home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HAM Radio 1 / HamRadio.cdr / tech / enetwork / manual.txt < prev    next >
Text File  |  1988-11-02  |  50KB  |  1,189 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.           
  8.           
  9.           
  10.           
  11.           
  12.           
  13.           
  14.           
  15.                                  NETWORK Version 2.1
  16.           
  17.           
  18.                           A Ladder Network Analysis Program
  19.           
  20.           
  21.                                    REFERENCE MANUAL
  22.           
  23.           
  24.           
  25.           
  26.           
  27.                                     (Oct 30, 1988)
  28.           
  29.           
  30.           
  31.           
  32.           
  33.           
  34.           
  35.           
  36.           
  37.           
  38.           
  39.           
  40.           
  41.           
  42.           
  43.           
  44.           
  45.           
  46.           
  47.           
  48.           
  49.           
  50.           
  51.           
  52.           
  53.                        Copyright 1988, 1989 by Kenneth D. Wyatt
  54.           
  55.                                  All rights reserved.
  56.           
  57.  
  58.  
  59.  
  60.  
  61.  
  62.  
  63.  
  64.                                         1
  65.  
  66.  
  67.  
  68.  
  69.  
  70.  
  71.  
  72.  
  73.           
  74.                                        CONTENTS
  75.           
  76.             Section                                                    Page
  77.           
  78.                1         Introduction .................................. 3
  79.           
  80.                2         Equipment Required ............................ 3
  81.           
  82.                3         Getting Started ............................... 3
  83.           
  84.                4         Changing Colors and Other Parameters........... 4
  85.           
  86.                5         Program Description ........................... 5
  87.           
  88.                6         Network Analysis Basics ....................... 5
  89.           
  90.                7         Before the Circuit is Entered ................. 6
  91.           
  92.                8         Starting NETWORK .............................. 7
  93.           
  94.                9         Changing Default Disk, Units, Title, & File.... 7
  95.           
  96.                10        Creating the Circuit File ..................... 8
  97.           
  98.                11        Editing the Circuit File ...................... 9
  99.           
  100.                12        Saving the Circuit File ...................... 10
  101.           
  102.                13        Loading a Circuit File from Disk ............. 10
  103.           
  104.                14        Analyzing the Circuit ........................ 10
  105.           
  106.                15        Plotting the Output Data ..................... 11
  107.           
  108.                16        Examples ..................................... 11
  109.           
  110.             Appendix
  111.           
  112.                A         Converting from Wavelength to Degrees ........ 16
  113.           
  114.                B         Converting Polar to Rectangular Notation ..... 16
  115.           
  116.                C         Converting from Parallel to Series Circuits .. 17
  117.           
  118.             References ................................................ 18
  119.           
  120.  
  121.  
  122.  
  123.  
  124.  
  125.  
  126.  
  127.  
  128.  
  129.  
  130.                                         2
  131.  
  132.  
  133.  
  134.  
  135.  
  136.  
  137.  
  138.  
  139.           
  140.           
  141.                                Section 1 - INTRODUCTION
  142.           
  143.           NETWORK is an electronic circuit analysis program which will
  144.           analyze ladder networks.  Ladder networks are combinations of
  145.           components that are "chained" together in a "ladder" format.
  146.           Many circuits, such as, filters and matching networks may be
  147.           represented as a ladder topology.
  148.           
  149.           NETWORK has been optimized for use by working rf engineers.  For
  150.           example, many circuit analysis programs provide output data in
  151.           the form of voltage and current.  While this might be useful in a
  152.           general sense, it may not be in a form which is desirable for rf
  153.           designers.  NETWORK, on the other hand, provides the following
  154.           output data in either normal or scientific notation:
  155.           
  156.                       1)  Insertion loss (dB)
  157.                       2)  Phase angle of insertion loss (degrees)
  158.                       3)  Return loss (dB)
  159.                       4)  Voltage Standing Wave Ratio, VSWR
  160.                       5)  Reflection coefficient, rho
  161.                       6)  Real component of the input impedance, Zin(R)
  162.                       7)  Imaginary component of input impedance, Zin(I)
  163.           
  164.           In addition, you may tabulate this output data either to the
  165.           screen, or to both the screen and your printer.  You may also
  166.           plot the data graphically to the screen.  If your Disk Operating
  167.           System (DOS) includes the Microsoft program, GRAPHICS.COM, you
  168.           may dump the resulting high resolution plots to an EPSON
  169.           compatible graphics printer.  This is detailed further in Section
  170.           15 - PLOTTING THE OUTPUT DATA.
  171.           
  172.           
  173.                             Section 2 - EQUIPMENT REQUIRED
  174.           
  175.           This program will run on the IBM-PC, or 100% compatibles, using
  176.           DOS 2.1, or later versions.  The minimum memory required is 256K
  177.           bytes.  Compatible video adapters include the Color Graphics
  178.           Adapter (CGA), Enhanced Graphics Adapter (EGA), Hercules Graphics
  179.           Adapter or Video Graphics Adapter (VGA) [in CGA or EGA modes].
  180.           A dot matrix EPSON-compatible graphics printer is suggested in
  181.           order to print the various graphics output displays.
  182.           
  183.           
  184.                              Section 3 - GETTING STARTED
  185.           
  186.           Before beginning, there are certain conventions used in this
  187.           manual.  User-entered commands are indicated by upper case type.
  188.           For example, the typed in program command, GRAPHICS.  Labeled keys
  189.           to be pressed are indicated by <KEY>; for example the <ENTER> or
  190.           <RETURN> keys.
  191.           
  192.           Also to be noted; data may be entered in either upper or lower
  193.  
  194.  
  195.  
  196.                                         3
  197.  
  198.  
  199.  
  200.  
  201.  
  202.  
  203.  
  204.  
