автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование широкополосных согласующих и корректирующих цепей СВЧ устройств на основе интерактивного "визуального" подхода

На правах рукописи

Самуилов Александр Андреевич

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СОГЛАСУЮЩИХ И КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРАКТИВНОГО «ВИЗУАЛЬНОГО» ПОДХОДА

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

005556422 Томск-2014

005556422

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Бабак Леонид Иванович

доктор технических наук, доцент, ТУ СУР, Томск

Девятков Геннадий Никифорович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск.

Елеснн Вадим Владимирович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный

исследовательский ядерный институт «МИФИ», г. Москва.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательская часть «МАТИ» российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского», г. Москва.

Защита состоится «27» декабря 2014 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050 г. Томск, проспект Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте

http://www.tusur.ru/ru/news/diss.html и в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634045 г. Томск, ул. Красноармейская, 146.

Автореферат разослан «о// »

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор физико-математических наук

А.Е. Мандель

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В настоящее время во всем мире наблюдается быстрое развитие радиоэлектронных систем (РЭС) в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ): систем сотовой и радиорелейной связи, радионавигации' и радиолокации, телевидения, быстродействующих систем передачи данных, радиоизмерительных комплексов и т.д. При проектировании СВЧ радиоэлектронных устройств (РЭУ), входящих в состав этих систем (таких как СВЧ транзисторные усилители, преобразователи и умножители частоты, активные фильтры, антенные устройства и др.), важное значение имеет решение задач широкополосного согласования, а также коррекции формы частотной характеристики РЭУ.

Первая задача возникает, когда требуется согласовать вход и выход СВЧ РЭУ с трактом передачи сигнала, антенными устройствами, согласовать каскады РЭУ между собой и т.д. Суть этой задачи в общем случае состоит в согласовании комплексных импедансов генератора и нагрузки для максимизации передаваемой мощности в заданном диапазоне частот. Для решения указанной задачи используются реактивные согласующие цепи (СЦ).

Вторая задача возникает, когда необходимо корректирование формы частотной характеристики СВЧ РЭУ или его частей. В этом случае в состав РЭУ включаются двухполюсные и четырехполюсные корректирующие цепи (КЦ), которые будут обеспечивать приближение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) устройства к требуемой форме.

Задача проектирования (синтеза) КЦ (СЦ) состоит в поиске ее структуры и параметров элементов, обеспечивающих выполнение заданных требований к характеристикам самой цепи или характеристикам РЭУ, в состав которого входит КЦ (СЦ). При этом КЦ (СЦ) могут содержать как сосредоточенные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), так и распределенные (отрезки линии передачи) элементы, другими словами, могут выполняться как в сосредоточенном, так и распределенном элементных базисах.

Методы синтеза КЦ и СЦ были подробно рассмотрены в работах Н.З. Шварца, В.М. Богачева, Г.Г. Чавки, Г.Н. Девяткова, Л.И. Бабака, М.В. Черкашина, С.Ю. Дорофеева, Р. Фано, Д. Юлы, Д. Меллора, Г. Карлина, Б. Ярмана, П. Абри и др. К ним относятся, в частности, классические методы, методы «реальной частоты» (МРЧ), методы систематического поиска структур на основе методов нелинейной оптимизации, методы структурно-параметрического синтеза с использованием эволюционного поиска на основе генетических алгоритмов (ГА), параметрический синтез (оптимизация величин элементов при заданной структуре цепи), графоаналитические методы на основе использования круговой диаграммы Вольперта-Смита.

Однако указанные подходы имеют ряд недостатков. В частности, большинство существующих методов не позволяют (или позволяют лишь частично)

контролировать при синтезе структуру и значения элементов цепи, что приводит к синтезу практически нереализуемых решений. Методы реальной частоты, систематического поиска структур цепей и параметрического синтеза основаны на алгоритмах нелинейного программирования, поэтому они требуют хорошего начального приближения и могут приводить к неудовлетворительным (локально-оптимальным) решениям. Другим значительным недостатком многих методов является то, что они позволяют решать задачи синтеза КЦ и СЦ только в «классической» постановке, когда требования предъявляются к частотной характеристике передата мощности цепи. Однако на практике чаще всего встречается другая постановка задачи синтеза: КЦ или СЦ входит в состав РЭУ или некоторой системы передачи мощности, и обычно необходимо обеспечить заданные требования к комплексу характеристик этого устройства или системы. Например, при проектировании широкополосных СВЧ усилительных каскадов с реактивными СЦ эти цепи должны иметь не только необходимую частотную зависимость передачи мощности, но и заданный импеданс (входной или выходной) для обеспечения требований к устойчивости, коэффициенту шума, выходной мощности, и т.д.

В связи с отмеченными недостатками значительное место при проектировании широкополосных КЦ и СЦ до сих пор занимает эвристический подход. Суть его заключается в том, что структуру КЦ (СЦ) выбирает сам проектировщик на основе собственного опыта, упрощенных приближенных методов расчета (синтеза), диаграммы Вольперта-Смита и т.д., а окончательно параметры цепи определяются с помощью методов параметрической оптимизации. К сожалению, такой подход ведет к получению неоптимальных решений, является трудоемким, накладывает высокие требования к квалификации проектировщика.

Таким образом, процесс проектирования входящих в состав СВЧ РЭУ широкополосных КЦ и СЦ с учетом требований к характеристикам РЭУ, структуре и параметрам синтезируемой цепи до сих пор остается сложной проблемой. Для ее решения необходима разработка соответствующих методов и алгоритмов автоматизированного проектирования КЦ и СЦ, а также специализированных программных продуктов.

Важное место задача синтеза КЦ и СЦ занимает, в частности, при проектировании широкополосных СВЧ транзисторных усилителей. В этом случае необходимо осуществить синтез реактивных четырехполюсных СЦ, а также двухполюсных цепей коррекции или обратной связи (ОС), исходя из совокупности требований к характеристикам усилителя. При наличии указанных выше недостатков, свойственных существующим методам синтеза КЦ и СЦ, проектирование СВЧ усилителей также затрудняется и приводит к неоптимальным решениям.

На сегодняшний день на рынке программного обеспечения существует ряд продуктов, решающих задачу синтеза КЦ и СЦ (MultiMatch, Genesys, Smith, ZMatch, RF Compiler), а также СВЧ транзисторных усилителей (MultiMatch, Linc2, RF Compiler). Наиболее развитой программой, позволяющей синтезировать КЦ и СЦ,

является MultiMatch. Несмотря на достаточно широкое практическое применение, она обладает рядом недостатков. В частности, она не обеспечивает полного контроля структуры синтезируемой цепи, использует детерминированные методы оптимизационного поиска, что приводит к получению локально-оптимальных решений. Процедура проектирования СВЧ транзисторных усилителей с помощью данной программы является многоэтапной и сложной, что накладывает высокие требования к квалификации и подготовки разработчика.

Остальные программы несут недостатки используемых в них методов: не позволяют выполнять широкополосное согласование (Smith), не обеспечивают возможности контроля значений элементов и структуры цепей при синтезе (Genesys, ZMatch), требуют высокого уровня подготовки пользователя (Smith, Linc2), содержат процедуры нелинейного программирования (ZMatch, RF Compiler).

Итак, автоматизация процедуры синтеза КЦ и СЦ в составе СВЧ РЭУ (в частности, СВЧ транзисторных усилителей) является актуальной задачей, решение которой позволит упростить процесс проектирования, улучшить качественные характеристики синтезированных устройств, снизить требования к квалификации разработчика, уменьшить стоимость разработки.

