "Microwave Office" сдвиг плоскости отсчета показан на рис. 3.

Необходимость сдвига плоскости отсчета обусловлена экранированием поля боковой стенкой виртуального корпуса, в котором находится модель. Она имеет идеальную проводимость, как видим, идеализациям есть место и здесь. Однако, эти идеализации менее ограничительные, чем те, с которыми встречаемся в теории электрических цепей.

Рис. 3. Геометрия двухпроводной линии в плане и сдвиг линий отсчета

Жирными стрелками показаны порты и смещение линии отсчета поля в диэлектрике. Этот прием используется в программной среде Microwave Office для устранения эффекта обнуления поля на идеально проводящих стенках в электромагнитной оболочке модели. Она выполняет функции металлической стенки корпуса.

Частотные характеристики этой части моделируемого устройства даны на следующих рисунках. На первой серии рисунков показаны вещественная и мнимая части одного комплексного параметра рассеяния. Первый индекс при символе S указывает на порт выходной, а второй индекс – на входной порт.

Рис. 4. Параметр рассеяния первого порта

На рис. 4 показаны вещественная и мнимая части параметра S рассеяния первого порта. Хорошо видна большая неравномерность. Провод явно не имеет нулевого потенциала.

Далее, на рис. 5 приведены частотные характеристики рассеяния из порта 2 в порт 1, обусловленные электромагнитной связью между проводом и резистивным слоем. Этой связью пренебрегают в традиционных расчетах RC структур с распределенными параметрами. Там оба порта считаются имеющими общий потенциал равный нулю, что это далеко не так, хорошо видно на графиках (рис. 4 и рис. 5).

Рис. 5. Параметр рассеяния из порта 2 в порт 1

"Нулевой провод" или "земля", не имеющие нулевого потенциала, могут вносить в работу фильтра весьма существенные изменения, которые невозможно назвать поправками – они не столь малы.

Проблема моделирования электромагнитных структур, как сказано в документации программной среды "Microwave Office", может оказаться более сложной, если пренебрегать потерями в проводниках и на стенках корпуса. Проявление этой сложности можно видеть на рис. 6. Здесь виден пик, высота его более 5, что не может быть в системах без источников энергии. Всплеск на частотной характеристике обусловлен резонансами расчетной схемы. Его нет у реальной структуры. Это издержки идеализации. Их рекомендуется устранять, исключая соответствующие частоты из списка для расчета. Та же картина видна на рис 7 и рис 8.

Рис. 6. Параметр рассеяния из порта 3 в порт 1

Рис. 7. Параметр рассеяния из порта 4 в порт 1

Рис. 8. Рассеяние из порта 3 в порт 2

Рис. 9. Рассеяние из порта 1 в порт 3

Резонанса нет в рассеянии из порта 1 в порт 3 (рис.9).