  205.           case, and in either standard or scientific notation.  To print
  206.           out screen graphics, some computer keyboards have a single
  207.           "<Print Screen>" key, others require you to hold down <SHIFT> and
  208.           press <PrtScn>.  Lastly, when the Microsoft program GRAPHICS.COM
  209.           is mentioned, you may substitute GRAPHICS.EXE depending upon
  210.           which version is included on your PC- or MS-DOS disk.  For those
  211.           who do not have access to these two screen graphics programs, the
  212.           public domain program, EPSON.EXE, is included in the program
  213.           package.  It may be directly substituted in place of either
  214.           GRAPHICS.COM or GRAPHICS.EXE.
  215.           
  216.           Start your computer in the usual way with your DOS disk installed
  217.           in Drive A.  After entering the Date and Time, and you have the
  218.           DOS prompt A>, proceed as follows:
  219.           
  220.           Type:                   A> GRAPHICS  <ENTER>
  221.           
  222.           This will load the program GRAPHICS.COM into your computer.  This
  223.           program will allow you to print the high resolution graphics
  224.           displays to your printer by holding down <SHIFT> and pressing the
  225.           <PrtScn> (print screen) key.
  226.           
  227.           When you again have the DOS prompt A>, remove your DOS disk from
  228.           Drive A and insert your NETWORK Program disk in drive A.
  229.                
  230.           Type:                   A> SETUPNET  <ENTER>
  231.           
  232.           The NETWORK Setup program will load and run, and you may now
  233.           define various default color schemes, data disk drive letter, and
  234.           video graphics adapters.  The program is menu driven, so just
  235.           follow the screen prompts or instructions.  Further operational
  236.           details may be found in the next section, CHANGING COLORS AND
  237.           OTHER PARAMETERS.
  238.           
  239.           
  240.                         INSTALLING NETWORK ONTO YOUR HARD DISK
  241.           
  242.           Your NETWORK program may be copied to your hard disk in the usual
  243.           manner.  See your IBM DOS manual for instruction as to PATH, etc.
  244.           
  245.           In order to start NETWORK, change to the appropriate directory
  246.           and type NETWORK.
  247.           
  248.           
  249.                    Section 4 - CHANGING COLORS AND OTHER PARAMETERS
  250.           
  251.           The program SETUPNET allows you to change the screen color scheme,
  252.           reset the default data disk drive, reset the default units of
  253.           frequency, resistance, capacitance, or inductance, and indicate the
  254.           appropriate video graphics adapter.  Type SETUPNET to start the
  255.           program.  The defaults are disk drive = A, units of MHz, ohms, pF,
  256.           and nH, and CGA graphics.  The screen colors are set to a readable
  257.           scheme for EGA video adapters; but you might wish to adjust them to
  258.           suit either CGA or monochrome monitors.
  259.  
  260.  
  261.  
  262.                                         4
  263.  
  264.  
  265.  
  266.  
  267.  
  268.  
  269.  
  270.  
  271.           
  272.           Be sure to choose (5) - Save Initialization File when you have
  273.           completed your modifications.  Normally, there should be an
  274.           existing INITIAL.NET file on the disk.  If there is, the message,
  275.           "Initialization file already exists; OVERWRITE ? (Y/N)", will be
  276.           displayed.  Press Y to continue the save operation.  If ever the
  277.           initialization file becomes misplaced or lost, simply rerun
  278.           SETUPNET, and another one will be created.
  279.           
  280.           
  281.                            Section 5 - PROGRAM DESCRIPTION
  282.           
  283.           There are 17 component models included in the program.  These
  284.           consist of resistors, inductors, and capacitors; either singly,
  285.           or in various series or parallel network combinations.
  286.           Transformers and various transmission line elements are also
  287.           available.  Circuits which may be modeled, include most filter
  288.           networks, impedance matching circuits, and transmission line or
  289.           microstrip designs.  Transmission line data may be entered as
  290.           either physical dimensions, or as electrical parameters.
  291.           
  292.           Once a circuit file is created, it may be edited, analyzed, and
  293.           saved to disk.  Units of frequency, resistance, capacitance, or
  294.           inductance may be defined.  These operations are described more
  295.           fully within their appropriate sections later in the manual.
  296.           This manual also includes a number of examples at the end
  297.           (Section 16).
  298.           
  299.           For those who would like to try out the program before reading
  300.           further, this might be a good time to skip ahead to Example 1.
  301.           We will go through a simple step by step procedure, demonstrating
  302.           the major features of NETWORK.  The program is completely
  303.           menu-driven and the operation has been designed to be intuitive
  304.           to the user.  Get ready for some powerful circuit analysis!
  305.           
  306.           
  307.                          Section 6 - NETWORK ANALYSIS BASICS
  308.           
  309.           NETWORK is based upon the ABCD parameters of the circuit element
  310.           to be analyzed.  The advantage in using the ABCD parameters lies
  311.           in the ease with which cascaded networks may be represented and
  312.           analyzed.
  313.           
  314.           The ABCD parameters make up a matrix that describe the voltages
  315.           and currents into and out of four terminal (two port) networks.
  316.           Each element model (resistor, inductor, transformer, etc.) has a
  317.           unique ABCD matrix as shown in Reference 15.  This program is
  318.           based on the fact that the ABCD matrix of two cascaded circuits
  319.           is equal to the product of their individual ABCD matrices.  These
  320.           matrices are stored as the various element models, and their
  321.           associated component values are entered by the user.  At each
  322.           frequency to be analyzed, the individual matrices are formed and
  323.           multiplied to gradually compute the overall matrix of the entire
  324.           circuit.
  325.  
  326.  
  327.  
  328.                                         5
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336.  
  337.           
  338.           Once the network is reduced to a single matrix, we may derive the
  339.           insertion loss, phase (of insertion loss), return loss, voltage
  340.           standing wave ratio (VSWR), reflection coefficient, and input
  341.           impedance (both real and imaginary).
  342.           
  343.           For passive network analysis, the insertion loss is equal to the
  344.           transducer power gain.  Thus, when the source (Rs) and load (RL)
  345.           resistances are matched, the gain is zero dB.
  346.           
  347.           
  348.                       Section 7 - BEFORE THE CIRCUIT IS ENTERED
  349.           