Для исключения указанных выше трудностей Л.И. Бабаком был предложен декомпозиционный метод синтеза (ДМС) активных СВЧ цепей, он был развит М.Ю. Покровским, М.В. Черкашиным, Ф.И. Шеерманом и И.М. Добушем. Этот метод специально предназначен для проектирования СВЧ РЭУ, в состав которых входят двухполюсные КЦ (цепи ОС) и реактивные четырехполюсные СЦ. ДМС предполагает, что на первом этапе по комплексу требований к характеристикам РЭУ определяются области допустимых значений (ОДЗ) иммитанса (коэффициента отражения) КЦ или СЦ на фиксированных частотах полосы пропускания. На втором этапе по ОДЗ синтезируется КЦ или СЦ таким образом, чтобы входной иммитанс проектируемой цепи на заданных частотах попадал в соответствующие ОДЗ, при этом будут выполнены требования к характеристикам РЭУ. На основе ДМС были разработаны методики проектирования СВЧ транзисторных усилителей различных структур.

Для проектирования двухполюсных КЦ и реактивных четьгрехполюсных СЦ по ОДЗ иммитанса Л.И. Бабаком и М.В. Черкашиным был разработан интерактивный «визуальный» подход. Он позволяет учесть требования к характеристикам КЦ (СЦ) в виде ОДЗ иммитанса на фиксированных частотах полосы пропускания, контролировать структуру и параметры элементов, исследовать задачу проектирования, получить несколько решений, удовлетворяющих поставленным требованиям. На основе «визуального» подхода был реализован комплекс программ, позволяющий осуществлять синтез КЦ и СЦ, а также линейных и малошумягцих СВЧ транзисторных усилителей по совокупности требований к усилению, форме АЧХ, шуму, согласованию и устойчивости. Данный комплекс включает программы Locus, Amp и Region.

Однако разработанные интерактивные «визуальные» процедуры проектирования и реализованный на их основе комплекс программ имеют ряд недостатков и ограничений:

1. В случае проектирования СЦ предложенная ранее «визуальная» методика обеспечивает решение задачи синтеза реактивной цепи, согласующей активное сопротивление генератора с комплексным импедансом нагрузки. Между тем, во многих случаях требуется согласовать в широкой полосе частот два комплексных частотно-зависимых импеданса, а также синтезировать реактивную четырехполюсную цепь по заданным ОДЗ входного и выходного импеданса. Такие задача возникают, в частности, при синтезе межкаскадных СЦ СВЧ усилителей и в ряде других случаев. В связи со сказанным целесообразно разработать соответствующие варианты методики «визуального» проектирования.

2. Кроме того, так как предложенная «визуальная» методика синтеза КЦ и СЦ по ОДЗ импеданса является интерактивной, успех проектирования в значительной мере определяется человеком, что накладывает дополнительные требования к квалификации и опыту проектировщика. Решить данную проблему, в принципе, можно с помощью автоматического оптимизационного поиска параметров цепи. Однако недостатком такого подхода является сложность определения хорошего начального приближения для элементов цепи, а также возможность получения локально-оптимальных решений. В этой связи целесообразно исследовать комбинирование интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании с целью повышения эффективности синтеза КЦ и СЦ.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные направления исследования.

Цель работы - разработка и развитие методов, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации проектирования широкополосных корректирующих и согласующих цепей, входящих в состав СВЧ транзисторных усилителей (в том числе реактивных согласующих цепей при комплексных нагрузках) на основе интерактивного «визуального» подхода; разработка на этой базе и экспериментальное исследование малошумящих СВЧ транзисторных усилителей.

Цель достигается решением следующих основных задач:

1) Исследование и разработка методики и алгоритмов интерактивного «визуального» проектирования реактивных четырехполюсных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном (сосредоточенно-распределенном) элементном базисах для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки.

2) Исследование и разработка интерактивной «визуальной» процедуры проектирования реактивных четырехполюсных цепей (в том числе межкаскадных СЦ усилителей) по заданным на фиксированных частотах ОДЗ входного и выходного импедансов.

3) Исследование и разработка комбинированной процедуры интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании КЦ и СЦ.

4) Разработка и исследование целевых функций (ЦФ) для автоматического поиска элементов КЦ и СЦ по заданным ОДЗ импеданса.

5) Разработка новой версии программы «визуального» проектирования КЦ и СЦ на базе предложенных методик и процедур синтеза.

6) Исследование эффективности разработанных методик, алгоритмов и программного обеспечения при решении тестовых и практических задач синтеза КЦ и СЦ.

7) Проектирование и экспериментальное исследование малошумящих СВЧ транзисторных усилителей с КЦ и СЦ в различных частотных поддиапазонах, выполненных по монолитной и печатной технологиям.

Научная новизна работы:

1) Предложена и исследована новая методика интерактивного «визуального» проектирования реактивных четырехполюсных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном элементном базисах для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки.

2) На этой основе впервые предложена и реализована интерактивная «визуальная» процедура проектирования реактивных четырехполюсных цепей (в том числе межкаскадных согласующих цепей усилителей) по заданным на фиксированных частотах областям допустимых значений входного и выходного импедансов.

3) Предложена, реализована и исследована комбинированная процедура интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании двухполюсных корректирующих цепей и реактивных четырехполюсных согласующих цепей на сосредоточенных и распределенных элементах, в том числе при комплексных нагрузках согласующих цепей и при задании требований ко входному и (или) выходному импедансам цепей в виде областей допустимых значений.

4) Впервые реализована интерактивная методика, позволяющая на основе единого «визуального» подхода осуществить проектирование многокаскадных малошумящих и линейных СВЧ транзисторных усилителей с двухполюсными корректирующими цепями и реактивными четырехполюсными согласующими цепями по комплексу требований к характеристикам.

Практическая ценность работы:

1) Разработанная интерактивная методика «визуального» проектирования реактивных четырехполюсных цепей, согласующих комплексные импедансы генератора и нагрузки в широкой полосе частот, является простой и наглядной,

позволяет контролировать структуру и параметры элементов цепи, обеспечивает получение нескольких различных решений.

2) Разработанная методика синтеза реактивных четырехполюсных цепей по ОДЗ входного и выходного импедансов позволяет применить «визуальный» подход к проектированию многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными межкаскадными СЦ. Это дает возможность проектирования многокаскадных СВЧ усилителей только «визуальными» средствами, упрощает процесс их разработки и сокращает число требуемых программных продуктов.

3) Разработанная комбинированная процедура интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании КЦ и СЦ ускоряет и упрощает поиск решения, способствует нахождению глобального оптимума, снижает требования к опыту и квалификации разработчика.

4) С участием автора разработана специализированная программная платформа Indesys, предназначенная для разработки программ синтеза пассивных и активных СВЧ устройств, автоматизации измерений и построения моделей СВЧ элементов.

5) Разработанная новая версия программы Locus обеспечивает решение задачи синтеза двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ на сосредоточенных и распределенных элементах по ОДЗ входного и (или) выходного импедансов в заданном диапазоне частот, используя только интерактивный «визуальный» подход или комбинированную процедуру интерактивного и автоматического оптимизационного поиска параметров цепи. Это дает возможность расширить класс решаемых задач и повысить эффективность синтеза КЦ и СЦ, в том числе при проектировании пассивных цепей, входящих в состав СВЧ РЭУ.

