JP4477964B2 - 高周波回路の設計方法及び設計装置と高周波回路の設計に係る表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波回路の設計方法及び設計装置と高周波回路の設計に係る表示方法に関する。

最近では電子回路の設計及び特性評価をコンピュータを用いたシミュレーションによって行うことが一般的であるが、高周波回路の設計に一般的な部品特性データ、例えばＦパラメータやＺパラメータやＹパラメータやｈパラメータ等を使用すると設計後の高周波回路に目標とする回路特性が得られないという不具合が生じる。依って、最近では前記の不具合を解消するために部品特性データとしてＳパラメータ（入射波と反射波の関係式におけるＳマトリクスの各要素を指す）を使用して高周波回路の設計及び特性評価が行われている。

前記のＳパラメータは部品アイテムの周波数特性をネットワークアナライザを用いて実測して得た値であるため前記の特性評価を高精度で行える利点があるものの、設計及び特性評価に際しては、部品製造メーカー側から提供された部品アイテム毎のＳパラメータのデータテーブルを予め用意しておく必要がある。

また、部品製造メーカー側から提供されるＳパラメータのデータテーブルは、基本的には測定周波数別にＭＡＧ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ，振幅）とＡＮＧ（ａｎｇｌｅ，位相）が記されたものであるため、記載のない周波数に関しては正確な特性評価を行うことはできない。詳しくは、０．５ＧＨｚ，１．０ＧＨｚ，１．５ＧＨｚ，２．０ＧＨｚ，２．５ＧＨｚ・・・のように０．５ＧＨｚ単位でしかＭＡＧとＡＮＧが記されていないＳパラメータのデータテーブルでは、例えば０．９ＧＨｚや１．２ＧＨｚや２．３ＧＨｚ等の測定周波数間の周波数における特性評価を正確に行うことはできない。

本発明は前記事情に鑑みて創作されたもので、その目的とするところは、部品アイテム毎のＳパラメータのデータテーブルを予め用意しておく必要がなく、しかも、Ｓパラメータに代わる評価用データを周波数関数を用いて演算により求めることで回路設計及び特性評価を簡単且つ正確に行える高周波回路の設計方法及び設計装置と高周波回路の設計に係る表示方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、高周波回路の設計方法に関する発明は、
コンピュータ構成の制御部は、基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換えた回路モデルを構築し、
前記制御部は、前記回路モデルを構成する部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数であるＸｓｆ＝Ｘｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｘｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｘｓ（０）の式〔式中のＸは電気成分を表す記号、Ｘｓ（ｎ）〜Ｘｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によりＦｒｅｑを変化させながら求め、この評価用データにより前記基本回路における各部品アイテムの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を行い、
前記制御部は、評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおける部品等価回路の少なくとも１つを電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別の部品等価回路に置換し、前記式を用いて置換後の部品等価回路の評価用データを再度求め、この評価用データに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を再度行う、
ことをその特徴とする。

また、高周波回路の設計装置に関する発明は、
基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換えた回路モデルを構築する手段と、
前記回路モデルを構成する部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数であるＸｓｆ＝Ｘｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｘｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｘｓ（０）の式〔式中のＸは電気成分を表す記号、Ｘｓ（ｎ）〜Ｘｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によりＦｒｅｑを変化させながら求め、この評価用データにより前記基本回路における各部品アイテムの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を行う手段と、
評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおける部品等価回路の少なくとも１つを電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別の部品等価回路に置換し、前記式を用いて置換後の部品等価回路の評価用データを再度求め、この評価用データに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を再度行う手段とを備える、
ことをその特徴とする。

さらに、高周波回路の設計に係る表示方法に関する発明は、
コンピュータ構成の制御部は、基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換えた回路モデルを表示部に表示し、
前記制御部は、前記回路モデルを構成する部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数であるＸｓｆ＝Ｘｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｘｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｘｓ（０）の式〔式中のＸは電気成分を表す記号、Ｘｓ（ｎ）〜Ｘｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によりＦｒｅｑを変化させながら求め、この評価用データにより前記基本回路における各部品アイテムの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を表示部に表示し、
前記制御部は、評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおける部品等価回路の少なくとも１つを電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別の部品等価回路に置換し、前記式を用いて置換後の部品等価回路の評価用データを再度求め、この評価用データに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を表示部に再度表示する、
ことをその特徴とする。