  350.           Before the program is run, it is useful to prepare the network
  351.           for analysis in order to ease data entry.  The circuit is drawn
  352.           such that all elements are in cascade or "inline".  The source
  353.           resistance (Rs) should always be drawn in series and the load
  354.           resistance (RL) should always be drawn in parallel.  Neither the
  355.           source nor load resistors count as one of the network elements.
  356.           If the source or load is reactive (containing either capacitance
  357.           or inductance), consider the reactive portion as part of the
  358.           circuit model.
  359.           
  360.           Draw lines between each circuit element and then number each
  361.           section in order from left to right.  These will be the element
  362.           numbers.  Next, identify the element types (1 through 17) by
  363.           referring to the Element Chart in Reference 15.  (A copy of
  364.           Reference 15 will be provided upon program registration)  Record
  365.           the element number and type below the network drawing.  Last,
  366.           decide on an appropriate value of units for each of the element
  367.           types.  Once the units are chosen, there is no way to change them
  368.           without starting over.  For the normal numeric notation, the
  369.           output tabular data has room for six most significant digits plus
  370.           two least significant digits.  Thus you should choose component
  371.           values such that they will all lie between 0.01 and 999999.99.
  372.           For the scientific notation option, there is no such restriction
  373.           and you may enter your component values using the "E" notation
  374.           (for example, 1.234E-6).  Available units are shown below.
  375.           
  376.           
  377.                                    Available Units
  378.           
  379.           
  380.                   Resistance   Inductance   Capacitance   Frequency
  381.           
  382.                     ohms        Henries       Farads         Hz
  383.                     mohms       mH            uF             kHz
  384.                     kohms       uH            nF             MHz
  385.                                 nH            pF             GHz
  386.           
  387.  
  388.  
  389.  
  390.  
  391.  
  392.  
  393.  
  394.                                         6
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400.  
  401.  
  402.  
  403.           
  404.                              Section 8 - STARTING NETWORK
  405.           
  406.           Turn your computer on, and, if appropriate, enter the date and
  407.           time when prompted.  This information will be inserted into your
  408.           printed output data listing in order to aid in your document-
  409.           ation.  To start NETWORK, simply type NETWORK at the DOS prompt
  410.           A>, and the program will start.  The program requires the
  411.           initialization program, INITIAL.NET, in order to run.  This
  412.           initialization file, which includes default program parameters,
  413.           is included as a part of the package.  You may load and run the
  414.           NETWORK setup program, SETUPNET, in order to modify these default
  415.           colors and other program parameters.  Simply type SETUPNET to
  416.           create your new initialization file prior to running NETWORK.
  417.           
  418.           After starting NETWORK, you should obtain the Main Menu as shown.
  419.           
  420.           
  421.                                1 Create Circuit
  422.                                2 Analyze Circuit
  423.                                3 Edit Circuit File
  424.                                4 Save Circuit File
  425.                                5 Load Circuit File
  426.                                6 Shareware Info
  427.                                7 Quit
  428.           
  429.           
  430.             Section 9 - CHANGING DEFAULT DISK, UNITS, TITLE, AND FILENAME
  431.           
  432.           Choose (1) CREATE CIRCUIT from the Main Menu.  A window will open
  433.           showing various parameters, such as, the circuit filename, title
  434.           (up to 48 characters), desired data drive, and component units.
  435.           First, the circuit file name must be entered.  This will be the
  436.           name used to store your circuit file to disk, and must correspond
  437.           to the rules of DOS, (eight, or less, characters long).  The
  438.           program will automatically append the extension .CIR to the end
  439.           of the file name in order to differentiate circuit files from
  440.           others on your disk.
  441.           
  442.           The default data drive letter may be changed if desired.  Depend-
  443.           ing upon your equipment configuration, you may enter drive A
  444.           through C.  Drive letter C is assumed to be a hard disk.  For a
  445.           conventional two drive system, you might wish to place the
  446.           Program disk in Drive A and a formatted data disk in Drive B.
  447.           For a system with a hard and a floppy drive, you might wish to
  448.           have the Program disk installed in the hard drive and use either
  449.           the hard drive for data, or perhaps Drive A for data.
  450.           
  451.           The title is optional.  If you wish, you may simply press <ENTER>
  452.           to bypass this for now.  The title will be displayed on any
  453.           graphics plots or printed output for your documentation
  454.           convenience.
  455.           
  456.           The default units of frequency, resistance, capacitance, and
  457.  
  458.  
  459.  
  460.                                         7
  461.  
  462.  
  463.  
  464.  
  465.  
  466.  
  467.  
  468.  
  469.           inductance are also displayed.  These default units are definable
  470.           within the SETUPNET program.  Frequency may be in Hz, kHz, MHz,
  471.           or GHz.  Resistance may be in milliohms (mohms), ohms, or kohms.
  472.           Capacitance may be in F, uF, nF, or pF.  Inductance may be in H,
  473.           mH, uH, or nH.
  474.           
  475.           
  476.                         Section 10 - CREATING THE CIRCUIT FILE
  477.           
  478.           Creating the circuit file is straightforward.  First enter in the
  479.           source and load resistors.  For filter circuits, these resistors
  480.           might typically be 50 ohms.  For matching networks, one will
  481.           probably be 50 ohms, while the other will most likely be much
  482.           smaller or larger.  Next you will be asked the total number of
  483.           circuit elements.  Since this program analyzes ladder networks,
  484.           simply separate each element by itself, from left to right.  Do
  485.           not count the source or load resistors.  Count up the number of
  486.           sections (30, maximum) and enter the number.  Once you have
  487.           completed these steps, you may next start entering the component
  488.           values; again, from left to right (source to load).  Refer to
  489.           Section 6 - BEFORE THE CIRCUIT IS ENTERED, for details.  Note
  490.           that the appropriate units will be displayed next to each
  491.           component to be entered.  In order to prevent division by zero
  492.           errors, any zero data is automatically converted to 0.00001.
  493.           Data may be entered in either standard or scientific notation
  494.           (1.27E-12).
  495.           
  496.           Possible circuit elements (or models) include resistors,
  497.           capacitors, inductors, transformers, and transmission lines.
