Расчет волнового сопротивления с помощью Calculator Tools (KiCAD)

Совсем недавно вышла 8 версия KiCAD - опенсурсного программного обеспечения для сквозного проектирования печатных плат. И это хороший повод, чтобы посмотреть какие еще инструменты входят в состав этого программного комплекса (которые могут быть полезны радиолюбителю или радиоинженеру).

Это уже третья статья, посвященная расчету волнового сопротивления различных типов линий передачи. Предыдущие вы можете найти по ссылкам:

1. Расчет волнового сопротивления с помощью AppCAD;

2. Расчет волнового сопротивления с помощью AWR TXLine 2003.

При установке KiCAD 8 появляется возможность отдельного запуска Calculator Tools 8 (рис.1).

Рис.1 Calculator Tools 8 в KiCAD

Диалоговое окно утилиты выглядит следующим образом (рис.2).

На первом месте самый популярный тип линии передачи - микрополосковая линия.

Рис.2 Диалоговое окно утилиты Calculator Tools 8

Есть возможность не только проводить синтез линии с заданным сопротивлением, но и проводить оценку импеданса в зависимости от характеристик ламината и геометрии линии.

При расчетах утилита позволяет также оценить эффективную диэлектрическую проницаемость (действующая Er), оценить потери в проводнике и диэлектрике, а также рассчитать толщину скин-слоя (глубина проникновения).

Есть небольшая база данных проводников (рис.3). Поэтому не нужно помнить значения удельного сопротивления (или проводимости) проводника, а можно просто выбрать из списка.

Рис.3 Список проводников

Аналогично, есть база данных ламинатов (рис.4 и рис.5). Но сделана она как-то странно - нужно отдельно выбрать значения относительной диэлектрической проницаемости (рис.4)...

Рис.4 Список ламинатов (диэлектрическая проницаемость)

...и отдельно выбрать значение тангенса угла диэлектрических потерь (рис.5).

Рис.5 Список ламинатов (тангенс угла диэлектрических потерь)

При этом можно допустить ошибку, выбрав в разных полях разные материалы. Поэтому нужно внимательно выбирать материалы, чтобы не ошибиться. Сама утилита не проводит такую проверку.

Копланарная линия передачи (или копланарный волновод, рис.6).

Рис.6 Копланарная линия передачи

Есть возможность проводить анализ линии в зависимости от выбранного ламината и проводника, а также геометрии линии.

Также можно проводить синтез линии, подбирая либо ширину, либо зазор.

Аналогично для копланарной линии передачи с земляной плоскостью (рис.7).

Рис.7 Копланарная линия передачи с земляной плоскостью

Полосковая (симметричная полосковая) линия (рис.8)

Рис.8 Симметричная полосковая линия

Тут почти все понятно, кроме того, зачем указывать величину "H", если есть "a" и "T"?

Связанные микрополосковые линии (дифф.пара, рис.9).

Рис.9 Связанные микрополосковые линии

Можно рассчитать импеданс линии отдельно для четной и нечетной мод. Не очень понимаю зачем так сделано и какая в этом ценность? Все-таки моды существуют одновременно и использовать их по отдельности не получится.

Удалось выполнить только анализ линии, при попытке синтеза утилита выдала ошибку (рис.10).

Рис.10 Ошибка при попытке синтезировать линию

К сожалению, нет пояснения почему появилась ошибка.

На этом набор печатных линий передачи исчерпан. Но утилита предлагает еще три варианта.

Коаксиальная линия (рис.11).

Рис.11 Коаксиальная линия

Тут все понятно, для коаксиальной линии есть точные аналитические выражения и поэтому проблем тут быть не должно.

Есть возможность проводить анализ линии в зависимости от материалов и геометрии, а также можно подбирать диаметр либо внутреннего, либо внешнего проводника, чтобы получить нужное волновое сопротивление.

Витая пара (рис.12).

Рис.12 Витая пара

Не знаю почему назвали эту линия "витая пара". По сути это двухпроводная линия.

Как и для остальных линий передачи есть режимы синтеза и анализа, а также возможность делать подбор импеданса либо по внутреннему диаметру проводников, либо по внешнему.

Прямоугольный волновод (рис.13).

Рис.13 Прямоугольный волновод

Честно говоря, вообще не понял, зачем добавили эту линии передачи? Тем более, что все равно либо считает некорректно, либо вообще не считает.

Волновод - линия передачи не такая простая, как кажется на первый взгляд. Если хочется разобраться, как считается импеданс в волноводе, можно посмотреть, например, в этом источнике - "Расчет и измерение параметров электромагнитных волн в направляющих системах и на естественных трассах".

В заключение можно добавить, что есть еще калькулятор для расчета различных схем аттенюаторов (рис.14). Опция полезная.

Рис.14 Расчет П-аттенюатора

P.S. В 2019 году я уже писал обзор на утилиту расчета волнового сопротивления в KiCAD. И тогда также наблюдались проблемы с расчетом импеданса связанных линий. Вывод напрашивается такой, что за 5 лет эту проблему пофиксили только частично. И лучше для таких расчетов использовать другие приложения, чтобы потом не получить неприятный сюрприз.