Технологии в электронной промышленности №2'2010

Опыт внедрения программного обеспечения MiCIAN μWave Wizard в учебном процессе в университете

Николай Дьяконов

В начале 2009 года Якутский государственный университет приобрел учебную лицензию на программное обеспечение MiCIAN μWizard, которую начал использовать в учебном процессе по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для специальности 210301 «Радиофизика и электроника». В рамках обучения данной дисциплине студенты должны: изучить принципы функционирования устройств СВЧ и антенн, аналитические и численные методы их расчета, типовые узлы и элементы, их электрические модели и конструкции; понять сочетание методов электродинамики и теории цепей СВЧ; научиться выполнять экспериментальное исследование и автоматизированное проектирование устройств СВЧ и антенн; получить представление об общих проблемах электромагнитной совместимости и способах их решения. За истекший год был разработан цикл лабораторных работ, некоторые из них мы хотели бы представить в данной статье.

За истекший год был разработан цикл лабораторных работ, некоторые из них мы хотели бы представить в данной статье.

Моделирование ступенчатого перехода для соединения двух прямоугольных волноводов разного поперечного сечения

Переходы предназначены для соединения двух волноводов различных поперечных сечений с целью согласования их волновых сопротивлений. Переходы делятся на плавные и ступенчатые.

Плавный линейный переход между прямоугольными волноводами различных сечений (рис. 1) имеет простую конструкцию, высокую электрическую прочность, но значительную длину. Для получения минимальных отражений длина плавного перехода выбирается согласно формуле:

L = 0,5nλв,

где λв - длина волны в волноводе с учетом изменения размеров поперечного сечения; n > 5 - целое положительное число. К примеру, при одинаковых размерах узких стенок соединяемых волноводов (b1 = b2) и небольшом различии широких стенок а1 и а2 длина перехода:

L = 0,16(λв1в2)+0,67λв,

где λвср - длина волны в волноводе шириной аср = 0,5р(а12).

Конструкция перехода между волноводами различных сечении

Рис. 1. Конструкция перехода между волноводами различных сечении

В плавном переходе сопротивление меняется непрерывно вдоль всей линии, то есть плавный переход, по существу, является нерегулярной линией, в которой волновое сопротивление является функцией продольной координаты [1, 2].

При одинаковом перепаде волновых сопротивлений и заданных допусках на рассогласование длина ступенчатого перехода всегда меньше длины плавного перехода. С другой стороны, электрическая прочность плавного перехода выше, чем у ступенчатого.

Для решения задачи широкополосного согласования активных сопротивлений применяют ступенчатые переходы (трансформаторы), представляющие собой каскадное соединение четвертьволновых трансформаторов - ступенчатых изменений размеров поперечного сечения волноводной трубы с соответствующими скачкообразными изменениями волновых сопротивлений Zв1, Zв2,...,Zвn+1,

При согласовании двух разных волноводов переменными могут быть один или оба размера поперечного сечения волноводной трубы трансформатора.

Для простейшего ступенчатого четвертьволнового перехода (рис. 2) размер узкой стенки определяется по формуле b = (b2b2)1/2.

Ступенчатый переход между прямоугольными волноводами

Рис. 2. Ступенчатый переход между прямоугольными волноводами

Для улучшения характеристик ступенчатого перехода скачки волновых сопротивлений отдельных ступенек делаются различными. Среди множества известных типов переходов сравним переходы, у которых скачки волновых сопротивлений меняются пропорционально коэффициентам бинома Ньютона (биномиальные переходы) или пропорционально полиномам Чебышева (чебышевские переходы). В первом случае переход имеет максимально плоскую характеристику (кривая 1 на рис. 3), во втором случае характеристика носит колебательный характер в полосе пропускания перехода (2 на рис. 3) [1]. Сравнительный анализ характеристик показывает, что чебышевский переход имеет большую крутизну фронтов частотной характеристики затухания при такой же длине, однако уступает биномиальному переходу в линейности фазо-частотной характеристики.

Частотные характеристики биномиального (1) и чебышевского ступенчатого перехода (2)

Рис. 3. Частотные характеристики биномиального (1) и чебышевского ступенчатого перехода (2)

Наибольшую широкополосность при наименьших размерах перехода обеспечивает так называемый чебышевский ступенчатый клин. В таком клине длина и высота отдельных ступенек рассчитываются по полиномам Чебышева.

Принята следующая классификация волноводных труб с переменным поперечным сечением:

  • с одним переменным размером (переменной высотой или шириной);
  • с двумя переменными размерами (переменной высотой и шириной);
  • с переменной формой поперечного сечения.

Расчет ступенчатого перехода прямоугольного волновода с одним переменным размером (переменной высотой или шириной)

Предлагаем рассмотреть переход с одним переменным размером -переменной высотой. Сечения перехода, соответственно, равны 72•10 мм и 72•44 мм. Требуется обеспечить в полосе пропускания 8-13,04 см максимальный модуль коэффициента отражения |Г|max ≤ 0,15.

Для начала определяем fср = (fmax-fmin)/2+fmin. Наименьшей длине волны = 8 см соответствует частота fmax = 3,75 ГГц, а наибольшей λmax = 13,04 см соответствует fmin = 2,3006 ГГц. Средняя частота полосы пропускания fср = 3,0253 ГГц.

  1. Находим перепад волновых сопротивлений R. Поскольку известно, что отношение волновых сопротивлений прямоугольных волноводов одинаковой ширины и разной высоты равно отношению высот, то R = 44/10 = 4,4.
  2. Далее по методике, описанной в [1], определяем волны в волноводе, соответствующие граничным волнам полосы пропускания:

  3. Длина ступеньки:

  4. Амплитудный множитель:

  5. Масштабный множитель S (определяет ширину полосы пропускания по заданному уровню чебышевской кривой):

  6. Расчет параметра С:

  7. Число ступенек:

Выбираем число ступенек n = 3.