  498.           These may be connected in series, parallel, or combinations of
  499.           both.  In order to differentiate the various circuit models, I
  500.           have used the following conventions.  Series or parallel elements
  501.           are called just that.  However, there are a number of multi-
  502.           element models.  For example, the series RLC combination,
  503.           connected in series, is referred to as Series - Series RLC.  The
  504.           parallel RLC combination, connected in series, is referred to as
  505.           Parallel - Series RLC, and so forth.  The stub models are either
  506.           series or parallel, and open or shorted.  Upon registering, you
  507.           will receive a copy of the various circuit models for your
  508.           reference.
  509.           
  510.                                   Transmission Lines
  511.           
  512.           Transmission lines may be entered either in physical dimensions
  513.           (inches) or in electrical parameters.  Physical dimensions are
  514.           useful for analyzing existing circuitry in order to verify
  515.           performance.  You will be asked for the dielectric constant of
  516.           the circuit board, the length and width of the microstrip line,
  517.           and the thickness of the circuit board material (all in inches).
  518.           Although it is not mandatory, you should use the same dielectric
  519.           constant and board thickness for each transmission line section,
  520.           since the values for the last element entered, only, are stored
  521.           and displayed in the EDIT mode file.
  522.           
  523.  
  524.  
  525.  
  526.                                         8
  527.  
  528.  
  529.  
  530.  
  531.  
  532.  
  533.  
  534.  
  535.           Alternatively, the electrical parameters may be entered.  This
  536.           method might be preferable if a new circuit is being designed.
  537.           You will be asked for the characteristic impedance, the
  538.           electrical length in degrees, and the center frequency of
  539.           operation.  The dielectric constant in this case is assumed to be
  540.           one and in order to scale the line to the proper physical
  541.           dimension, you must factor in the actual dielectric constant of
  542.           the board material.
  543.           
  544.           
  545.                         Section 11 - EDITING THE CIRCUIT FILE
  546.           
  547.           Now that you have created a circuit file, the editor function
  548.           will allow you to correct or redefine the circuit element type or
  549.           component values.  Choose (3) EDIT CIRCUIT FILE mode from the
  550.           Main Menu.  You will be asked whether you desire the component
  551.           data in (1)Standard or (2)Scientific Notation.  Choose either 1
  552.           or 2.  If the component values are less than 0.01, or greater
  553.           than 999999.99, you should choose (2)Scientific Notation.  For
  554.           example, if you had chosen standard notation and some of the
  555.           circuit element values were displayed as zero, simply return to
  556.           the Menu (choose M), re-enter the EDIT mode, and choose
  557.           (2)Scientific Notation.
  558.           
  559.           Your circuit will then be displayed as a list of element types
  560.           and component values.  A menu bar at the bottom of the screen
  561.           prompts you for items you may change or correct.  As you change
  562.           an item, the edit list updates, showing you the new values.
  563.           Zeros in the column indicate that the particular value is not
  564.           used in the indicated circuit element model.  However, see
  565.           paragraph above for an exception to this.
  566.           
  567.           Once you are in the Edit Mode, you may change the element type.
  568.           For example, you may have entered a series inductor, and now wish
  569.           to change it to a parallel capacitor.  Simply enter the element
  570.           number of the element you wish to change.  A chart of the
  571.           possible circuit elements will be displayed for reference.
  572.           Choose the desired element type and its appropriate value(s) and
  573.           the edit chart will reappear with the new element type and value
  574.           listed.
  575.           
  576.           You may also wish to change just the element values.  By changing
  577.           the component value repeatedly, and then replotting the output
  578.           data, it is possible to "tune" a circuit to the desired frequency
  579.           response or return loss.  Choose the element number to change.
  580.           Press N, when asked if you want a different element type.  Then
  581.           enter the new component value when prompted.
  582.           
  583.           You may also redefine or correct the source or load resistors.
  584.           Simply press S or L and enter the new value at the prompt.
  585.           Pressing M will return you to the Main Menu.
  586.           
  587.  
  588.  
  589.  
  590.  
  591.  
  592.                                         9
  593.  
  594.  
  595.  
  596.  
  597.  
  598.  
  599.  
  600.  
  601.           
  602.                          Section 12 - SAVING THE CIRCUIT FILE
  603.           
  604.           Once you have Created your circuit file, you may wish to save it
  605.           for future use.  Choose (4) SAVE CIRCUIT FILE mode from the Main
  606.           Menu.  The file will then be saved to the desired disk drive with
  607.           the .CIR extension appended automatically.  That's it!
  608.           
  609.           The circuit files are stored as ASCII data and it is possible to
  610.           examine the contents by using the DOS TYPE command.  Refer to
  611.           your DOS manual for this procedure.  Please resist modifying
  612.           these circuit files externally.  The NETWORK program will get
  613.           confused and give an error message if the file has the wrong
  614.           number or type of elements.
  615.           
  616.           
  617.                     Section 13 - LOADING A CIRCUIT FILE FROM DISK
  618.           
  619.           In order to load in a previously saved circuit file, select (5)
  620.           LOAD CIRCUIT FILE from the Main Menu.  If there is already a
  621.           circuit file in memory, you will be asked if you wish to save it
  622.           first before loading in another.  Next, a list of circuit files
  623.           currently saved on the data disk will be displayed.  Select the
  624.           desired file name from this list and it will be loaded into
  625.           memory, and the Main Menu will be displayed.  If a mistake was
  626.           made in the file name entry, an error message will be displayed.
  627.           Press any key and reselect choice (5) from the Main Menu.  When a
  628.           circuit file loads, the units used, the title, and frequency
  629.           steps for that circuit will be loaded simultaneously.
  630.           
  631.           
  632.                           Section 14 - ANALYZING THE CIRCUIT
  633.           
  634.           After the circuit is created, it may now be analyzed.  Choose (2)
  635.           ANALYZE CIRCUIT FILE from the Main Menu.  At this point, you will
  636.           once again have the option of (1)Standard or (2)Scientific
  637.           Notation.  If the output data is less than 0.01, or greater than
  638.           999999.99 when using standard notation, then simply reanalyze the
  639.           data once again, this time using scientific notation.  Note that
  640.           all output data gets rounded off to the nearest 0.01 for either
  641.           notation mode.