6) С использованием результатов диссертации и созданного программного продукта на базе монолитной и печатной технологий спроектированы и экспериментально исследованы СВЧ малошумящие транзисторные усилители с КЦ и СЦ, характеристики которых находятся на уровне лучших зарубежных и отечественных разработок.

Положения, выносимые на защиту:

1) Интерактивная методика «визуального» проектирования позволяет осуществить синтез реактивных четырехполюсных цепей для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки, а также синтез по заданным на фиксированных частотах областям допустимых значений входного и выходного импедансов.

2) Реализация комбинированной процедуры интерактивного и автоматического оптимизационного поиска, а также визуализация процесса оптимизации при «визуальном» проектировании корректирующих и согласующих цепей позволяют проектировщику вмешиваться и корректировать ход решения задачи. Это ускоряет поиск решения, способствует выведению процесса

оптимизационного поиска из локальных оптимумов и нахождению цепей с лучшими характеристиками.

3) Применение интерактивной процедуры синтеза реактивных цепей по областям допустимых значений входного и выходного импедансов позволяет выполнить на основе единого «визуального» подхода проектирование линейных и малошумящих многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными согласующими цепями по комплексу характеристик, включая коэффициент усиления, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, коэффициент шума, уровни согласования на входе и выходе и устойчивость.

Степень достоверности результатов работы. Достоверность полученных результатов и положений диссертационной работы обеспечиваются качественным сопоставлением полученных результатов с имеющимися современными теоретическими и экспериментальными данными, выполнением моделирования на ЭВМ и экспериментального исследования разработанных устройств.

Апробация результатов. Представленная работа совпадает с тематикой исследований на Кафедре компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и выполнялась как составная часть научно-исследовательской работы Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС).

Работа выполнялась в рамках хоздоговоров, контрактов по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям: «Нанотехнологии и наноматериалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника», «Высокотехнологичные секторы экономики» (номера гос. контрактов: П 1418, П 1492, П 669, 16.740.11.0092, 14.740.11.0135, П 499, 14.740.11.1136, 14.В37.21.0462, 14.В37.21.0345, 14.132.21.1745), контракта с ОАО «ИСС» им. академика М.Ф. Решетнёва» (номер гос. контракта: 02.G25.31.0042).

Основные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях: «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», «Студент и научно-технический прогресс», «Innovations in Information and Communication Science and Technology», «Theoretical & Applied Science», «Научная сессия ТУСУР», «Электронные средства и системы управления», «Современные проблемы радиоэлектроники», «Технологии Microsoft в теории и практике программирования».

Реализация п внедрение результатов работы. Разработанная новая версия программы «визуального» проектирования двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ Locus была использована при проектировании монолитных СВЧ транзисторных усилителей на основе GaAs рНЕМТ технологии в рамках хоздоговора с ОАО «НИИПП» (г. Томск).

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники на кафедре «Компьютерные системы в управлении и проектировании» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 230100.68 «Информатика и вычислительная техника».

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор развил и реализовал методику «визуального» проектирования реактивных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном элементном базисах для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки, а также проектирования реактивных цепей по ОДЗ входного и выходного импедансов, разработал комбинированную процедуру интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании КЦ и СЦ, модифицировал архитектуру программной платформы Indesys, разработал новую версию программы Locus на основе предложенных в работе методик и процедур синтеза КЦ и СЦ и программной платформы Indesys.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и восьми приложений. Общий объем работы составляет 255 страниц. Основная часть включает 164 страницы, в том числе 105 страниц текста, 108 рисунков и 14 таблиц. Список используемых источников содержит 187 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмечены недостатки существующих методик синтеза КЦ, СЦ и СВЧ транзисторных усилителей, определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первом разделе описана постановка задачи синтеза СЦ и КЦ, проведен обзор методов и программного обеспечения для автоматизированного синтеза КЦ, СЦ и СВЧ транзисторных усилителей, представлены предложенная ранее методика «визуального» проектирования КЦ и СЦ, методики проектирования СВЧ усилителей на основе ДМС, сформулированы основные задачи исследования.

В разделе кратко рассмотрены следующие основные подходы к проектированию КЦ и СЦ: классические методы на основе аналитической теории Фано-Юлы, численные методы на основе метода «реальной» частоты, метод систематического поиска, процедуры структурного и структурно-параметрического синтеза с использованием эволюционного поиска на основе генетических алгоритмов (ГА), графоаналитические методы. Отмечаются свойственные этим методам недостатки и ограничения.

Базирующиеся на указанных подходах к синтезу КЦ и СЦ методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей также имеют ряд недостатков. В

частности, они не позволяют осуществить синтез схемы усилителя с учетом комплекса

требований к

характеристикам в

Ч "г 1

сц кд п

сц

Рисунок 1 - Структурная схема СВЧ усилителя с СЦ и корректирующими двухполюсниками широкой полосе частот, получить практически реализуемые структуры и значения элементов КЦ и СЦ. В связи с этим разработка СВЧ усилителей часто выполняется на базе многократного выполнения на ЭВМ процедур моделирования, уточнения схемы и оптимизации величин элементов усилителя (параметрический синтез). Такой процесс является трудоемким, нецеленаправленным и не всегда приводит к успеху.

Перспективным подходом к проектированию СВЧ транзисторных усилителей является ДМС. Он позволяет получить целый ряд решений, удовлетворяющих комплексу требований к характеристикам всего устройства.

ДМС обеспечивает общий подход к проектированию линейных и нелинейных ВЧ и СВЧ полупроводниковых устройств (ППУ), которые представляются в виде соединения полупроводниковых приборов и пассивных цепей - СЦ, корректирующих двухполюсников (КД), цепей ОС и т.д. (рис. 1). При декомпозиционном синтезе полагается гавестной структурная схема устройства, в которой конкретизируются типы блоков (активных элементов - АЭ, КД, СЦ и т.д.) и задаются связи между ними. Параметры части блоков заданы (АЭ), а остальные (пассивные КД и СЦ) являются «черными ящиками» и должны быть синтезированы по заданным требованиям к устройству.

Комплекс требований к характеристикам СВЧ ППУ представляется в виде системы неравенств на фиксированных точках сак (к = 1, т) частотного диапазона:

я;(«,)<я„ю<я;ю,у = й, (1)

где Я,7, Н* - заданные граничные значения рабочих характеристик Я,, на частоте ю^; X - число характеристик, учитываемых при проектировании. В качестве характеристик Я,. могут выступать, например, модули параметров рассеяния ^ (/,/ = 1,2), коэффициент шума /\ выходная мощность Р„„„

коэффициент устойчивости к и др.

ДМС включает два этапа. Первый этап состоит в определении на

фиксированных частотах а>к (к = 1,7«) ОДЗ Екк иммитансов КЦ (СЦ) (/; = 1,и)> при которых выполняются требования (1) к характеристикам всего устройства. На втором этапе осуществляется синтез КЦ (СЦ), иммитанс которых на частотах (о4 попадает в полученные ОДЗ Ен, т.е.

м(а/.)еЕы,к = 1,т;Ь = 1,п. (2)

При выполнении (2) удовлетворяются требования к характеристикам Н,. во

всем диапазоне частот.

