Размещено на http://www.allbest.ru

Національний університет "Львівська політехніка"

Фарафонов Олексій Юрійович

УДК 621.372.54.001.63+

621.3.049.772

МАТЕМАТИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ МІКРОСМУЖКОВИХ НВЧ ФІЛЬТРІВ З ДОПУСКОВИМИ ОБМЕЖЕННЯМИ

Спеціальність 05.13.12 - Системи автоматизації

проектувальних робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Конструювання та технології виробництва радіоапаратури" Запорізького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Крищук Володимир Миколайович,

Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри конструювання та технології виробництва радіоапаратури.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Лобур Михайло Васильович,

Державне підприємство Львівський науково-дослідний радіотехнічний інститут, директор

кандидат технічних наук, доцент

Ладогубець Володимир Васильович,

Національний технічний університет України "КПІ", доцент кафедри систем автоматизованого проектування.

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра технології та автоматизації виробництва РЕС і ЕОС.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79646, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Бунь Р.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

мікросмужковий фільтр НВЧ алгоритм проектування

Актуальність теми. Розвиток систем радіолокації, радіонавігації, автоматизованих систем зв'язку і попередження, систем телекомунікації вимагає створення НВЧ пристроїв у гранично короткий термін з постійним підвищенням вимог до їх характеристик. Це повною мірою стосується великого класу пасивних елементів НВЧ пристроїв, побудованих на лініях з розподіленими параметрами. Значне поширення в діапазоні частот від 0,3 до 30 ГГц одержали пристрої в смужковому та мікросмужковому виконанні. Найбільш технологічні конструкції НВЧ із використанням мікросмужкових ліній передачі. Крім того, пристрої, що створені з використанням мікросмужкових ліній мають кращі масогабаритні характеристики в порівнянні із пристроями на основі смужкових ліній. Однак, в зв'язку з особливостями поширення електромагнітних хвиль в мікросмужкових лініях, виникають значні труднощі при аналізі конструкцій на їх основі і особливо, при проведенні синтезу пристроїв на мікросмужкових лініях.

Проблематиці проектування мікросмужкових пристроїв присвячено значну кількість робіт. Питання проектування мікросмужкових пристроїв обговорюються на різних конференціях за участю О.О. Александровського, О.О. Беляєва, О.О. Лесикова та в періодиці авторами: В.І. Гостьєвим, В.В. Коніним, О.Л. Мацепурою. Серед робіт ближнього зарубіжжя необхідно відзначити роботи російських авторів: О.С. Петрова, В.Е. Литвинова, Л.А. Паркачова, О.П. Горбачова, І.І. Потрясова, В.М. Осипенкова, С.Г. Вешнина. Великий внесок у розвиток САПР зроблено вітчизняними авторами М.З. Згуровским, А.І. Петренком, В.О. Ковалем та російськими авторами О.В. Алексєєвим, О.О. Головковим, В.Ю. Приходько, В.Д. Разевігом, В.Ю. Потаповим, О.О. Курушиним. Варто згадати і закордонних авторів: C.C. Yang, C.Y. Chang, R.P. Moreria, L.R.A.X Menezes, C.W. Hsue, T. Itoh, M.C. Velazquez-Ahumada, J. Martel, F. Medina.

Незважаючи на значну кількість робіт, пов'язаних із процесами аналізу і проектування мікросмужкових конструкцій, та появу пакетів програм, що здійснюють моделювання мікросмужкових пристроїв з використанням аналітичних залежностей, методів квазістатичного і електродинамічного аналізу, на цей час відсутні програми синтезу допусків на параметри конструкції НВЧ пристроїв у мікросмужковому та смужковому виконанні. Крім того, у багатьох програмах моделювання НВЧ пристроїв не передбачено синтезу мікросмужкових конструкцій і можливість проведення аналізу впливу відхилень елементів конструкції на вихідні характеристики пристрою. Таким чином, при одержанні топології пристрою неможливо оцінити ступінь відповідності точності технології виготовлення, що використовується, і необхідної точності вихідних характеристик. Питання технологічної можливості реалізації мікросмужкової НВЧ конструкції на етапі її проектування є особливо актуальним при дрібносерійному та серійному типі виробництва, що характерно для сучасного рівня вітчизняних розробок. На етапі проектування при відсутності статистичних даних єдиним критерієм оцінки технологічної можливості реалізації можуть служити гарантовані допуски.

Значні труднощі при проектуванні і виготовленні викликають фільтри НВЧ на мікросмужкових лініях у силу складних методик розрахунку та різноманітних варіантів конструктивного виконання. Складний взаємозв'язок розмірів конструкції мікросмужкових фільтрів і характеристик фільтрів веде до необхідності підвищення вимог до технологій виготовлення. Висока чутливість до допусків на геометричні розміри конструкції пристроїв частотної селекції і, як наслідок, високі вимоги до точності реалізації, визначили вибір мікросмужкових фільтрів для дослідження. Передумовами вибору служать також складність конструкцій фільтрів, у порівнянні з іншими елементами мікросмужкових пристроїв, та складність їх синтезу.

Тому в дисертації здійснено порівняння існуючих конструкцій мікросмужкових фільтрів (з метою вибору найбільш перспективних і технологічних), проаналізовано і уточнено методи синтезу фільтрів НВЧ, розроблено методики точного розрахунку геометричних параметрів синтезованих конструкцій, досліджено вплив технології виготовлення на характеристики фільтрів та розроблено алгоритми призначення гарантованих допусків на параметри фільтрів залежно від застосованих технологій виготовлення і матеріалів конструкції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт, що виконувались на кафедрі конструювання та технології виробництва радіоапаратури Запорізького національного технічного університету:

1. 05910 "Розробка систем управління якістю проектування і виробництва електронних засобів" (2000-2002). Участь автора полягала в дослідженні методів проектування НВЧ фільтрів та оцінки їх точності.