  642.           
  643.           Next, enter the start frequency, stop frequency, and frequency
  644.           step.  Then, choose either to display the output data to the
  645.           screen (S), or to your printer (P).  If printer output is chosen,
  646.           the circuit topology (network listing), date, time, title, and
  647.           file name will be added to the top of the page for your
  648.           reference.  The format of the circuit topology is identical to
  649.           that of the Edit Mode.  Output data of over 19 frequencies using
  650.           the Screen option will scroll up automatically.
  651.           
  652.           Following the tabular output data, you may choose to reanalyze
  653.           the data using new frequency limits, plot the data using high
  654.           resolution graphs, or return to the Main Menu.  Plotting the
  655.  
  656.  
  657.  
  658.                                         10
  659.  
  660.  
  661.  
  662.  
  663.  
  664.  
  665.  
  666.  
  667.           output data is described next!
  668.           
  669.           
  670.                         Section 15 - PLOTTING THE OUTPUT DATA
  671.           
  672.           Often times it is difficult to interpret the analysis results by
  673.           simply looking at the raw data in tabular form.  In order to get
  674.           a better picture of the data, choose (P)lot in the Analysis
  675.           Menu.  You may then choose five different data plots:
  676.           
  677.                     1)  Insertion and Return Loss (IL/RL)
  678.                     2)  Phase Angle
  679.                     3)  Voltage Standing Wave Ratio, VSWR
  680.                     4)  Reflection Coefficient, rho
  681.                     5)  Real and Imaginary Input Impedances
  682.           
  683.           Once your choice of plot types is made, you must next enter the
  684.           desired upper and lower Y-axis limits and step size.  The
  685.           calculated maximum and minimum Y-limits will be displayed for
  686.           reference.  You may choose any convenient limits, depending on
  687.           the part of the data you wish to display.
  688.           
  689.           After you enter the Y-limits, the plot will be displayed.  On plot
  690.           types with two displayed curves, they will either be different
  691.           colors (EGA monitor), or, the second will be dotted (CGA or Hercules
  692.           monitor), in order to differentiate between the two.  Assuming the
  693.           Microsoft program GRAPHICS.COM has been previously loaded, you may
  694.           print out a copy to your printer by holding the <SHIFT> key down and
  695.           pressing the <PrtScn> key.
  696.           
  697.           If the plot requires rescaling in the x-axis (frequency), it will
  698.           be necessary to reanalyze using the more optimal frequency limits.
  699.           
  700.           When you are finished with the plot, simply press any key to obtain
  701.           the plot submenu.  At this point, you may choose to (P)lot,
  702.           (A)nalyze the data (using different frequency limits), or return to
  703.           the Main (M)enu.
  704.           
  705.           
  706.                                 Section 16 - EXAMPLES
  707.           
  708.           Due to difficulty in conveying drawings within this document-
  709.           ation, the figures for the following examples will be sent
  710.           following receipt of your registration.  The example circuit
  711.           files are included as a part of the program package.
  712.  
  713.  
  714.  
  715.  
  716.  
  717.  
  718.  
  719.  
  720.  
  721.  
  722.  
  723.  
  724.                                         11
  725.  
  726.  
  727.  
  728.  
  729.  
  730.  
  731.  
  732.  
  733.           
  734.                        EXAMPLE 1 - Low Pass L-C Impedance Match
  735.           
  736.           Let's try a simple low pass LC impedance matching network in
  737.           order to become familiar with the program operation (LPMATCH).
  738.           We wish to match a 50 Ohm source resistance to a 10 Ohm load.
  739.           The circuit is given in figure 1.  The component values may be
  740.           found in the tabulated output data.  We will verify that the match
  741.           takes place at 10 MHz and then determine the 3 dB roll-off
  742.           frequencies, the return loss, and VSWR within the passband.
  743.           
  744.           Choose (1) CREATE CIRCUIT mode.  Enter a file name of up to eight
  745.           characters.  Enter the title or circuit description, if desired.
  746.           You may simply press <ENTER> to bypass this.  The title may be up
  747.           to 48 characters.  Use the program default units of MHz, ohms,
  748.           nH, and pF.  Select the desired data drive letter (A, B, or C)
  749.           for circuit data storage.  Press (5) - Quit Parameter Entry, to
  750.           continue on.
  751.           
  752.           Enter a source resistor of 50 ohms and a load resistor of 10
  753.           ohms.  This matching network contains only two sections (remember
  754.           not to count the source or load resistors), so enter 2 and then
  755.           press <ENTER>.
  756.           
  757.           At this point, the circuit element chart will appear.  It
  758.           contains each of the possible components within the component
  759.           model library.  Choose element type 6, Parallel Capacitor.  Enter
  760.           the capacitance value of 637 pF.  Choose element type 3, Parallel
  761.           Inductor.  Enter the value of 318 nH.  If the wrong element type
  762.           is entered, it may be fixed within the Edit mode.  Once all
  763.           element values have been entered, you will be returned to the
  764.           Main Menu.
  765.           
  766.           If you have made a data entry error, choose (3) -  Edit mode, and
  767.           go ahead and fix the problem now.  See Section 11 - EDITING THE
  768.           CIRCUIT FILE if you need assistance and then return back to this
  769.           point in the example.
  770.           
  771.           Let's analyze the circuit.  Choose (2) - Analyze and you will be
  772.           asked to enter a title (if the title has not been entered yet).
  773.           Next enter a start frequency of 1 MHz, a stop frequency of 20
  774.           MHz, and a step size of 1 MHz.  You will then be prompted for
  775.           (S)creen or (P)rinter output.  Press S and the data will be
  776.           displayed as the calculations progress.  If P (for printer
  777.           output) was pressed, the data would have appeared on both the
  778.           screen and the printer.  In addition, the printed output would
  779.           have the date, time, file name, title, and circuit network
  780.           listing at the top of the page.