г,л - ГкьП г—

—о| [о—о о——р: о |о-

сц,.,

сц,

£

сцы

о-

Часто многокаскадные СВЧ транзисторные усилители строятся в виде последовательного соединения нескольких АЭ, между которыми включены реактивные СЦ (рис. 2). Здесь входной импеданс /-ой

ыг

Рисунок 2 - Структурная схема многокаскадного СВЧ усилителя

межкаскадной СЦ = Т!'^ является нагрузкой предыдущего каскада, а выходной импеданс СЦ 2Ш - выступает в качестве импеданса генератора для последующего каскада. При этом в соответствии со свойствами реактивных четырехполюсных цепей импеданеы 2Ы и 2а„ взаимосвязаны.

Проектирование таких устройств с помощью ДМС предполагает последовательное построение ОДЗ иммитансов (коэффициентов отражения) источника сигнала и нагрузки для каждого АЭ по требованиям к характеристикам каскада, заданным в виде неравенств (1), после чего происходит синтез СЦ по этим ОДЗ. Таким образом, полный контроль комплекса характеристик многокаскадных

СВЧ устройств на рис. 2 возможен лишь в том случае, если задавать ОДЗ одновременно для входного и для выходного иммитансов СЦ.

На основе ДМС была предложена «визуальная» методика сшгтеза КЦ и СЦ. Она позволяет визуализировать процесс

проектирования: требования к цепи представляются в виде ОДЗ, а параметры - в виде годографа на плоскости входного иммитанса (коэффициента отражения) цепи (рис. 3).

Процесс проектирования двухполюсной КЦ состоит из двух этапов: выбор структуры цепи и определение величин элементов цепи. Первый этап

Яег

Рисунок 3 - Процесс нахождения значений элементов КЦ (СЦ) с заданной структурой

выполняется на основе сравнения расположения ОДЗ на плоскости импеданса КЦ с

возможной формой годографа типовых цепей, представленных в библиотеке. Второй этап осуществляется интерактивным способом. Для этого часть элементов цепи (управляемых) выбирает сам проектировщик, а остальные элементы рассчитываются автоматически таким образом, чтобы годограф импеданса цепи проходил через заданную проектировщиком

автоматически вычисляемые элементы

КЦ (СЦ) заданной структуры с

г(<а)

управляемый пользователем элемент КЦ (СЦ) Рисунок 4 - Управление элементами КЦ(СЦ)

опорную точку Zrcf на частоте <aref (рис. 3 и 4). Процедура проектирования принимает интерактивный характер - изменяя значения опорного импеданса Zrf/ с помощью «мыши» и управляемых элементов цепи с помощью специальных интерактивных инструментов - тюнеров, можно управлять формой годографа импеданса цепи и добиться попадания его на частотах tot в соответствующие ОДЗ Et (рис. 3). При проектировании СЦ двухполюсная цепь должна представлять собой реактивный четырехполюсник, нагруженный на резистор.

Методика «визуального» проектирования КЦ, СЦ и СВЧ транзисторных усилителей реализована в виде комплекса программ: нахождение ОДЗ коэффициентов отражения реактивных СЦ по комплексу требований к характеристикам СВЧ усилительного каскада выполняется в программе Region, нахождение ОДЗ иммитанса двухполюсных КЦ и цепей ОС - в программе Amp, синтез двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ по ОДЗ иммитанса - в программе Locus.

В отличие от других методов синтеза КЦ и СЦ, «визуальный» подход является интерактивным и не использует сложных вычислений, предоставляет большие возможности для контроля структуры и параметров цепи, позволяет получить несколько решений, удовлетворяющих поставленным требованиям, разрешает более полно исследовать задачи проектирования и, в частности, изучить возможности цепей различной структуры.

В то же время разработанные в настоящее время процедуры «визуального» проектирования имеют ряд недостатков: они не предназначены для синтеза реактивных четырехполюсных цепей, включенных между двумя комплексными нагрузками; не позволяют синтезировать реактивные межкаскадные СЦ по заданным одновременно ОДЗ входного и выходного импедансов (например, при проектировании многокаскадных усилителей); требуют определенного опыта и квалификации проектировщика.

Во втором разделе предлагаются варианты методики «визуального» проектирования, которые обеспечивают синтез реактивных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном элементных базисах для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки, а также синтез реактивных цепей по ОДЗ входного и выходного импедансов. Рассматриваются примеры проектирования СЦ, результаты решения которых подтверждают эффективность предлагаемой методики.

Пусть на ряде фиксированных частот mt (к = \,т) в полосе частот [со£, о);, ] задаются требования к коэффициенту передачи по мощности G(ra) реактивной четырехполюсной цепи в виде неравенств:

С-(со*)<С(со,)<6"(ш*), k = lm, (3)

где 0~(с%) и С((£>).) - требуемые граничные значения С(со) на частоте юк. Формулировка (3) позволяет задавать произвольную форму АЧХ цепи.

Предлагаемая методика «визуального» проектирования СЦ в качестве составной части использует предложенный в работе Н.З. Шварца аналитический способ расчета реактивной цепи, обеспечивающей идеальное согласование двух произвольных комплексных импедансов и в одной частотной точке ю0. Для этого СЦ должна содержать два сосредоточенных реактивных элемента (рис. 5а, б) или отрезок линии передата (рис. 5в). Вначале на основе анализа значений 2'$ и 2[ на частоте со0 выбирается структура СЦ (схема 1 - рис. 5а, схема 2 - рис. 56 или схема 3 - рис. 5е), после

чего аналитически

находятся ее элементы (л-, и Ь2 для схемы 1, 6, и .г, для схемы 2, р и 0 для схемы 3). Анализируя и Ъ,

2!

ьа

с_цо. о)

К ^

р.е

сцо

б)

.сцо.. в)

Рисунок 5 - Структуры цепей для согласования двух комплексных нагрузок: а) схема 1; б) схема 2; в) схема 3

знаки значении д-,

схемы 1 (6, и х, схемы 2), можно определить тип реактивного сосредоточенного элемента (емкость или индуктивность).

Методика расчета узкополосных СЦ Н.З. Шварца на частоте со0 обеспечивает нулевой коэффициент отражения на зажимах 1-1' и 2-2' цепи (рис. 6), при этом — 2*;(ю0) и 21 (ю0) = 2'„Дю0). Однако такой способ непосредственно не может быть применен к решению задачи (1), так как идеальное согласование произвольных комплексных импедансов возможно только в одной частотной точке. Для широкополосного согласования нагрузок необходимо допустить некоторое взаимное рассогласование импедансов 25 и ¿,н (21 и 2та) в полосе [ю^.Юу], при этом (7(со) < 1. Кроме того, широкополосные СЦ часто должны содержать более двух элементов.

В связи со сказанным предлагается интерактивная методика «визуального» проектирования реактивных цепей для широкополосного согласования комплексных нагрузок. Изложим методику вначале для двухэлементной цепи СЦО (рис. 5а, б), в этом случае она содержит следующие этапы.

1. Для цепи (рис. 6) на каждой из частот ш, в полосе [со^Шу] по известным комплексным значениям генератора и нагрузки и 23

требуемым граничным значениям 0~{(£>к), О'((ок) коэффициента передачи С?(а>) определяются ОДЗ

импедансов

которые отвечают

Рисунок б — Согласование двух комплексных нагрузок

ограничениям (3). Указанные области Е1п(сок) и Ет,{чзк) визуально отображаются на комплексных плоскостях Zm и Zm,.

2. Среди частот к>к выбираем опорную частоту шге/. В пределах области Е,„ (тге/) на плоскости Zi(l визуально выбираем (указываем с помощью «мыши») опорное значение входного импеданс цепи на этой частоте: Z°(cof</) е Е,п (<лгг().

