Проектирование СВЧ-устройств выполняется, как правило, в два этапа. Первый этап включает в себя синтез устройства на уровне эквивалентной схемы. На втором этапе после определения предварительной геометрии устройства выполняется моделирование распределения электромагнитного поля в полученной структуре на основе решения системы уравнений Максвелла численными методами. При необходимости геометрия устройства корректируется и вновь подвергается электродинамическому анализу. Процесс повторяется итерационно до получения требуемых характеристик устройства.
Выбор того или иного метода электродинамического моделирования определяется его эффективностью для конкретных геометрических, физических и электрических параметров анализируемой структуры.
Методы электродинамического анализа и, соответственно, программные средства моделирования СВЧ-устройств, реализованные на их основе, подразделяются на трехмерные (3D), трехмерные для существенно планарных структур (2.5D) и двумерные (2D).
3D-методы являются наиболее универсальными и одновременно наиболее сложными по постановке, поскольку не используют ограничений на пространственную конфигурацию исследуемых объектов, характер их взаимодействия и физические параметры материалов. Наиболее популярным и универсальным методом является метод конечных разностей во временной области (Finite Difference in Time Domain -- FDTD). К группе 3D-методов также относятся: метод линий (Method of Lines -- ML), метод матричного описания линии передачи (Transmission Line Matrix-- TLM), метод конечных элементов (Finite Elements Method -- FEM) и метод согласования мод (Mode-Matching -- MM). В современных пакетах электродинамического моделирования используются гибридные комбинации данных трехмерных методов. Такие программные средства целесообразно применять для расчета электромагнитных полей во временной или частотной областях в сложных объемных структурах с различными электрическими, физическими, геометрическими и размерными параметрами отдельных составляющих; для расчета антенн и анализа переходных процессов [6].
2.5D-методы удобны для моделирования характеристик существенно планарных многослойных структур с произвольным числом и произвольными свойствами диэлектрических слоев, наличием плоских электродов произвольной конфигурации в нескольких поверхностях раздела. Как правило, в такой постановке решаются электродинамические задачи в частотной области, с представлением электромагнитного поля, изменяющегося во времени по гармоническому закону. Классическими являются метод интегральных уравнений для электрического поля (Electric Field Integral Equation -- EFIE) и метод интегральных уравнений в смешанных потенциалах (Mixed Potential Integral Equation -- MPIE). Их численная реализация выполняется с помощью метода моментов Галеркина (Method of Moments--MoM), представляющего собой наиболее точный и устойчивый алгоритм электромагнитного анализа, который используется в качестве основного метода в большинстве коммерческих программных средств для расчета существенно планарных структур. 2.5D-методы наиболее эффективны для электродинамической верификации синтезированной топологии многослойных ИС СВЧ.
Современные системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств реализуют комплексный подход и позволяют осуществлять сквозной цикл проектирования: от расчета электрической схемы до компоновки устройства, состоящего из многих компонентов, и экспорта готовых чертежей. Помимо собственно модуля электродинамического моделирования такие программные продукты включают в себя средства визуализации и контроля топологии, методы многопараметрической оптимизации, анализа разброса параметров и статистической обработки результатов. Обязательными составляющими также являются библиотеки стандартных компонентов, модули приема внешних данных от измерительной аппаратуры и конверторы топологии.
Фильтр СВЧ формирует спектр выходного сигнала, обеспечивая прохождение сигнала в заданной полосе частот и отражая прочие частотные составляющие входного сигнала. Фильтры находят широкое применение в системах связи и телекоммуникаций. На основе КНТО реализуются СВЧ-фильтры как на элементах с распределенными параметрами, так и на квазисосредоточенных элементах, а также фильтры, использующие их комбинацию [6].
