МАШИННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ

С появлением СВЧ гибридных интегральных микросхем (ГИС) чаШ(гнное проектирование стало неотъемлемым этапом разработки СВЧ устройств. Процесс разработки таких устройств в последнее вре-л1я существенно усложнился из-за появления большого числа разнообразных активных и пассивных СВЧ элементов, возрастания сложности новых систем и необходимости 6oj!ee тиительного и точного проектирования. Вопрос еще более усложняется из-за того, что возможности подстройки и peryj!HpOBKH ГИС СВЧ после изготовления ограничены. Область машинного Проектирования и s том числе машинного проектирования микросхем СВЧ в последние годы стремительно раз вилась. Несмотря на то, что имеется ряд книг по машинному проекти рованию электронных цепей на низких чзсгогах, в настоящее время нет книги, посвященной машкнному проектированию СВЧ устройств Попыткой заполнить существующий пробел является настоящая кни га Она построена таким образом, чтобы дать детальное представление об общих понятиях и технических прие.мах, используемых при машин ном анализе и проектировании СВЧ устройств.

Любая задача машинного проектирования состоит из трех важ!1ых лалов - моделирования, анализа и оптимизации В предлагаемой нниге описываются все эти этапы применительно к проектированию устройств СВЧ. Рассматривается моделирование различных компонентов, которые входят в состав устройств СВЧ. Это линии передачи, раз-тичные неоднородности, элементы с сосредоточенными параметрами, планарные компоненты и полупроводниковые приборы Предлагаются способы математического описания цепей, удобные для анализа, н обсуждаются методы матричного анализа СВЧ схем. Проводится анализ чувствительности и рассматриваются различные методы оптими-запии.

Книга разделена нз пять частей. В сл. 1 части 1 описывается 9ва1Ю-ция СВЧ техники и вводятся основные понятия машинного проектирования. В гл 2 приводится обзор некоторых способов математического окисатшя СВЧ цепей-Ос ново полагающим этапом любого процесса проектирования цепей нвляется моделирование активных и пассивных компонентов. Вопросы моделирования рассматриваются в восьми главах, составляющих часть 11 книги. При разработке схем СВЧ должны быть известны точные ха рактернстики не только компонентов входящих в состав устройства, но

и связанных с ними паразитных реактивных элементов. В предлагае мой книге семь глав посвящены описанию характеристик различных передающих структур неоднородностей, сосредоточенных элементов планарных компонентов и полупроводниковых приборов. При анализе допусков и в процессе оптимизации используется информация о чувствительности характеристик отдельных компонентов к изменению различных параметров. Одна нз глав книги посвящена исследованию чувствительности передающих структур. Точные характеристики не которых элементов (таких, как полупроводниковые приборы) могут быть получены только путем измерения S-параметров в paeoieM диапазоне частот. Измерения обычно производятся автоматически с пошщью специальных измерителей. В одном из разделов этой главы рассматрн вается шестизондовый измеритель

Важнейшим этапом машинного проектирования является анализ цепей. Часть 1П посвящена различным методам анализа. Анализ СВЧ цепей обычно проводится с помощью Х-матриц. Различные главы этой части посвящены расчету S-матрнц полной цепи по известным S-мат-рицам отдельных компонентов, анализу чувствительности, анализу допусков и анализу переходных характеристик цепей. Анализ всех этих характеристик основан на решении матричных уравнений. Мето дика реи1ения этих уравнений рассматривается в отдельной главе.

Для оптимизации СВЧ цепей могут использоваться различные мето ды. Здесь применяются как методы прямого поиска, так н градиентные методы. В трех главах части IV рассматриваются основные понятия оптимизации, однопараметрическая и многопараметрическая оптими зация. Здесь обсуждаются следующие методы оптимизации: метод поис ка по образцу, метод Розенброка симплексный метод, метод Ньюто на - Рафсона, метод Дэвидсона - Флетчера - - Пауэлла и метод паи меньших квадратов целевой функции

Часть V состоит из двух глав в которых описываются програм мы машинного проектирования. Описана программа анализа СВЧ устройств, разработанная в Индийском технологическом институте, Канпур, В последней главе, написанной при участии Л. Бессера про-аодитсй обзор некоторых известных программ.

В гл, 13, 15-17 Приведено несколько алгоритмов. Они записаны на языке типа Алгол Если читатель незнаком с языком этого типа то при первом чтении данные главы могут быть пропущены

Предлагаемая книга написана на основании курса лекций по машин ному Проектированию СВЧ цепей, прочитанных для аспирантов Индийского технологического института в весеннем семестре 1976 года. Часть материалов использовалась впоследствии для курса по СВЧ цепям. Работа по машинному проектированию СВЧ интегральных микросхем, выполненная в Индийском технологическом институте, является частью проекта субсидируемого Министерством электронной промышленности, и составила основное содержание этой книги. Некоторые материалы обсуждались на семинарах, проведенных в Федеративной политехнической школе Цюрих, летом 1979 года.

