§ 4.2. Принципиальные основы подхода

к системе автоматизированного проектирования

аналого-цифровых ОИС СВЧ

Общие соображения. Построение любой системы автоматизированного проектирования (САПР) и, в частности, САПР ОИС СВЧ, априори предполагает наличие, во-первых, достаточно разработанного, адекватного и эффективного математического аппарата, дающего возможность с достаточной (и гарантированной) для практики САПР точ-ностью описать (например, в терминах S-матрицы) базовый элемент (БЭ) ОИС. Во-вторых, необходимо ясное и четкое понимание характера физических явлений как при возбуждении отдельного БЭ, так и связи между отдельным БЭ схемы. Высокая степень адекватности математической модели и реального БЭ может быть обеспечена только при условии знания матрицы рассеяния БЭ на электродинамическом уровне строгости ). В равной мере это относится и к проблеме взаимосвязи (санкционированной или паразитной) между отдельными БЭ данного РЭА. Таким образом, САПР может рассматриваться как некоторая структура, включающая в себя все самые современные данные по анализу матриц рассеяния БЭ (библиотека БЭ) и взаимодействию (в общем случае многомодовому) между ними.

Система взаимосвязи между БЭ должна «уметь» решать задачу синтеза, т. е. обеспечивать оптимальное (в электродинамическом и конструктивном планах) соединение БЭ в функциональные узлы при непременном учете требований по физической и конструктивно-технологической реализуемости параметров каждого БЭ. Нередко получение наперед заданных электродинамических параметров (при некоторых ограничительных условиях, таких, как, например, конечное число элементов фильтра, согласующего трансформатора и т. п.) оказывается возможным только при выполнении некоторых «сверхтребований» технологического, конструктивного, экономического и подобного им характера. При этом следует помнить, что допустимы и такие постановки задач синтеза, когда не требуется единственность решения, удовлетворяющего поставленным условиям. Это позволяет проводить отбор решений с помощью дополнительных условий предпочтительности (приоритета).

) Разумеется, в ряде случаев (длинноволновый диапазон, например) можно ограничиться и данными статических и квазистатических моделей. Однако всегда следует иметь в виду ограниченность таких моделей.

Вместе с тем нельзя не отметить, что решение обратных задач электродинамики и задач синтеза электродинамических структур в основном опирается и ориентируется иа вы-I сокоэффективные алгоритмы численного (аналого-дис- кретного) решения прямых задач (задач анализа). Поэтому при разработке программ и алгоритмов для САПР особое внимание должно уделяться вопросам адекватности, точности расчета матрицы рассеяния и (или) импеданса, удобству алгоритмизации и т. д. Теория дифракции волн элементами ОИС СВЧ пока пользуется «стандартным» набором идей, методов и алгоритмов, нашедших широкое применение при анализе линий и устройств ИС СВЧ. Строго говоря, развитые методы далеко не всегда удовлетворяют потребности практики САПР: иногда это происходит по принципиальным соображениям ограниченности метода или модели (например, из-за невозможности продвижения в более коротковолновый диапазон), иногда - по «техни-* ческим» причинам (неудовлетворение требованиям реализуемости, необходимости чрезмерных машинных ресурсов и др.).

Одним из наиболее серьезных требований к теории дифракции, которые предъявляет САПР, является высокая точность расчета матрицы рассеяния и, как следствие, необходимая адекватность модели не только отдельного БЭ, но целого функционального узла РЭА. Дело в том, что с наперед заданной точностью должен быть рассчитан весь функционально-конструктивный узел (например, отдельный блок ОИС), состоящий из многих БЭ. Таким образом, в САПР фигурирует некоторая интегральная точность, что, естественно, означает высокие требования к точности модели Ш каждого БЭ. Кроме того, модель БЭ должна учитывать

возможные технологические, температурные, радиационные

и др. разбросы параметров ОИС. В целом вопросы функ-

ционально-вероятностного аспекта теории САПР представ-ляют первостепенный практический интерес, и в этом направлении предстоит еще очень много сделать.

Сказанное выше свидетельствует о необходимости привлечения преимущественно строгих методов математической теории дифракции для создания моделей БЭ. Разумеется, нет нужды применять сложные и «дорогостоящие» электродинамические модели для ИС и ОИС, предназначенных для функционирования в РЭА достаточно длинноволновых диапазонов, где более простые и «дешевые» статические и (или) квазистатические модели дают приемлемые для прак- тики точности (см., например, [2, § 2.4, с. 120]), где приво-

дятся результаты сопряжения квазистатического и высокочастотного асимптотического приближений в теории НПЛ). Однако применение строгих подходов необходимо по ряду причин. Во-первых, они являются единственно пригодными в так называемой резонансной области частот и размеров, в которой неприменимы ни квазистатические (а/К<1, а характерный геометрический размер БЭ или его отдельных частей), ни асимптотические (й:/А,>1) методы. Во-вторых, зачастую только строгий подход позволяет вскрыть и понять «тонкую» структуру физического явления. Характерным примером в этом плане является строгая теория НПЛ [2, гл. 21. При этом уже одно применение строгого подхода к решению ключевой (полубесконечной) задачи приводит к глубоким и фундаментальным математическим и физическим результатам. Одним из них является, например, разная по знаку реакция края (емкостная или индуктивная) ключевой для НПЛ структуры в зависимости от угла падения волны на ее край.

Вместе с тем естественно, что строгие подходы всегда значительно более трудоемки, и в ряде случаев для САПР можно использовать, как мы уже отмечали, статические, квазистатические или асимптотические методы и модели.

Принцип декомпозиции. ИС и тем более ОИС СВЧ представляют собой весьма сложные объекты дифракции. Поэтому анализ даже достаточно простого функционального узла (состоящего, к примеру, из трех - пяти функциональных или базовых элементов) представляет подчас непреодолимую даже для самых современных ЭЦВМ задачу. Выход состоит в предварительном разбиении (декомпозиции) схемы на ряд составных элементов. Обычно это БЭ ОИС, каж-дьш из которых несет определенную функциональную нагрузку (поворот линии, межэтажный переход, полосовой фильтр, смеситель, автогенератор и т. п.). В свою очередь сложные БЭ также могут быть расчленены на ряд более простых составных элементов и т. п.

В общую функциональную схему (и конструкцию) БЭ объединяются системой соединительных каналов, роль которых в ОИС выполняют линии связи самого разного типа: полосковые, щелевые, волноводные, диэлектрические, а также всевозможные их комбинации. Дальнейшее развитие принципа ОИС конструирования РЭА, несомненно, приведет к появлению новых типов линий. С общей точки зрения любое радиотехническое устройство обработки информации может рассматриваться как некоторый преобразователь и трансформатор [17]. Учитывая, что в ОИС СВЧ наперед