3. Полагаем со0 = co„r, Z's =[Z°(Mre,)]\ Z'L = ZI(tor?f) и с помощью формул Н.З. Шварца находим элементы цепи-ядра СЦО на рис. 5а, б.

4. Для полученной цепи рассчитываем и строим на плоскостях Z,„ и ZCT„ годографы входного Z,„(co) и выходного Zc„,(co) импедансов с учетом нагрузок Zs(со) и Z£(co). Так как Z's = [Z°(o)r(/)]' и Z'L =Zi(tor</-), годограф Z,„(co) на частоте cori/ будет проходить через выбранную точку Z^co^) внутри области Eiu (o),.f/). При этом, так как Z\ * Zs(o3ri/), в общем случае Z°„(ari:f) * Z'L((orrf), но точка Z°„(tD^.) обязательно будет находиться в пределах области Eoul((ortf).

5. Если точки годографа входного импеданса цепи на остальных частотах <э4 попали в соответствующие области Е,„{<%), тогда задача решена. Заметим, что при этом точки годографа ZoM (mt) автоматически попадут в соответствующие области £„,„((at).

6. В противном случае, изменяя с помощью мыши положение опорной точки Z°(cort/), пытаемся добиться попадания точек годографа Z„,( <в) в соответствующие ОДЗ на плоскости Zln, Указанная операция выполняется в интерактивном режиме, при этом элементы цепи постоянно пересчитываются для новой опорной точки Z°(cor?r), годографы Zjn(со) и ZM,{со) также пересчитьшаются и отображаются в режиме реального времени.

Проектирование широкополосной распределенной цепи СЦО (рис. 5с) производится аналогичным образом. Л п л"

или распределенные реактивные элементы, рИСунок 7 - Схема СЦ с дополнительными которые включаются на входе и (или) выходе реактивными элементами на входе и выходе цепи-ядра СЦО (рис. 7). Пользователь сам указывает либо выбирает в ходе проектирования способ включения (последовательный или параллельный), тип (индуктивность, емкость, линия передачи, короткозамкнутый или холостоходный шлейф) и параметры дополнительного элемента. Величины указанных элементов полагаются известными. Если дополнительные элементы на входе СЦО отнести к генератору, а элементы на выходе СЦО - к нагрузке, то при известных значениях этих

При проеюгировании СЦ с числом элементов более двух в цепь вводятся дополнительные управляемые сосредоточенные

элементов можно определить эквивалентные импедансы генератора Zs(co) и нагрузки Zl(co) для двухэлементной цепи СЦО (рис. 7). Далее рассмотренным выше способом находятся элементы СЦО при замене Z's{iо) на Zs{со) и Z'L(со) на Zl(ю).

При визуальном проектировании величины дополнительных элементов управляются самим пользователем, они будут влиять на форму годографа Z,„(со), который должен проходить через неподвижную (опорную) точку Z°(<orcf). Процедура проектирования принимает интерактивный характер - изменяя значения опорного импеданса Z° (<лГ(/) с помощью «мыши» и управляемых элементов СЦ с помощью тюнеров, можно управлять формой годографа Z,„(co) и добиться попадания иммитанса цепи на остальных частотах ю4 в соответствующие ОДЗ £,„(toI(,r).

Возможна аналогичная процедура определения элементов СЦ при управлении годографом выходного импеданса Zal,(ю) на плоскости Zou,.

В диссертации рассматривается реализация предложенной процедуры «визуального» проектирования реактивных цепей для согласования комплексных нагрузок. При этом возможные схемы цепей (с цепью-ядро.м и дополнительными элементами) выводятся на экране. ОДЗ и годографы цепей могут отображаться на плоскостях входного и выходного иммитансов или коэффициентов отражения. Одновременно могут рисоваться годографы до пяти цепей (в зависимости от существования решений для той или иной структуры цепи), которые проходят через заданную точку на опорной частоте. Пользователь добивается попадания всех точек хотя бы одного из годографов в заданные ОДЗ.

На основе описанного подхода предложена также процедура «визуального» проектирования реактивных цепей по заданным на фиксированных частотах ОДЗ входного и выходного импедансов. В этом случае задача состоит в синтезе реактивной цепи, годограф входного импеданса которой попадает в соответствующие ОДЗ £,,,(о->геГ), а годограф выходного импеданса - в соответствующие ОДЗ Еш{сок). В отличие от задачи широкополосного согласования, эти условия не обязательно выполняются одновременно, поэтому их необходимо проверять на обеих плоскостях.

При проектировании межкаскадной СЦ многокаскадного усилителя источником сигнала для цепи является выходной импеданс предыдущего каскада, а нагрузкой - входной импеданс последующего каскада. С использованием программы Region для межкаскадной цепи рассчитываются ОДЗ на плоскостях входного Zh и выходного Zow импедансов, соответствующие заданным ограничениям на характеристики предыдущего и последующего усилительных каскадов.

Для иллюстрации методики рассмотрен тестовый пример Г. Карлина и Б. Ярмана. Он состоит в проектировании цепи для согласования частотно-зависимых

нагрузок 25 (со) и 21 (со), представленных в виде эквивалентных схем (рис. 8). Полоса частот 0,047...0,157 ГТц, коэффициент передачи цепи б > -1,25 дБ (0,75).

Характеристики и схемы СЦ, !

синтезированных различными методами < 1} !

(Карлин, Ярман, Сьюсман-Форт, Дидье, > ? \

Плезис, а также «визуальный» подход), t

приведены в табл. 1 и на рис. 9. В табл. 1 Рисунок 8 - Задача синтеза СЦ

приняты следующие обозначения: - минимальный коэффициент передата; ДО = С1тх - Оат - неравномерность коэффициента передачи; (?иих - максимальный коэффициент передачи; - максимальный коэффициент отражения в полосе

согласования; п - количество элементов цепи. Как видно, предложенная методика «визуального» проектирования по сравнению с большинством существующих методов позволила синтезировать цепи с меньшим числом элементов, и во всех случаях - с лучшими характеристиками, это подтверждает ее эффективность. Кроме того, в отличие от существующих методов, она дала возможность получить сосредоточенно-распределенные цепи (рис. 9ж, з).

Таблица 1 - Характеристики синтезированных СЦ

Цепь, рис. Метод синтеза Gmjd Д G ('S] in AI и

1 (рис. 9о) МРЧ - представление Белевича (Кэрлин) 0,7423 0,1093 0,5076 6

2 (рис. 96) МРЧ - представление Белевича (Сьюсман-Форт) 0.7474 0.0979 0,5026 4

3 (рис. 9в) МРЧ - параметрическое представление (Ярман) 0,7306 0,1163 0,5191 6

4 (рис. 9г) Алг. Гаусса-Ньютона и случайный поиск (Дидье) 0.7503 0,0902 0,4997 б

5 (рис. 9д) ГА и алгоритм наискорейшего спуска (Плезис) 0.7362 0.1569 0,5136 5

6 (рис. 9е) «Визуальное» проектирование - программа Locus 0,7488 0.06297 0.5012 4

7 (рис. 9ж) «Визуальное» проектирование - программа Locus 0.7480 0.0789 0,5020 4

8 (рис. 9з) «Визуальное» проектирование — программа Locus 0,7433 0,1101 0,5066 4

ж) з)

Рисунок 9 - Схемы СЦ, полученные с помощью различных методов синтеза

В третьем разделе рассмотрено решение задачи автоматического оптимизационного поиска элементов цепи с заданной структурой по ОДЗ иммитанса и предложена реализация комбинированной процедуры «визуального» проектирования КЦ и СЦ, сочетающей интерактивный и автоматический оптимизационный поиск.

