Имитационное моделирование и функциональный контроль характеристик

СВЧ-модулей на основе современных САПР СВЧ

Н.Н. Кисель,
к.т.н., доц., nnkisel@sfedu.ru
ЮФУ, г. Таганрог

С.Г. Грищенко,
с.н.с., к.т.н., доц., grig-sg@mail.ru
НКБ ВС, г. Таганрог

Д.В. Кисель

студ., timcaiser@gmail.com

МГУ ВМК, г. Москва

Использование современных систем автоматизированного моделирования радиоэлектронных средств позволяет обеспечить высокое качество устройств на этапе проектирования. Основой разработанного автоматизированного комплекса являются программные средства реализации алгоритмов экспериментального снятия характеристик и анализа выходных сигналов путем обработки полученного результата с заданной точностью и системы автоматизированного проектирования для анализа характеристик изделия на основе математических моделей (CST Studio, HFSS, Microwave Office, FEKO). Система функционального контроля включает не только модули измерения, сравнения и диагностики характеристик и хранения информации, но и модули имитационного моделирования, оптимизации и проектирования с использованием специализированного программного обеспечения. Разработанная система тестировалась на примере модуля плавного микрополоскового фазовращателя.

The high quality of the design of electronic devices can be achieved using modern systems of automated functional control. The basis of the developed automated complex are the software implementation of algorithms of experimental characterization and analysis of the output signals by processing the result obtained with a given precision and computer-aided design system for the analysis of product performance based on mathematical models (CST Studio, HFSS, MW Office, FEKO). functional control system includes not only the measurement modules, compare and diagnostic features and store information, but also simulation modules, optimization and design using specialized software. The developed system was tested on the example of a microstrip smooth phase shifter module.

Использование современных систем автоматизированного моделирования радиоэлектронных средств позволяет обеспечить высокое качество устройств на этапе проектирования. Разработка универсальной системы контроля качества и диагностики модулей повышает достоверность контроля и диагностики устройств. Анализ имеющихся средств контроля качества радиоэлектронных устройств в условиях серийного производства показал необходимость разработки автоматизированной системы, включающей не только модули измерения, сравнения и диагностики характеристик и хранения информации, но и модули имитационного моделирования, оптимизации и проектирования с использованием специализированного программного обеспечения.

Основой разработанного автоматизированного комплекса являются программные средства реализации алгоритмов экспериментального снятия характеристик и анализа выходных сигналов путем обработки полученного результата с заданной точностью и системы автоматизированного проектирования для анализа характеристик модуля на основе математических моделей (CST Studio, HFSS, MW Office, FEKO). Система функционального контроля качества и диагностики неисправностей модулей радиоэлектронной аппаратуры тестировалась на примере модуля плавного фазовращателя. Расчеты основных характеристик антенн и устройств СВЧ на стадии предварительного проектирования позволяют выяснить предельно достижимые характеристики всей радиосистемы с учетом реализуемости отдельных устройств и их совместной работы.

Основными задачами повышения воспроизводимости характеристик СВЧ-модулей являются определение основных причин отказов; исследование влияния технологии изготовления и материалов на характеристики СВЧ-модуля; определение моделей и алгоритмов для автоматизированного проектирования модуля и создание автоматизированных систем контроля качества, анализа и регулирования технологическими процессами при серийном изготовлении. Решение задачи исследования влияния на рабочие характеристики модуля конструктивно-технологических факторов при серийном производстве представляется возможным с применением анализа параметрической чувствительности СВЧ-модуля к значениям параметров диэлектрической подложки; к разбросу параметров элементов схемы в зависимости от технологии изготовления.

В качестве эталона используется (как принято в большинстве аналогичных решений) математическая модель устройства или модель реального модуля, характеристики которого приняты в качестве эталонных.

Автоматизированная система контроля качества относится к экспертным диагностическим системам, в состав которой входят несколько модулей экспериментального измерения характеристик, модуль схемотехнического моделирования (на основе MW Office), модуль электродинамического моделирования (CST Studio, HFSS, FEKO [13]), модуль типовых неисправностей, модуль обработки и сравнения.