本発明によれば、部品アイテム毎のＳパラメータのデータテーブルを予め用意しておく必要がなく、しかも、Ｓパラメータに代わる評価用データを周波数関数を用いて演算により求めることで回路設計及び特性評価を簡単且つ正確に行うことができる。

本発明の前記目的とそれ以外の目的と、構成特徴と、作用効果は、以下の説明と添付図面によって明らかとなる。

図１は設計装置の基本構成を示す。図中の符号１はコンピュータ構成の制御部、２はキーボード，マウス等を含む入力部、３はＬＣＤやＣＲＴ等から成る表示部、４はハードディスクや半導体メモリ等により構成された第１記憶部、５はハードディスクや半導体メモリ等により構成された第２記憶部である。

第１記憶部４は回路データベースであり、ここにはＦ特部品等価回路（部品アイテムに周波数特性を持たせた等価回路）と該Ｆ特部品等価回路それぞれに対応した周波数関数等が部品アイテム毎に記憶されている。第２記憶部５は部品データベースであり、ここには第１記憶部４に記憶されているＦ特部品等価回路の周波数関数それぞれに含まれる定数等が部品アイテム毎に記憶されている。因みに、後述の回路設計を行うためのプログラムは、制御部１のメモリ，第１記憶部４，第２記憶部５の何れかに記憶されている。

図２は設計方法の基本フローを示す。以下に、所定のカットオフ周波数を備えるハイパスフィルタを例として、図１に示した設計装置で実現される高周波回路の設計フローについて具体的に説明する。

所定のカットオフ周波数を備えるハイパスフィルタの設計に際しては、まず、設計者自らの技術的知識と経験則により必要な部品アイテムを適宜組み合わせて目標とする回路特性が得られるような回路、具体的には所定キャパシタンスを有する２個の低容量のコンデンサＣを２個直列に接続しこれに所定インダクタンスを有する高周波用のインダクタＬを１個並列に接続することによって構成された図３に示す基本回路を構想する（図２のステップＳ１参照）。

次に、入力部２の操作によって、図３に示した基本回路のコンデンサＣとインダクタＬに対応したＦ特部品等価回路を第１記憶部４から読み出し、該基本回路のコンデンサＣとインダクタＬをＦ特部品等価回路に置き換えて図４に示す回路モデルを構築する（図２のステップＳ２参照）。置換後の回路モデルは表示部３に表示される。

図４に示した回路モデルにおけるＣｅ１はコンデンサＣに対応したＦ特部品等価回路であり、ここではレジスタンス成分Ｒｓの値が周波数と共に減少し共振点以降で増加する現象を考慮し、レジスタンス成分Ｒｓのみに周波数特性を持たせ、キャパシタンス成分Ｃｓとインダクタンス成分Ｌｓには周波数特性を持たせていない。また、Ｌｅ１はインダクタＬに対応したＦ特部品等価回路であり、ここではレジスタンス成分Ｒｓが周波数と共に増加する現象とインダクタンス成分Ｌｓが周波数と共に減少する現象を考慮し、一方のレジスタンス成分Ｒｓとインダクタンス成分Ｌｓのみに周波数特性を持たせ、他方のレジスタンス成分Ｒｓとキャパシタンス成分Ｃｓには周波数特性を持たせていない。

次に、入力部２の操作によって、図４に示した回路モデルの各Ｆ特部品等価回路Ｃｅ１，Ｌｅ１に対応した定数等を第２記憶部５から読み出し、回路モデル構築時にＦ特部品等価回路と共に先に読み出されている周波数関数を用いてＦ特部品等価回路Ｃｅ１，Ｌｅ１毎の評価用データを求め、この評価用データにより図３に示した基本回路の各部品アイテムの周波数特性を把握し該周波数特性を利用して回路特性の評価を行う（図２のステップＳ３参照）。評価用データ及び評価結果は表示部３に表示される。

