автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Проектирование СВЧ монолитных интегральных устройств на основе преобразования моделей элементов

На правах рукописи

Шеерман Фёдор Иванович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2007

003064943

Работа выполнена на кафедре Компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (г. Томск).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Бабак Леонид Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сычёв Александр Николаевич

кандидат технических наук, Судейко Геннадий Иванович

Ведущая организация: Новосибирский государственный

технический университет (НГТУ), г. Новосибирск

Защита состоится « 18 » сентября 2007 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050 г. Томск, проспект Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050 г. Томск ул. Вершинина, 74, корпус ФЭТ.

Автореферат разослан «_»_2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор технических наук, профессор

В.Н. Татаринов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящий период во всем мире наблюдается исключительно быстрое развитие радиоэлектронных средств в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Это обусловлено, прежде всего, возрастающими потребностями общества в передаче, приеме и обработке информации. СВЧ радиоэлектронные системы (РЭС) используются в таких областях, как космическая, спутниковая, сотовая связь, радиовещание, телевидение, радиолокация, телеметрия, измерительная техника, беспроводные системы передачи данных и др.

Особенностью современного этапа развития СВЧ РЭС является все более широкое внедрение полупроводниковых устройств (ППУ) и, в частности, монолитных интегральных схем (МИС). Помимо улучшения основных технических параметров РЭС, таких, как точность и дальность действия, пропускная и разрешающая способности, применение СВЧ МИС позволяет кардинально снизить массу и габариты, повысить надежность и КПД, уменьшить стоимость при серийном производстве и т.д. При отсутствии технологии МИС принципиально невозможно создавать современные РЭС гражданского и военного назначения с высокими качественными характеристиками.

В настоящее время несколько российских организаций разрабатывают отечественные технологии изготовления МИС. К ним относятся ФГУП «Исток» (г. Фрязино), ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва), институт СВЧ полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) РАН (г. Москва), НПФ «Микран» (г. Томск), ФГУП НИИ полупроводниковых приборов (НИИПП, г. Томск) и др.

Как показала мировая практика, успешное создание СВЧ интегральных устройств связано с решением не только технологических проблем, но и не менее сложных задач проектирования МИС.

В частности, важнейшей проблемой, с которой сталкивается разработчик, является точное моделирование СВЧ устройств в заданном частотном диапазоне. Для этого используются современные программные средства автоматизированного проектирования СВЧ устройств. Однако успешное проектирование СВЧ устройств возможно только при условии создания библиотек топологических и электрических моделей элементов МИС, отражающих особенности технологии изготовителя, и интеграции этих библиотек в распространенные системы моделирования СВЧ устройств. При разработке и внедрении отечественных технологий изготовления СВЧ МИС такие библиотеки требуется создавать заново.

Другой важнейшей проблемой является автоматизированная подготовка топологии СВЧ МИС с использованием элементов используемой технологии. На этом этапе должен быть осуществлен выбор (синтез) принципиальной схемы и топологии СВЧ монолитного интегрального устройства (МИУ), удовлетворяющих поставленным требованиям. Сейчас, как правило, выбор схемы и топологии МИУ осуществляется на основе эвристического подхода с использованием опыта разработчика, упрощенных инженерных методик расчета, методом проб и ошибок и т.д. Решение этой

задачи требует очень квалифицированных кадров со знаниями в области схемотехники, СВЧ техники и интегральной технологии. Обычным является применение многократного моделирования различных вариантов схем и топологий при разных сочетаниях параметров элементов, а также многократной оптимизации МИУ. Это делает процесс создания СВЧ МИС длительным и трудоемким и не гарантирует получения наилучших результатов.

Таким образом, задача создания библиотек моделей, методов и программных средств для автоматизированного проектирования (синтеза) СВЧ МИС на основе отечественных технологий является актуальной.

Задачи синтеза пассивных корректирующих (КЦ) и согласующих цепей (СЦ), а также активных ППУ с КЦ и СЦ рассматривались в работах Шварца Н.З, Толстого А.И., Петрова Г.В., ТекшеваВ.Б, Манченко Л.В., Казанджана Н.Н, Гасанова Л.Г., Бабака Л.И., Карлина Г., Ярмана Б., Никласа К., Меллора Д., Абри П., Гонзапеса Г., Бессера И. и др.

Существующие методы синтеза позволяют достаточно успешно (с учетом определенных ограничений) решать задачи синтеза КЦ и СЦ, а также линейных ППУ с КЦ и СЦ, построенных с использованием идеальных элементов (идеальных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивностей линий передачи и т. д.). Для синтеза пассивных КЦ и СЦ целесообразно использовать метод областей, при котором могут быть заданы произвольные требования к цепям в виде областей допустимых значений (ОДЗ) иммитанса. Для проектирования сложных активных СВЧ устройств наиболее удобным и перспективным в настоящее время является декомпозиционный метод синтеза (ДМС), который позволяет осуществить структурный синтез ППУ различных типов с учетом комплекса требований к характеристикам. При этом задача проектирования решается в два этапа:

1) выбор структурной схемы устройства и определение на фиксированных частотах рабочего диапазона ОДЗ параметров КЦ (например, иммитансных параметров или параметров рассеяния) по совокупности требований к характеристикам ППУ;

2) синтез (выбор структуры и расчет элементов) КЦ по полученным ОДЗ.

Для решения задачи на втором этапе могут применяться интерактивные «визуальные» методики совместно с методом областей.

Однако задача схемотехнического синтеза МИС сопряжена с особыми трудностями. Это объясняется следующими особенностями: элементы МИС описываются сложными моделями, так как обладают потерями и паразитными параметрами, которые должны быть учтены при проектировании; при выборе (синтезе) принципиальной схемы необходимо учитывать топологическую реализацию МИС и ограничения на параметры элементов.

В настоящее время широко используется следующий подход к проектированию СВЧ МИС. Вначале, исходя из требований к МИС, рассчитывается или синтезируется первоначальная цепь на идеальных пассивных элементах (активные элементы описы-

ваются эквивалентными схемами или S-параметрами). При этом могут использоваться упомянутые выше методы расчета и синтеза СВЧ устройств. Затем по электрическим параметрам идеальных пассивных элементов определяются конструктивные параметры (обычно геометрические размеры) соответствующих монолитных интегральных (МИ) элементов. Идеальные элементы в цени заменяются сложными моделями МИ-элементов (например, в виде эквивалентных схем или электромагнитных моделей). После этого проводится параметрическая оптимизация результирующей цепи в пространстве конструктивных параметров МИ-элементов.

Как показала практика, описанный подход обладает рядом существенных недостатков: большая трудоемкость, значительные временные затраты; результат оптимизации сильно зависит от выбора начального приближения; кроме того, нет гарантии, что первоначально выбранная структура цепи при -замене идеальных элементов на монолитные сможет удовлетворить поставленным требованиям.

Для снижения временных затрат и трудоемкости, улучшения характеристик устройств методики проектирования СВЧ МИС должны учитывать паразитные параметры элементов уже на этапе выбора (синтеза) структуры цепи, обеспечивать хорошее начальное приближение при выполнении параметрической оптимизации. В литературе неоднократно рассматривались методы синтеза цепей с учетом потерь, однако все они обладают рядом ограничений и малопригодны для МИС.

Ранее Л. И. Бабаком был предложен подход к автоматизированному проектированию МИС на основе преобразования моделей (рис. 1). Суть подхода заключается в следующем. Вначале выбирается или генерируется (с использованием известных методов синтеза) исходная цепь на идеальных элементах. Далее по идеальной цепи автоматически строится монолитная цепь, при этом каждый идеальный пассивный элемент заменяется моделью соответствующего МИ-элемента. Размеры МИ-элементов автоматически рассчитываются по известным электрическим параметрам идеальных элементов. Таким образом, параметры моделей элементов МИ-цепи (геометрические размеры) оказываются связанными с величинами элементов идеальной цени. Кроме моделей МИ-элементов, МИ-цепь может также включать модели соединительных линий (мик-рополосковые линии, тройники) и заземляющих отверстий (VIA) в подложке, нозво-

^ Начало ^

X

Требования к МИС, активная либо пассивная цепь

Выбор или генерация начальной

структуры идеальной цепи и начальных значений элементов

Автоматический переход от идеальной цепи к реальной МИ цепи с потерями и паразитными параметрами

Изменение значений

элементов или структуры идеальной цепи

Рисунок 1 - Схема процесса оптимизации и синтеза МПС

ляющие более точно учесть особенности реализации и топологию конкретной цепи. Затем выполняется моделирование монолитной цепи и вычисление целевой функции, оценивающей отличие ее характеристик от требуемых значений. По результатам этой оценки осуществляется изменение структуры и (или) параметров идеальной цепи и соответствующей МИ-цепи. Таким образом, синтез монолитной цепи производится с использованием точных моделей МИ-элементов, учитывающих потери и паразитные параметры. В результате обеспечивается хорошее начальное приближение для последующей оптимизации.

. Описанная процедура является универсальной и представляется весьма эффективной при синтезе СВЧ МИУ различных типов. Однако до настоящего времени она не была практически реализована, ряд вопросов требует дальнейшего исследования. В частности, не исследованы вопросы выбора быстродействующих моделей МИ-элементов, не проверена на конкретных моделях процедура автоматического расчета геометрических размеров, не рассмотрено совместное применение преобразования моделей, ДМС и метода областей для проектирования активных и пассивных СВЧ монолитных цепей, не рассмотрены вопросы реализации методики в существующих САПР СВЧ устройств.