Выходными данными полунатурного эксперимента модуля фазовращателя являются зависимости S-параметров от частоты и напряжения смещения на варикапах, полученные ранее в результате выполнения экспериментальных исследований: набор зависимостей коэффициента стоячей волны напряжения КСВН (VSRW) на входе исследуемого фазовращателя, набор зависимостей коэффициента передачи ФВ по напряжению L(дБ) и набор частотных зависимостей сдвига фазы j₂₁(град) между сигналами на входе и выходе устройства от управляющего напряжения смещения на варикапах при различных значениях частоты.

На рис. 1 приведено сравнение экспериментальных данных с эталонными, полученными в результате моделирования в программе HFSS.

Рис. 1 Сравнение данных полученных экспериментальным путем и различных моделей

В рамках автоматизированного функционального контроля предусмотрена проверка повторяемости образцов фазовращателей.

В отличие от большинства автоматизированных систем контроля качества разработанная система позволяет не только оценить точность воспроизводимости характеристик СВЧ-модуля, но и выполнить этап проектирования и оптимизации характеристик устройства, оценить чувствительность его характеристик к изменению параметров сосредоточенных элементов или электрофизических параметров подложки. С использованием автоматизированного комплекса проведена разработка и оптимизация топологии плавного фазовращателя. Система может быть легко перестроена под любой другой СВЧ-модуль. При изменении СВЧ-модуля и его измеряемых характеристик настраивается модуль обработки, а также модуль проектирования и оптимизации в специализированных программах автоматизированного проектирования HFSS, Microwave Office, CST Studio, FEKO. Использование нескольких специализированных программ позволяет выполнить верификацию результатов, полученных на этапе проектирования.

Таким образом, автоматизированная система обеспечивает сопровождение устройства на всех этапах жизненного цикла, начиная с проектирования до контроля качества характеристик устройства в единой информационной среде, обеспечивая эффективность при проектировании и производстве СВЧ-модулей.

Литература

1. Derachits D.S., Kisel N.N., Grishchenko S.G. Investigation of stability performance microwave modules in series production// В сборнике: 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015 - Proceedings. 2015. С. 7147038.

2. Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. Моделирование фазовращателя на основе линии с отрицательной дисперсией в CST MICROWAVE STUDIO// В сборнике: Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2015. Труды Международной научной конференции. 2015. С. 80-84.

3. Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. Сравнение результатов 3D-моделирвания фильтра верхних частот в программах HFSS и CST MICROWAVE STUDIO// В сборнике: Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2015. Труды Международной научной конференции. 2015. С. 85-89.

4. Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. Моделирование на базе САПР CST MICROWAVE STUDIO Фильтра высоких частот // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3 (164). С. 257-265.

5. Грищенко С.Г., Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н. 3D-моделирование микрополоскового фильтра высоких частот в пакете HFSS// Современная электроника. 2015. № 4. С. 72.

6. Грищенко С.Г., Кисель Н.Н., Дерачиц Д.С. Экспериментальные и расчетные исследования фазовращателей с плавным изменением фазы// В сборнике: Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2014; Оптические технологии в телекоммуникациях ОТТ-2014. Материалы Международных научно-технических конференций. Казань, 2014. С. 47-49

7. Kisel N.N., Grishchenko S.G., Derachits D.S. Simulation of an analog phase shifter// В сборнике: CriMiCo 2014 - 2014 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology. Conference Proceedings. 2014. С. 653-654.

8. Кисель Н., Грищенко С., Дерачиц Д. Проектирование фазовращателей на базе САПР// Электроника: Наука, технология, бизнес. 2014. № 8 (140). С. 148-153.

9. Кисель Н., Грищенко С., Дерачиц Д. Имитационное трёхмерное электромагнитное моделирование плавного фазовращателя / Компоненты и технологии. 2014. № 6 (155). С. 161-164.

10. Дерачиц Д.С., Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. Исследование стабильности рабочих характеристик СВЧ-модуля при серийном производстве// Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 11 (160). С. 163-170.124.

11. Кисель Н.Н., Грищенко С.Г., Дерачиц Д.С. Визуальное проектирование СВЧ-устройств на примере фазовращателя // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 4 (153). С. 95-102.

12. Кисель Н.Н., Грищенко С.Г., Богаченко Д.А. Моделирование электрически управляемого фазовращателя со структурой микрополоского полосно-заграждающего фильтра// Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 5 (142). С. 105-111.

13. Кисель Н.Н. Моделирование прикладных задач электродинамики и антенн на супервычислительной системе в пакете FEKO: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2013. – 326 с.