Qorvo MatchCalc pre vysokofrekvenčné aplikácie

Len nedávno som dostal do svojej e-mailovej schránky link na simulačný softvér Qorvo MatchCalc od spoločnosti Qorvo tech. vyrábajúcej vysokofrekvenčné obvody. Stručný opis v e-maile hovoril, že ide o jednoduchý program na výpočet prispôsobovacích obvodov pre vysokofrekvenčné aplikácie, tak som sa ho rozhodol lepšie preskúmať.

Prvá vec, ktorá ma zaujala, je fakt, že plnú verziu programu je možne stiahnuť z webovej stránky úplne zadarmo – teda ak nepočítame, že za to „zaplatíte“ poskytnutím vašich údajov pri registrácii. V tomto prípade to však neľutujem, lebo samotný SW ma príjemne prekvapil svojimi možnosťami, veľmi intuitívnym ovládaním a pekným používateľským rozhraním.

Ako to teda funguje?

Základný panel programu je logicky rozdelený na dve časti (obrázok 1). Ľavá strana je určená na zobrazenie simulačných výsledkov. Tu si môžeme vybrať medzi zobrazením vo forme Smithového diagramu, alebo x-y frekvenčnej charakteristiky. V pravej polovici nájdeme priestor na tvorbu simulovaného obvodu.

Celkový postup návrhu závisí od typu úlohy, ktorú potrebujeme riešiť.

Ak chceme vytvoriť prispôsobovací obvod pre jednoportový obvod (napr. anténu), tak kliknutím na obdĺžnik označený červeným krížom v pravom hornom poli naimportujeme s1p súbor s s-parametrami daného obvodu. Podporované sú tu všetky Touchstone formáty.

Program následne na základe načítaných dát automaticky nastaví frekvenčný rozsah a dá používateľovi možnosť výberu grafického zobrazenia jedného alebo viacerých vypočítaných parametrov. Celé zobrazenie je veľmi prehľadné. Okrem už spomínaného typu grafu ponúka program voľbu farieb jednotlivých priebehov, umiestnenie kurzorov, automatickú zmenu mierky či možnosť uloženia zvolených priebehov do pamäte.

Následné si klikaním na biele políčka P1_ME1 – P8_ME8 vyskladáme požadovaný prispôsobovací obvod. Na tento účel program obsahuje knižnicu pasívnych prvkov, vedení a ich kombinácií (obrázok 2). Pri návrhu prispôsobovacieho obvodu nemusíme využiť všetkých osem ponúkaných miest. Nevyužité políčka necháme nedotknuté, tie budú v simulácii predstavovať ideálny prepoj.

Po vyskladaní prispôsobovacieho obvodu prechádzame do módu ladenia, v ktorom meníme hodnoty jednotlivých prvkov. V reálnom čase tu vidíme, ako sa tým menia priebehy zvolených výstupných parametrov.

Keď sme s naším návrhom spokojní, máme možnosť si jednoducho vygenerovať súhrnný report obsahujúci schému s hodnotami jednotlivých prvkov a výsledné grafy.

Podobným spôsobom možno navrhnúť prispôsobenie aj pre ľubovoľný 2-portový obvod charakterizovaný dvojrozmernou maticou s-parametrov. V tom prípade sa celý postup začína importom s2p súboru. Na vstupný prispôsobovací obvod využijeme polia P1_ME1 až P1_ME8, výstupný prispôsobovací obvod zložíme z prvkov umiestnených do P2_ME1 až P2_ME8.

Pre prácu s aktívnymi prvkami (napr. návrh zosilňovača, oscilátora a pod.) obsahuje program dodatočné užitočné pomôcky, ako sú zobrazenie činiteľa stability, prispôsobenia pre maximálny zisk, maximálny výkon atď.

Hoci je MatchCalc primárne určený na výpočet prispôsobovacích obvodov, veľmi ľahko s jeho pomocou navrhneme aj jednoduchý pasívny filter, ak si vystačíme s vyššie spomínanými knižničnými prvkami.

V tomto prípade namiesto importu s1p/s2p súboru obsadíme príslušné pole symbolom „THRU“. Týmto vodivo prepojíme všetkých 18 polí od P1_ME1 až po P2_ME1, z ktorých vieme vyskladať filter požadovaných parametrov.

Bonusové funkcie

MatchCal v sebe obsahuje aj tri bonusové funkcie, ktoré ešte viac uľahčujú návrhárovi prácu. Tou najbežnejšou je TLine kalkulačka, ktorá počíta impedanciu mikropásikových a stripline vedení.

Pre mňa zaujímavejšie však boli ostatné dve funkcie týkajúce sa práce s maticami s-parametrov. Prvou z nich je de-embeding funkcia, ktorá slúži na vyextrahovanie s-parametrov meraného prvku z jeho nameraných údajov.

V praxi je takýto prvok často meraný na evaluačnej doske, čo znamená, že medzi vektorovým analyzátorom a meraným prvkom boli dodatočné štruktúry (napr. vedenie, sonda, konektor atď.), ktoré môžu skresľovať namerané parametre. Funkcia de-embeding eliminuje vplyv týchto parazitných štruktúr aplikovaním inverznej matice ich s-parametrov.

Poslednú bonusovú funkciu, označenú ako SnP to S1P/S2P, možno využiť na prácu s viacportovými obvodmi (circulátor, smerová odbočnica, deliče výkonu atď.).

Táto funkcia je schopná z načítanej n-rozmernej matice s-parametrov vytvoriť 1- alebo 2-rozmerné matice. Tieto sú potom uložené do s1p, resp. s2p súborov, ktoré v prípade potreby vieme vyššie uvedeným spôsobom importovať do schémy a navrhnúť k nim prispôsobovací obvod.

Limity

Pri použití daného programu si treba uvedomiť aj jeho limity, a to hlavne fakt, že MatchCalc je z hľadiska presnosti iba jednoduchý simulátor, ktorý simuluje navrhované obvody na základe ich ideálnych knižničných modelov. Program neberie do úvahy PCB layout ani nepočíta so žiadnymi parazitnými vlastnosťami súčiastok. Z týchto dôvodov sa simulované výsledky môžu viac alebo menej líšiť od reálne nameraných hodnôt. Pri náročnejších úlohách, kde sa vyžaduje väčšia presnosť simulačných výsledkov, odporúčam preto použiť niektorý z robustnejších simulačných programov.

V každom prípade, MatchCalc ma svojimi možnosťami príjemne prekvapil a verím, že môže byť dobrou pomôckou tak pre študentov, ako aj príležitostných záujemcov o vysokofrekvenčnú techniku.