Усовершенствованный подход к моделированию интегральных компонентов для LC фильтров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.372.54

Д. А. БОРЕЙКО

Омский государственный технический университет

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ LC ФИЛЬТРОВ

В статье предложены способы совершенствования подходов к проектированию интегральных LC фильтров для сокращения общего времени разработки устройств. Осуществлена попытка дать ответы на вопросы относительно реализации интегральных компонентов. Предложенные усовершенствования опробованы в процессе моделирования двух полосовых фильтров, представлены данные по их электрическим параметрам.

Ключевые слова: интегральный LC фильтр, многослойные интегральные компоненты, подход к проектированию, электромагнитное моделирование.

Актуальность вопроса. Исследование вопросов моделирования интегральных ЬС фильтров и их компонентов остается актуальным ввиду перспективности применения таких устройств [1—4].

Особенно важным является разработка и совершенствование подходов к проектированию интегральных устройств, в том числе и интегральных фильтров, в части электромагнитного моделирования с целью сокращения общего времени проектирования.

Один из подходов к моделированию обозначенных устройств представлен в [5]. В данной статье предложены способы усовершенствования указанного подхода к проектированию интегральных ЬС-фильтров, а также сделана попытка дать ответы на некоторые вопросы моделирования интегральных компонентов для ЬС фильтров.

Основная часть. Предложенные усовершенствования подхода к проектированию интегральных ЬС фильтров относятся к изменению алгоритма моделирования компонентов.

Компоненты ЬС фильтров, емкости и индуктивности, являются частотно зависимыми, что видно из следующих известных формул [3]:

С-

Ь-

1

тХг

(1)

где С — емкость, Ф,

Хс — емкостное сопротивление, Ом, Ь — индуктивность, Гн, ХЬ — индуктивное сопротивление, Ом, т — циклическая частота, рад/с. Это обусловливает зависимость размеров элементов топологии слоев от частоты, на которой измеряются параметры компонентов. Условно можно назвать ее частотой анализа компонента.

При использовании более раннего алгоритма моделирования компонентов [5] оценка значения номинала производилась качественно, то есть посредством сравнения графика зависимости входного сопротивления компонента от частоты и соответствующего графика его эквивалентной схемы. Такой способ дает приблизительную оценку

и не в полной мере подходит для точного моделирования элементов схемы.

Точность можно повысить при помощи количественной оценки номиналов компонентов, которая основывается на измерении значения на конкретной частоте анализа. В качестве такой частоты для всех элементов нами изначально была выбрана центральная частота фильтра. Однако такой подход не дает достаточно точных результатов и предполагает довольно трудоемкий процесс постепенной корректировки элементов фильтра, включающий в себя значительное количество итераций.

В связи с этим нами было выдвинуто предположение о том, что не все компоненты фильтра обладают частотой анализа, совпадающей с его центральной частотой. Для проверки предположения были осуществлены следующие действия. Промоделированные на центральной частоте компоненты объединены в подсхемы, после анализа которых, установлены реальные номиналы компонентов. После этого из соответствующих графиков определялась частота анализа, на которой компонент обладает этим номиналом.

При отсутствии на графике искомого значения номинала в качестве частоты анализа компонента бралась частота, на которой компонент начинает проявлять зависимость номинала от частоты, то есть перестает быть константой. На рис. 1 представлены графики, из которых виден характер зависимости номинала от частоты.

Для тех компонентов, для которых частота анализа отличалась от центральной частоты фильтра, топологии были созданы вновь. При этом моделирование проводилось уже на соответствующих частотах анализа.

В результате полученные электрические характеристики откорректированных подсхем, а также номиналы компонентов оказались достаточно близкими к расчетным. Для полного совпадения электрических параметров подсхем с расчетными, топология слоев рассматриваемых компонентов подверглась дополнительной корректировке. Этот процесс занимает всего несколько итераций и является направленным, при этом количественная оценка номиналов дает возможность для формализации процесса.

т

Частота, МГц а)

Чистота игц б)

Рис. 1. Характер зависимости номинала от частоты: а) для емкости; б) для индуктивности

Без корректировки

С корректировкой

Рис. 2. Примеры конструкций П-образных секций емкостей

Рис. 3. Схема рассматриваемых полосовых фильтров

Первая подсхема Вторая подсхема

Рис. 4. Выделенные подсхемы

Стоит особо отметить, что компоненты с частотой анализа, совпадающей с центральной частотой фильтра, корректировке не подвергались, это также способствовало сокращению количества итераций моделирования.