2. 04113 "Розробка методів і засобів утворення моделей для структурного проектування і виробництва електронних апаратів" (2003-2005). Автором розроблено нові методики проектування мікросмужкових фільтрів, вдосконалено існуючі методи проектування та розроблено методи призначення допусків мікросмужкових фільтрів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є уточнення існуючих методів проектування мікросмужкових фільтрів, розроблення алгоритмів проектування визначених конструкцій фільтрів за запропонованими моделями та алгоритмів підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ із урахуванням технологічних особливостей виготовлення та можливістю аналізу і синтезу допусків на параметри фільтрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Вивчити можливості сучасних САПР мікросмужкових пристроїв в області синтезу фільтрів НВЧ та аналізу і синтезу допусків на параметри конструкції. Визначити джерела основних похибок виготовлення конструкцій мікросмужкових фільтрів. Провести аналіз і вибір методів визначення допусків на параметри мікросмужкових фільтрів.

2. Дослідити різні варіанти конструкцій фільтрів НВЧ для визначення найбільш перспективних і технологічних конструкцій з поліпшеними характеристиками.

3. Розробити уточнені методи проектування мікросмужкових фільтрів, які реально відображають фізичні процеси роботи мікросмужкових пристроїв. Для виконання поставленого завдання необхідно:

- провести аналіз методів синтезу фільтрів НВЧ з метою визначення їх точності та особливостей, пов'язаних із синтезом фільтрів на мікросмужкових лініях;

- визначити методики найточнішого розрахунку геометричних розмірів фільтрів на основі аналітичних співвідношень;

- розробити алгоритми проектування обраних конструкцій фільтрів;

- провести порівняльний аналіз розроблених методів з результатами експериментів та результатами моделювання чисельними методами.

4. Дослідити вплив технології виготовлення на вихідні характеристики фільтрів. Розробити алгоритми призначення допусків на параметри фільтрів.

5. Розробити структуру та алгоритми підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів.

Об'єкт дослідження - процес проектування і виготовлення мікросмужкових фільтрів НВЧ.

Предмет дослідження - методи, моделі і алгоритми проектування конструкцій фільтрів НВЧ в мікросмужковому виконанні, вплив похибок виготовлення на параметри мікросмужкових фільтрів.

Методи дослідження - теорія довгих ліній і методи аналізу мікросмужкових структур у квазістатичному наближенні, розрахунки на ЕОМ з використанням наближених методів на основі апроксимаційних формул, чисельних методів моделювання на основі квазістатичного та електродинамічного підходу і експериментальних даних, використання методів багатопараметричної оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Удосконалено метод синтезу фільтрів нижніх частот (ФНЧ), який базується на поданні ємнісних елементів фільтра у вигляді розімкнутих відрізків мікросмужкової лінії завдяки врахуванню ємнісних властивостей елементів конструкції, які апроксимують індуктивності, що дає можливість уточнити геометричні розміри топології.

2. Вперше розроблено алгоритм синтезу смугопропускаючих фільтрів (СПФ) на шпилькових резонаторах за запропонованою моделлю з використанням покрокової оптимізації конструкції шляхом зміни довжин областей зв'язку по черзі від центральних до крайніх ділянок фільтра та виконанням повторної операції синтезу. Алгоритм дає можливість скоротити час проектування СПФ на шпилькових резонаторах і забезпечити процедуру синтезу в автоматичному режимі для реалізації в САПР.

3. Вперше запропоновано математичну модель мікросмужкових фільтрів на зв'язаних лініях із отворами в екрані та алгоритм їх проектування, що базується на методі синтезу фільтрів на однакових зв'язаних лініях, методі квазістатичного аналізу чотирьохпровідної лінії та покроковій оптимізації топології. Цей алгоритм дозволяє реалізувати синтез в САПР конструкції СПФ із можливістю усунення паразитних смуг пропускання та зниження вимог до точності виготовлення у порівнянні із класичною конструкцією на зв'язаних лініях.

4. Дістав подальший розвиток метод проектування фільтрів верхніх частот (ФВЧ) із використанням гребінчастих конденсаторів, який базується на квазістатичному аналізі топології гребінчастого конденсатора та оптимізації топології, що дозволило підвищити адекватність моделі ФВЧ в умовах наявності похибок виготовлення, уточнити геометричні розміри топології фільтра та реалізувати запропонований метод синтезу ФВЧ в САПР.

5. Розроблено алгоритми і структуру САПР мікросмужкових фільтрів, яки дають можливість призначати допуски на параметри фільтрів на кожному формотворному етапі технології виготовлення топології.

Практичне значення отриманих результатів

1. Розроблено алгоритми проектування мікросмужкових фільтрів, що забезпечують точне визначення номінальних розмірів конструкції і дозволяють, при їх реалізації в САПР, провести синтез допусків на параметри фільтрів на кожному етапі технологічного процесу з високою точністю та припустимим часом рішення.

2. З використанням розроблених алгоритмів та методик проектування проведено модернізацію конструкцій фільтрів НВЧ у мікросмужковому виконанні, які ввійшли до складу інтегральних модулів НВЧ 354ГБ02, 354ГБ03.

3. Розроблено і впроваджено у виробництво та у навчальний процес підсистему автоматизованого проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ із можливістю аналізу і синтезу допусків.

