Алгоритмизация проблемы анализа и синтеза многополюсников СВЧ и принципы построения соответствующих САПР для отдельных составных узлов СВЧ и для сложных трактов

В последние десятилетия наблюдается интенсивное развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Эти системы различаются по типу проектируемой РЭА: цифровой, аналоговой и по диапазону частот, в котором функционирует РЭА: низкочастотный и сверхвысокочастотный (СВЧ). При этом можно отметить возрастание роли СВЧ РЭА. Данная тенденция обусловлена большим количеством систем, функционирующих на СВЧ: мобильная связь, навигация (GPS, ГЛОНАС), спутниковое телевидение, телекоммуникационные системы, системы специального назначения и т.д. С другой стороны, многие вопросы функционирования низкочастотных систем, например, электромагнитная совместимость различных подсистем, должны решаться методами, характерными для диапазона СВЧ.

Такое расширение области применения СВЧ РЭА отразилось на развитии соответствующих САПР. Начиная с девяностых годов прошлого столетия, стали появляться первые системы проектирования? ориентированные на СВЧ диапазон (Touchstone, Libra). Они отличались сравнительной простотой математического обеспечения и текстовым описанием исследуемой схемы.

Последующее развитие САПР РЭА СВЧ было связано с совершенствованием интерфейса пользователя, который постепенно приближался к графическому, а также с переходом к электродинамическому анализу устройства. Здесь можно упомянуть САПР Microwave Office фирмы Applied Wave Research, в которой сочетаются электродинамический анализ устройства (EM Sight) с его представлением в виде набора базовых элементов. Следует отметить, что система Microwave Office содержит также практически полный набор инструментов, характерных для низкочастотной САПР, таких как нелинейный анализ схемы, ее оптимизация, анализ чувствительности, статистический анализ. Здесь видна тенденция к созданию интегрированных САПР, поддерживающих весь цикл проектирования РЭА вплоть до изготовления схемы. В ряду таких систем необходимо отметить Advanced Design System (ADS), содержащую блок электродинамического анализа ADS Momentum.

Системы Microwave Office и ADS не являются в полной мере системами трехмерного электродинамического моделирования, так как они ориентированы на анализ исключительно многослойных печатных схем. Такие системы называют также 2.5-мерными системами.

Максимальной универсальностью с точки зрения решения трехмерных задач электродинамики обладают такие системы как High Frequency System Simulator (HFSS) и Microwave Studio (MWS).

В современных САПР реализуются разные математические методы. Среди них можно отметить прямые методы решения граничных задач, такие как метод конечных элементов (МКИ) и метод Finite Difference Time Domain (FDTD). Отличительной и наиболее привлекательной их чертой является универсальность, т.е. возможность анализировать практически любую структуру. Платой за универсальность являются большие затраты компьютерных ресурсов.

С точки зрения пользователя наиболее существенным недостатком является большое время необходимое для анализа СВЧ структур. Причина этого обусловлена дискретизацией пространства, лежащей в основе МКИ и FDTD. Количество элементов разбиения определяет размерность решаемой задачи. В случае МКИ и FDTD оно является максимально возможным из всех известных методов. Отметим, что МКИ используется в HFSS, а FDTD в MWS.

Среди причин усложнения программ, рассчитывающих СВЧ структуры, является переход от методов теории цепей (к которым относится метод Олинера, имеющий в ряде случаев достаточно высокую для практических задач точность расчета) к полноценному расчету трехмерного электромагнитного поля. Данный переход обусловлен тем, что многие части реального устройства не поддаются декомпозиции на элементы, которые есть в библиотеке модулей.