Предложенная книга предназначена для разработчиков СВЧ устройств и аспирантов, специализирукщихся по технике СВЧ Эта книга

может использоваться в кач€стве дополнительной литературы но к\ pcv свч iietEeft и kvpcy машинного проектирования (злалн.у п синтезу) часть v книги, посвжценнан программам машинного проектирования, может быть Прочитана самостоятельно независимо от изучении осгаль ных разделов книги глава 19 по микропрограммам мапшниою проек гнрования может непосредственно использоваться для анализ свч устройств .la полосковых и мнкрополосковых линиях

авторы выражают благодарность Л бессеру, внесшему вк.ид в на-nmlanne гл 20 за плодотворные дискуссии авторы признательны ко.н летам из индийского технологического института, канпур, н феде ративной политехнической школы, цюрих они благодарны сотрднн-ка.м факультета электротехиикк центра разработок электронных сис тем индийского технологического института перепечатка рукописи была осуществлена с S\ абрахамом, а иллюстративный материал под готовлен р к баджпаи и .п с вермой, работа над рукописью финансировалась индийским технологическим институтом

благодарность выражается также д-ру x е грину и издательств) u-a<iemic рге.- за разретиение восполь.юваться табл 5 i и.) их публи-

К Гупто Рамеш Гардж Ракет Чадха

л. каиии

часть i введение

Глава 1

СВЧ ТЕХНИКА И МАШИННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

i i РАЗВИТИЕ СВЧ ТЕХНИКИ

в течение долгого времени термин «свч техника» являлся сннони-ом «волноводной техники» до тридцатых годов волновод являлся динственной линией передачи на свч достойного внимания в этой in/iacth заслуживают работы сасворта и других авторов [i- 31 из liiipmw bell telephone laboralories вскоре выяснилась возможность lu пользования коротких отрезков волновода в качестве излучателей и .хактивиых элементов объемные резонаторы и рупорные антенны \ поминались в ранних работах саусворта 1 развитие волноводной техники начиналось с попыток, с одной стороны, осуществить более эффективную передачу свч энергии генератора в волноводную ли пин) передачи и, следовательно, с разработки элементов передатчиков, ii, l другой стороны, с попыток обеспечить эффективный прием свч энергии в приемнике и, следовательно, с разработки элементов приемников это привело к разработке таких компонентов, как подвижные leieKTopu, частотомеры, согласованные нагрузки и др некоторые технические идеи, использованные в 1934 г . могли быть заимствованы из иггики, так как для свч экспериментов обычно !1спользовался опти-1(.-скин стенд 141 фотографии оборудования того времени приведены 1 обзорной статье мо истории развитии свч техники, опубликованной пятидесятой годовщине выпуска журнала ire proceedings

существенный вклад в развитие свч техники внесли законы многократных отражений от неодно род ностей и связанные с ними законы .б1*много ретонатора эти законы исполыуются для согласования ис-ючника свч энергии с волноводом, а также для согласования волно-юда с приемником, например с полупроводниковым детектором их используют также для достижения заданной полосы частот в целом .ти 1аконы формулируют основы свч цепей

одной и1 ключевых особенностей свч устройств является необхо щлаость эмпирических регулировок и подстроек их характеристик с по-чтощью винтов, диафрагм (и даже вдавливаний!) в волноводах на на ильном этапе для выполнения экспериментальных работ требовалось юльпюе мастерство в течение достаточно долгого времени подобные жспериментальные работы с свч трактом яв.1ялись практическим ии-грументом инженеров по свч технике

Возможно, наибольший вклад в инженерный анализ СВЧ «епей был сделан Ф Смитом 151. который Предложил диаграмму, позволяющую Графически решать задачи, связанные с линиями передачи Использование круговой диаграммы не только и:1бавляет от необходимости выполнения утомительных расчетов, но также делает наглядным проиесс всего расчета шаг за шагом Немногие изобретения в области СВЧ техники явились более полезными, чем круговые диаграммы

Скачок в развитии СВЧ техники произошел во время второй мировой войны, когда При Массачусетсском технологическом институте и Колумбийском университете были созданы специальные лаборатории, (анимакициеся применением СВЧ техники для проблем радиолокации В течение этих лет было выполнено много важных разработок в области СВЧ техники, но Публикации были сделаны позднее Многие из пих разработок заслуживают упоминания Это прибор с регулируемым забегом фазы в волноводе, ра.зработаниый Фоксом 161, гибридное или мостовое соединение !7 и другой не менее важный прибор - направленный ответвигель 81 Все эти приборы сразу же нашли практическое применение Другим направлением развития в военное время было развитие техники фильтрации на высоких частотах, которое привело к разработке фильтров на линиях передачи Одновременно развивались также и аналитические методы исследования СВЧ устройств Классическое описание характеристик цепи t сюмощью матриц напряжений, токов, сопротивлений и проводимостей было заменено описанием, основанным на волновых параметрах передачи и отражения, что привело к использованию матриц рассеяния Многополюсиые СВЧ цепи всегда проще описываются с помощью матриц рассеяния