  781.           
  782.           When the calculations are complete, you should have obtained the
  783.           results shown in figure 2.  Notice that at 10 MHz, the source of
  784.           50 ohms is indeed matched to the load of 10 ohms.  At this point,
  785.           the insertion loss is nearly 62 dB, the VSWR is 1.00:1, the
  786.           reflection coefficient (rho) is zero, the real impedance is near
  787.  
  788.  
  789.  
  790.                                         12
  791.  
  792.  
  793.  
  794.  
  795.  
  796.  
  797.  
  798.  
  799.           50 ohms, and the imaginary impedance is zero ohms.  Note that the
  800.           3 dB cut-off frequency is about 14.5 MHz.  The return loss varies
  801.           from 3.57 to 61.93 dB, and the VSWR at the band edges is about
  802.           5.00:1.
  803.           
  804.           Following the output data chart, a menu bar will be displayed at
  805.           the bottom of the screen.  The choices are; (P)lot, (A)nalyze, or
  806.           (M)enu.  Pressing A will restart the analysis and allow you to
  807.           modify the frequency sweep information.  Pressing M will return
  808.           you to the Main Menu.  For our example, press P to restart the
  809.           Plot mode.
  810.           
  811.           You may now choose to display plots of (1) insertion and return
  812.           losses, (2) phase of the insertion loss in degrees, (3) VSWR, (4)
  813.           reflection coefficient (rho), or (5) real and imaginary
  814.           impedances.  Choose (1) IL/RL in order to plot the insertion and
  815.           return losses.  You will be asked to enter the upper and lower
  816.           Y-limits and the Y step size.  Enter zero dB for the upper limit,
  817.           -60 dB for the lower limit, and 10 dB for the step size.  At this
  818.           time, the plot will be displayed.  See figure 3.  You may dump
  819.           this plot to your graphics printer by holding the <SHIFT> key and
  820.           pressing the <PrtScn> key.  After the printer is finished, press
  821.           any key to obtain the menu bar.  The choices will be; (P)lot,
  822.           (A)nalyze, or (M)enu.
  823.           
  824.           At this time, you may want to save the circuit file to your data
  825.           disk.  Return to the Main Menu by pressing M.  Choose (4) SAVE
  826.           CIRCUIT FILE.
  827.           
  828.           See how easy the program is?  It is possible to quickly enter a
  829.           circuit, analyze it, plot the results and then save the circuit
  830.           file to disk in the time it takes to merely enter the data into
  831.           many other programs.
  832.           
  833.           
  834.              EXAMPLE 2 - Three Section Transmission Line Impedance Match
  835.           
  836.           Suppose we wish to match a 50 Ohm source to a 100 Ohm load
  837.           resistance by using quarter wavelength microstrip transmission
  838.           line sections (TLINE3).  Note that the more sections we use, the
  839.           broader will be the effective bandwidth.  Let us use three
  840.           sections for this example.  The center frequency will be 8 GHz,
  841.           and the desired bandwidth should range from 6 to 10 GHz.  We will
  842.           verify the insertion and return losses and resulting 3 dB bandwidth.
  843.           
  844.           For a single quarter wave transmission line impedance match, the
  845.           required line impedance may be calculated by multiplying the
  846.           source and load resistances and then taking the square root.  For
  847.           example, the impedance of a single section line that is to match
  848.           50 with 100 ohms would be SQRT(50 x 100) = 70.7 ohms.
  849.           
  850.           For this example, the center section would be calculated as
  851.           above.  The first section will use 70.7 ohms as it's "load" and
  852.           we calculate SQRT(50 x 70.7) = 59.5 ohms.  Similarly, the third
  853.  
  854.  
  855.  
  856.                                         13
  857.  
  858.  
  859.  
  860.  
  861.  
  862.  
  863.  
  864.  
  865.           section will use the 70.7 ohms as it's "source" and we calculate
  866.           SQRT(70.7 x 100) = 84.1 ohms.  The resulting three section
  867.           quarter wave matching network is shown in figure 4.
  868.           
  869.           Choose (1) CREATE CIRCUIT.  If there is a previous file in
  870.           computer memory, you will be prompted to (S)ave the old circuit
  871.           file, (C)reate a new file, or (M)enu.  Choose C and then enter
  872.           the new circuit filename, and title.  Choose GHz, ohms, nH, and
  873.           pF for the units.
  874.           
  875.           Next, enter the source and load resistances (50 and 100 ohms) and
  876.           the number of sections, 3, in this case.  Enter 12 for the
  877.           transmission line element type.  You now have the opportunity to
  878.           enter the transmission line data as (1) Physical Dimensions
  879.           (inches) or (2) Electrical Parameters (impedance in ohms, length
  880.           in degrees, and center frequency).  Choose 2, since the design is
  881.           in electrical parameters.  Starting with the first section, enter
  882.           the characteristic impedance, length in degrees, and center
  883.           frequency (59.5, 90, and 8, respectively).  Enter the other two
  884.           sections in a similar fashion.  Return to the Main Menu.
  885.           
  886.           Choose (2) ANALYZE CIRCUIT mode from the Main Menu and enter the
  887.           starting frequency of 5 GHz, a stop frequency of 11 GHz, and a
  888.           step size of 0.25 GHz (250 MHz).  You should obtain the results
  889.           as shown in figure 5.  Choose (P)lot and display the IL/RL.  Use
  890.           an upper limit of zero dB, a lower limit of -60 dB, and a step
  891.           size of 10 dB.  Note that since the insertion loss is so near
  892.           zero, with the chosen scaling, it is superimposed on the upper
  893.           edge of the plot.  You will see that while the insertion loss is
  894.           quite flat across the desired bandwidth, the return loss has only
  895.           a single dip at 8 GHz and its bandwidth is not quite as wide as
  896.           desired.  See figure 6.
  897.           
