אופטימיזצית העברה ממחבר קואקסיאלי לחוליית מיקרו-סטריפ

במאמר זה נראה כיצד ניתן לבצע אופטימיזציה של העברת אות ממחבר קואקסיאלי למיקרוסטריפ בעזרת סימולטור Analyst™ 3D finite element method (FEM) EM מתוצרת חברת AWR.

סקירה כללית
כאשר משווים תוצאות של מדידה לאלה המתקבלות מסימולציה, נהוג להניח בדרך כלל שהמעבר ממחברי הכבלים הקואקסיאליים של ציוד המדידה אל הקווים שבהם עוברים האותות של היחידה הנבדקת (DUT) הנו אידיאלי. מעבר מעין זה מתואר באיור 1. במציאות, הנחה זו גורמת לאי התאמה בין התוצאות בתדרים גבוהים.
ההנחה שההעברה היא אידיאלית נכללת מאליה בשלב הסימולציה בו עוקבים אחרי אותות המבוא והמוצא במיקרוסטריפ או במוליך גל קו-פלאנרי (איור 2). בעוד שיש שיטות רבות שניתן להשתמש בהן על מנת להבטיח שההעברה תגרום להחזרות מועטות ככל האפשר, הדוגמא היחודית הזו מאירה את גישת השימוש במודל שלם מסוג 3D FEM EM עבור המחבר. השימוש בגישה זו יאפשר לטפל בתופעות הפרזיטיות של ההעברה בדרך אנליטית ולעבור מהגישה ה”אידיאלית” למצב המציאותי.

התכנון
בשרטוט הסכמטי שרטטנו מעגל מודפס עם נתיב האות. מחבר 3D תוכנן עבור מצע בעובי 20 מיל, והוא למעשה תת מודל, כלומר התכנון הוא הירארכיאלי. המודל של המחבר מאפשר לנו לקבוע את הדק המבוא על קצה הכבל הקואקסיאלי של המחבר (הדק המבוא), ויתר ההדקים יוגדרו כהדקי אות בקצה המיקרוסטריפ (הדק המוצא). מישור ההתייחסות של הדק המוצא הוזז מעט אחרי המחבר.

איכות ההעברה ללא אופטימיזציה
התבוננות ב-S11 (איור 3) מראה כי ההתאמה הקיימת הינה טובה עד בערך 2GHz. אם התכנון מיועד ל-10GHz נראה שבתדר זה נקבל החזרות של עד -10dB. עכשיו ברור שהתכנון יהיה טוב יותר אם נבצע אופטימיזציה של מעבר האות – לא רק בגלל הפסד האנרגיה, אלא גם בגלל שהבאנו בחשבון את אי התיאום כמקור אפשרי לקבלת הפרש בין תוצאות המדידות לבין תוצאות הסימולציה.

האסטרטגיה של האופטימזציה
מודל ההעברה יכול לעבור אופטימציה כבר בשלב הסכימטי תוך שימוש במסמך EM כתת מודל רגיל. קל לקבוע כי מעגל תיאום המבוסס על השראות טורית וקיבול מקבילי יהיה בסיס לאופטימיזציה עבור תדר של 10GHz. השראות טורית במיקרוסטריפ יכולה להיות מיוצגת על ידי קטע צר של פס, בעוד שקיבול מקבילי ייוצג על ידי קטע של פס רחב. כך ניתן לבצע אופטימיזציה באופן ישיר של מידות הפס, כפי שניתן לראות באיור 4.
הצעד הסופי הוא שילוב מידות המעגל המתואם במודל התלת ממדי והרצת סימולציה לאישוש, כפי שאפשר לראות באיור 6. אפשר לראות כי התיאום המושג כבר בניסיון הראשון הוא מעולה. לקחים נוספים נפיק מהתבוננות בתרשים זרמי השטח ב-10GHz באיור 7. לסיכום, תיאום פשוט של המעגל מאפשר את העברת האות מהכבל הקואקסיאלי למיקרוסטריפ עם החזרה של פחות ממינוס 20dB עבור תכנון המיועד לעבוד בתדר של 10GHz. רוחב הפס המתואם הוא בערך 2GHz וקל לבצע אופטימיזציה אמינה תוך שימוש במודלים רגילים של מעגל עם מודל של מחבר EM. הפתרון לאישוש EM מלא ותלת ממדי הכולל גם את הגיאומטריה המשופרת הוא מוכן וזמין. פתרונות רבים ושונים של מודלים עבור מחברים שונים המתחברים ללוחות מצע שונים ניתנים לאחסון כספרייה, ואפשר להשתמש בהם בנוחות בכל שלב במהלך התכנון. השילוב של כלי 3D EM מאפשר שמירה על כל נתוני התכנון בקובץ אחד של נתוני תכנון בתוך AWR Design , כולל מחברים, מארזים, תושבות ואובייקטים תלת ממדיים נוספים. הדבר מונע את הסיכון של שגיאות בעת שימוש חוזר, למשל במקרה שהמחבר אופקי הוחלף במחבר אנכי: הדבר מתגלה מיד עם לקיחת מבט בתרשים. זאת בניגוד למקרה בו משתמשים במקדמי S פותחו במקום אחר עבור המחבר, ולאחר מכן הם מיובאים באופן עיוור ל-AWRDE. קובץ מאוחד של הפרויקט מקל על כל תהליכי התיעוד, שינוי תכן, אחסון ושימוש מחדש.