Задача автоматического поиска значений элементов цепи с заданной структурой по ОДЗ иммитанса в общем случае сводится к задаче многомерной оптимизации. При этом эффективность поиска во многом определяется подходящим выбором целевой функции (ЦФ). В диссертации предлагается несколько ЦФ, базирующихся на минимаксном и среднеквадратичном критериях оптимальности, на симметричной и несимметричной Л-функциях. Построение ЦФ основано на вычислении расстояния = от точки годографа 2(со*) до ближайшей границы соответствующей области ^(со^). Расстояние полагается отрицательным, если точка 7(0^.) находится внутри области Е(с>\) и положительным - если вне этой области. Предложенные ЦФ сконструированы таким образом, что при их оптимизации годограф цепи будет «стремиться» попасть внутрь каждой из ОДЗ как можно ближе к ее центру.

В разделе предложен механизм интерактивного воздействия пользователя на ход решения оптимизационной задачи в режиме реального времени. Суть его состоит в том, что одновременно с работой алгоритма автоматической оптимизации возможно интерактивное воздействие пользователя в реальном времени на ход решения оптимизационной задачи, что способствует выведению автоматического поиска из локального оптимума. После запуска процесса оптимизации пользователь наблюдает изменение формы годографа иммитанса цепи и оценивает попадание точек годохрафа в соответствующие ОДЗ. Пользователь может визуально выявить ситуацию, когда оптимизационный алгоритм попадает в область локального оптимума - при этом форма годографа перестает изменяться, но одна или несколько точек годографа находятся за пределами ОДЗ. В таком случае он имеет возможность, не прерывая автоматический поиск, с помощью «мыши» или тюнеров изменить положение годографа (захватив одну из точек и сместив ее внутрь соответствующей ОДЗ) и далее продолжить автоматическое решение задачи.

В подразделе подробно описана процедура «визуального») проектирования КЦ и СЦ с помощью комбинированной методики. После выбора структуры цепи, проектировщик выбирает метод оптимизации, целевую функцию и режим работы оптимизационного поиска, а также задает диапазоны варьирования параметров каждого элемента цепи. Далее происходит запуск процесса автоматической оптимизации. На очередной итерации процесса оптимизации определяются текущие параметры элементов цепи, затем происходит расчет и отображение годографа 7(со{) на плоскости 2. После этого для каждой из частот со^ рассчитываются расстояния

СЦ

, Zi-3.66 нГн

пф|

X

Ri=50 Ом

от точки годографа 2(<ок) до ближайшей границы соответствующей области Е(и>к), и в зависимости от выбранной ЦФ оценивается текущее решение. Основываясь на этой оценке, оптимизатор изменяет значение параметров цепи, и процесс повторяется сначала. Остановка процесса оптимизации происходит самим пользователем - либо когда найдено решение (все точки годографа попали в соответствующие ОДЗ), либо когда невозможно найти решение с заданной структурой цепи и для продолжения синтеза необходимо выбрать другую ее структуру.

Для демонстрации комбинированной методики рассмотрено решение тестовой задачи Фано: синтезировать реактивную цепь для согласования трехэлементной № С-нагрузки (рис. 10) с резистивным сопротивлением генератора в полосе частот /= 0,1...5 ГГц (для большей наглядности в задаче Фано элементы нагрузки денормированы к уровню импеданса 2о =50 Ом и частоте 2я-5-109 Гц). В рассматриваемом случае сопротивление генератора может варьироваться для улучшения характеристик цепи.

В табл. 2 для сравнения представлены результаты синтеза СЦ со структурами на рис. 11 с помощью интерактивной «визуальной» процедуры и комбинированной методики. Характеристики синтезированных цепей, полученных обоими способами, близки. Однако с помощью комбинированной методики решения удалось получить

значительно быстрее и проще, чем при интерактивном поиске. Показаны также результаты решения задачи с использованием автоматического поиска на основе случайного метода дифференциальной эволюции, однако здесь характеристики цепей хуже.

Рисунок 10 - Задача синтеза СЦ

L,

/wy\.

Е

-о-

I

а)

6)

Рисунок 11 - Структуры синтезированных цепей

Таблица 2 - Результаты синтеза СЦ

Метод синтеза Номиналы элементов Время синтеза GuUn AG max

Интерактивное «визуальное» проектирование (цепь рис. 11 о) R, = 110 Ом; С, = 0,243 пФ; i3 = 4,726 нГн; Сз = 0,61 пФ. 7-10 мин 0,8483 0,0554 0,3895

Интерактивное «визуальное» проектирование (цепь рис. 116) R, = 100 Ом; Ci = 0,866 пФ; U = 0,916 нГн; С1 = 0,538 пФ. 15-20 мин 0,8827 0,0374 0,3425

Комбинированная методика - симплекс-метод Нелдера-Мида (цепь рис. 11а) R, = НО Ом; Ci = 0,26 пФ; ¿: = 4,74 нГн; Сз = 0,617 пФ. 8с 0,8551 0,0495 0,3806

Комбинированная методика - симплекс-метод Неддера-Мида (цепь рис. 116) R, = 98 Ом; С, = 0,75 пФ; Lz = 1,01 нГн; Сз = 0,544 пФ. 5с 0,8842 0,028 0.3402

Метод синтеза Номиналы элементов Время синтеза (г т1ч AG l'S'lmax

Автоматический поиск -метод дифференциальной эволюции (цепь рис. 11а) R, = 110 Ом; С, = 0,264 пФ; ¿2 = 4.928 нГн; С3 = 0,616 пФ. 11 с 0,8449 0,0821 0,3938

Автоматический поиск -метод дифференциальной эволюции (цепь рис. 116) R, = 100 Ом: С, = 0,7754 пФ; L, = 1,004 нГн;С, = 0,5276 пФ. 15с 0.8773 0,0601 0,3502

"X V

4

В четвертом разделе описана новая версия программы «визуального» проектирования КЦ и СЦ Locus, в которой реализованы предложенные в диссертационной работе методики, приведен пример ее использования для решения практических задач синтеза. Представлены результаты автоматизированного синтеза, моделирования и экспериментального исследования СВЧ транзисторных усилителей с использованием разработанных методик проектирования и программного обеспечения.

На рис. 12 изображен -т—^-р интерфейс новой версии ¡-

программы Locus. Программа позволяет проектировать —., I

пассивные двухполюсные цепи по ОДЗ иммитанса на заданных частотах, а также реактивные

"■«и j ч * ■ ij> ■ т..

четырехполюсные цепи по .... ....................................................-■*-...........................................

требованиям к коэффициенту Рисунок 12 - Интерфейс новой версии программы Locus передачи цепи либо по ОДЗ входного и (или) выходного иммитансов. Синтез цепей можно производить с помощью интерактивной «визуальной» процедуры или с помощью комбинированной процедуры интерактивного и автоматического оптимизационного поиска.

Новая версия программы Locus разработана на основе программной платформы Indesys (аббревиатура от «Intelligent Design System» - интеллектуальная система проектирования), в создании которой принял участие автор. Она включает универсальный математический аппарат и обеспечивает высокую скорость разработки программ автоматизированного синтеза СВЧ устройств. Ее многоуровневая гибкая архитектура позволяет быстро наращивать новые функциональные возможности разрабатываемых программ.