  898.           We can widen out the return loss bandwidth by slightly offsetting
  899.           the impedances of the first and third transmission lines.  Select
  900.           (M)enu and then choose (3) EDIT CIRCUIT.  Let's try decreasing
  901.           the characteristic impedance of the first section from 59.5 to 55
  902.           ohms and increase the impedance of the third section from 84.1 to
  903.           90 ohms.  Press 1 in order to modify element number 1 on the Edit
  904.           chart.  Keeping all other parameters the same, change the
  905.           impedance to 55 ohms.  Next, choose element 3 and modify its
  906.           impedance to 90 ohms.  Press M to return back to the Main Menu.
  907.           
  908.           Now reanalyze and replot the insertion and return losses using
  909.           the same frequency and step parameters.  The final result is
  910.           shown in figure 7.  We can see that the return loss character-
  911.           istic has widened out to include our desired bandwidth, while the
  912.           insertion loss remains nearly unchanged.
  913.           
  914.           You may observe a potential disadvantage of the transmission line
  915.           impedance match by re-analyzing the circuit with a start
  916.           frequency of 1 GHz, a stop frequency of 60 GHz, and a frequency
  917.           step of 2 GHz.  Note the moding!  This impedance matching circuit
  918.           would not make a very good filter for the odd harmonics of 8 GHz
  919.  
  920.  
  921.  
  922.                                         14
  923.  
  924.  
  925.  
  926.  
  927.  
  928.  
  929.  
  930.  
  931.           and generally it is not used for transistor amplifier outputs.
  932.           
  933.           
  934.                    EXAMPLE 3 - Broadband Interstage Impedance Match
  935.           
  936.           This circuit is used as a broadband impedance match between two
  937.           transistor amplifiers (BBMATCH).  The circuit to be used is shown
  938.           in figure 8.  The component values may be found in the tabulated
  939.           output data.  The desired operating frequency range is 225 to 450
  940.           MHz.  Let us assume that the first transistor is the source and
  941.           that the transistor resistive components are the source and load
  942.           resistors.  Include the transistor capacitances as separate
  943.           circuit elements.  You may have to convert from the parallel to
  944.           series convention in order for the source or load resistors to be
  945.           in the proper form for analysis.  See Appendix C.  Let's verify
  946.           the insertion loss, the input return loss, and the input VSWR for
  947.           this circuit.
  948.           
  949.           Note that in this case, the circuit to be analyzed may be broken
  950.           up into four groups of either parallel-connected parallel RLC
  951.           (element type 10), or series-connected series RLC (element type
  952.           7) sections.  Since we have no resistances in this circuit,
  953.           simply make the parallel-connected resistors 10,000 ohms and the
  954.           series-connected resistors zero ohms.  This will effectively
  955.           eliminate any resistive component from the models.  Since the
  956.           calculations would fail with zero data, the software checks for
  957.           zero and sets the value to 0.00001.  As an alternative, you may
  958.           choose to enter each circuit element as an individual series or
  959.           parallel L or C model.
  960.           
  961.           Sweep the circuit starting from 200 to 450 MHz, with a step size
  962.           of 10 MHz.  The results are shown in figures 9 and 10.  Note that
  963.           the resulting output data shows a broadband response from 225 to
  964.           450 MHz.  The insertion loss varies from 0.07 to 0.33 dB, the
  965.           return loss varies from 11.45 to 18.81 dB, and the input VSWR is
  966.           1.73:1 or better at the band edges.
  967.           
  968.                           EXAMPLE 4 - Cauer Low Pass Filter
  969.           
  970.           One of the more important types of low pass filters is the
  971.           elliptic-function, or Cauer parameter, network, which provides
  972.           equal attenuation minima in the passband region and equal
  973.           attenuation maxima in the stopband (CAUER).
  974.           
  975.           A low pass filter with input and output impedances of 600 ohms is
  976.           needed to pass frequencies up to 3.4 kHz with less than 0.05 dB
  977.           attenuation and attenuate frequencies at 8.0 kHz and above by at
  978.           least 45 dB.  Using reference 14 (page 9-4), the following filter
  979.           was designed.  See figure 11.
  980.           
  981.           Analyze the circuit from 1 to 10.5 kHz with steps of 0.5 kHz.
  982.           The results are shown in figures 12 and 13.  Note the elliptic
  983.           function passband and stopband.  The 3 dB point occurs at about
  984.           4.75 kHz and we are 45 dB down at about 8 kHz.
  985.  
  986.  
  987.  
  988.                                         15
  989.  
  990.  
  991.  
  992.  
  993.  
  994.  
  995.  
  996.  
  997.           
  998.           
  999.                     Appendix A - CONVERTING WAVELENGTH TO DEGREES
  1000.           
  1001.           Some of you might be used to defining the electrical length of a
  1002.           stub or transmission line in fractions of a wavelength.  For
  1003.           example, 0.2 lambda (wavelength) or 1/4 lambda.  NETWORK uses the
  1004.           convention 360 degrees equals one wavelength (1 lambda).  As an
  1005.           example, suppose the length of a stub is specified as .088
  1006.           lambda.  Converting, we have,
  1007.           
  1008.                               degrees = wavelength x 360
  1009.           
  1010.                           or, 0.088 x 360 = 31.68 degrees.
  1011.           
  1012.           
  1013.           
  1014.                 Appendix B - CONVERTING FROM POLAR TO RECTANGULAR FORM
  1015.           
  1016.           Some transistor input or output impedances may be specified in
  1017.           polar form, for example the input impedance of a transistor is
  1018.           found to be a magnitude of 26.9 at -21.8 degrees.  NETWORK
  1019.           requires the source and load to be purely resistive, with any
  1020.           reactive component included as one of the circuit elements.  In
  1021.           addition, the reactive component must be in series with the
  1022.           resistive component.  Converting to rectangular notation will
  1023.           provide the correct form for our analysis.  In order to convert
  1024.           the above example to rectangular form, use the following
  1025.           formulas.
  1026.           
  1027.           The real part of the impedance = magnitude x COS (degrees).
  1028.           So, 26.9 x COS (-21.8) = 26.9 x 0.9285 = 25 ohms.
  1029.           