Другое усовершенствование подхода к проектированию интегральных LC фильтров касается реализации П-образных секций емкостей, в части моделирования незаземленных емкостей продольных ветвей. Нами рассмотрен тот случай, когда незазем-ленная емкость может быть получена путем частичного перекрытия обкладок заземленных емкостей. Необходимость данного улучшения обуславливается тем, что при построении указанных конденсаторов неизбежно возникают паразитные емкостные связи с внешними экранами.

Для устранения этого влияния предложено использовать конструкцию, которая помогает обеспечить независимость их параметров от расположения относительно внешних экранов, что достигается продлением заземленных обкладок конденсаторов поперечных ветвей снизу и сверху от рассматриваемых незаземленных конденсаторов продольных ветвей. При этом для компенсации образующихся дополнительных заземленных емкостей продленные обкладки откорректированы путем уменьшения их площади в зоне конденсаторов поперечных ветвей.

Стоит отметить, что при этом отсутствует необходимость в аналитическом определении величины указанных дополнительных заземленных емкостей. Примеры описанных конструкций представлены на рис. 2.

В данной статье были сделаны попытки дать ответы на следующие вопросы:

— определение возможности корректирования лишь части компонентов подсхем в процессе приближения параметров подсхем к расчетным;

— определение возможностей по применению усовершенствованного подхода к моделированию LC фильтров для создания алгоритма проектирования определенного типа схемы с минимальным количеством итераций.

Результаты моделирования. Моделирование проводилось при помощи численных методов в специализированной САПР. Для исследований брались две однотипные схемы полосовых фильтров с заданными центральными частотами (2900 МГц и 1525 МГц).

Схема электрическая принципиальная представлена на рис. 3. В качестве примера были взяты две

Рис. 5. Зависимость емкости от частоты для конденсатора 2,2 пФ в полосовом фильтре на центральную частоту 2900 МГц

Рис. 6. Зависимость входного сопротивления от частоты для первой подсхемы фильтра на центральную частоту

2900 МГц: -..... расчетная схема, - расчетная

структура, ■ структура после корректировки

Рис. 7. Зависимость затухания от частоты для второй подсхемы фильтра на центральную частоту 2900 МГц:

расчетная схема, — - — расчетная структура, структура после первого этапа корректировки, структура после второго этапа корректировки

\

V

0 1000 2000 3000 4000

Частота ПГц

Рис. 8. Зависимость входного сопротивления от частоты для первой подсхемы фильтра на центральную частоту 1525 МГц:

------расчетная схема, - расчетная структура,

структура после корректировки

Рис. 9. Зависимость затухания от частоты для второй подсхемы фильтра на центральную частоту 1525 МГц: расчетная схема, — - — расчетная структура, структура после первого этапа корректировки, структура после второго этапа корректировки

подсхемы, выделенные из указанной схемы в соответствии с рекомендациями, данными в [5]. Они представлены на рис. 4.

Пример зависимости номинала компонента от частоты, для компонента с рабочей частотой

номинала, отличающейся от центральной частоты фильтра, приведен на рис. 5. Номинал конденсатора 1,5 пФ, исходя из этого, в качестве частоты анализа компонента выбирается частота 100 МГц. На рис. 6 — 9 изображены зависимости электриче-

Таблица 1

Таблица 3

Значения номиналов компонентов для первой подсхемы фильтра на центральную частоту 2900 МГц

Значения номиналов компонентов для первой подсхемы фильтра на центральную частоту 1525 МГц

Этап С1, пФ Ь1, нГн

Расчетная схема 4,7 1,8

Расчетная структура 3,5 1,85

Корректировка структуры 4,78 1,85

Частота анализа: для С1 — 100 МГц, для L1 — 2900 МГц.

Этап С1, пФ Ь1, нГн

Расчетная схема 8,3 4

Расчетная структура 6 4

Корректировка 8,2 4

структуры

Частота анализа: для С1 — 100 МГц, для L1 — 1525 МГц.

Таблица 2

Таблица 4

Значения номиналов компонентов для второй подсхемы фильтра на центральную частоту 2900 МГц

Значения номиналов компонентов для второй подсхемы фильтра на центральную частоту 1525 МГц

Этап С2, пФ С3, пФ С4, пФ

Расчетная схема 2,2 0,36 3,0

Расчетная структура 1,5 0,25 3,1

Первый этап корректировки структуры 1,9 0,25 3,1

Второй этап корректировки структуры 2,1 0,36 3,1

Этап С2, пФ С3, пФ С4, пФ

Расчетная схема 3,4 0,56 5,0

Расчетная структура 3,4 0,41 4,0

Первый этап корректировки структуры 3,4 0,38 5,0

Второй этап корректировки структуры 3,4 0,57 5,0

Частота анализа: для С2, С3 — 100 МГц, для L1 — 2900 МГц. Частота анализа: для С2, С3 — 100 МГц, для L1 — 1525 М Гц.