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

Цель работы. Целью данной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов проектирования СВЧ МИУ с использованием методики преобразования моделей, декомпозиционного метода синтеза и метода областей; реализация на этой основе программных систем проектирования СВЧ МИУ; построение и верификация библиотек моделей элементов, проектирование и исследование СВЧ МИУ на базе отечественных ваАв МЕБНЕ Г и рНЕМТ монолитных технологий.

Цель работы достигается решением следующих основных задач.

1. Построение и верификация моделей основных элементов МИС для отечественных 0,3 мкм ваЛв МЕЭЕЕТ (НИИПП, НПФ «Микран») и 0,15 мкм ваАв рНЕМТ (ИС-ВЧПЭ РАН) технологий изготовления.

2. Разработка процедур автоматического перехода от идеальных пассивных элементов к МИ-элементам с произвольными потерями и паразитными параметрами.

3. Разработка способов проектирования цепей на распределенных элементах.

4. Разработка и исследование методики «визуального» проектирования КЦ и СЦ на монолитных элементах по ОДЗ иммитанса.

5. Разработка методик проектирования монолитиых транзисторных СВЧ усилителей на основе декомпозиционного метода синтеза и интерактивных визуальных процедур.

6. Разработка способов интеграции программ синтеза и распространенных САПР СВЧ устройств для применения методики преобразования моделей; реализация самостоятельных и интегрированных программных систем автоматизированного проектирования СВЧ МИС.

7. Разработка и исследование СВЧ МИС различного назначения.

Научная новнзиа работы заключается в следующем.

1. Впервые реализована и исследована методика проектирования (синтеза и оптимизации) СВЧ МИУ на основе преобразования моделей элементов, позволяющая учесть потери и паразитные параметры монолитных элементов.

2. Впервые предложены процедуры автоматического расчета геометрических параметров пассивных элементов МИС по электрическим параметрам идеальных элементов на основе одномерной и адаптивной многомерной интерполяции.

3. Предложен новый способ проектирования распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей, основанный на использовании сосредоточенных идеальных цепей-прототипов и методики преобразования моделей элементов.

4. Предложены интерактивные методики «визуального» проектирования КЦ и СЦ, а также транзисторных усилителей на монолитных элементах на основе метода областей, ДМС и преобразования моделей элементов.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Построены модели основных типов МИ-элементов, позволяющие осуществить проектирование СВЧ МИУ, выполненных по отечественным ОаАя МЕ8РНТ и рНЕМТ технологиям.

2. Разработаны программные модули и способы интеграции, позволяющие в интегрированной среде выполнить синтез и оптимизацию СВЧ МИС с использованием алгоритмов моделирования и библиотек элементов, имеющихся в коммерческих САПР СВЧ устройств.

3. Разработанные алгоритмы, методы и программное обеспечение позволяют сократить время и трудоемкость проектирования СВЧ МИС, разрешают получить устройства с более высокими техническими характеристиками, снижают требования к уровню квалификации и опытности проектировщика. Все это обеспечивает более быстрое выполнение проектных работ при разработке СВЧ МИС, изготавливаемых по отечественным технологиям.

4. С использованием разработанных методов и программ на базе зарубежных и отечественных ОаАз МЕ8КЕТ и рНЕМТ технологий спроектированы СВЧ МИУ различных типов (малошумящие и мощные транзисторные усилители, активные фильтры, конвертеры импеданса, фазовые манипуляторы) с повышенным уровнем требований к комплексу рабочих характеристик. В частности, на основе отечественной 0,15 мкм СаЛБ рНЕМТ технологии разработана и изготовлена первая в России опытная партия гетероструктурных МИС малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 8-12 ГГц с характеристиками на уровне зарубежных аналогов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика преобразования моделей элементов позволяет осуществить синтез и оптимизацию СВЧ МИУ с учетом потерь и паразитных параметров монолитных элементов.

2. Предложенные способы построения функций преобразования позволяют реализовать методику преобразования для любых моделей монолитных элементов, независимо от вида и структуры моделей.

3. Совместное использование методики преобразования и идеальных цепей-прототипов на сосредоточенных элементах позволяет осуществить синтез распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей.

4. Использование методики преобразования моделей элементов совместно с методом областей, ДМС и интерактивными «визуальными» процедурами обеспечивает эффективное проектирование КЦ и СЦ на монолитных элементах, а также СВЧ МИУ с КЦ и СЦ.

Апробация результатов. Представленная работа выполнялась как составная часть НИР на кафедре компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа.

Работа была поддержана фантами международной организации ШТАв (ЮТАБ № 06-1000016-6390 для молодых исследователей и 1ЫТА8-СЫЕ8 №06-1000024-9199), а также являлась частью НИР, выполняемых по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ №06-07-96916, 2006 г.) и Министерства образования и науки РФ (фант 2005 г. по профамме «Развитие научного потенциала высшей школы»).

Основные результаты исследований опубликованы в работах [1-15], а также докладывались на различных симпозиумах и конференциях, в числе которых Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», ТУСУР, г. Томск, 2004 и 2005 гг., Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2005 и 2006 гг., Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2005 и 2007 гг., Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2005, 2006), г. Севастополь, 2005 и 2006 гг., VI научно-техническая конференция «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар-2007), 2007г.

Реализация и »меднение результатов работы. Методы и алгоритмы, представленные в работе, используются при проектировании СВЧ усилителей и других устройств в НПФ «Микран» (г. Томск), ФГУП НИИПП (г. Томск). Созданные про-фаммы внедрены в НПФ «Микран», в Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (IR.COM, г. Лимож, Франция), а также в учебном процессе на кафедре КСУП ТУСУРа. Разработанные методы и программы использовались при разработке монолитного рНЕМТ малошумящего усилителя, совместно выполненной ТУСУР, НПФ «Микран» и ИСВЧПЭ РАН (г. Москва).

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах,

опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ. Из них 1 работа напечатана в журнале, включенном в перечень ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем работы составляет 250 страниц. Основная часть включает 165 страниц, в том числе 120 страниц текста, 123 рисунка и 20 таблиц. Список используемых источников содержит 142 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмечены недостатки существующих подходов к проектированию МИС, определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор видов моделей элементов и рассмотрены методы проектирования СВЧ МИС.

Для использования в программах оптимизации и синтеза модели МИ-элементов должны быть быстродействующими, а также обеспечивать достаточную точность. Этому требованию удовлетворяют следующие группы моделей: модели на базе эквивалентных электрических схем (ЭС-модели), модели на основе многомерных полиномов, модели на базе нейронных сетей. Для построения моделей могут использоваться как результаты измерений, так и результаты полного электромагнитного анализа СВЧ устройств. Проведен обзор ЭС-моделей пассивных элементов МИС: конденсатора, катушки индуктивности, резистора.

Рассмотрены методы структурного синтеза цепей на элементах с потерями, предложенные в работах С. Дарлингтона, Дж. Андерсена, Й. Су, Л. Лиу, Л. Жу, К. Лина, Ч. Дезоера и др. Они могут быть разделены на три группы:

1) аналитические методы, основанные на классическом подходе к синтезу цепей;

2) методы предыскажений;

3) численные методы с использованием методов реальной частоты.

Указанные методы обладают рядом существенных недостатков: требуют громоздких вычислений, не являются универсальными, не позволяют учесть паразитные емкости и индуктивности монолитных элементов, не позволяют проектировать сложные активные ППУ. Отмеченные недостатки делают методы малопригодными для проектирования сложных МИС.

Также в первой главе рассматривается интерактивная «визуальная» процедура проектирования КЦ и СЦ по ОДЗ иммитанса. Она включает два шага: выбор структуры КЦ или СЦ, расчет элементов КЦ или СЦ.

Первая задача решается путем сопоставления расположения ОДЗ на плоскости иммитанса с содержащимися в библиотеке семействами годографов входного иммитанса, построенными для цепей различной структуры.

Для решения второй задачи используется следующий интерактивный подход. Пусть Z(y'ffl, е) - импеданс сосредоточенной цепи; е = (<?,, еи ... , е„) = {R, L, С} - вектор параметров элементов цепи, он включает сопротивления, индуктивности и емкости элементов. Разделим вектор элементов е на два составляющих вектора: е = (ел, <"«)• Вектор сА = (ех, е2) содержит два неизвестных элемента. Вектор ев = (е3,..., е„) содержит остальные элементы, величины которых задаются проектировщиком, это так называемые «управляемые» элементы цепи: ев = е°в.

Среди частот и>к (к = 1,т ) выбирается опорная частота <л,ф на этой частоте задается желаемое (опорное) значение импеданса цепи ZreyB пределах соответствующей ОДЗ Erej{рис. 2). Приравнивая комплексное сопротивление цепи на частоте ыге/ требуемому значению, получим систему уравнений с двумя неизвестными еь е2:

ReZ(ycore/,e„e°) = ReZ Л (])

ImZOw^e^e") = lmZ^j Из (1) может быть найден вектор решения е'л и построен годограф импеданса цепи Z(y"co, е). При этом величины управляемых элементов е^ будут влиять на форму годографа, который будет проходить через неподвижную (опорную) точку Zre/. Изменяя значения опорного импеданса Zref и управляемых элементов цепи, можно добиться попадания импеданса цепи на частотах в соответствующие ОДЗ £* (рис. 2 а). При визуализации описанного процесса ОДЗ и годограф импеданса цепи одновременно отображаются на экране монитора. Управление положением опорной точки Z„f и значениями элементов цепи осуществляется посредством «мыши» и параметрического тюнера При этом изменение формы годографа происходит в режиме реального времени.

Интерактивная «визуальная» методика стимулирует интеллектуальные способности человека анализировать ситуацию, помогает осознанному выбору решений и ведет к повышению качества проектирования.

При «визуальном» проектировании СЦ двухполюсная цепь должна представлять собой реактивный четырехполюсник, ншруженный на резистор (рис. 3). ОДЗ выходного импеданса цепи Z могут быть получены, исходя из ограничений на модуль коэффициента передачи.

Описанная процедура ранее была реализована в программе «визуального» проектирования КЦ и СЦ LOCUS и может быть использована для проектирования МИС с использованием методики преобразования моделей.

Рисунок 2 - Процесс нахождения значений элементов КЦ с заданной структурой

Для проектирования активных МИУ с КЦ и СЦ предлагается использовать ДМС. Метод обеспечивает общий подход к проектированию линейных и нелинейных (линеаризованных) ВЧ и СВЧ ППУ, которые представляются в виде соединения полупроводниковых приборов и пассивных КЦ (согла- /?.<; [1 Н СЦ г^'Ф D сующих цепей, цепей ОС и т. д.). При этом КЦ рассматриваются как управляемая часть цепи, ^

выбором которой добиваются нужных харак- „ , „ ""'

г 1 j г Рисунок 3 - Согласование комплексной

тсристик устройства в целом. нагрузки и активного сопротивления

Вторая глава посвящена выбору и ве- ,епеРат0Ра рификации быстродействующих моделей МИ-элементов, а также исследованию процедур преобразования моделей для основных пассивных элементов МИС.

Для обеспечения необходимой точности должна быть выполнена верификация моделей элементов МИС в заданном диапазоне частот и геометрических размеров элементов. С этой целью были выбраны и исследованы ЭС-модели основных пассивных элементов МИС для 0,18 мкм GaAs рНЕМТ технологии ED02AH (фирма OMMIC, Франция): отрезка МПЛ, неоднородностей в МПЛ, заземляющего отверстия, катушки индуктивности, МДМ-конденсатора, резистора. Выбор технологии ED02AH обусловлен доступностью для нее библиотеки элементов, кроме того, эта технология близка к 0,15 мкм рПЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН. Модели были реализованы в виде программного кода в среде моделирования Microwave Office (MWO) и MATLAB 6.5, верифицированы путем сравнения с результатами полного ЭМ-моделирования и со встроенными моделями среды MWO. Результаты показали, что ЭС-модели в большинстве случаев могут использоваться до частот порядка 25 ГГц.

Далее на основе результатов исследования параметров технологического процесса, а также результатов измерений удельных емкостей и сопротивлений пассивных элементов, S-параметров транзисторов в среде MWO были построены ЭС-модели основных типов активных и пассивных монолитных элементов для 0,3 мкм MESFET технологии НИИПП и 0,15 мкм рНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН.

На примере построенных моделей была разработана и исследована методика преобразования моделей табличным способом. В данной методике как идеальный пассивный элемент (R, L, С), так и соответствующий ему МИ-элемент представляются в виде четырехполюсника (рис. 4) и описываются матрицей параметров W, где VV - одна из матриц Z, Y, S. Пусть W'(e) - матрица идеального элемента; е - электрический параметр идеального элемента (R, L, С); WM(d) - матрица МИ-элемента; d ={di,...,dN) - вектор конструктивных (геометрических) параметров МИ-элемента.

Близость характеристик идеального элемента и МИ-элемента в некотором частотном диапазоне со е [со, ,со(/] можно оценить с помощью критерия

e(e,d)= шах

,o)f; J' «

е = е, = Ь1

о-

д

о-о~

-о

\\м ((1)

.о-

Ь-о сн

Г-О

Рисунок 4 - Преобразование моделей пассивных сосредоточенных элементов МИС

с) = 1с) где ¡«Л - одна из норм матрицы (например,

1-норма, да-норма или евклидова норма).

В частном случае можно сравнивать лишь отдельные элементы матриц \У' и

Среди геометрических параметров МИ-элемента с^,...,^ выбирается один варьируемый параметр, например, (1,. Значения остальных параметров с12,...,с1м фик--О сируются, в этом случае при изменении с1\ будут изменяться форма и размеры МИ-элемента. Могут также задаваться значения «коэффициентов формы» МИ-элемента к„~ (1„ I (1\ (;? = 2, М), при этом значения (12,...,с1н будут следить за значением форма МИ-элемента будет сохраняться, а размеры изменяться пропорционально с!\.

В интервале выбирается множество дискретных значений с!и, п=\,Т.

Для каждого значения с1х = с/и из указанного множества можно найти такое значение электрического параметра е = е,, при котором величина 8 минимальна:

е1 = а^гшп8(е,£/1().

Выполнив эту операцию для множества значений е получим в чис-

ленном виде зависимость

* = (2)

При необходимости может быть найден ряд зависимостей вида (2) для различных сочетаний параметров с12,...,(1К или . Используя (2), можно найти обратную зависимость:

«Г,= ф-'(е). (3)

Зависимость (3) позволяет решить задачу синтеза монолитного элемента, т.е. по электрическому параметру е найти его геометрические размеры (1.

Зависимости и Ф~'(е) аппроксимируются полиномами, коэффициенты

которых сохраняются в памяти ЭВМ. Полученные полиномы позволяют быстро решить задачу перехода от электрических параметров монолитных элементов к геометрическим размерам и наоборот.

Следует отметить, что достаточно точная замена идеального элемента МИ-элементом возможна лишь в том частотном диапазоне, где их характеристики близки между собой. Поэтому требуется выполнить исследование характеристик МИ-

элемента в интервале значений с/, е [а^-,^] при заданных сочетаниях с!2,...,с1ы или кг,...,кк и определить диапазон частот, в котором возможно замена. Целесообразно также построение нескольких полиномов преобразования для различных частотных диапазонов и для разных интервалов изменения с/,.

В частности, при преобразовании параллельно включенной индуктивности (рис. 5) эквивалентность МИ-индуктивности и идеальной индуктивности целесообразно оценивать по мнимой составляющей входного сопротивления.

Для индуктивности спиральной катушки можно записать следующее выражение:

А>)=-11^(0.)=!ьп

и ш

Рисунок 5 - Преобразование модели параллельно включенной индуктивности

[СИ]'

Для диапазона со с [со,, со,, ] частот-нонезависимую индуктивность эквивалентной идеальной катушки ¡\х можно найти как среднее арифметическое между минимальным и максимальным значениями индуктивности (<в) спиральной катушки в этом диапазоне (рис. 6):

" ^(¿Пиип + ¿Пша-ч)' №

Максимальную погрешность в диапазоне со е [со, ,со(/] при замене идеальной индуктивности МИ-индуктивностью удобно оценить с помощью относительного уклонения:

д/ Iм - Iм

Рисунок 6 - Определение индуктивности

о/, = — -100%

А,

где М-Л^-СД

211,

■100%, (5)

Для спиральной катушки в качестве варьируемого параметра целесообразно взять общую длину спирали / , а в качестве фиксированных - ширину проводника IV и величину зазора О.

В качестве примера на рис. 7 приведена зависимость I = ср'1^,) для квадратной спиральной катушки индуктивности при IV = й = 10 мкм в частотном диапазоне 1—ЗГГц, которая аппроксимирована полиномом третьей степени. Относительное уклонение Ы, для индуктивностей от 0,1 до 5,5 нГн при этом не превысило 7 %. Полиномы преобразования также были построены для диапазонов 4-8 ГГц (§¿<8%) и 915 ГГц(5£<11%).

Подобным образом строятся полиномы преобразования для МДМ-конденсатора и ОаЛя-резистора в этих же диапазонах частот.

Описанный табличный метод позволяет строить только одномерные функции преобразования. Поэтому был предложен универсальный алгоритм получения многомерных функций преобразования для произвольных моделей МИ-элементов. Алгоритм позволяет получить искомую зависимость в виде многомерного полинома:

(6)

Полином (6) дает возможность быстро находить значение изменяемого геометрического параметра МИ-элемента с/, по значениям электрического параметра идеального элемента е и фиксированных геометрических параметров .

В основе процедуры лежит адаптивный алгоритм многомерной полиномиальной интерполяции. В этом алгоритме функция 1'(Х), заданная своими значениями на некотором множестве точек = в ограниченной области (гиперпарал-

лелепипеде) й = \х \х~ <х, < = 1 ,...,п\ вещественного пространства Я", интерполируется многомерным полиномом М(Х):

/, мм

/ и ,нГн

1 2 3 4 5 6 /'(¿|]) = 0,029 + 1.272^1, + 0,183(^1/ +0,014(74,)'

^Г)«Л/(.Г) = £риВ„(*)=£РлГК" , (7)

т т 1=1

где X = [*,,. -,хп] - вектор аргументов функ-

п

ции; п - число переменных; = -

I-1

мономы; ет1 - показатель степени; Рт - весо-

Рисунок 7 -Аппроксимация зависимости вые коэффициенты, которые вычисляются пу-

/ (Ь,.) в частотном диапазоне 1-ЗГТц - г~/ \ и/ \

тем приравнивания значении г(х) и м (х) в

точках

Процесс построения полинома итерационный. Он начинается на множестве начальных точек, заданных на границе области О, затем точки добавляются по одной адаптивно на основе оценки функции ошибки. В качестве функции ошибки (рефлективной функции) Я(Х) используется расстояние между текущим полиномом

М п(X) = ^$тВт{Х) и полиномом на предыдущем шаге М¡ (X) - ^Р>„Вт(Х):

т=0 т=0

К{Х) = \МН(Х)-М,\Х)\. (8)

Новая точка выбирается вблизи максимума рефлективной функции тах Н(Х).

Функция (8) характеризует абсолютные отклонения функций, однако, практическое применение описываемого алгоритма показало, что целесообразнее использовать рефлективные функции, описывающие относительные отклонения.

По мере добавления новых точек добавляются и новые члены к полиному (7). Процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность А: max R(X) < Д.

ХаО

В случае применения алгоритма для построения функции преобразования в качестве вектора параметров X выступает вектор \e,d2,...,dN\. Задача состоит в построении полинома Р(Х), определяющего зависимость d, - Р(Х) при изменении вектора X, т.е. параметров e,d2,...,dN в пределах заданной области D е R". Для ее решения необходимо для каждого значения вектора X = XiS) знать соответствующую величину геометрического параметра dt = ¿|<Л|. Иначе говоря, требуется найти такое d[s>, при котором для известных diiS),...,dl£) значение электрического параметра МИ-

элемента будет равно e{S).

Решение последней задачи осуществляется с помощью оптимизационного алгоритма. Находится значение d\S), которое соответствует минимуму функции ошибки &(с<л',(1<л)), имеющей смысл усредненной по частотам относительной разности между 5-параметрами идеального элемента и МИ-элемента в заданном частотном диапазоне со е [ш, ,<о„] при фиксированных :

d,(x> = argmjn Er(e(S), d(s>). (9)

После вычисления значений djS), S = 1,..., Nsa они используются для построения полинома МН(Х). Далее в области D генерируется новая точка X для нее в

результате решения задачи (9) находится соответствующее значение с/|(Л'Л<> 4|) и т.д. По завершении интерполяционного алгоритма получаем искомый многомерный полином dj = Р (e,dv..dN).

Описанный общий адаптивный алгоритм многомерной интерполяции был реализован в программе Model Builder. Программа в автоматическом режиме взаимодействует со средой моделирования MWO. В MWO передаются текущие значения параметра e(S) и вектора d(s), затем для внутренних моделей среды при помощи встроенных алгоритмов моделирования и оптимизации находится значение d[s>, которое возвращается в программу Model Builder.

В качестве примера на рис. 8 приведены результаты построения многомерного полинома преобразования для модели параллельно включенного монолитного МДМ-конденсатора, выполненного по технологии НИИПП. МДМ-конденсатор в среде MWO описывается моделью TFCM. Изменяемым геометрическим параметром являлась длина конденсатора /, независимым - коэффициент формы k = Wll (где W-ширина конденсатора), а электрическим параметром — емкость идеального конденсатора С. Полином преобразования, описывающий зависимость / - ф"'(СД), построен в частотном диапазоне 1-4 ГГц для интервалов значений С =■ 0,1. ..10 пФ, к — 0,5...2.

выла задана требуемая точность Л = 2 мкм. По завершении работы алгоритма был получен полином из 49 членов, максимальная степень полинома — 7. 1 рафик зависимости 1=Р{С,к) представлен на рис. 8, а. На рис. 8,6 представлена поверхность функции относительной ошибки, характеризующей отличие коэффициента отражения идеального конденсатора и МДМ-конденсатора, размерь| которого получены с использованием полинома преобразован и я.

Ннсунок Я - I (реобря юваи Иг мал ели МДМ^идснсатора:

а) - завися и огть для а ы конденсатора ! от емкости С н коэффициен та формы к;

б) - ошибка преобразования на частоте 1 ГГц

В гваве Также, предлагается методика синтеза рас преде; к иных и сосредоточенно-распределен н ых цепей, основанная на преобразовании моделей пассивных элементов. Согласно методике, в качестве цеп и-прототипа используется идеальная сосредоточенная цепь, а в качестве ассоциированной цепи - соответствующая распределенная или сосредоточенно-распределенная цепь. В процессе синтеза оцениваются характеристики распределенной (сосредоточенКо-распредеяенной) цепи, по результатам оценки изменяется структура и значения элементов идеальной сосредоточенной цепи-прототипа. Значения цемен-

тов цепи-прогочила связаны с параметрами распределенных цепей функциями преобразования. Таким образом можно синтезировать распределенные и еОсредоточеннераспределенные цепи как па идеальных, так и на МОНОЛИТНЫХ элементах. В качестве функций преобразования используются известные аналитические соотношения, позволяющие перейти от сосредоточенных реактивных элементов к .................. (табл. I)

Таблиц» 1 - Преобразования распределенная элементов___

Сосредоточен ныЙ элемент

О-1—-с

Распределенный элемент

1-Я,

Ш

о—

С

Формула преобразования____

/ =

Ш

В третьей главе рассматривается применение методики преобразования моделей для проектирования СВЧ МИС. Вначале предлагается и исследуется интерактивная методика «визуального» проектирования двухполюсных КЦ и четырехполюсных СЦ непосредственно на монолитных элементах с учетом потерь и паразитных параметров. Методика основана на «визуальной» процедуре проектирования КЦ и СЦ и состоит в следующем. На экране компьютера вместе с ОДЗ отображаются одновременно два взаимосвязанных годографа импеданса — идеальной цепи 2'(у'(й) и соответствующей ей МИ-цепи 2А'(ум) (рис. 9). В МИ-цепи каждый идеальный элемент (сопротивление, индуктивность, емкость, идеальная линия передачи) заменяется моделью соответствующего МИ-элемента, геометрические размеры которого рассчитываются по известным электрическим параметрам идеальных элементов с использованием формул преобразования, полученных одним из способов, предложенных в главе 2.

Если изменять форму годографа идеальной цепи, варьируя ее элементы, то при этом будет изменяться и форма годографа МИ-цепи.

Задача состоит в определении структуры и геометрических параметров элементов МИ-цепи для выполнения условия

2МОЧ)е£4Д = 17ш, (10)

где Ек - области допустимых значений для импеданса КЦ.

Вначале пользователь по ОДЗ иммитанса выбирает структуру идеальной КЦ, тем самым задается и структура ассоциированной МИ-цепи. Затем, управляя формой

годографа идеальной цепи, пользователь добивается попадания в ОДЗ точек годографа монолитной цепи (рис. 9). При этом он может быстро оценить, возможно ли с помощью МИ-цепи выбранной структуры удовлетворить указанному требованию. Таким образом, влияние потерь и паразитных параметров в МИ-элементах учитывается при выборе как структуры, так и величин элементов монолитной КЦ. Кроме того, возможно в реальном времени контролировать топологию МИ-цепи.

Особенностью проектирования монолитных СЦ является то, что, при наличии потерь в цепи отсутствует однозначная связь между коэффициентами отражения на

Рисунок 9 - Процедура интерактивного визуального проектирования монолитных КЦ

входе т, и выходе т2 и коэффициентом передачи G. Размещение точек годографа выходного сопротивления МИ-цепи 2м(ja) в ОДЗ Ек позволяет точно контролировать значение т2, однако не гарантирует получения необходимых уровней согласования на входе т, и коэффициента передачи G. Поэтому указанные характеристики необходимо в процессе проектирования контролировать дополнительно в режиме реального времени.

Описанная интерактивная процедура была реализована в программе LOCUS/M - MMIC, выполненной в среде инженерных расчетов MATLAB, и в интегрированной среде визуального проектирования монолитных КЦ и СЦ LOCUS-MMIC-MWO.

На примере проектирования нагрузки для конвертера иммитанса показано использование разработанной «визуальной» методики для проектирования двухполюсных КЦ.

Для оценки эффективности предложенной методики при проектировании монолитных СЦ рассмотрено решение известной тестовой задачи Фано: синтезировать цепь для согласования трехэлементной RLC-нагрузки (I.,, = 3,66 нГн, С, = 0, 76 пФ, RL = 50 Ом) с резистивным сопротивлением генератора в полосе частот/= 0...5 ГГц (рис. 3). Монолитная СЦ проектировалась при использовании технологии ED02AH фирмы OMMIC. При проектировании использовалась интегрированная среда LO-CUS-MMIC-MWO.

Исходя из расположения ОДЗ, соответствующих значению коэффициента передачи СЦ G>0,84, в программе LOCUS были выбраны идеальные цепи-прототипы, по которым в среде MWO автоматически строились соответствующие реализации монолитных СЦ (рис. 10).

G На рис. 11 приведены частотные зависи-

мости коэффициента передачи монолитных СЦ, а в табл. 2 приводятся сравнительные характеристики, здесь /и1т„, т2т3х - максимальные значения модулей коэффициентов отражения на входе и выходе СЦ в полосе согласования; Gmm - минимальное значение коэффициента передачи по мощности СЦ в полосе согласования; AG — неравномерность частотной характеристики передачи мощности. Наименьшие потери за счет поглощения мощности имеет

Рисунок 10 —Топология монолитных согласующих цепей

Q85

0.8

0.65

4 А

]

0 0.5 1

1.5 2 25 3 3.5 4 4.5 5 Частота, ГГц

Рисунок II — Частотные харастсристн-ки передачи мощности СЦ на монолитных элементах

Цепь 3, это можно объяснить отсутствием заземляющих отверстий.

Приведенный пример показал эффективность процедуры «визуального» проектирования монолитных КЦ и СЦ в разработанной интегрированной среде. При ее использовании проектировщик может в режиме реального времени быстро сравнить с учетом паразитных эффектов характеристики монолитных СЦ с разными структурами и (или) топологиями и выбрать лучший вариант. Это значительно уменьшает трудоемкость и повышает качество проектирования МИС.

Пример также показал, что структура идеальной цепи, обеспечивающая наилучшие характеристики (Цепь 2) , не всегда ведет к оптимальной монолитной цепи.

Таблица 2 - Характеристики монолитных согласующих цепей

Цепь Рис. Значения элементов идеальных цепей-прототипов Gjnm AG Wlmax f 2m¡l\ Габариты, мкм

1 10а С1=0,126 пФ; С2=0,43 пФ; L=4,38 нГн: Rs= 105 Ом 0,687 0,12 0,465 0,427 710x480

2 106 С1=0,19 пФ; С2=0,37 пФ; L=I,9 нГн; Rs= 105 Ом 0,668 0,2 0,432 0,426 610*490

3 10 в С 1=0,22 пФ; С2=0,5 пФ; L=4,9 нГн; Rs= 108 Ом 0,703 0,07 0,491 0,427 1400x1180

Для проверки методики «визуального» проектирования распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей с использованием преобразования моделей также было рассмотрено проектирование СЦ на отрезках идеальных линий передачи для задачи Фано в полосе частот/= 0.. Л ГГц (¿,. = 18,3 нГн, С, = 3,82 пФ, Я,, = 50 Ом). Полученные СЦ и их характеристики приведены в таблице 3 (здесь |Г|пмх - максимальное значение модуля коэффициента отражения).

Таблица 3 - Результаты синтеза распределенных и сосредоточенно-распределенных СЦ

Цепь Значения элементов Gm¡„ AG iru

TU TL2 i u -о^ч CL TL3 TLl: Z=l25 Ом, 0 = 102°; TL2: Z = 75 Ом, 9= 14,4°; TL3: Z = 50 Ом, 0 = 34°; Rs =120 Ом 0,8091 0,0653 0,437

TL1 U 4n* h-o-o—' TLl: Z= 125 Ом,0 = 98°; C1 =0,781 пФ; C2 = 2,334 пФ; Rs =120 Ом 0,824 0,09 0,420

В четвертой главе анализируются способы реализации методики преобразования моделей в программах проектирования, приводится описание разработанных программ и программных модулей. Также представлены результаты разработки МИС различного назначения.

На основе алгоритма, предложенного в главе 2, реализована программа адаптивного построения моделей и функций преобразования в виде многомерных полиномов - Model Builder. Благодаря интеграции со средой моделирования MWO про-

грамма позволяет строить функций преобразования для любых моделей, имеющихся в этой среде. Кроме того, программа позволяет интерполирован, любую зависимость, которая рассчитывается с помощью среды MWO, и построить быстродействующую модель на основе многомерных полиномов. Программа реализована в среде программирования Visual С++.

Было рассмотрено гри возможных варианта построения среды проектирования на базе методики преобразования:

1. Формулы преобразования реализуются в уже имеющихся системах (средах) проектирования СВЧ устройств (рис. 12,а). В среде проектирования строится идеальная цепь-прототип и монолитный аналог. Для получения счемы на идеальных элементах могут использоваться интегрированные н среду программы синтеза. Значения элементов монолитной цепи связываются ¡гри помощи формул преобразования со значениями элементов идеальной цени-проготииа. 1 [роектировщик может в интерактивном режиме или автоматически в процессе оптимизаций изменять значения элементов идеальной цепи н пут же контролировать характеристики получившейся монолитной цепи. Этот оариант построения не позволяет использовать внешние программы синтеза, а имеющийся набор встроенных средств синтеза ограничен,

2. Во втором варианте (рис, 12,6) модели элементов вместе с формулами преобразования реализуются в существующих программах синтеза в виде дополнительных профаммных модулей. Кроме тот, здесь же реализуется алгоритм анализа монолитных схем.

3. В третьем варианте (рис. !2.в) реализуется автоматическое взаимодействие программ синтеза и среды моделирования, в результате которого идеальные схемы генерируются в программах синтеза, по ним с использованием формул преобразования строятся монолитные аналоги. Для расчета характеристик монолитных цепей используются модели и алгоритмы, встроенные н среду моделирования.

Первый вариант построения среды проектирования на основе методики преобразования моделей реализован в среде MWO для осу-

Среда моделирования и модели МИ-элементов

IПрограммы сйнТеэа^ I" "Фор"му7ТьР —I I и оптимизации ' | преобразования I I цепей на идеальных 1 | для модемен I ¡ _ элемента^ ___' | М/ элементов i

а)

Программы синтеза и оптимизации цепей на идеальных элементах

Г формулы ^ Г Среда | f преобразования f I моделирования I I для моделей ( I и модели МИ- I МИ-элементов , I__элементов I

Гпрограммы синтеза I [ Характеристики С Среда | 1 и оптимизации I \yf схемы____|| моделирований | I целей на идеальных 'sCí^^HZHT" 11 м°Дели \ I элементах___I ~ "г1 элеллентов^ |

Схема на идеал элементах

Формулы преобраэова! 1 ДЛЯ Моделей I _МИ - элемен то в_

Скема на МИ-эг te мент а х

Рисунок 12 - Варна« гы построения среды проектировании МИ-иенеЙ ня бя!е ме голики преопракжянин

ществления оптимизации монолит- моделей

пых схем в пространстве электрических параметров идеальных цепей-прототипов. Методика преобразования позволяет сделать процесс оптимизации более удобным и повысить ei-o эффективность.

Второй вариант построения среды проектирования осуществлен н виде программы LOCUS/M - MMIC, написанной в среде инженерных расчетов MAT LAB. В программе были реализованы модели основных монолитных элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, соединительные линии), ff ключ сны формулы преобразовании и алгоритм модели ро вапн я на основе объединения матриц S-параметров, что позволяет проектировать несложные монолитные КЦ и СЦ.

Третий вариант реализован в виде интегрированной среды визуальною проектирования монолитных КЦ и СЦ LOCUS-MM1C-MWO. построенной при помощи технологии COM-Automation па базе программы LOCUS (Visual С+ + , автор Зайцев Д. А.), и среды моделирования MWO (рис. 13). Интегрированная среда позволяет проектировать сложные КЦ и СЦ па основе моделей и алгоритмов моделирования, имеющихся в MWO, а также разрабатывать их топологий в интерактивном режиме.

Microwave Office

Рисунок 13 - Рабочий (редя программ ЬОСЧ8-ММ1С н М\\Ч)

Для реализации программ проектирования СВЧ МИС на основе преобразования моделей разработаны универсальный программный модуль ТКЛЫЧКЖМЕК, обеспечивающий автоматический расчет геометрических параметров МИ-элементов по электрическим параметрам идеальных элементов, и модуль ТЯАЫвЬОСи8, содержащий библиотеку из 28 монолитных КЦ и СЦ.

На примере МШУ диапазона 8-12 ГГц рассмотрено применение ДМС, «визуальных» процедур и методики преобразования моделей для проектирования Сложных МИУ. При этом для получения ОДЗ импеданса двухполюсных цепей коррекции и об-

^ г ратной связи (ОС), исходя из требований к усилите-

лю, применялась программа AMP; для получения ОДЗ импеданса СЦ использовалась программа REGION. Затем по полученным ОДЗ в интегрированной среде LOCUS-MM1C-MWO синтезировалась /КеГ монолитная цепь (на рис. 14 представлены ОДЗ, схема и топология выходной СЦ). Описанный метод позволил без оптимизации и перебора получить схему усилителя на монолитных элементах, обеспечивающую выполнение предъявленных требований.

С использованием разработанных методик и программ спроектированы следующие МИС. Монолитный ФНЧ с частотой среза 5 ГГц, обеспечивающий избирательность, аналогичную чебышевскому фильтру третьего порядка на идеальных элементах (рис. 16). Характеристики МИ-фильтра: коэффициент передачи в полосе пропускания - 4,4 ± 0,3 дБ; ослабление за полосой пропускания 32 дБ на частоте 8 ГГц; коэффициент отражения в полосе пропускания —12 дБ. Размер схемы 0,7*0,8 мм. }

Рисунок 14 - Проектирование выходной СЦ для МШУ

123456789 10 Частота, ГТц

б) В)

Рнсунок 16- Монолитный ФНЧ с частотой среза 5 ГГц (технология Е002АН): а) принципиальная схема; б) результаты моделирования; в) топология

Монолитный активный фильтр с активными эквивалентами индуктивности на основе конвертера иммитанса (рис. 15). Фильтр имеет следующие параметры: цен-

/. .1 нГн

\ А|стивный эквивалент индуктивности

I «V1 1<- ^

Г4—I

¿t1 Активная цель (АЦ) J Z„i Нагрузка (КЦ)

0

-80

S-параметры монолитного ПФ (д Б)

Активный пф

-1 |S„I т IS.il

Пассивный ПФ

. 1 JS;,|

'М-

/

-40

1 1.5 2 2,5 3 _ ____ Частота (ГГц)

я) ~~ б)

Рисунок 15 - Монолитный активный фильтр на основе конвертера иммитанса (технология Е002А11): а) принципиальная схема; б) результаты моделирования

тральная частота^ = 2 ГГц, полоса пропускания А/ = 1,95-2,05 ГГц (относительная полоса пропускания Д/7/0= 5 %), затухание в полосе пропускания не более 0,5 дБ, затухание на частотах ниже 1,8 ГГц и выше 2,3 ГГц не менее 35 дБ, модуль коэффициента отражения | Бп | в полосе пропускания не более - 18 дБ.

■ Монолитный фазовый манипулятор на основе транзисторного каскада с обратной связью (рис. 17). В диапазоне частот 1-10 ГГц манипулятор обеспечивает следующие характеристики в обоих состояниях: коэффициент передачи не менее -5,7 дБ; неравномерность ЛЧХ ±0,1 дБ; коэффициенты отражения на входе и выходе не хуже -9,6 дБ; разность фаз и амплитуд сигнала в обоих состояниях 180° ±2° и ±0,3 дБ. Размер схемы 0,75x0,9 мм.

Рисунок 17 - Монолитный фазовый манипулятор диапазона 1—10 ГГц (технология ED02AII): а) принципиальная схема; б) ОДЗ и годографы импеданса цепи ОС; в) топология

" Монолитный МШУ диапазона 8-12 ГГц (рис. 18). Экспериментальные образцы монолитного МШУ, изготовленные в ИСВЧПЭ РАН, имеют следующие параметры: коэффициент усиления G = 15,5 ± 1,5 дБ; коэффициент шума NF < 2,7 дБ; коэффициенты отражения на входе 1| < -10 дБ и выходе | J22I ^ -Ю дБ. Потребляемый ток равен 25 мА при напряжении питания 3 В. Измеренный уровень выходной мощности при сжатии сигнала на 1 дБ составил около 6 дБм. Размер схемы 1,6x1,2 мм.

Рисунок 18 - МШУ диапазона 8-12 ГГц (изготовлен в ИСВЧПЭ РАН по 0,15 мкм рНЕМТ технологии): а) принципиальная схема; б) результаты измерений; в) топология

■ Монолитный мошиый усилитель диапазона 8 -12 ГГц со следующими характеристиками (рис. 19); коэффициент усилений О - 12+ 1,3 дБ: выходная мощность при сжатии амплитудной характеристики на 1дВ Р\аБ:> 20 дБм; коэффициенты отражения на входе | .Vц \ ¿- - 13,2 дБ и выходе | ( < -10.7 дБ. Размер схемы (.2- I мм.

Рнсунак 19 - Мошмый ути.1Н1с.1 I. дням»«омн 12 I 'IИ (техншшгяя НИ ИНГ!): л) мрнминнн-Я-1ьнан гхеюи; б) результаты мопелир^нйя; в) топология

Заключение. Основные результаты работы Сводятся к следующему.

1. С целью оптимизации и синтеза СВЧ МИ С выбраны, построены, исследована н верифицированы быстродействующие ЭС-модели активных и пассивных монолитных элементов для отечественных 0,3 мкм ОаАа Мг!8П:Т и 0,15 мкм ШАз р-11ГМТ технологиП изготовления.

2. Впервые реализована и исследована методика проектирования СВЧ МИУ на основе преобразования моделей элементов, позволяющая учесть потери и паразитные параметры элементов.

3. Разработана процедуры автомагачеекчзго перехода от идеальных элементов к МИ-Элементам, основанные на одномерной и адаптивной многомерной аппроксимации зависимостей геометрических параметров МИ-элемента от электрических параметров идеального элемента.

4. 11редложен новый способ проектирования распределенных и соереяогоченно-риснрелслснных испей, «снованный на использовании сосредоточенных идеальных цепей прототипов и методики преобразования моделей.

5. На основе методики преобразования моделей и метода «областей» разработана и реализована интерактивная процедура «визуального» проектирования монолитных КДиСЦ.

6. Разработаны методики визуального проектирования СВЧ МИУ с КЦ и СЦ на основе дмс.

7. Разработана программа адаптивного построения моделей элементов и функций преобразования в виде многомерных полиномов, интегрированная со средой моделирования М\УО. Программа позволяет строить функции преобразовании для любых моделей МИ-элемеитон я этой среде.

8. На основе программ LOCUS и MWO разработана интегрированная среда для проектирования монолитных КЦ и СЦ. В сочетании с программами проектирования активных СВЧ цепей, базирующихся на ДМС, она позволяет осуществлять проектирование СВЧ МИУ.

9. На основе результатов теоретических исследований с помощью разработанных моделей, методик и программ спроектированы и исследованы различные СВЧ МИУ, включая пассивные и активные фильтры, фазовые манипуляторы, многокаскадные малошумящие и мощные усилители с высокими характеристиками. В частности, совместно с НПФ «Микран» и ИСВЧПЭ РАН разработана, изготовлена и экспериментально исследована первая в России опытная партия гетероструктур-ных МИС МШУ диапазона 8-12 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии. Параметры усилителя не уступают зарубежным аналогам.

Приложение А содержит краткий обзор и параметры технологии изготовления МИС ED02AH. В приложении Б рассматривается построение и верификация моделей пассивных сосредоточенных и распределенных элементов СВЧ МИС для технологий ED02AH, НИИПП и ИСВЧПЭ РАН. В приложении В рассматриваются разработанные программы и программные модули, описана их структура и способы использования. Состав библиотеки монолитных КЦ и СЦ, разработанной и реализованной в программе LOCUS-MMIC, с указанием структуры и топологии цепей приведен в приложении Г.

Основное содержание диссертации отражено в 15 работах:

1. Черкашнн М.В., Бабак Л.И., Шеерман Ф.И., Биллоине JI. Проектирование монолитного активного СВЧ фильтра // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. трудов всероссийской научн.-техн. конф. - Красноярск: изд-во КГТУ, 2005. -С. 512-515.

2. Черкашин М.В., Бабак Л.И., Шеерман Ф.И. Проектирование монолитного активного СВЧ фильтра на основе преобразования моделей пассивных элементов // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф.: - Томск: изд-во ИОЛ СО РАН. - 2004. - Ч. 1. - С. 55-60.

3. Бабак Л. И., Шеерман Ф. И., Черкашин М.В. Автоматическое вычисление геометрических размеров пассивных элементов СВЧ монолитных схем по электрическим параметрам // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2004. - Ч. 1. - С. 40-44.

4. Шеерман Ф. И., Бабак J1. И. Оптимизация СВЧ монолитных интегральных схем в пакете Microwave Office на основе преобразования моделей монолитных элементов // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2004. - Ч. 1. - С. 49-53.

5. Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Процедура визуального проектирования согласующих цепей для монолитных интегральных СВЧ устройств // Научная сессия ТУ-СУР 2005: материалы Всероссийской научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов. - Томск: изд-во ТУСУРа, 2005. - С. 228-231.

6. Шеермаи Ф.И., Бабак Л.И. Вычисление геометрических размеров пассивных монолитных элементов по электрическим параметрам на основе многомерной адаптивной интерполяции // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. — Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2005. - Ч. 1. — С. 150-154.

7. Бабак Л. И., Шеермаи Ф. И., Черкашнн М. В. Сверхширокополосный монолитный фазовый манипулятор на основе транзисторного каскада с обратной связью // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2005. - Ч. 1. - С. 110-115.

8. Шеерман Ф.И, Бабак Л.И, Баров А.А, Вьюшков В. А. Проектирование монолитного усилителя мощности диапазона 8-12 ГГц с помощью программ автоматизированного синтеза II Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2005. - Ч. 1. - С. 154159.

9. Шеерман Ф.И., Барышников A.C., Нехорошее М.В., Вьюшков В.А., Бабак

Л.И. Интегрированный инструмент для синтеза согласующих цепей в среде проектирования СВЧ-устройств Microwave Office II Научная сессия ТУСУР - 2006: Материалы Всеросс. научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: В-Спектр, 2006. - Ч. 2. - С. 207-210.

10. Шеерман Ф.И., Барышников A.C., Нехорошев М.В., Вьюшков В.А., Бабак

Л.И. Интеграция программы синтеза согласующих цепей в среду проектирования СВЧ устройств Microwave Office // 16-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2006): Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2006. - Т. I. - С. 211 -212.

11. Шеерман Ф.И., Бабак Л.И., Зайцев Д.А. Интегрированная среда «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей монолитных СВЧ устройств // Известия Томского политехнического университета. - Томск, 2006. - Т. 309. - №8. — С. 166-171.

12. Шеерман Ф.И., Бабак Л.И., Вьюшков В.А., Зайцев Д.А. Генетический синтез согласующих цепей по областям допустимых значений иммитанса II Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. трудов всероссийской научн.-техн. конф. -Красноярск: изд-во КГТУ, 2007. - С. 241-244.

13. Шеерман Ф.И., Бабак Л.И., Зайцев Д.А. Интегрированная среда «визуального» проектирования согласующих цепей монолитных СВЧ устройств // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА (Пульсар-2007): Сб. материалов 6-ой научно-техн. конф. - 2007. - С. 156-158

14. Черкашнн М.В., Бабак Л.И., Шеерман Ф.И., Баров A.A. Визуальное проектирование монолитного малошумящего усилителя Х-диапазона И Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА (Пульсар-2007): Сб. материалов 6-ой научно-техн. конф. - 2007. - С. 162-164

15. Мокеров В.Г., Гюнтер В.Я., Аржанов С.Н., Федоров Ю.В., Щербакова М. Ю., Черкашнн М.В., Бабак Л.И., Баров A.A., Шеерман Ф.И. и др. GaAs p-HEMT МИС МШУ Х-диапазона частот // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА (Пульсар-2007): Сб. материалов 6-ой научно-техн. конф. -2007.-С. 51-53

Тираж 100 экз. Заказ 972. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

ВВЕДЕНИЕ.

1 МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОНОЛИТНЫХ ЦЕПЕЙ.

1.1 Виды и способы получения моделей элементов МИС.

1.2 Методы синтеза цепей на элементах с потерями.

1.3 Декомпозиционный метод структурного синтеза активных СВЧ устройств.

1.4 «Визуальное» проектирование КЦ и СЦ по ОДЗ.

1.4.1 Основные принципы "визуального" проектирования.

1.4.2 Метод областей. Построение ОДЗ иммитанса при проектировании двухполюсных корректирующих цепей

1.4.3 Построение ОДЗ иммитанса при проектировании реактивных согласующих цепей.

1.4.4 Интерактивная «визуальная» процедура синтеза корректирующих и согласующих цепей по ОДЗ

1.5 Основные задачи исследования.

2 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЧ МОНОЛИТНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ.

2.1 Построение и верификация моделей пассивных сосредоточенных и распределенных элементов СВЧ МИС.

2.2 Модели элементов МИС для технологии НИИПП.

2.3 Модели элементов МИС для технологии ИСВЧПЭ РАН.

2.4 Методика преобразования моделей.

2.5 Преобразование моделей сосредоточенных пассивных элементов. Табличный метод.

2.5.1 Преобразование модели квадратной спиральной индуктивности.

2.5.2 Преобразование модели МДМ-конденсатора.

2.5.3 Преобразование модели GaAs-резистора для технологии ED02AH.

2.6 Преобразование моделей сосредоточенных пассивных элементов. Адаптивная процедура.

2.6.1 Преобразование модели монолитного МДМ-конденсатора для технологии НИИПП.

2.7 Методика синтеза распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей на основе преобразования моделей элементов.

2.8 Основные результаты исследования.

3 СИНТЕЗ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ДЕКОМПОЗИЦИОННОГО ПОДХОДА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1 «Визуальное» проектирование двухполюсных корректирующих цепей на монолитных элементах

3.2 Пример: проектирование эквивалента индуктивности для СВЧ активного монолитного фильтра

3.3 «Визуальное» проектирование согласующих цепей на монолитных элементах на основе методики преобразования моделей.

3.4 Пример: проектирование монолитной СЦ для согласования комплексной нагрузки с активным сопротивлением генератора.

3.5 Пример: «Визуальное» проектирование распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей на основе методики преобразования моделей.

3.6 Исследование процедур проектирования многокаскадных монолитных СВЧ транзисторных усилителей на основе ДМС.

3.6.1 Процедура проектирования многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей.

3.6.2 Проектирование СВЧ транзисторных усилителей мощности на основе декомпозиционного подхода.

3.6.3 Методика проектирования монолитных транзисторных СВЧ усилителей с реактивными согласующими цепями.

3.7 Пример: проектирование двухкаскадного МШУ с реактивными согласующими цепями.

3.8 Пример: проектирование усилителя мощности диапазона 8-12 ГГц.

3.9 Основные результаты исследования.

4 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ.

4.1 Программное обеспечение для адаптивного построения моделей и функций преобразования в виде многомерных полиномов.

4.2 Использование программы Model Builder для построения полинома преобразования модели монолитного элемента в среде MWO.

4.3 Реализация методики преобразования моделей в программах автоматизированного проектирования СВЧ устройств.

4.4 Реализация методики преобразования моделей для оптимизации СВЧ монолитных устройств в пакете MWO.

4.5 Реализация методики преобразования моделей в программе синтеза монолитных КЦ и СЦ LOCUS/M (среда MATLAB).

4.6 Интегрированная среда «визуального» проектирования монолитных КЦ и СЦ LOCUS-MMIC-MWO.

4.7 Разработка монолитных СВЧ устройств.

4.7.1 Проектирование монолитного ФНЧ в среде MWO с использованием методики преобразования моделей.

4.7.2 Монолитный фазовый манипулятор диапазона 1-10 ГГц.

4.7.3 Проектирование монолитного активного фильтра на основе конвертора иммитанса.

4.7.4 Монолитный малошумящий усилитель диапазона 8-12 ГГц на основе 0,15 мкм рНЕМТ технологии

4.7.5 Монолитный СВЧ усилитель мощности диапазона 8-12 ГГц.

4.8 Основные результаты исследования.

В настоящий период во всем мире наблюдается исключительно быстрое развитие радиоэлектронных средств в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Это обусловлено, прежде всего, возрастающими потребностями общества в передаче, приеме и обработке информации. СВЧ радиоэлектронные системы (РЭС) используются в таких областях, как связь, радиовещание, телевидение, радиолокация, телеметрия, телеуправление, измерительная техника и др. В последнее время резкое увеличение количества разрабатываемых в мире радиоэлектронных изделий СВЧ диапазона связано с широким развитием таких сфер применения радиоэлектроники, как космическая, спутниковая, персональная и сотовая связь, телекоммуникации, беспроводные системы передачи данных и т.д.

Современные СВЧ РЭС создаются на основе новых поколений приборов и устройств на твердом теле. СВЧ полупроводниковые устройства (ППУ) выполняют функции генерации и усиления колебаний, формирования и обработки сигналов. К ним относятся, в частности, СВЧ автогенераторы, малошумящие и мощные усилители, смесители и умножители частоты, управляющие устройства (управляемые аттенюаторы, фазовращатели, переключатели, модуляторы и манипуляторы), активные фильтры, конвертеры импеданса и др.

Особенностью современного этапа развития СВЧ РЭС является все более широкое внедрение монолитных интегральных схем (МИС), ведущее к появлению качественно новых систем. Это связано с тем, что, помимо улучшения основных технических параметров РЭС, таких, как точность и дальность действия, пропускная и разрешающая способности, применение СВЧ МИС позволяет кардинально снизить массу и габариты, повысить надежность и КПД, уменьшить стоимость при серийном производстве и т.д.

В США, Японии и развитых европейских странах рядом фирм разработаны технологии изготовления СВЧ МИС на GaAs подложке, а также средства их автоматизированного проектирования. В России монолитные технологии еще находятся в стадии становления. Между тем, при отсутствии таких технологий принципиально невозможно создавать современные радиоэлектронные системы гражданского и военного назначения с высокими качественными характеристиками.

В настоящее время несколько российских организаций разрабатывают отечественную технологию изготовления МИС. К ним относятся, ФГУП «Исток» (г. Фрязи-но), ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва), Институт СВЧ полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) РАН (г. Москва), НПФ «Микран» (г. Томск), ФГУП НИИ полупроводниковых приборов (НИИПП, г. Томск) и др. Однако, изготовление МИС в российских условиях связано с целым рядом технологических трудностей, обусловленных сложностью получения исходного материала, недостаточной разрешающей способностью имеющихся установок литографии, нестабильностью технологических процессов и оборудования. Все эти трудности необходимо решить в кратчайшие сроки.

Как показала мировая практика, успешное создание СВЧ интегральных уст-i ройств связано не только со сложными технологическими проблемами, но и с решением не менее сложных задач проектирования МИС, разработки соответствующего программного обеспечения.

В частности, важнейшей проблемой, с которой сталкивается разработчик, является точное моделирование СВЧ устройств в заданном частотном диапазоне. Для этого используются современные программные средства автоматизированного проектирования СВЧ устройств, такие как Microwave Office (фирма Applied Wave Research, США), ADS (фирма Agilent Technologies, США), Serenade (фирма Ansoft Corp., США), Genesys (фирма Eagleware Corp., США) и др. Однако для решения задачи проектирования высококачественных монолитных СВЧ устройств на базе отечественной технологии наличия этих программ недостаточно, потому что имеющиеся в них модели элементов не привязаны к конкретной технологии. Успешное проектирование СВЧ устройств возможно только при условии создания библиотек топологических и ^ электрических моделей элементов МИС, отражающих особенности технологии изготовителя, и интеграции этих библиотек в распространенные системы моделирования ^ СВЧ устройств.

Следует отметить, что зарубежные фирмы - разработчики программного обеспечения в сотрудничестве с фирмами - изготовителями (разработчиками технологии) СВЧ МИС целенаправленно проводят такую работу и создают подобные библиотеки. Однако при разработке и внедрении отечественных технологий изготовления СВЧ МИС такие библиотеки требуется создавать заново.

Другой важнейшей проблемой является автоматизированная подготовка топологии СВЧ МИС с использованием элементов выбранной технологии. На этом этапе должен быть осуществлен выбор (синтез) принципиальной схемы и топологии СВЧ монолитного интегрального устройства (МИУ), удовлетворяющих поставленным требованиям. Сейчас, как правило, выбор схемы и топологии МИУ осуществляется на основе эвристического подхода с использованием опыта разработчика, упрощенных инженерных методик расчета, методом проб и ошибок и т.д. Решение этой задачи % требует очень квалифицированных кадров, так как проектировщик должен обладать знаниями в области схемотехники, СВЧ техники и интегральной технологии. Обычным является применение многократного моделирования различных вариантов схем и топологий при разных сочетаниях параметров элементов, а также многократной оптимизации МИУ. Это делает процесс создания СВЧ МИС длительным и трудоемким и не гарантирует получения наилучших результатов.

Актуальность работы подтверждается возникшей в настоящее время потребностью в развитых подсистемах синтеза схемотехнических решений для МИУ, позволяющих автоматически генерировать принципиальные схемы радиоэлектронных устройств (РЭУ). Подобные системы должны стать важной компонентой интеллектуальных систем автоматизированного проектирования (САПР) РЭУ.

СВЧ ППУ относятся к классу аналоговых РЭУ. Чаще всего они строятся на базе последовательно включенных транзисторных каскадов, в которых используются КЦ и СЦ. Вопросы автоматизированного синтеза аналоговых РЭУ и, в частности, СВЧ ППУ различных типов, а также КЦ и СЦ достаточно широко рассмотрены в работах Шварца Н.З, Толстого А.И., Петрова Г.В., Текшева В.Б, Манченко JT.B., Ка-занджана Н.Н, Гасанова Л.Г., Бабака Л.И., Карлина Г., Ярмана Б., Никласа К., Мелло-ра Д., Абри П., Гонзалеса Г., Бессера И. и др. [1-46]. Можно выделить следующие основные подходы к решению указанных задач:

1. Графоаналитические методики расчета реактивных СЦ, а также транзисторных усилителей с СЦ на основе использования круговой диаграммы Вольперта-Смита [10-16].

2. Классические методы синтеза пассивных КЦ и СЦ, предполагающие решение задачи синтеза в два этапа - сначала аппроксимация частотных характеристик синтезируемой цепи, затем - реализация[17-23].

3. Численные методы синтеза пассивных КЦ и СЦ, а также ППУ с КЦ и СЦ на основе метода "реальной частоты" и различных его модификаций [24-32], случайного [33,34] и систематического [35, 36] поиска.