Реалізація результатів роботи. Розроблена підсистема проектування мікросмужкових фільтрів впроваджена в процес проектування мікросмужкових пристроїв державного підприємства НВК "Іскра" і в навчальний процес Запорізького національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача

Всі основні положення, що становлять суть дисертації, отримані здобувачем самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачу належать: уточнення математичної моделі для проектування мікросмужкового ФНЧ з використанням розімкнутих шлейфів у вигляді ємнісних елементів, дослідження впливу допусків на параметри конструкції ФНЧ залежно від кількості ланок і технології виготовлення [1, 7]; дослідження моделей ФНЧ і спосіб оптимізації конструкції фільтрів [2]; порівняння методів синтезу мікросмужкових СПФ на зв'язаних лініях [3, 8]; розробка алгоритмів проектування та перевірка отриманих даних за допомогою електромагнітного аналізу досліджуваних структур [4, 9, 12]; розробка алгоритмів проектування СПФ на зв'язаних лініях, шпилькових фільтрів, розробка алгоритму оптимізації конструкції шпилькових фільтрів, дослідження впливу допусків параметрів конструкції на амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) фільтрів [5, 11]; розробка алгоритму проектування мікросмужкових СПФ на зв'язаних лініях із щілиною уздовж області зв'язку та дослідження допусків [6, 13].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на конференціях:

- Міжнародна науково-технічна конференція "Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці" CADSM2003 (2003 р., м. Львів - с.м.т. Славське);

- Міжнародна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії" TCSET2004 (2004 р., м. Львів - с.м.т. Славське);

- Міжнародна науково-технічна конференція "Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці" CADSM2005 (2005 р., м. Львів - с.м.т. Поляна);

- Міжнародна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії" TCSET2006 (2006 р., м. Львів - с.м.т. Славське).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 13 друкованих праць, з них 6 статей у наукових фахових виданнях України, 7 праць у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків і списку літературних джерел (218 назв). Загальний обсяг роботи становить 186 сторінки, з них 149 основного тексту. Робота містить 57 рисунків і 11 таблиць.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень. Вказано новизну отриманих результатів та їх практичну цінність. Описано структуру роботи, відомості про публікації, апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі досліджено можливості сучасних САПР мікросмужкових пристроїв в області синтезу фільтрів та точності аналізу топологій класичних конструкцій фільтрів. Визначено, що найбільш точні результати при проведенні аналізу топологій мікросмужкових фільтрів отримані з використанням програми Microwave Office. Також програма має розширені можливості аналізу топологій мікросмужкових пристроїв, які визначаються наявністю значних бібліотек елементів топології мікросмужкових ліній і набором підкладок аналізованих конструкцій.

Дослідження різних конструкцій фільтрів на мікросмужкових лініях у САПР виявило неможливість проведення аналізу деяких конструкцій фільтрів з використанням набору конструкцій у бібліотеках елементів і складність при проведенні чисельного аналізу конструкцій з використанням електромагнітного аналізатора топологій через великий обсяг необхідних обчислень. Результати огляду показують, що програми Microwave Office і GENESYS мають блок синтезу фільтрів не тільки на елементах із зосередженими, але й на елементах з розподіленими параметрами, у тому числі і фільтрів на мікросмужкових лініях та орієнтовані на розробку мікросмужкових пристроїв. Однак, синтез фільтрів на мікросмужкових лініях з використанням програми Microwave Office дає невисоку точність і значно обмежує вибір топології мікросмужкових фільтрів.

Аналіз сучасних САПР в області аналізу і синтезу допусків на параметри мікросмужкових фільтрів показав відсутність можливостей проведення цих операцій у досліджених програмах. Слід зазначити блок підстроювання в програмі Microwave Office, що дозволяє проводити оптимізацію характеристик фільтрів шляхом зміни розмірів обраних елементів конструкції. При цьому оптимізація може здійснюватись розробником по одному параметру без застосування будь-яких алгоритмів автоматичної оптимізації і комплексно по зазначених параметрах та обраній цільовій функції. Однак, програма не дозволяє робити оптимізацію параметрів фільтрів зі збереженням первісної конструктивної симетрії, що ускладнює одержання оптимальних розмірів топології конструкції фільтра і веде до додаткових викривлень частотної характеристики.

Проведено аналіз методів проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ. Показано, що метод синтезу фільтрів з використанням фільтрів-прототипів нижніх частот є найбільш точним і широко використовується для різних видів фільтрів. У результаті синтезу з використанням цього методу визначається кількість елементів фільтра-прототипу нижніх частот, кількість ланок фільтра нижніх частот, відповідно до обраної заступної схеми, і нормовані параметри елементів фільтра-прототипу нижніх частот. Відзначено, що найбільші труднощі представляє коректний перехід від елементів фільтра-прототипу нижніх частот до елементів фільтрів НВЧ у вигляді відрізків мікросмужкових ліній. Крім цього, складним питанням на етапі проектування залишається питання точного визначення розмірів мікросмужкових ліній, які відповідають необхідним характеристикам фільтра. При відсутності прийнятних за точністю методів синтезу і визначення геометричних розмірів фільтра переходять до визначення геометричних розмірів топології за допомогою методів чисельного аналізу, застосуванню методів багатопараметричної оптимізації та використанню даних експериментів. Це призводить до значного збільшення часу проектування фільтрів і труднощів при визначенні гарантованих допусків на параметри фільтрів.

Описано похибки мікросмужкової конструкції, що виникають у процесі виробництва. Похибки геометрії струмонесучого шару топології мікросмужкових фільтрів розділено на взаємонезалежні та взаємозалежні (на основі розглянутого технологічного процесу виготовлення мікросмужкових фільтрів). Розглянуто питання зміни форми поперечного перерізу мікросмужкового провідника на етапах технології виготовлення і впливи форми поперечного перерізу на хвильовий опір лінії. У розділі проаналізовано особливості методів аналізу і синтезу гарантованих допусків. Показано переваги інтервального методу визначення відхилень вихідної функції.

На підставі проведених досліджень поставлено завдання розробки уточнених методів проектування мікросмужкових фільтрів, вивчення особливостей технологічної реалізації такого виду фільтрів і створення на цій основі алгоритмів синтезу гарантованих допусків на геометричні параметри, вихідні характеристики та матеріали конструкції фільтрів.