Теперь мы полностью готовы к проектированию рассчитанного перехода с переменной высотой в программе MiCIAN μWave Wizard с помощью инструмента Tареr assistant.

Запустим программу MiCIAN μWave Wizard и создадим новый проект. В появившемся окне перейдем на вкладку Frequency rangеs, введем начальные и конечные частоты, а также шаг частоты анализа (рис. 4).

Задание частотного диапазона проекта

Рис. 4. Задание частотного диапазона проекта

Сохраним проект и запустим инструмент Tареr assistant, расположенный в разделе меню Tools. В появившемся окне (рис. 5) введем центральную частоту, большие и малые размеры волноводов, число ступенек перехода ofstерs).

Задание параметров инструмента Taper assistant

Рис. 5. Задание параметров инструмента Taper assistant

После нажатия кнопки OK будет синтезирована эквивалентная схема проектируемого перехода (рис. 6).

Результат синтеза ступенчатого перехода

Рис. 6. Результат синтеза ступенчатого перехода

Специальный инструмент, вызываемый нажатием кнопки или комбинации горячих клавиш Ctrl+q, позволяет получить и просмотреть трехмерную модель проектируемого перехода (рис. 7).

Трехмерный вид синтезированного перехода

Рис. 7. Трехмерный вид синтезированного перехода

Для запуска процесса моделирования нажмем кнопку после чего на экране отобразится график зависимости S-параметров от частоты (рис. 8).

Результат анализа синтезированного перехода

Рис. 8. Результат анализа синтезированного перехода

На графике, представленном на рис. 8, видно, что в полосе частот от fmin = 2,3006 ГГц до fmax= 3,75 ГГц (выделены синими вертикальными линиями) максимальное значение коэффициента отражения S22≤-13 дБ. По теоретическим данным оно должно было быть |Г|max≤0,15, что соответствует S22≤-16,4 дБ. Погрешности в основном в округлениях при расчете. Коэффициент прямой передачи, как и должно было быть, равен 0 дБ.

Моделирование ступенчатого перехода прямоугольного волновода с двумя переменными размерами (переменной высотой и шириной)

Задача состоит в расчете ступенчатого перехода между двумя прямоугольными волноводами с сечениями а0•b0 = 72•10 мм и аn•bn = 90•45 мм. Переход должен работать в диапазоне длин волн от 9,1 дnо 10,9 см с КСВ не хуже 1,087.

При λmiπ = 9,1 см и λmax = 10,9 см граничные частоты, соответственно, равны fmax = 3,29 ГГц fmin = 2,752 ГГц.

  1. Средняя частота и средняя длина волны рабочего диапазона будут равны:

    fср = (fmax-fmin)/2+fmin = 3,021 ГГц и λср = 100 мм.

    По методике, представленной в [1], выполним расчеты.

  2. Длины волн в выходных волноводах на средней волне λср:

    где а0 и an - размеры входного и выходного волноводов: a0<an.

  3. Находим перепад волновых сопротивлений R:

  4. Диапазон перекрытия λmax/λmin находим с запасом:

    Получим λmaxmin = 2,44.

  5. Выбираем переход с чебышевской частотной характеристикой.
  6. Число ступеней перехода n выбираем по таблице 4-6 «Перекрытие диапазона λ2/λ1 » из [1], при условии, что S22 = 0,02, что соответствует КБВ = 0,96 (требуемая величина - 0,92). Исходя из рассчитанных λmaxmin = 2,44 и R = 3,89, по ближайшим табличным значениям находим, что количество ступеней n = 4 при |L|max = 0,02.

Выполним проектирование рассчитанного перехода в MiCIAN μWave Wizard. Запустим программу MiCIAN μWave Wizard и создадим новый проект. В появившемся окне перейдем на вкладку Frequence rangеs, введем начальные и конечные частоты, а также шаг частоты анализа.

Сохраним проект и запустим инструмент Tареr assistant, расположенный в разделе меню Tools. В появившемся окне (рис. 9) введем центральную частоту, большие и малые размеры волноводов, число ступенек перехода ofstерs).

Задание параметров инструмента Taper assistant

Рис. 9. Задание параметров инструмента Taper assistant

Система синтезирует эквивалентную схему перехода, также можно просмотреть (Ctrl+q) трехмерный вид (рис. 10). Ясно, что, в отличие от первого случая, здесь изменяются оба размера волновода.

Трехмерная модель перехода с двумя переменными размерами

Рис. 10. Трехмерная модель перехода с двумя переменными размерами

Запустим процесс моделирования и получим зависимости S-параметров перехода от частоты (рис. 11).

Результат анализа синтезированного перехода с двумя переменными размерами

Рис. 11. Результат анализа синтезированного перехода с двумя переменными размерами

В условии сказано, что КБВ в диапазоне от 2,752 до 3,29 ГГц должно быть не меньше 92%, это соответствует величине КСВ = 1/КБВ = 1,086. Величина коэффициента отражения |L| = 0,0412, что соответствует S22≤-27,6 дБ. На графике видно, что в полосе частот, ограниченных f min = 2,752 ГГц и fmax = 3,29 ГГц (выделены вертикальными синими линиями), S22≤-25 дБ.

Литература

  1. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 2. Чернушенко А. М., Петров Б. В., Мало-рацкий Л. Г. и др. Конструирование экранов и СВЧ-устройств / Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1990.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо