مدلسازی موجبرهای همسطح

موجبر همسطح (CPW) معمولاً در مدارهای مایکروویو استفاده می شود. COMSOL Multiphysics با ماژول RF محاسبه امپدانس، میدان ها، تلفات و سایر پارامترهای عملیاتی مورد نیاز هنگام طراحی CPW را آسان می کند.

طراحی موجبر همسطح زمینی به صورت دو بعدی

دو موجبر معمولی همسطح در شکل مقطع زیر نشان داده شده است. یک بستر دی الکتریک دارای لایه های فلزی است که در بالای آن طرح ریزی شده است. هنگامی که یک لایه فلزی نیز در زیر بستر وجود داشته باشد، به عنوان موجبر همسطح زمینی شناخته می شود. این لایه فلزی به طور معمول با ویزهایی به لایه های فلزی بالای دی الکتریک متصل می شود. اگرچه به این لایه‌های فلزی معمولاً زمین گفته می‌شود ، به خاطر داشته باشید که جریانی از این لایه‌های فلزی می‌گذرد، بنابراین سطوح در پتانسیل ثابتی نیستند. ما روی پرونده Grounded CPW تمرکز خواهیم کرد.

CPW با ضخامت لایه ردیابی فلزی، t ، عرض هادی مرکزی، w ، شکاف، g ، بین هادی های مرکزی و جانبی، و در نهایت ضخامت بستر دی الکتریک، h ، برای مورد زمین مشخص می شود.

یکی از اولین مقادیری که باید قبل از هر مدل سازی محاسبه کنید، عمق پوست است:

برای مثال، با در نظر گرفتن مس که در دستگاهی با فرکانس 1 گیگاهرتز استفاده می شود، نفوذپذیری و گذردهی نسبی واحد است و رسانایی 6×107 ^S /m برای عمق پوست 2.05 میکرون است. این بدان معنی است که میدان‌های الکتریکی و جریان‌ها به صورت زیر می‌افتند: فاصله تا فلز کجاست . عمق پوست و ضخامت لایه های فلزی تعیین کننده نوع تحلیلی است که باید انجام دهید. اگر عمق پوست و ضخامت ردیابی قابل مقایسه باشد، لازم است خود دامنه های فلزی در مدل COMSOL گنجانده شود. از طرف دیگر، اگر عمق پوست بسیار کمتر از ضخامت باشد، حداقل به میزان 10 () ، سپس زمینه های یک طرف لایه فلزی تأثیر قابل توجهی روی زمینه های طرف دیگر ندارند. در چنین مواردی نیازی به مدل سازی فضای داخلی لایه های فلزی نیست. آنها را می توان مرزهای حوزه مدل سازی در نظر گرفت.

علاوه بر این، اگر ضخامت، t ، لایه های فلزی به اندازه کافی کوچک باشد، به طوری که ضخامت نسبت به نتایج ناچیز باشد، می توان ردهای فلزی را به عنوان شرایط مرزی رسانای الکتریکی کامل (PEC) مدل کرد، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. از ساده ترین مدل یک CPW. منطقه هوای بالای CPW می‌تواند توسط یک شرایط مرزی PEC که نشان‌دهنده بسته‌بندی فلزی است، یا یک شرایط مرزی رسانای مغناطیسی کامل (PMC) کوتاه شود، که نشان‌دهنده سطحی است که هیچ جریانی در آن جریان ندارد.

چنین مدلی را می توان در ماژول RF با استفاده از نوع مطالعه تحلیل حالت دوبعدی تنظیم و حل کرد. محاسبه امپدانس، Z = V / I ; محاسبه ولتاژ V با گرفتن مسیر انتگرال میدان الکتریکی در امتداد یک خط دلخواه بین هادی ها که در اینجا با علامت A مشخص شده است . و با محاسبه جریان، I ، با گرفتن انتگرال میدان مغناطیسی در امتداد یک مسیر دلخواه، با علامت B ، که رسانای مرکزی را احاطه کرده است. پیدا کردن امپدانس یک مدل کابل کواکسیال مثال مشابهی را ارائه می دهد که به جزئیات بیشتر در مورد راه اندازی چنین مدل هایی می پردازد.

سه تکنیک برای ایجاد یک مدل سه بعدی از یک موجبر همسطح

اکنون، چنین مدل‌های دو بعدی می‌توانند به سرعت امپدانس CPW را محاسبه کنند و به شما ایده‌ای از بزرگی میدان نسبی در مقطع ارائه دهند. با این حال، ما معمولا بیشتر به دستگاه هایی علاقه مندیم که دارای تغییراتی در ساختار خود هستند که نیاز به یک مدل کامل سه بعدی دارند. این سوال را مطرح می کند که چگونه می توان مدل 3 بعدی Waveguide همسطح را برانگیخت. چندین تکنیک مختلف ممکن است، اما ما با در نظر گرفتن یک CPW که می‌تواند با استفاده از وجه‌های PEC مدل‌سازی شود، شروع می‌کنیم، جایی که ضخامت ردیابی، t را می‌توان ناچیز در نظر گرفت.

