РОЗДІЛ 2
Моделі НВЧ компонентів
2.1. Модель лінії передачі
2.1.1. Базові відомості. Складності, що виникають при проектуванні НВЧ
пристроїв, здебільшого зумовлені тим, що розміри цих пристроїв подібні до
довжини хвиль робочих частот[65]. Тому, при побудові моделей потрібно
враховувати: час розповсюдження сигналів, неоднорідність розподілення зарядів
вздовж пристрою, взаємодію сусідніх компонентів та їх конструктивні
особливості, температурні ефекти[66,69]. Для вирішення цих питань існує два
підходи:
використання схемних моделей компонентів, що враховують зазначені фактори;
використання моделей на основі вирішення рівнянь Максвела у замкнутому об’ємі.
Перший підхід має меншу розрахункову складність, але значну похибку, яка зі
зменшенням довжин хвиль зростає. Тому схемні моделі використовуються при
моделюванні схем на частотах до 20 ГГц.
Другий підхід забезпечує меншу похибку, але характеризується більшим часом
розрахунків (декілька порядків), ніж у першого підходу. Такі тривалі розрахунки
не дозволяють використовувати методи оптимізації, тому використання другого
підходу при проектуванні обмежено кінцевими етапами розробки.
До «швидких» моделей відносяться: схемні моделі, табличні моделі, штучні
нейронні мережі (ШНМ). Еквівалентні схеми є найбільш вживаним типом моделей в
сучасних САПР, їх розробка та інтеграція до складу пакетів вже добре
автоматизована. Але на відміну від табличних моделей та ШНМ, застосування
еквівалентних схем часто вимагає дослідження законів функціонування приладу.
Табличні моделі є найбільш розповсюдженим засобом супроводження продукції
виробниками елементної бази для НВЧ приладів. Найчастіше – це таблиці
S-параметрів для набору частот. Використання таких моделей обмежує як види
аналізу, так і діапазон зміни параметрів моделі, оскільки похибка розрахунків
табличної моделі цілком залежить від щільності сітки вимірювань.
Останнім часом активно набувають розвитку моделі НВЧ пристроїв на базі штучних
нейронних мереж. У цьому випадку дуже великі витрати часу йдуть на „навчання”
моделі, після чого можна проводити швидкий розрахунок схем та оптимізацію.
Похибка моделей на ШНМ, найчастіше, носить статистичний характер і її важко
передбачити для значень параметрів за межами області «тренування» моделі.
Існує велика кількість типів НВЧ ліній передач, але найбільшою популярністю
користуються мікрополоскові лінії (МПЛ), що пов'язано з простотою реалізації та
якісними характеристиками (широкосмуговість, малі втрати, добротність пасивних
елементів, виконаних на МПЛ). Методи, які використовувались різними
розробниками для моделювання ліній передач, є надзвичайно різноманітними. Це
викликано наступними факторами: лінія передачі – найбільш вживаний елемент
схем; вимоги до моделей ліній залежать від особливостей задачі проектування;
лінія передачі є одним з найкращих прикладів для демонстрації дослідження
властивостей методів моделювання.
Головними параметрами НВЧ лінії передач, незалежно від обраного методу
моделювання, є її хвильовий опір та фазовий зсув. Ці параметри можна доповнити
великою кількістю додаткових параметрів: опір втрат, температурні ефекти, вплив
зовнішнього середовища і т.п. Оскільки опис моделювання мікропоскової лінії при
детальному дослідженні може суттєво перевищити допустимі обсяги цієї
дисертаційної роботи, наступні дослідження моделей ліній передач обмежені
врахуванням лише хвильового опору та фазового зсуву.
2.1.2. Класифікація моделей мікрополоскових ліній. Більшість моделей
мікрополоскових ліній можуть використовуватись лише для частотного аналізу[69].
Моделі мікрополоскових ліній, які можна використовувати як для частотного, так
і для часового аналізу, можна розділити на дві групи: моделі, в яких часові
затримки реалізовано на елементах пам’яті[69,70] та схемні моделі із затримками
на RLC ланках[65,71].
Основним недоліком моделей першої групи є низька чутливість до близько
розташованих частот, пов'язана з обмеженою кількістю часових відликів, що
зберігаються. Інший недолік моделей цього типу – великий обсяг пам'яті,
необхідний для збереження часового сигналу, але така модель лінії забезпечує
найменшу обчислювальну складність та простоту реалізації. Приклад такої моделі
наведено на рис. 2.1, де I1 та I2 – керовані джерела струму, що реалізують
часову затримку Дt, Z0 – хвильовий опір лінії.
Рис. 2.1. Приклад схеми моделі ідеальної лінії на функціях з елементами
пам’яті[70]
Моделі другої групи будуються або на основі класичної моделі ідеальної
лінії[71], або шляхом розрахунку У-параметрів чи S-параметрів за формулами
апроксимації. Наприклад, У-параметри або S-параметри можна отримати за
допомогою штучних нейронних мереж[72], які «навчаються» на основі результатів
розрахунків, отриманих при електромагнітному аналізі. Як модель мікрополоскової
лінії без втрат найчастіше використовується модель ідеальної лінії. Моделі, які
побудовані на розрахунках S-параметрів[69], не працюють при часовому аналізі,
тому при проведенні часового аналізу найчастіше використовується класична
модель ідеальної лінії, параметри якої обчислюються, виходячи з геометричних та
фізичних властивостей мікрополоскової лінії[65].
Рис. 2.2. Модель ідеальної лінії на LС ланках[71]
Модель ідеальної довгої лінії, яка наведена на рис. 2.2, найбільш поширена
базова модель, основним недоліком якої є її фільтруючі властивості, яких не має
ідеальна лінія. Тому для зменшення впливу ефекту фільтрації збільшують
кількість ланок, які складають модель (без суттєвого впливу ефекту фільтрації
можна створити LC ланку з фазовим зсувом до 3о), що досягається шлях
- Київ+380960830922