  1030.           The imaginary part of the impedance = magnitude x SIN (degrees).
  1031.           So, 26.9 x SIN (-21.8) = 26.9 x (-0.3714) = -10 ohms.
  1032.           
  1033.           Thus, the combined impedance would be 25-j10 ohms.  To calculate
  1034.           the reactive component value from the -j10 term, we may use the
  1035.           formulas below.  Note that if j is positive, the component is an
  1036.           inductor, and if it is negative, it is a capacitor.  Use the
  1037.           appropriate formula for inductive (XL) or capacitive (XC)
  1038.           reactance.
  1039.           
  1040.                        L [Henries] = XL / (2 x PI x Freq [Hz])
  1041.           
  1042.                        C [Farads] = 1 / (2 x PI x Freq [Hz] x XC)
  1043.           
  1044.           In our example, the reactive component is a capacitive 10 ohms.
  1045.           Let us assume that the operating frequency is 12 MHz (12E6 Hz).
  1046.           Thus, C = 2 x 3.14 x 12E6 x 10. Or C = 1.326 nF (or 1326 pF).
  1047.           
  1048.  
  1049.  
  1050.  
  1051.  
  1052.  
  1053.  
  1054.                                         16
  1055.  
  1056.  
  1057.  
  1058.  
  1059.  
  1060.  
  1061.  
  1062.  
  1063.           
  1064.                Appendix C - CONVERTING FROM PARALLEL TO SERIES CIRCUITS
  1065.           
  1066.           In some cases, the transistor impedances might be specified in a
  1067.           parallel form.  This does not matter if it is the load end of the
  1068.           network to be analyzed, but the source resistance must be in
  1069.           series form.  In order to convert from parallel to series
  1070.           impedances, use the formulas below.
  1071.           
  1072.                             Rs = Rp / (1 + (Rp / Xp)^2)
  1073.           
  1074.                             Xs = (Rs^2 x Rp^2) / Xp
  1075.           
  1076.           The rectangular form would then be Rs+jXs.  See Appendix B to
  1077.           convert this reactance (Xs) to the actual component value.
  1078.           
  1079.           For example, if the output impedance of a transistor at 120 MHz
  1080.           (to be used as the network source) was a 2100 pF capacitor in
  1081.           parallel with a 5.3 ohm resistor, we have:
  1082.           
  1083.                Rp = 5.3 ohms, and
  1084.           
  1085.                Xp = 1 / (2 x PI x Freq [Hz] x C [F]) = 0.632 ohms.
  1086.           
  1087.           
  1088.           Thus, Rs = 5.3 / (1 + (5.3 / 0.632)^2) = 0.074 ohms
  1089.           
  1090.           and, Xs = (0.074^2 x 5.3^2) / 0.632 = 0.243 ohms, or C = 5.45 nF.
  1091.           
  1092.  
  1093.  
  1094.  
  1095.  
  1096.  
  1097.  
  1098.  
  1099.  
  1100.  
  1101.  
  1102.  
  1103.  
  1104.  
  1105.  
  1106.  
  1107.  
  1108.  
  1109.  
  1110.  
  1111.  
  1112.  
  1113.  
  1114.  
  1115.  
  1116.  
  1117.  
  1118.  
  1119.  
  1120.                                         17
  1121.  
  1122.  
  1123.  
  1124.  
  1125.  
  1126.  
  1127.  
  1128.  
  1129.           
  1130.                                       REFERENCES
  1131.           
  1132.           
  1133.           If you would like to read more about ladder network theory or
  1134.           applications, filter design, or matching network synthesis, the
  1135.           following may be used as references.
  1136.           
  1137.           1.  W.H. Hayward, "General Purpose Ladder Analysis with the
  1138.           Handheld Calculator",  RF Design, Sept./Oct. 1983.
  1139.           
  1140.           2.  T.R. Cuthbert, Jr., Circuit Design Using Personal Computers,
  1141.           Chapter 4, Wiley-Interscience, 1983.
  1142.           
  1143.           3.  W.H. Hayward, Introduction to Radio Frequency Design, Chapter
  1144.           2, Prentice-Hall, 1982.
  1145.           
  1146.           4.  G.W. Williams, "Ladder Network Analysis: Poor Man's CAD",
  1147.           Microwaves, Jan. 1981.
  1148.           
  1149.           5.  Hewlett Packard, HP-41 EE Circuit Analysis Module
  1150.           Instructions, Ladder Network Analysis Program (LNAP).
  1151.           
  1152.           6.  C. Bowick, RF Circuit Design, Chapters 3 and 4, Howard W.
  1153.           Sams & Co., 1982.
  1154.           
  1155.           7.  R. Kellejian, Applied Electronic Communication, Chapter 11,
  1156.           Science Research Assoc., 1980.
  1157.           
  1158.           8.  W.I. Orr, Radio Handbook, Chapter 3, Howard W. Sams & Co.,
  1159.           1981.
  1160.           
  1161.           9.  T.T. Ha, Solid State Microwave Amplifier Design, Chapters 1
  1162.           and 2, Wiley-Interscience, 1981.
  1163.           
  1164.           10.  C.A. Vergers, Network Synthesis, Chapter 8, TAB Books, 1982.
  1165.           
  1166.           11.  Motorola, RF Device Data, 1983.
  1167.           
  1168.           12.  A.I. Zverev, Handbook of Filter Synthesis, Chapter 2, Wiley,
  1169.           1967.
  1170.           
  1171.           13.  G.L. Matthaei, L. Young, E.M.T. Jones, Impedance-Matching
  1172.           Networks, and Coupling Structures, Chapter 2, Artech House, 1980.
  1173.           
  1174.           14.  E.C. Jordan, Reference Data for Engineers, Chapter 9, Howard
  1175.           W. Sams & Co., 1985.
  1176.           
  1177.           15.  K.W. Wyatt, "A Ladder Analysis Program", RF Design Magazine,
  1178.           November 1986, pages 68 to 79.
  1179.  
  1180.  
  1181.  
  1182.  
  1183.  
  1184.  
  1185.  
  1186.                                         18
  1187.  
  1188.  
  1189.