У другому розділі проведено аналіз існуючих конструкцій мікросмужкових фільтрів. На основі літературного огляду і досліджених розробок вітчизняних підприємств визначено найбільш широко розповсюджені та технологічно відпрацьовані конструкції фільтрів. Відзначено перспективні варіанти конструкцій мікросмужкових фільтрів, що забезпечують найбільшу компактність і значне розширення допусків на параметри конструкції, та усувають паразитні смуги пропускання або загородження. Для проведення досліджень і застосування в створюваній САПР обрано конструкції, що реалізують ФНЧ, СПФ і смугозагороджуючи фільтри (СЗФ) із однією смугою пропускання або загородження, і ФВЧ.

Для дослідження ФНЧ відібрано наступні конструкції:

- на основі коротких відрізків довгої лінії, що чергуються (рис. 1, а);

- з використанням розімкнутих шлейфів у вигляді ємнісних елементів (рис. 1, б).

Реалізацію СПФ забезпечують конструкції:

- СПФ на однакових зв'язаних лініях з боковим зв'язком у вигляді напівхвильових резонаторів із чвертьхвильовими зв'язаними лініями (рис. 1, в);

- СПФ на однакових зв'язаних лініях з боковим зв'язком у вигляді напівхвильових резонаторів із чвертьхвильовими зв'язаними лініями та щілиною в екрані уздовж області зв'язку (рис. 1, г);

- класичного шпилькового СПФ (рис. 1, д).

При проектуванні СЗФ запропоновано використовувати конструкції:

- фільтрів з розімкнутими паралельними чвертьхвильовими шлейфами і чвертьхвильовими з'єднуючими лініями (рис. 1, е);

- фільтрів на квазізосереджених резонаторах із чвертьхвильовими зв'язками (рис. 1, є).

При необхідності використати ФВЧ застосовується конструкція фільтра з послідовними ємностями у вигляді гребінчастих конденсаторів і короткозамкненими індуктивностями у вигляді шлейфів (рис. 1, ж).

Обрані конструкції забезпечують реалізацію частотних характеристик з параметрами, що найбільш часто використовуються у виробництві (частотний діапазон, внесене загасання, ширина смуги пропускання, вид і крутизна АЧХ, вид фазочастотної характеристики (ФЧХ)), та в той же час мають гранично просту конструкцію, прийнятні габаритні розміри і, у більшості випадків, задовольняють вимогам тонкоплівкової технології виготовлення.

У третьому розділі досліджено особливості створення мікросмужкових фільтрів нижніх частот. Виявлено значні неточності при застосуванні методу синтезу з використанням послідовного з'єднання відрізків довгих ліній. Вироблено рекомендації з використання цього методу синтезу при реалізації заданої топології. Показано неточності, що виникають при застосуванні методу синтезу з використанням розімкнутих відрізків мікросмужкових ліній в якості ємнісних елементів. Метод синтезу модифіковано з використанням теорії довгих ліній шляхом уточнення заступних схем мікросмужкової топології ФНЧ.

При цьому хвильові опори розімкнутих ділянок мікросмужкових ліній, що моделюють ємнісні елементи, визначаються за співвідношеннями (при непарній кількості елементів фільтра і якщо перша ділянка фільтра апроксимує ємність):

,

,

де - кількість елементів фільтра;

- параметри розподілених індуктивностей і ємностей лінії;

- кутова гранична частота смуги пропускання;

- частота зрізу фільтра; - довжина ділянок лінії; - швидкість хвилі в лінії;

- непарна ділянка; , - парні ділянки.

Запропоновано варіант оптимізації конструкції ФНЧ з метою зменшення габаритних розмірів фільтра. Досліджено точність існуючих методик визначення геометричних розмірів одиночної мікросмужкової лінії на основі наближених співвідношень і методу квазістатичного аналізу.

Розглянуто питання реалізації смугових фільтрів. Проведено порівняння точності методів синтезу фільтрів на зв'язаних лініях. Показано переваги синтезу на основі фільтрів-прототипів нижніх частот у порівнянні з класичним методом синтезу в умовах мікросмужкової топології. Досліджено точність методик визначення геометричних розмірів зв'язаних ліній на основі аналітичних співвідношень і застосування чисельних методів аналізу. На основі проведених досліджень вироблено алгоритм проектування смугопропускаючих фільтрів на однакових зв'язаних лініях. Розроблено алгоритм синтезу СПФ шпилькового типу з використанням методу проектування фільтрів на зв'язаних лініях і застосування алгоритмів багатопараметричної оптимізації, що дозволяє значно скоротити час синтезу цієї конструкції фільтрів.

Запропоновано алгоритм проектування СПФ на зв'язаних лініях з отворами в екрані (рис. 1, г). Алгоритм базується на застосуванні методів квазістатичного аналізу зв'язаних ліній і застосуванні алгоритму багатопараметричної оптимізації.

Для моделювання функцій Гріна конструкції фільтра використано дві рекурентні формули:

- для точки джерела і точки спостереження, що лежать в одній площині на поверхні діелектричного шару;

- для точки джерела і точки спостереження, що лежать на різних поверхнях діелектричного шару.

Тут

, .

Наведено методику квазістатичного аналізу, що забезпечує мінімізацію обчислювальних витрат шляхом врахування особливостей функції Гріна для мікросмужкової структури. Розроблено алгоритм синтезу топології, що дозволяє значно зменшити необхідний час розрахунку. Застосування даного різновиду фільтрів на зв'язаних лініях дозволяє знизити вимоги до точності виготовлення фільтрів на зв'язаних лініях і виключити паразитні смуги пропускання фільтрів на частотах кратних двом від середньої частоти смуги пропускання фільтра.

Досліджено методи реалізації смугозагороджуючих фільтрів НВЧ. Показано, що найбільш технологічною при створенні мікросмужкових СЗФ є конструкція на лініях передачі зі шлейфними відгалуженнями. На основі цієї конструкції розроблено методику проектування СЗФ, яка має високу точність і дозволяє проводити оптимізацію топології фільтра з метою зменшення габаритних розмірів конструкції. Оптимізація топології здійснюється на основі способу, застосованого при зменшенні габаритних розмірів ФНЧ.