Рис. 10. Структура интегрального ЬС фильтра с центральной частотой 2900 МГц:

а) промоделированного без использования улучшенного подхода;

б) промоделированного с использованием улучшенного подхода

ских параметров подсхем от частоты, до и после корректировки. В табл. 1—4 представлены расчетные значения номиналов компонентов подсхем и значения на каждом этапе корректировки.

Далее структуры промоделированных подсхем одного из фильтров (с центральной частотой 2900 МГц) были объединены в общую структуру фильтра.

Полученная для него зависимость затухания от частоты имела расхождение с расчетной, в связи с чем, произведена дополнительная корректировка некоторых элементов схем. Корректировка производилась последовательно для каждого элемента отдельно, при этом на один элемент приходилось не более трех итераций.

Для оценки эффективности применимых подходов к моделированию было произведено сравнение параметров данного фильтра, спроектированного без применения предложенного подхода и с его применением. Соответствующие структуры представлены на рис. 10.

На рис. 11 приведен график, содержащий соответствующие зависимости затухания от частоты. Как видно из рисунка, полученный фильтр имеет лучшее затухание в полосе задерживания как с левой, так и с правой стороны от полосы пропускания.

При этом стоит отметить, что в данном диапазоне частот зависимости полученного фильтра и расчетной структуры практически совпадают. Данное

Рис. 11. Зависимость затухания от частоты для фильтра на центральную частоту 2900 МГц:

------ расчетная схема; - структура, полученная

без использования улучшенного подхода; структура,

полученная с использование улучшенного подхода

обстоятельство, предположительно, связано с более точным моделированием элементов схемы.

Из работы можно сделать следующие выводы:

— топология компонентов с частотой анализа, совпадающей с центральной частотой фильтра, не нуждается в изменении, это позволяет ограничиться корректировкой лишь части элементов подсхемы, что сокращает количество итераций;

— представленные усовершенствования подхода к моделированию интегральных ЬС фильтров могут применяться для создания алгоритма проектирования определенного типа схемы с минимальным количеством итераций;

— существует необходимость апробации данного подхода к моделированию интегральных ЬС фильтров для более точной оценки его эффективности;

— дальнейшим направлением исследований может быть разработка алгоритмов проектирования с минимальным количеством итераций для наиболее применяемых схем интегральных ЬС фильтров.

Библиографический список

1. Милованов, О. С. Техника сверхвысоких частот : учеб. пособие для вузов / О. С. Милованов, Н. П. Собенин. — М. : Атомиздат. — 1980. — 464 с.

2. Вендик, И. Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига / И. Б. Вендик, Д. В. Холодняк, А. В. Симин // Компоненты и технологии. — 2005. — Вып. 5. — С. 190 — 196.

3. Bahl, Inder. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits / Inder Bahl. — Norwood, MA : Artech House, 2003. — 488 p.

4. Хроленко, Т. С. Интегральные LC-фильтры ВЧ и СВЧ диапазонов на основе современных материалов [текст] : дис. ... канд. техн. наук. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. — 173 с.

5. Борейко, Д. А. Проектирование многослойных интегральных LC-фильтров / Д. А. Борейко, А. И. Тюменцев, Т. С. Хроленко // Техника радиосвязи. — 2014. — Вып. 2 (22). — С. 61-69.

БОРЕЙКО Денис Александрович, аспирант кафедры «Средства связи и информационная безопасность».

Адрес для переписки: denbor1@mail.ru

Статья поступила в редакцию 16.06.2015 г. © Д. А. Борейко

Книжная полка

Цуканов, В. Волоконно-оптическая техника : практ. рук. / В. Цуканов, М. Яковлев. - Вологда : Инфра-Инженерия, 2015. - 340 с. - ISBN 978-5-9729-0078-7.

Рассмотрена отечественная волоконно-оптическая компонентная база, предназначенная для жестких условий эксплуатации. Приведены основные технические характеристики, а также методы их измерения, оптических волокон, волоконно-оптических кабелей, оптических соединителей, объединителей, разветви-телей, переключателей, пассивных и активных волоконно-оптических линий задержки, дискретных передающих и приемных оптоэлектронных модулей, оптических трансиверов и ретрансляторов. Предложены методы контроля параметров безотказности волоконно-оптических компонентов с учетом их принципиальных отличий от электронных компонентов. Книга рассчитана на широкий круг читателей: студентов, инженерно-технических работников, ученых, интересующихся данной тематикой и профессионально связанных с разработкой или эксплуатацией волоконно-оптической техники.