В качестве примера применения программы Locus и предложенной комбинированной «визуальной» методики демонстрируется синтез «укороченных» трансформаторов импеданса нестандартной структуры, обеспечивающих согласование сопротивления генератора Äs =10 Ом с сопротивлением нагрузки ^¿=150 0m в полосе частот 1-2 ГГц. Они имеют меньшую по сравнению с четвертьволновыми ступенчатыми трансформаторами импедансов суммарную электрическую длину 0.я™ при близком значении максимального коэффициента отражения \8\,„ах-

Результаты синтеза трансформатора импедансов с помощью различных методов представлены в табл. 3 (здесь К/= u>a/a>i - коэффициент перекрытия частотного диапазона). В первой и второй строках таблицы с целью сравнения приведены характеристики трех- и пятиэяементных четвертьволновых трансформаторов с классической структурой, полученных А.Л. Фельдштейном с помощью приближенного метода синтеза, основанного на чебышевском равноволновом приближении. Цепь 3 (пятиэлементный трансформатор с такой же структурой) получена «визуальным» способом с помощью программы Image в работе А.Ю. Полякова, ее характеристики гораздо лучше, чем у А.Л. Фельдштейна. Цепь 5 с аналогичной структурой была синтезирована предложенным в диссертации «визуальным» способом, ее параметры очень близки к найденным А.Ю. Поляковым.

Таблица 3 - Характеристики синтезированных трансформаторов импедансов

№ Метод синтеза Кг е„„, ISW

1 Чебышевское равноволновое приближение - п = 3 (Фельдштейн) 1,857 270 0.05

1 Чебыщевское равноволновое приближение - л = 5 (Фельдштейн) 2 450 0,017

3 Визуальное проектирование - программа Image (Поляков) 2 450 0,00505

4 Генетический алгоритм - программа GeneSvn (Дорофеев) 2,024 267.1 0,0382

5 «Визуальное» проектирование - программа Locus 2.008 450 0,00562

6 «Визуальное» проектирование - программа Locus 2,182 257,53 0.03733

7 «Визуальное» проектирование - программа Locus 2,004 270 0.01659

8 «Визуальное» проектирование - программа Locus 2.01 229.05 0,04944

«Укороченная» Цепь 4 нестандартной структуры с одним параллельным короткозамкнутым шлейфом на входе была синтезирована С.Ю. Дорофеевым на

основе генетического алгоритма (ГА), она имеет меньшую суммарную длину (без учета длины шлейфа, который можно разместить параллельно основным линиям). Полученная с помощью предложенной «визуальной» процедуры Цепь 6, аналогично Цепи 4, имеет короткозамкнутый шлейф (во второй ступени), за счет чего удалось сократить суммарную длину всего трансформатора. При этом по сравнению с Цепью 4 коэффициент отражения и суммарная длина Цепи 6 несколько меньше, а полоса пропускания существенно больше.

Наиболее показательным примером АЧХ коэффициента отражения Цепи 4 и Цепи 7 является Цепь 7 с двумя параллельными короткозамкнутыми шлейфами (рис. 13<з). По сравнению с решением, представленным в работе С.Ю. Дорофеева (Цепь 4), она имеет близкие значения длины 6™,,,, но значительно лучшие характеристики коэффициента отражения |5]„м.г в полосе частот (рис. 136). У Цепи 8, также имеющей

два шлейфа, коэффициент отражения выше, чем у Цепи 7, однако электрическая длина меньше (229,05°).

Таким образом, с использованием методики «визуального» проектирования, реализованной в разработанной версии программы Locus, удалось получить новые «укороченные» схемы трансформаторов импеданса нестандартной структуры на отрезках ЛП, по сравнению с классическими трансформаторами той же длины они имеют гораздо меньший коэффициент отражения в полосе рабочих частот. Кроме того, предложенный подход позволяет получить несколько различных схемных решений цепей и учесть требования физической реализуемости отрезков линий передачи.

В заключение раздела представлены результаты проектирования и экспериментального исследования малошумящих СВЧ транзисторных усилителей с КЦ и СЦ при использовании комплекса программ «визуального» проектирования, включающего программы Amp, Region и новую версию программы Locus. На этих примерах демонстрируется «визуальное» проектирование КЦ и СЦ, входящих в состав усилителей.

В частности, на примере проектирования двухкаскадного маяошумящего усилителя (МШУ) диапазона 8-12 ГГц, выполняемого на основе отечественных 0,15 мкм GaAs рНЕМТ транзисторов, демонстрируется методика синтеза межкаскадной СЦ по заданным ОДЗ входного и выходного иммитансам. К МШУ предъявлялись следующие требования: G = 24±0,5 дБ; F< 1 дБ; |5ii|<-10 дБ; l&l < -10 дБ; к > 1. ОДЗ и области устойчивости на плоскостях входного и выходного импедансов входной, выходной и межкаскадной СЦ были получены с помощью программы Region, синтез всех СЦ осуществлялся с использованием новой версии программы Locus. Межкаскадная СЦ была спроектирована с помощью предложенной методики синтеза по полученным ОДЗ входного и выходного импедансов цепи и областям устойчивости. Вид ОДЗ на частотах 8 ГГц, 10 ГГц и 12 ГГц, областей устойчивости на частотах 1 ГГц и 30 ГГц, а также годографов импедансов межкаскадной СЦ представлен на рис. 14.

60

-80

-20 0 20 40 60

ReZjn, Ом

80

100 120

0

40 80 120 160 200

ReZ„,„. Ом

Рисунок 14 - ОДЗ и годографы входного и выходного импедансов межкаскадной СЦ

i.4S нГн 186 0м 0 5243

10 1? 20 Частота. ГГо

а) 6)

Рисунок 15 - а) принципиальная схема МШУ диапазона 8-12 ГГц; б) результаты моделирования частотных характеристик МШУ Результирующая схема МШУ на идеальных элементах показана на рис. 15я, а результаты моделирования его частотных характеристик - на рис. 156. МШУ имеет следующие параметры: G = 24 ± 0,13 дБ, F= 0,99 дБ, |5ц| < -10,33 дБ, |&| < -10,49 дБ.

Рассматривается проектирование сверхширокополосного монолитного однокаскадного МШУ диапазона 3-20 ГГц с цепью параллельной ОС на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии компании Win (Тайвань). Такие усилители используются в широкополосных системах связи, измерительном оборудовании, в системах военного назначения и т.д. Задавались следующие требования к МШУ: G = 11±1 дБ; F < 2,5 дБ; |5п| < -9,63 дБ; |&2| ^ -9,63 дБ; к >1. С помощью программы Amp были получены ОДЗ импеданса цепи ОС (рис. 16а). При этом индуктивности в цепях истока, затвора и стока транзистора (рис. 166) выбирались таким образом, чтобы удовлетворить следующим условиям: 1) ОДЗ должны существовать во всей полосе рабочих частот; 2) размер ОДЗ должен быть максимальным; 3) расположение ОДЗ должно отвечать цепям ОС наименьшей сложности (например, цепям с постоянной вещественной составляющей комплексного сопротивления или проводимости). По полученным ОДЗ с использованием программы Locus была синтезирована цепь ОС (рис. 16а). Далее в схему были добавлены разделительные конденсаторы и цепи питания, результирующая схема МШУ приведена на рис. 166. После разработки топологии МИС МШУ выполнено ^

моделирование с учетом моделей реальных рИсунок 1 б - а) ОДЗ и годограф импеданса

пассивных монолитных элементов (рис. 176). После изготовления МИС (рис. 17а) в НОЦ

цепи ОС; б) принципиальная схема МШУ диапазона 3-20 ГГц

л». дБм

б) в) Рисунок 17 - а) фотография кристалла МИС МШУ диапазона .1-20 ГГц (1,3x0.7 мм2): б) результаты моделирования и измерений МИС МШУ; в) зависимости выходной мощности и коэффициента усиления от входной мощности на частоте 18 ГГц (эксперимент) «Нанотехнологии» ТУСУР были проведены экспериментальные зондовые измерения опытных образцов усилителя, результаты представлены на рис. 176, в.