Розглянуто особливості методу проектування фільтрів верхніх частот на основі короткозамкнених шлейфів і послідовних ємностей. Запропоновано метод проектування ФВЧ із використанням гребінчастих конденсаторів що дозволяє здійснювати аналіз і синтез допусків на будь-якому етапі технологічного процесу виготовлення фільтра. Топологія гребінчастих конденсаторів визначається з використанням аналітичних співвідношень і шляхом подальшого уточнення за допомогою квазістатичного аналізу та корегування довжини зубців.

Квазістатичний аналіз конструкції гребінчастого конденсатора проводиться з використанням рекурентної формули, яка апроксимує функцію Гріна для тривимірної моделі мікросмужкової лінії:

.

де,,,

,, ,

, , ,

 ,

, , - товщина підкладки.

Запропонований підхід дозволяє значно знизити час проектування і одержання гарантованих допусків на параметри фільтрів.

Наведено найбільш точні методики, що дозволяють проводити розрахунок дисперсії ефективної діелектричної проникності матеріалу підкладки мікросмужкової структури і внесених втрат для конструкцій фільтрів на основі одиночної мікросмужкової лінії, зв'язаних ліній і зв'язаних ліній із щілиною вздовж області зв'язку. Дані методики дозволили значно уточнити методи проектування мікросмужкових фільтрів і підвищити точність визначення гарантованих допусків.

Особливості і різниця в методах проектування різних типів мікросмужкових фільтрів призводять до необхідності розробки методик врахування взаємного впливу відхилень елементів конструкції з метою розширення допусків на параметри фільтрів.

У четвертому розділі запропоновано методику, що поєднує інтервальний метод розрахунку допусків і метод аналізу немонотонних вихідних функцій. Розроблено алгоритм синтезу допусків на параметри конструкції фільтрів з урахуванням обмежень на мінімальний допуск елементів конструкції. Цей алгоритм дозволяє розширити допуск на критичний елемент конструкції фільтра за рахунок зменшення допусків інших елементів конструкції. Однак, через суперечливість вимог технологій виготовлення та вимог до вихідних параметрів фільтрів необхідно визначити максимально можливі допуски на елементи конструкції. Ці допуски визначаються на основі статистичних випробувань. При синтезі гарантованих допусків єдиний шлях збільшення допусків - врахування взаємного впливу відхилень елементів конструкції на різних етапах виготовлення.

В розділі розроблено алгоритми синтезу допусків на параметри конструкції фільтрів залежно від технологій одержання геометрії струмонесучого шару та характеристик матеріалів, що дозволяють реалізовувати однакові і пропорційні допуски.

Алгоритм визначення однакових припустимих відхилень можна представити в такий спосіб:

– на підставі даних внутрішньої або зовнішньої інтерполяції з передатних коефіцієнтів моделі, що відповідають мінімуму або максимуму функції, формується масив, який містить найбільші передатні коефіцієнти по кожному параметру ;

– в отриманому масиві визначається найбільший передатний коефіцієнт ;

– визначаються відношення інших коефіцієнтів масиву до найбільшого коефіцієнта ;

– обчислюється сума передатних коефіцієнтів масиву ;

– обчислюються вагові коефіцієнти параметрів моделі, що дорівнюють .

Вагові коефіцієнти використовуються для розбивки поля допуску вихідної функції за параметрами фільтра.

Наведений алгоритм визначення однакових допустимих відхилень можна використати для визначення допусків на інших етапах технологічного процесу виготовлення мікросмужкових фільтрів. Наприклад, при формуванні рисунка фільтра на платі за допомогою фотолітографії в процесі установки експозиції відстані між склом з нанесеним емульсійним шаром, макетом фотошаблона, джерелом світла можуть змінитися. У цьому випадку всі елементи конструкції фільтра зменшаться або збільшаться на величину пропорційну їх абсолютним геометричним розмірам. Для призначення допусків на розміри конструкції фільтра необхідно скористатися алгоритмом визначення однакових допустимих відхилень, а потім визначити пропорційні відхилення:

– у масиві номінальних значень визначається найбільший розмір фільтра ;

– визначаються відношення інших елементів масиву до найбільшого розміру ;

– розраховується сума розмірів масиву ;

– обчислюються вагові коефіцієнти параметрів моделі рівні відношенню .

Надалі вагові коефіцієнти використовуються при розподілі поля допуску вихідної функції в ітераційному процесі синтезу допусків, або при наближеній оцінці на заключному етапі при визначенні відхилень розмірів елементів конструкції фільтра.

Запропоновано метод визначення допуску на вихідну функцію фільтра залежно від його конструкції і застосованої технології виготовлення. Розроблено методику проектування мікросмужкових фільтрів з урахуванням допускового аналізу, що дозволяє на етапі проектування визначити відповідність обраної конструкції і необхідних характеристик фільтра можливостям технології виготовлення, визначити вимоги по точності до технології виготовлення для одержання фільтрів (100% вихід придатних) розглянутих конструкцій із заданими відхиленнями вихідної функції або визначити відхилення на вихідну функцію фільтра при заданій технології виготовлення. На основі синтезу допусків з'являється можливість вибору виду апроксимації АЧХ із метою зниження вимог до точності одержання топології фільтра. Розроблені алгоритми та методики спрямовані на комплексне використання при проектуванні фільтрів НВЧ і експертний розподіл поля допуску вихідної функції по розглянутих етапах виробництва фільтрів.