具体的には、図４に示したコンデンサ対応のＦ特部品等価回路Ｃｅ１はレジスタンス成分Ｒｓのみに周波数特性を持たせているので、読み出された定数Ｒｓ（ｎ）〜Ｒｓ（０）を利用して評価用データＲｓｆをＲｓｆ＝Ｒｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｒｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｒｓ（０）の式〔式中のＲはレジスタンス成分を表す記号、Ｒｓ（ｎ）〜Ｒｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によってＦｒｅｑ（周波数）を変化させながら求める。

また、図４に示したインダクタ対応のＦ特部品等価回路Ｌｅ１はレジスタンス成分Ｒｓとインダクタンス成分Ｌｓとに周波数特性を持たせているので、前記と同様にして評価用データＲｓｆを求めると共に、読み出された定数Ｌｓ（ｎ）〜Ｌｓ（０）を利用して評価用データＬｓｆをＬｓｆ＝Ｌｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｌｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｌｓ（０）の式〔式中のＬはインダクタンス成分を表す記号、Ｌｓ（ｎ）〜Ｌｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によってＦｒｅｑ（周波数）を変化させながら求める。

そして、前記の評価用データＣｓｆ，Ｌｓｆにより最初に選んだコンデンサＣ及びインダクタＬの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を行う。

前記各式は周波数を変数とした多項の関数であるので、周波数とｎの値を定めることにより前記評価用データを簡単に演算できる。また、任意の周波数単位及び周波数域で連続した評価用データを実測にほぼ同じ値として得ることが可能であるので、得られた評価用データに基づいてコンデンサＣ及びインダクタＬの周波数特性を正確に把握することが可能である。

評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおけるコンデンサ対応のＦ特部品等価回路Ｃｅ１とインダクタ対応のＦ特部品等価回路Ｌｅ１の少なくとも一方を電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別のＦ特部品等価回路ＣｅＮ，ＬｅＮに置換し（最初に選んだコンデンサＣ及びインダクタＬを仕様が異なるコンデンサ及びインダクタに置換する行為に相当）、前記式を用いて置換後のＦ特部品等価回路ＣｅＮ，ＬｅＮの評価用データＣｓｆ，Ｌｓｆを再度求め、この評価用データＣｓｆ，Ｌｓｆに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を再度行う（図２のステップＳ４，Ｓ５参照）。評価用データ及び評価結果は表示部３に表示される。

前記ステップＳ３〜Ｓ５により目標とする回路特性が得られた場合には設計を完了する（図２のステップＳ６参照）。勿論、ステップ３の段階で目標とする回路特性が得られた場合にはステップ４，５には進まず設計を完了する。

このように、図３に示した基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換え、置き換え後の部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数から成る式により周波数を変化させながら求めて、この評価用データにより各部品アイテムの周波数特性を把握することができるので、従来のような部品アイテム毎のＳパラメータのデータテーブルを予め用意しておく必要がない。

また、前記各式は周波数を変数とした多項の関数であるので、周波数とｎの値を定めることにより前記評価用データを簡単に演算できると共に、任意の周波数単位及び周波数域で連続した評価用データを実測にほぼ同じ値として得ることが可能であるので、得られた評価用データに基づいて各部品アイテム（コンデンサＣ及びインダクタＬ）の周波数特性を正確に把握することができ、この周波数特性を利用して回路特性の評価を正確に行うことができる。

つまり、従来のように高周波回路設計のために部品アイテム毎のＳパラメータのデータテーブルを予め用意しておく必要がなく、しかも、Ｓパラメータに代わる評価用データを周波数関数を用いて演算により求めることで回路設計及び特性評価を簡単且つ正確に行うことができる。

尚、図４には低容量のコンデンサＣに対応したＦ特部品等価回路Ｃｅ１を示したが、大容量のコンデンサＣを使用する場合には図５に示すようなＦ特部品等価回路Ｃｅ２（Ｎ）を使用すると良く、ここではレジスタンス成分Ｒｓの値が周波数と共に減少し共振点以降で増加する現象とキャパシタンス成分Ｃｓが周波数と共に減少する現象を考慮し、レジスタンス成分Ｒｓとキャパシタンス成分Ｃｓのみに周波数特性を持たせ、インダクタンス成分Ｌｓには周波数特性を持たせていない。因みに、この場合の評価用データＣｓｆを求めるための式はＣｓｆ＝Ｃｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｃｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｃｓ（０）の式〔式中のＣはキャパシタンス成分を表す記号、Ｃｓ（ｎ）〜Ｃｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕となる。評価用データＲｓｆを求めるための式は前記と同じである。

