パルスジェネレータのダイレクトトランジェントシミュレーション

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CST STUDIO SUITEは、CST MW STUDIO(CST MWS)の3D電磁界モデルをCST DESIGN STUDIO(CST DS)の回路上で非線形集中定数素子や回路網に接続してダイレクトトランジェントシミュレーションを行うユニークな機能を備えています。この機能を使用して、ステップリカバリダイオード(SRD)パルスジェネレータのシミュレーションを行った事例をご紹介します。

3D電磁界シミュレータと回路シミュレータの間のインターフェイスは、ディスクリートポートにより実装されます。この方法は、サブナノセカンド・パルスジェネレータや増幅率の高い周波数逓倍器などの解析に適します。任意の波形を励起信号として使用することができます。

図 1：CST MWSモデルを含むCST DSの回路図

図1に示すパルスジェネレータは、ヘリカルコイルと2つの集中キャパシタ、およびステップリカバリダイオード(SRD)を含むコプレーナウェイブガイド(CPWG)レイアウトで構成されています。使用しているステップリカバリダイオードSMMD840のSPICEモデルにはSMDパッケージの寄生成分も含まれています。パルスジェネレータの励起は60 MHz高調信号で行います。信号はローパスフィルタ（68 pFキャパシタとヘリカルコイル）を通過し、並列に接続したSRDに達します。SRDの強い非線形性により生じる鋭いピークは、出力側にあるDCブロックキャパシタ(1.5 pF)でフィルタリングされます。

図2：時間軸の電圧と電流波形

シミュレーションは、DSのトランジェントシミュレーションタスクのメニューの「CST MWS Co-simulation」ボタンで起動します。シミュレーション時間は、「Tmax」パラメータでコントロールします。また、プローブP1とP2で入力信号と出力信号をそれぞれ記録します。さらにDSスケマティックのCST MICROWAVE STUDIOブロックに差動ポートを定義し、3Dモデルで差動接続されたP3?P5のディスクリートポートが正しく扱われるようにします。

入力電圧、入力電流、および出力電圧の波形を図2に示します。

入力信号(60MHz)とモノパルス出力の持続時間の対比がはっきりと分かります。プローブの結果からモノパルスの幅を0.45 nsと読み取ることができます。サブナノセカンドパルスは、電流が順方向から逆方向に変化する時にSRDによって生成されます。ステップリカバリ効果は、電流の導関数の最大近くで発生します（16 ns付近）。