П'ятий розділ розкриває особливості побудови підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів з можливістю аналізу і синтезу допусків. У розділі розглянуто вимоги до системи проектування такого класу, які випливають з аналізу можливостей сучасних САПР і потреб розробників НВЧ пристроїв. Сформульовано вимоги до програмного інтерфейсу. Розроблено структуру підсистеми проектування та визначено необхідні міжелементні зв'язки. На основі аналізу методів проектування сформовано точностні характеристики підсистеми проектування і певні обмеження, які накладають на вхідні дані. Обмеження пов'язані з особливостями математичних моделей, їх точністю і умовами фізичної можливості реалізації. Проведено оцінку швидкодії підсистеми проектування залежно від розв'язуваних завдань.

Як вхідні дані для підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів задаються:

– дані для синтезу фільтра;

- максимально допустиме відхилення АЧХ (також можливі і додаткові вимоги до ФЧХ);

- розкид геометричних розмірів і фізичних параметрів матеріалу підкладки і струмонесучого шару;

- загальна похибка технології виготовлення;

– похибки різних етапів технології виготовлення.

На основі вбудованих моделей фільтрів і використання вищезгаданих САПР проводиться багаторазовий аналіз розрахованої топології фільтра для визначення передатних коефіцієнтів моделі, а потім проводиться синтез допусків з ітераційним уточненням моделі. Результатом роботи підсистеми проектування є наступні дані:

- обрана конструкція фільтра (при виборі декількох конструкцій і апроксимацій АЧХ для аналізу);

- АЧХ і ФЧХ фільтра;

- схема і параметри фільтра-прототипу нижніх частот;

- номінальні геометричні розміри конструкції фільтра;

- топологія мікросмужкової конструкції фільтра (вид зверху);

- допуски на параметри фільтра по етапах технології виготовлення;

- загальний допуск по кожному параметру;

- допуск на АЧХ або ФЧХ фільтра залежно від заданої технології виготовлення.

У випадку аналізу декількох конструкцій фільтра по запиту можуть бути переглянуті дані для будь-якої конструкції з метою забезпечення можливості експертного порівняння конструкцій. Крім того, у покроковому режимі проектування існує можливість комплексного аналізу впливу заданих відхилень на вихідні функції фільтрів. Такий аналіз здійснюється візуально розробником з відображенням даних на графіку АЧХ або ФЧХ.

Показано застосування підсистеми проектування на прикладі проектування мікросмужкового ФНЧ із використанням розімкнутих шлейфів у вигляді ємнісних елементів. Особливості роботи підсистеми з іншими САПР мікросмужкових пристроїв представлено на прикладі аналізу допусків мікросмужкового СПФ на однакових зв'язаних лініях. Результати роботи підтверджено експериментально та відповідними актами про впровадження.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу - уточнено методи проектування мікросмужкових фільтрів, запропоновано нові алгоритми проектування та призначення допусків та розроблено алгоритми підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів, що забезпечують одержання, методом внутрішньої і зовнішньої інтерполяції, точних значень гарантованих допусків в областях граничних значень вихідної функції. Значно розширено гарантовані допуски на параметри фільтрів за рахунок врахування взаємного впливу похибок технологічного процесу. Розроблена підсистема проектування мікросмужкових фільтрів реалізує процедури синтезу гарантованих допусків, недоступні раніше в інших САПР НВЧ пристроїв, і забезпечує практичну ефективність при проектуванні реальних конструкцій мікросмужкових фільтрів.

В ході проведених досліджень отримано наступні результати:

1. Проаналізовано можливості сучасних САПР мікросмужкових пристроїв. Виявлено комплексні недоліки, властиві сучасним САПР, визначено область передбачуваного використання розроблювальної підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів, сформульовано вимоги до реалізації системи проектування.

2. Проведено класифікацію мікросмужкових фільтрів. Обрано конструкції, які забезпечують прийнятні (з погляду технологічних обмежень) допуски в широкому частотному діапазоні, що реалізують максимально-плоску та чебишевську АЧХ при середніх значеннях смуг пропускання (загородження) і мінімальному внесеному загасанні. Відібрані конструкції фільтрів забезпечують різноманітні параметри АЧХ фільтрів поряд із граничною простотою конструкції і широким використанням у виробництві. Обрані конструкції, у переважній більшості, дозволяють знижувати рівень паразитних смуг пропускання фільтрів.

3. Одержали подальший розвиток, з метою підвищення точності обчислень, методи аналізу і синтезу класичних конструкцій мікросмужкових ФНЧ, СПФ, СЗФ. Представлено алгоритм аналізу конструкції СПФ на зв'язаних лініях із щілиною в екрані уздовж області зв'язку і конструкції мікросмужкового гребінчастого конденсатора у квазістатичному наближенні. Конструкція СПФ із щілиною в екрані уздовж області зв'язку дозволяє значно розширити смугу пропускання фільтрів і має величезне значення для проектування суміжного класу мікросмужкових пристроїв - направлених відгалужувачів, забезпечуючи максимальні значення направленості і широкосмуговості, можливі для зв'язаних ліній.

4. Запропоновано та обґрунтовано алгоритми проектування СПФ на зв'язаних лініях із щілиною уздовж області зв'язку і ФВЧ на одиночній мікросмужковій лінії з послідовними ємностями у вигляді гребінчастих конденсаторів, які забезпечують високу точність і прийнятну швидкість розрахунку.

5. Методи синтезу мікросмужкових фільтрів одержали подальший розвиток завдяки використанню при синтезі даних розрахунку дисперсії ефективної діелектричної проникності матеріалу підкладок мікросмужкових ліній і внесених втрат на основі аналітичних співвідношень. Це дозволило не тільки точніше визначати розміри мікросмужкових фільтрів для уточнення частот зрізу у ФНЧ і ФВЧ, центральної частоти смуги пропускання в СПФ і СЗФ, але й уточнити АЧХ фільтрів в області частот зрізу в СПФ і СЗФ і в області паразитних смуг пропускання або загородження. Визначення внесених втрат дозволяє провести наступний перерахунок конструкції з метою уточнення частот зрізу фільтрів.