В то Время для реализации СВЧ ценен в основном использовались два типа линий передачи волноводы и коаксиальные лини» с Т волной Волноводы позволяют передавать мощности высокого уровня и имеют малые потери, что обусловливает высокие добротности резонаторов Коаксиальные линии характеризуются большей широкополос-1ЮСтью из-за отсутствия дисперсии Кроме того, для коаксиальных шннн проще оказывается определение полного сопротивления, что 1юлезио При разработке компонентов Обе линии передачи стали важными элементами СВЧ устройств

На этой стадии развития для СВЧ техники оказалось весьма полезным Применение теории двухпроводных линий передачи Предложенная Барретом и Барнсом в 195! г структура )91, используемая до настоящего времени, состоит из тонкого полоскового проводника, размещенного в центре между двумя диэлектрическими пластинами, металлизированными с внешних сторон а линия передачи называется поло-сковой Первые полосковые линии изготавливались с помощью лезвия бритвы и клея Вырезались тонкие металлические полоски и приклеивались к диэлектрическим платам Как только появилась возможность нанесения медных покрытий (впервые используемых в печатных

KovroeaH диаграмма была предложена в 1939 г советским ученым А Р Во пьлерто Независимо от А Р Вольперта в том же 1939 г аналогичная диаграм-мГбылТ предложена в США Ф См-том - Прим ред

>. чемах). развитие полосковой техники стало определяться достиже-ггиями точной технологии Впервые подробный расчет цепей на поло-. ковых линиях был опубликован в 1956 г [101 Исчерпывающий расчет схем на полосковых линиях приведен в И 11 Наиболее важной осо-пержостью структуры полосковых передающих линий является то, что волновое сопротивление линии определяется ншрниой центрального [юлоскового проводника, который изготавливается фототравлением медного покрытия, нанесенного на диэлектрическую подложку Двумерная конфигурация цепей на полосковых линиях позволяет осуще-i гвтять внутренние соединения между различными компонентами ilei нарушения внешних металлических пластин Такая конфигурация обеспечивает также гибкость при размещении входов и выходов

Полосковые линии очень удобно исдальзовать для изготовления слветвлений на параллельных линиях из-за возникновения связи между двумя линиями, близко расположенными друг от Друга Принцип нап-[авленною ответвителя на связанных линиях был описан Уиллером п 1952 г П2 Даже сегодня в подавляющем большинстве направленных ответвителей используется конфигурация полосковых линии

В начале пятидесятых годов был предложен и другой тип передающей структуры, состоящей нз единственной диэлектрической плас-шиы. на одной стороне которой расположен полосковый проводник, а другая сторона металлизирована полностью Линия с такой структурой называется микрополоскоаой Микрополосковые линии интенсивно исследовались в пятидесятых годах, но в СВЧ технике они прнме-!1нли*.ь мало из-за высоких потерь в таких линиях и из-за наличия из-1учения Одной из основных причин этих недостатков является низкое !иачение диэлектрической постоянной используемого материала под-.южки (около 2,5) В процессе дальнейшего развития эти недостатки были устранены как благодаря повышению диэлектрической постоян-1юй II уменьшению потерь в материалах, так и Ьагодаря повышению качества производства

Непрерывно ужесточаюш.иесн требования по миниатюризации СВЧ лтзратуры для вооружения, бортовой и космической техники привели I! (иестидесятых годах к существенному повышению интереса к микро-1ЮЛОСКОВЫМ устройствам "Уиллером проведен изящный анализ микро-полосковых структур, основанный на конформных преобразованиях 115, 161 К концу шестидесятых годов были достигнуты высокие значения диэлектрической постоянной и малые потери диэлектрических материалов, улучшено качество металлических покрытий го привело к быстрому развитию и использованию мнкрополосковых линий

Наличие пленарных структур СВЧ линий передачи, подобных мик-рополосковой линии, быстрое развитие полупроводниковых СВЧ приборов, техники покрытия тонкими пленками и фотолитографии в конечном счете Привело к разработке СВЧ интегральных микросхем 118-21! Гибридные интегральные микросхемы (ГИС) СВЧ образованы Путем переноса технологии гибридных интегральных микросхем на СВЧ диапазон В настоящее время ГИС СВЧ состоят главным образом из пассивных компонентов и цепей в виде проводниковых покрытий, нанесенных на керамические или другие диэлектрические подложки по