1. اضافه کردن چهره های مستطیلی به مدل

یکی از روش‌هایی که در شکل زیر نشان داده شده است، اضافه کردن چندین وجه مستطیلی به مدل است، اعم از معمولی یا موازی با صفحه CPW، که یک نوک کاوشگر را نشان می‌دهند. این صفحات PEC به عنوان یک پل بین دو هادی جانبی عمل می کنند. سپس یک برانگیختگی پورت برآمده روی یک وجه مستطیلی دیگر بین پل و هادی مرکزی اعمال می شود. این پورت برآمده اختلاف ولتاژی را بین وجوه PEC مجاور اعمال می‌کند (توجه: جهت فلش‌های موجود در شکل دلخواه هستند؛ آنها صرفاً برای نشان دادن وجود جریان اعمالی، سینوسی متغیر با زمان، در جهت فلش‌ها هستند. ).

این رویکرد کاملاً ساده است و فقط به اصلاح جزئی مدل نیاز دارد. برای دیدن نمونه‌ای از یک مدل CPW که با استفاده از این تکنیک هیجان‌زده شده است، اتصال SMA را در یک مدل موجبر همسطح زمینی در گالری مدل بررسی کنید.

2. اصلاح کمتر با دو پورت برآمده

اکنون، رویکرد فوق مستلزم افزودن برخی ساختارهای اضافی به مدل است، بنابراین می‌توانید رویکردی را در نظر بگیرید که حتی به اصلاح کمتری نیاز دارد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. با افزودن دو پورت برآمده در دو طرف هادی مرکزی، CPW نیز می تواند هیجان زده شود. تنها مشکل این روش این است که شما را به تنظیم دستی نیاز دارد. شماره پورت در هر دو ویژگی بندر یکسان باشد. ابعاد؛ و مهمتر از همه، جهت . جهت پورت های توده ای باید به گونه ای تنظیم شود که هر دو به سمت هادی مرکزی باشند یا هر دو به سمت دور باشند.

این رویکرد ساختار اضافی کمتری را به مدل معرفی می‌کند، اما به داشتن دو ویژگی پورت نیاز دارد – که باید به صورت دستی تنظیم شوند و در جهت‌های صحیح قرار گیرند.

3. تقلید از کاوشگر دو نقطه ای

همچنین می توان طرح CPW را گسترش داد و صفحات PEC جانبی را برای احاطه کردن نوار PEC مرکزی گسترش داد و سپس یک مستطیل اضافی برای پورت توده ای معرفی کرد، مانند یک پروب دو نقطه ای، همانطور که در اینجا نشان داده شده است:

نظرات در مورد رویکردهای هیجان انگیز یک CPW

مطمئناً راه‌های دیگری وجود دارد که از طریق آنها می‌توان یک CPW را برانگیخت، اما سه رویکرد بالا رایج‌ترین آنها هستند. تفاوت‌ها، از نظر راه‌حل‌ها، باید بین هر سه رویکرد کم باشد، اما شایان ذکر است که همه این‌ها به منظور تقریبی یک تحریک هستند و میدان‌های نزدیک به بندر Lumped از نظر فیزیکی واقعی نیستند. این یک اثر محلی است، میدان‌های دور از تحریک و مقادیری مانند امپدانس محاسبه‌شده دقیق‌تر خواهند بود.

برای بالاترین دقت، می توان به طور صریح کوپلینگ را به یک موجبر کواکسیال مدل کرد که با جزئیات کامل، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، مدل سازی شده است. برای مثال مشابهی که نمونه ای از این تکنیک است، لطفاً مدل تقسیم کننده قدرت ویلکینسون را ببینید .

تمام تکنیک‌های بالا را می‌توان به مواردی تعمیم داد که ضخامت آثار فلزی CPW قابل توجه است، یا به مواردی که لایه فلزی باید به‌صراحت در مدل گنجانده شود، نه اینکه از طریق یک شرط مرزی تقریبی شود. راهبردهای دیگر تحریک مطمئناً امکان پذیر است، اما اینها رایج ترین روش ها را نشان می دهند. دانستن این تکنیک ها به شما این اطمینان را می دهد که به مدل سازی و طراحی موجبرهای همسطح با استفاده از COMSOL Multiphysics و ماژول RF نزدیک شوید.