6. Запропоновані алгоритми проектування дозволяють адекватно враховувати взаємозв'язок довільних змін будь-яких геометричних розмірів елементів конструкції. Використання цих алгоритмів дає можливість враховувати взаємозв'язок між елементами на різних етапах технології виготовлення та застосовувати методи аналізу і синтезу допусків на параметри конструкції та АЧХ, ФЧХ фільтра.

7. Розроблено алгоритми аналізу і синтезу допусків, що дозволяють визначати гарантовані допуски на параметри конструкції фільтра на кожному етапі технології виготовлення. Використовуючи ці алгоритми, можна визначати допуски на вихідні параметри фільтра залежно від його конструкції і можливостей технології виготовлення або визначати вимоги до точності технології виготовлення на кожній операції технологічного процесу залежно від необхідних характеристик фільтра та його конструкції. Завдяки поетапному розгляду технологічного процесу стає можливим збільшення гарантованих допусків.

8. Вперше запропоновано автоматизовану методику вибору конструкції фільтра і апроксимації АЧХ за критеріями обмежень технології виготовлення і максимально можливих допусків на параметри конструкції. На основі застосованих методів та алгоритмів проектування мікросмужкових фільтрів визначено особливості запропонованих конструкцій з погляду критичних до допусків елементів конструкції.

9. Вірогідність і висока ефективність розроблених алгоритмів проектування мікросмужкових фільтрів підтверджена порівнянням результатів проведених розрахунків з відомими експериментальними і теоретичними даними, а також з даними проведених експериментальних досліджень.

10. Розроблені алгоритми та методики проектування мікросмужкових фільтрів і алгоритми аналізу і синтезу допусків залежно від технології виготовлення, реалізовано в підсистемі проектування мікросмужкових фільтрів з можливістю аналізу і синтезу допусків MWDTOL. Завдяки простоті, зручності користування і доступності в освоєнні ця САПР є ефективним інструментом для розробки мікросмужкових фільтрів і може бути використана не тільки в умовах виробництва, але і як ефективний інструмент навчання методам автоматизованого проектування НВЧ техніки.

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використано при проектуванні функціональних інтегральних модулів і субблоков НВЧ тракту радіолокаційних комплексів, що випускають на базовому підприємстві.

Сукупність запропонованих методів та алгоритмів проектування мікросмужкових фільтрів і алгоритмів синтезу гарантованих допусків дозволяє значно спростити етапи проектування і технологічної оптимізації мікросмужкових фільтрів схем НВЧ.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Крищук В., Фарафонов О., Шило Г., Гапоненко М. Оптимізація допусків мікросмужкових фільтрів // Вісник Національного університету "Львівська політехніка": "Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика".- 2003.- № 470.- С. 173-178.

2. Крищук В.Н., Фарафонов А.Ю., Романенко С.Н. Исследование методов реализации микрополосковых фильтров нижних частот // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління.- Запоріжжя: ЗНТУ, 2003.- № 2 (10).- C. 66-70.

3. Крищук В. М., Фарафонов О. Ю., Романенко С. М. Аналіз методів проектування мікросмужкових фільтрів на зв'язаних лініях // Вісник Національного університету "Львівська політехніка": "Радіоелектроніка та телекомунікації".- 2004.- № 508.- C. 199-206.

4. Фарафонов О.Ю., Самоквіт С.О, Воропай О.Ю. Проектування мікросмужкових направлених відгалужувачів з оптимальними допусками // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління.- Запоріжжя: ЗНТУ, 2004.- № 2.- С. 44-47.

5. Крищук В.М., Фарафонов О.Ю., Романенко С.М., Онищенко В.Ф., Шило Г.М. Врахування допусків і оптимізація параметрів мікросмужкових смугових фільтрів на зв'язаних лініях // Вісник Національного університету "Львівська політехніка": "Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика".- 2005.- № 548.- C. 83-90.

6. Карпуков Л.М., Пулов Р.Д, Фарафонов О.Ю. Назначение допусков при проектировании микрополосковых полосовых фильтров на связанных линиях с отверстиями в экранирующем слое // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління.- Запоріжжя: ЗНТУ, 2005.- № 1.- С. 32-38.

7. Krischuk V., Farafonov A., Shilo G., Gaponenko N. Optimization of microstrip filters tolerances / Proc. of the VII Intern. Conf. CADSM 2003. "The experience of designing and application of CAD systems in microelectronics." - Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2003.- P. 251-252.

8. Krischuk V., Farafonov A., Romanenko S. Analysis of projection methods of microstrip coupled lines filters / Proc. of the Intern. Conf. TCSET 2004 "Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science". - Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2004.- P. 583-586.

9. Farafonov O., Zarubina S., Voropay O. Probing of tolerances on elements microstrip directed couplers / Proc. of the Intern. Conf. TCSET 2004 "Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science".- Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2004.- P. 156-158.

10. Фарафонов А.Ю. Сравнение методик расчёта микрополосковых фильтров на связанных линиях / Матеріали 8-го міжнародного молодіжного форуму "Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті".- Харків: ХНУРЕ, 2004.- С. 26.

11. Krischuk V., Farafonov A., Romanenko S., Onischenco V., Shilo G. Tolerances Optimization of Coupled-line Microstrip Bandpass Filters / Proc. of the VIII Intern. Conf. CADSM 2005. "The experience of designing and application of CAD systems in microelectronics".- Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2005.- P. 143-146.

12. Samokvit S., Farafonov O. Designing of microstrip dividers of capacity with optimum tolerances / Proc. of the VIII Intern. Conf. CADSM 2005. "The experience of designing and application of CAD systems in microelectronics".- Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2005.- P. 270-272.

13. Karpukov L.M., Pulov R.D., Farafonov A.Y. Comparison of tolerances in constructions of microstrip filters on coupled lines / Proc. of the Intern. Conf. TCSET 2006 "Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science".- Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2006.- P. 493-496. 