Основные параметры МШУ следующие: полоса частот 3-20 ГГц; С = 10,7 ±0,7 дБ, ^ = 2,6 дБ, |5'п| < -10,0 дБ, |5м| < -9,8 дБ; выходная мощность Р1лБ < 10,5 дБм; ипт = 2 В. /пит = 45 мА. Сравнение этих показателей с параметрами серийно выпускаемых зарубежными фирмами усилителей-аналогов показывает, что разработанный МШУ по совокупности характеристик не уступает своим аналогам, а, наоборот, превосходит многие из них.

Рассматривается также проектирование МШУ диапазона 0,9-2,1 ГГц, выполняемого по технологии печатного монтажа. Усилители этого частотного диапазона используются в глобальных навигационных спутниковых системах, мобильной связи, в системах специального

назначения. Достоинством технологии печатного монтажа с применением поверхностных (8МО) компонентов является большая добротность

пассивных элементов по сравнению с монолитными, что приводит к уменьшению коэффициента шума и увеличению коэффициента усиления усилителя.

При проектировании МШУ предъявлялись

следующие требования:

Рисунок 18 - а) принципиальная схема МШУ диапазона

0.9-2,1 ГГц на идеальных элементах; б) результаты моделирования и измерений частотных характеристик МШУ; в) фотография опытного образца МШУ (45x25 мм')

G > 30 дБ; AG = ±1,5 дБ; F<0,8 дБ; |5п| <-10 дБ; ^ < -10 дБ; Ä-> 1. Проектирование вьшолнядоеь с помощью комплекса программ «визуального» проектирования. ОДЗ на плоскостях входного и выходного импедансов входной, выходной и межкаскадной СЦ были получены с помощью программы Region, синтез всех СЦ осуществлялся с использованием новой версии программы Locus. Спад АЧХ транзисторов компенсировался межкаскадной СЦ.

Принципиальная схема усилителя на идеальных элементах представлена на рис. 18а. После изготовления МШУ на печатной плате (материал фирмы Rogers) были проведены измерения опытного образца усилителя (рис. 186). Фотография опытного образца МШУ представлена на рис. 18в.

Параметры усилителя следующие: полоса частот 0,9-2,1 ГГц; G = 30,4 ± 1,0 дБ, F = 0,87 дБ, |5п| < -10,1 дБ, |5у < -10,1 дБ; Um = 4 В, /шп=120мА. МШУ по совокупности характеристик находится на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов.

Заключение. Основные результаты работы сводятся к следующему.

1) Предложена и исследована новая методика интерактивного «визуального» проектирования реактивных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном элементном базисах для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки. Методика является простой и наглядной, позволяет контролировать структуру и параметры элементов СЦ, способствует нахождению цепей наименьшей сложности. Это дает возможность синтезировать удобные для практической реализации цепи.

2) На этой основе впервые предложена и реализована интерактивная «визуальная» процедура проектирования реактивных цепей по заданным на фиксированных частотах ОДЗ входного и выходного иммитансов. Это позволяет проектировать многокаскадные СВЧ транзисторные усилители с реактивными СЦ только «визуальными» средствами и упрощает процесс разработки СВЧ устройств.

3) Предложена, реализована и исследована комбинированная процедура интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании КЦ и СЦ на сосредоточенных и распределенных элементах, в том числе при комплексных нагрузках и при задании требований ко входному и (или) выходному иммитансам цепей в виде ОДЗ. Данная процедура уменьшает время и трудоемкость синтеза, снижает требования к квалификации и опыту проектировщика.

4) С участием автора разработана специализированная программная платформа Indesys, предназначенная для разработки программ синтеза, автоматизации измерений и построения моделей элементов.

5) Разработана новая версия программы Locus. В ней реализованы подходы, предложенные в данной работе. Гибкая архитектура программы позволяет быстро наращивать новые функциональные возможности.

б) С помощью программы Locus решен ряд тестовых и практических задач синтеза СЦ, выполнена разработка СВЧ транзисторных усилителей на основе монолитной и печатной технологий. Результаты моделирования усилителей подтверждают достоверность и эффективность предложенных методик. Характеристики разработанных усилителей находятся на уровне лучших зарубежных и отечественных разработок.

Приложение А содержит описание методики проектирования многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными СЦ. В Приложении Б приведен обзор программной платформы Indesys, инструментальных средств, которые были использованы при ее разработке, приведено описание архитектуры. В Приложении В описывается архитектура новой версии программы Locus. В Приложении Г приведено описание интерфейса программы Locus 2.0. В Приложепии Д приведена структура файлов исходных данных, используемых в программе Locus. Приложение Е содержит структуры сосредоточенных и распределенных типовых цепей программы Locus. Приложения Ж и 3 содержат акты внедрения и свидетельства о регистрации программ, разработанных в рамках диссертационной работы.

Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ. Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Самуилов А. А. Программа «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей LOCUS на базе среды Indesys // Доклады ТУСУР. -2012-№ 2 (26), часть 2. - С. 119-126. (ISSN 1818-0442)

2. Samuilov А.А., Babak L.I. Locus Software for «Visual» Design of Correcting and Matching Networks, based on Indesys Environment // Innovations in Information and Communication Science and Technology IICST, 2012. - P. 183-189

3. Бабак Л.И., Дорофеев С.Ю., Песков M.A., Черкашин М.В., Шеерман Ф.И., Абрамов А.О., Самуилов А.А. Разработка интеллектуальной системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройсгв INDESYS // Доклады ТУСУР. -Издательство ТУСУРа. - 2010 2 (22) - С. 93-96.

4. Добуш И.М., Самуилов А.А., Калентьев А.А., Горяинов А.Е., Бабак Л.И. «Визуальное» проектирование монолитного мало шумящего усилителя диапазона 2-18 ГГц // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013). Севастополь, 9-13 сентября 2013 г.: Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2013. - Т. 2. - С. 151-152. ISBN 978-966-335-374-6.

5. Самуилов А.А., Черкашин М.В., Бабак Л.И. Методика «визуального» проектирования цепей для согласования двух комплексных нагрузок // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013). Севастополь, 9-13 сентября 2013 г.: Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2013. - Т. 2. - С. 153-154. ISBN 978-966-335-374-6.

6. Самуилов А.А. Черкашин М.В., Бабак Л.И. Методика «визуального» проектирования цепей на сосредоточенных элементах для широкополосного согласования двух комплексных нагрузок. // сборник докладов ТУ СУР, № 2 (28); издательство ТУСУР. - 2013. - С. 30-39.

7. Самуилов А.А. Комбинированная процедура интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании корректирующих и согласующих цепей // Theoretical & Applied Science, №9 (17); 2014.-С. 153-162.

8. Самуилов А.А., Добуш И.М., Калентьев А.А. Разработка малошумящего усилителя диапазона 0,9-2,1 ГГц на печатной плате с использованием комплекса программ «визуального» проектирования // Theoretical & Applied Science, №9 (17); 2014.-С. 153-162.

Тираж 100 экз. Заказ 935. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.