Накопленный многолетний опыт проектирования планарных фильтров на отрезках линий передачи был успешно перенесен разработчиками на фильтры, реализуемые на КНТО. Такие фильтры, как правило, являются аналогами традиционных планарных конструкций, расширенных специфическими возможностями технологии многослойных ИС, например использованием связанных линий передачи с лицевой связью. На КНТО одинаково удобно реализуются фильтры в полосковом, микрополосковом и копланарном исполнениях. Тем не менее, на практике наиболее часто используется структура полосковой линии передачи, имеющей заземленные экраны сверху и снизу. Фильтры на распределенных элементах наиболее целесообразно применять в миллиметровом диапазоне длин волн, где размеры устройств получаются достаточно малыми даже при использовании полуволновых резонаторов. Аналогичным же образом в КНТО могут выполняться фильтры на рифленых волноводах. При этом для расчета может применяться стандартная теория волноводных фильтров.
Снизить временные и финансовые затраты при разработке СВЧ фильтров на КНТО можно за счет применения численных методов расчета электромагнитных полей, опираясь на возросшие возможности вычислительной техники. Однако переход к численному проектированию связан и с некоторыми трудностями: необходимо обеспечить достоверность расчетов при приемлемых вычислительных затратах и упростить создание расчетной модели инженером-разработчиком, не предъявляя высоких требований к опыту работы со специальными программными средствами и вычислительными методами. Рассматриваемая методика проектирования, решает поставленные задачи [8].
Процесс проектирования СВЧ фильтра на КНТО включает в себя следующие этапы:
1. Расчет фильтра-прототипа;
2. Синтез базовой конструкции фильтра;
3. Оптимизация конструкции фильтра с целью достижения требуемых электрических параметров на основе численных расчетов:
а) создание расчетной модели;
б) расчет;
в) анализ результатов расчета, коррекция топологии фильтра;
4. Изготовление образцов фильтра и измерение их характеристик (первая итерация);
5. Анализ полученных результатов, а в случае необходимости - коррекция конструкции фильтра и выполнение второй итерации по изготовлению образцов фильтра.
Алгоритм заключается в синтезе и оптимизации конструкции (геометрических размеров и топологии проводников, формирующих резонансные звенья) фильтра с целью достижения требуемых электрических параметров [3].
Рассматриваемая методика проектирования основана на численном решении электродинамической задачи. Применение численных электродинамических расчетов позволяет сократить экспериментальную отработку фильтров до двух итераций. На основе анализа возможностей коммерческих программных продуктов, реализующих различные численные методы, выбран программные комплексы ANSYS и CST Studio.
Ключевым моментом численного проектирования является создание расчетной модели монолитного СВЧ фильтра. Модель должна включать в себя топологию фильтра и конечно-элементное разбиение, причем именно построение разбиения представляет особую сложность, поскольку необходимо обеспечить, с одной стороны, хорошую аппроксимацию поля, с другой стороны - приемлемую трудоемкость решения.
Для примера был рассчитан фильтр Чебышева 5 порядка с полосой пропускания 18,3-18,6 ГГц во внутренних слоях КНТО на материале DuPontt GreenTape 943 с толщиной слоя 217 мкм. Синтез и первичный расчет производился в ANSYS, конечной расчет 3D модели в CST Studio. Внешний вид фильтра представлен на рисунке 2, S-параметры приведены на рисунке 3, распределение электромагнитного поля на рисунках 4 и 5 [4].
Рисунок 2. Внешний вид рассчитанного фильтра
Рисунок 3. S-параметры рассчитанного фильтра
Рисунок 4. Распределение Е поля
Рисунок 5. Распределение Н поля
Технология многослойных ИС СВЧ на основе КНТО получает в последнее время все большее распространение благодаря широкому спектру предоставляемых возможностей и низкой себестоимости.
Размещение в нескольких слоях КНТО обеспечивает высокую степень интеграции пассивных компонентов, а хорошая совместимость с другими интегральными технологиями позволяет включать в состав устройств навесные активные компоненты, полупроводниковые ИС, МЭМС и т. д. Вдобавок возможность вертикальной коммутации компонентов заметно упрощает конструкцию СВЧ-устройств.