また、前述の説明では、評価用データを求める式として多項の周波数関数を用いたものを示したが、この周波数関数に周波数以外の温度や時間等の変数及び係数の項を加減算項として加えたものを評価用データを求める式として用いても構わない。

設計装置の基本構成を示す図である。 設計方法の基本フローを示す図である。 基本回路を示す図である。 図３に示した基本回路の各部品アイテムをＦ特部品等価回路に置換して構築された回路モデルを示す図である。 大容量のコンデンサのＦ特部品等価回路を示す図である。

符号の説明

１…制御部、２…入力部、３…表示部、４…第１記憶部、５…第２記憶部、Ｃ…コンデンサ、Ｌ…インダクタ、Ｃｅ１，ＣｅＮ，Ｃｅ２（Ｎ）…コンデンサ対応のＦ特部品等価回路、Ｌｅ１，ＬｅＮ…インダクタ対応のＦ特部品等価回路、Ｒｓ…レジスタンス成分、Ｃｓ…キャパシタンス成分、Ｌｓ…インダクタンス成分。

Claims (3)

1. コンピュータ構成の制御部は、基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換えた回路モデルを構築し、
   前記制御部は、前記回路モデルを構成する部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数であるＸｓｆ＝Ｘｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｘｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｘｓ（０）の式〔式中のＸは電気成分を表す記号、Ｘｓ（ｎ）〜Ｘｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によりＦｒｅｑを変化させながら求め、この評価用データにより前記基本回路における各部品アイテムの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を行い、
   前記制御部は、評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおける部品等価回路の少なくとも１つを電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別の部品等価回路に置換し、前記式を用いて置換後の部品等価回路の評価用データを再度求め、この評価用データに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を再度行う、
   ことを特徴とする高周波回路の設計方法。
2. 基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換えた回路モデルを構築する手段と、
   前記回路モデルを構成する部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数であるＸｓｆ＝Ｘｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｘｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｘｓ（０）の式〔式中のＸは電気成分を表す記号、Ｘｓ（ｎ）〜Ｘｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によりＦｒｅｑを変化させながら求め、この評価用データにより前記基本回路における各部品アイテムの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を行う手段と、
   評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおける部品等価回路の少なくとも１つを電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別の部品等価回路に置換し、前記式を用いて置換後の部品等価回路の評価用データを再度求め、この評価用データに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を再度行う手段とを備える、
   ことを特徴とする高周波回路の設計装置。
3. コンピュータ構成の制御部は、基本回路を構成する部品アイテムそれぞれを当該部品アイテムに周波数特性を持たせた部品等価回路に置き換えた回路モデルを表示部に表示し、
   前記制御部は、前記回路モデルを構成する部品等価回路それぞれの評価用データを多項の周波数関数であるＸｓｆ＝Ｘｓ（ｎ）×Ｆｒｅｑⁿ＋Ｘｓ（ｎ−１）×Ｆｒｅｑ^(n-1)＋…Ｘｓ（０）の式〔式中のＸは電気成分を表す記号、Ｘｓ（ｎ）〜Ｘｓ（０）は定数、Ｆｒｅｑは周波数、ｎは２以上の整数〕によりＦｒｅｑを変化させながら求め、この評価用データにより前記基本回路における各部品アイテムの周波数特性を把握し、この周波数特性を利用して回路特性の評価を表示部に表示し、
   前記制御部は、評価の結果、目標とする回路特性が得られない場合には、前記回路モデルにおける部品等価回路の少なくとも１つを電気的特性が異なる部品アイテムに対応した別の部品等価回路に置換し、前記式を用いて置換後の部品等価回路の評価用データを再度求め、この評価用データに基づく周波数特性を利用して回路特性の評価を表示部に再度表示する、
   ことを特徴とする高周波回路の設計に係る表示方法。

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