АНОТАЦІЯ

Фарафонов О.Ю. Математичне забезпечення автоматизованого проектування мікросмужкових НВЧ фільтрів з допусковими обмеженнями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - "Системи автоматизації проектувальних робіт". - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2006.

Дисертація присвячена уточненню методів проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ, розробці алгоритмів проектування та призначення допусків в залежності від технології виготовлення та створенню підсистеми проектування мікросмужкових фільтрів з можливістю аналізу та синтезу допусків на основних формоутворюючих етапах технології виготовлення мікросмужкової топології.

Здійснено уточнення математичної моделі мікросмужкового ФНЧ. Досліджено методи синтезу і методики визначення геометричних розмірів конструкції фільтрів. Запропоновано уточнені методи проектування мікросмужкових фільтрів і способи оптимізації топології фільтрів. Розроблено алгоритми синтезу допусків на геометричні розміри конструкції в залежності від етапів технології виготовлення і методику визначення допустимих відхилень АЧХ і ФЧХ фільтрів на основі даних про конструкцію фільтра та технологію виготовлення. Отримані моделі використовуються в підсистемі проектування мікросмужкових фільтрів. Основні результати роботи впроваджено на промислових підприємствах при проектуванні мікросмужкових пристроїв.

Ключові слова: САПР, мікросмужкові фільтри, синтез НВЧ фільтрів, допуски, чутливість, математичне забезпечення.

АННОТАЦИЯ

Фарафонов А.Ю. Математическое обеспечение автоматизированного проектирования микрополосковых СВЧ фильтров с допусковыми ограничениями. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - "Системы автоматизации проектных работ". - Национальный университет "Львовская политехника", Львов, 2006.

Диссертация посвящена уточнению методов проектирования микрополосковых фильтров СВЧ, разработке алгоритмов проектирования и назначения допусков в зависимости от технологии изготовления и созданию подсистемы проектирования микрополосковых фильтров с возможностью анализа и синтеза допусков на основных формообразующих этапах технологии изготовления микрополосковой топологии.

В диссертационной работе исследованы возможности современных САПР микрополосковых устройств в области синтеза фильтров, возможностей и точности анализа топологий классических конструкций фильтров. Определено, что наиболее точные результаты при проведении анализа топологий микрополосковых фильтров получены с использованием программы Microwave Office. Проведён анализ методов проектирования микрополосковых фильтров СВЧ. Показано, что наиболее точным и широко используемым для различных видов фильтров является метод синтеза фильтров с использованием фильтров-прототипов нижних частот. Отмечено, что наибольшую трудность представляет корректный переход от элементов фильтра-прототипа нижних частот к элементам фильтров СВЧ в виде отрезков микрополосковых линий. Кроме этого, сложным вопросом на этапе проектирования остается вопрос точного определения размеров микрополосковых линий, которые соответствуют требуемым характеристикам фильтра. При отсутствии приемлемых по точности методов синтеза и определения геометрических размеров фильтра переходят к определению геометрических размеров топологии с помощью методов численного анализа, применению методов многопараметрической оптимизации и использованию данных экспериментов. Это приводит к значительному увеличению времени проектирования фильтров и большим трудностям при определении гарантированных допусков на параметры фильтров.

Описаны погрешности микрополосковой конструкции, возникающие в процессе производства. Погрешности геометрии токонесущего слоя топологии микрополосковых фильтров разделены на взаимонезависимые и взаимозависимые (на основе рассмотренного технологического процесса изготовления микрополосковых фильтров). Рассмотрены вопросы изменения формы поперечного сечения микрополоскового проводника на этапах технологии изготовления и влияния формы поперечного сечения на волновое сопротивление линии. Проведён анализ существующих конструкций микрополосковых фильтров. На основе литературного обзора и исследованных разработок отечественных предприятий определены наиболее широко распространённые и технологически отработанные конструкции фильтров. Отмечены перспективные варианты конструкций микрополосковых фильтров, обеспечивающие наибольшую компактность и значительное расширение допусков на параметры конструкции, подавляющие паразитные полосы пропускания или заграждения.

Проведено уточнение математической модели микрополоскового ФНЧ. Исследованы методы синтеза и методики определения геометрических размеров конструкции фильтров на основе одиночной микрополосковой линии и связанных линий. Предложены уточнённые методы проектирования микрополосковых фильтров и способы оптимизации топологии фильтров. Впервые предложен алгоритм проектирования полоснопропускающих фильтров на связанных линиях с отверстиями в экране для выравнивания скоростей распространения волн чётного и нечётного типов. Алгоритм основан на применении методов квазистатического анализа связанных линий и применении алгоритма многопараметрической оптимизации. Исследованы методы реализации полоснозаграждающих фильтров СВЧ. Показано, что наиболее технологичной при создании микрополосковых полоснозаграждающих фильтров, является конструкция на линиях передачи со шлейфными ответвлениями. На основе этой конструкции разработана методика проектирования фильтров, которая имеет высокую точность и позволяет проводить оптимизацию топологии фильтра с целью уменьшения габаритных размеров конструкции. Предложен метод проектирования ФВЧ с использованием гребенчатых конденсаторов позволяющий производить анализ и синтез допусков на любом этапе технологического процесса изготовления фильтра. Топология гребенчатых конденсаторов определяется с использованием аналитических соотношений и путём дальнейшего уточнения при помощи квазистатического анализа и корректировки длины зубцов. Предложенный подход позволяет значительно снизить время проектирования и получения гарантированных допусков на параметры фильтров.

Приведены наиболее точные методики, позволяющие проводить расчёт дисперсии эффективной диэлектрической проницаемости материала подложки микрополосковой структуры и вносимых потерь для конструкций фильтров на основе одиночной микрополосковой линии, связанных линий и связанных линий с щелью вдоль области связи. Использование этих методик позволило повысить точность синтеза номинальных размеров конструкции микрополосковых фильтров и точность определения гарантированных допусков.

...