4. Процедуры структурного синтеза пассивных и активных цепей и устройств, базирующиеся на современных достижениях в области искусственного интеллекта (применение баз знаний [37], эволюционного поиска на основе генетических алгоритмов [38] и генетического программирования [39, 40], глобальных методов оптимизации [41-43] и др.).

5. Метод областей [44] и интерактивная процедура «визуального» проектирования КЦ и СЦ [45], при которых возможно произвольное задание требований к цепям в виде областей допустимых значений (ОДЗ) иммитанса

6. Декомпозиционный метод синтеза (ДМС) активных СВЧ цепей [46], включающий этапы выбора структурной схемы ППУ, построения математической модели выбранной структуры, определения ОДЗ параметров КЦ и СЦ и синтеза КЦ и СЦ по полученным ОДЗ.

Указанные методы позволяют достаточно успешно (с учетом определенных ограничений) решать задачи синтеза КЦ и СЦ, а также линейных ППУ с КЦ и СЦ, построенных с использованием идеальных элементов (идеальных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивностей линий передачи и т. д.). В частности, для проектирования сложных активных СВЧ устройств наиболее удобным и перспективным в настоящее время является ДМС, который позволяет осуществить структурный синтез ППУ различных типов с учетом комплекса требований к характеристикам. Для синтеза КЦ и СЦ по полученным ОДЗ могут применяться как «визуальные» методики совместно с методом областей, так и методы на основе генетических алгоритмов.

Однако задача схемотехнического синтеза МИС сопряжена с особыми трудностями. Это объясняется следующими особенностями проектирования СВЧ МИС:

• Элементы МИС описываются сложными моделями, так как обладают потерями и паразитными параметрами, которые должны быть учтены при проектировании.

• При выборе (синтезе) принципиальной схемы необходимо учитывать топологическую реализацию МИС и ограничения на параметры элементов.

• Отдельные элементы и блоки МИС могут оказывать взаимное влияние друг на друга, в том числе на электромагнитном уровне.

В настоящее время широко используется следующий подход к проектированию СВЧ МИС. Вначале, исходя из требований к МИС, рассчитывается или синтезируется первоначальная цепь на идеальных пассивных элементах (активные элементы описываются эквивалентными схемами или S-параметрами). При этом могут использоваться перечисленные выше методы расчета и синтеза СВЧ устройств. Затем по электрическим параметрам идеальных пассивных элементов определяются конструктивные параметры (обычно геометрические размеры) соответствующих МИ-элементов. Идеальные элементы в цепи заменяются сложными моделями МИ-элементов (например, в виде эквивалентных схем или электромагнитных моделей). После этого с целью обеспечения требуемых характеристик проводится параметрическая оптимизация результирующей цепи в пространстве конструктивных параметров МИ-элементов.

Как показала практика, описанный подход обладает рядом существенных недостатков:

• большая трудоемкость;

• при использовании точных (и соответственно сложных) моделей МИ-элементов оптимизация МИС требует значительных временных затрат;

• сложность выбора хорошего начального приближения, от правильности выбора которого зависит в конечном итоге эффективность оптимизации;

• нет гарантии, что первоначально выбранная структура цепи при замене идеальных элементов на модели монолитных элементов сможет удовлетворить поставленным требованиям.

Для снижения временных затрат и трудоемкости, улучшения характеристик устройств методики проектирования СВЧ МИС должны учитывать паразитные параметры элементов уже на этапе выбора (синтеза) структуры цепи, обеспечивать хорошее начальное приближение при выполнении параметрической оптимизации.

Ряд методов структурного синтеза пассивных и активных цепей, учитывающих потери в сосредоточенных и распределенных элементах был предложен в работах С. Дарлингтона, Дж. Андерсена, Й. Су, J1. Лиу, JI. Жу, К. Лина, Ч. Дезоера и др. В основном предложенные методы являются модификациями методов синтеза цепей на идеальных элементах и могут быть разделены на следующие группы:

• методы на основе классических методик синтеза [47-52];

• методы предыскажений [53-61];

• различные численные методы, в том числе на основе метода реальной частоты [62-68].

Эти методы обладают рядом ограничений:

1. Как правило, рассматриваются частные случаев однородных или полуоднородных потерь (т. е. предполагаются одинаковые добротности для всех реактивных элементов либо одинаковые добротности для отдельных групп элементов - конденсаторов и индуктивностей).

2. В связи с простотой моделей невозможен учет паразитных параметров пассивных монолитных элементов (паразитные емкости, индуктивности), которые оказывают существенное влияние на итоговые характеристики цепи.

3. Классические методы и методы предыскажений предназначены лишь для определенного класса пассивных цепей (фильтры, лестничные цепи); кроме того, большинство из них весьма громоздкие - требуют, например, решения сложных систем уравнений.

4. Методы реальной частоты основаны на процедурах нелинейной оптимизации и требуют хорошего начального приближения, весьма вероятна сходимость к локальным экстремумам

5. Перечисленные методы не являются универсальными, т. е. не позволяют проектировать любые сложные активные монолитные устройства.

Все это делает описанные методы малопригодными для проектирования СВЧ

МИУ.

В [69] была предложен подход к автоматизированному проектированию МИС на основе преобразования моделей, который позволяет избежать указанных недостатков. Суть подхода заключается в следующем. Вначале выбирается или генерируется (с использованием известных методов синтеза) исходная цепь на идеальных элементах. Далее по идеальной цепи автоматически строится монолитная цепь, при этом каждый идеальный пассивный элемент заменяется моделью соответствующего МИ-элемента. Размеры МИ-элементов автоматически рассчитываются по известным электрическим параметрам идеальных элементов. Таким образом, параметры моделей элементов МИ-цепи (геометрические размеры) оказываются связанными с величинами элементов идеальной цепи.

Далее выполняется моделирование монолитной цепи и вычисление целевой функции, оценивающей отличие ее характеристик от требуемых значений. По результатам этой оценки осуществляется изменение структуры и (или) параметров идеальной цепи и соответствующей МИ-цепи. Таким образом, синтез монолитной цепи производится с использованием точных моделей МИ-элементов, учитывающих потери и паразитные параметры. В результате обеспечивается хорошее начальное приближение для последующей оптимизации.

Описанная процедура является универсальной и представляется весьма эффективной при синтезе СВЧ МИУ различных типов. Однако до настоящего времени она не была практически реализована, ряд вопросов требует дальнейшего исследования. Перечислим их:

1. Не исследованы в достаточной степени вопросы выбора и автоматизированного построения быстродействующих моделей МИ-элементов

2. Не исследована и не проверена на конкретных моделях монолитных элементов процедура автоматического расчета геометрических размеров, неизвестны ее быстродействие и трудоемкость реализации.

3. Не рассмотрены вопросы программной реализации методики и ее интеграции в существующие САПР СВЧ устройств.

4. Необходимо исследовать методику совместного применения преобразования моделей, ДМС [46] и метода областей [44] для проектирования активных и пассивных СВЧ монолитных цепей.

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

Цель работы. Целью данной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов проектирования СВЧ МИУ с использованием методики преобразования моделей, декомпозиционного метода синтеза и метода областей; реализация на этой основе программных систем проектирования СВЧ МИУ; построение и верификация библиотек моделей элементов, проектирование и исследование СВЧ МИУ на базе отечественных GaAs MESFET и рНЕМТ монолитных технологий.

Цель работы достигается решением следующих основных задач:

1. Построение и верификация моделей основных элементов МИС для отечественных 0,3 мкм GaAs MESFET (НИИПП, НПФ «Микран») и 0,15 мкм GaAs рНЕМТ (ИСВЧПЭ РАН) технологий изготовления.

2. Разработка процедур автоматического перехода от идеальных элементов к МИ-элементам с произвольными потерями и паразитными параметрами.

3. Разработка способов проектирования цепей на распределенных элементах.

4. Разработка и исследование методики «визуального» проектирования КЦ и СЦ на монолитных элементах по ОДЗ иммитанса.

5. Разработка методик проектирования монолитных транзисторных СВЧ усилителей на основе декомпозиционного метода синтеза и интерактивных визуальных процедур.

6. Разработка способов интеграции программ синтеза и распространенных САПР СВЧ устройств для применения методики преобразования моделей; реализация самостоятельных и интегрированных программных систем автоматизированного проектирования СВЧ МИС.

7. Разработка и исследование СВЧ МИС различного назначения.

Научная новизна работы:

1. Впервые реализована и исследована методика проектирования (синтеза и оптимизации) СВЧ МИУ на основе преобразования моделей элементов, позволяющая учесть потери и паразитные параметры монолитных элементов.

2. Впервые предложены процедуры автоматического расчета геометрических параметров пассивных элементов МИС по электрическим параметрам идеальных элементов на основе одномерной и адаптивной многомерной интерполяции.

3. Предложен новый способ проектирования распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей, основанный на использовании сосредоточенных идеальных цепей-прототипов и методики преобразования моделей элементов.

4. Предложены интерактивные методики «визуального» проектирования КЦ и СЦ, а также транзисторных усилителей на монолитных элементах на основе метода областей, ДМС и преобразования моделей элементов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Построены модели основных типов МИ-элементов, позволяющие осуществить проектирование СВЧ МИУ, выполненных по отечественным GaAs MESFET и рНЕМТ технологиям.

2. Разработаны программные модули и способы интеграции, позволяющие в интегрированной среде выполнить синтез и оптимизацию СВЧ МИС с использованием алгоритмов моделирования и библиотек элементов, имеющихся в коммерческих САПР СВЧ устройств.

3. Разработанные алгоритмы, методы и программное обеспечение позволяют сократить время и трудоемкость проектирования СВЧ МИС, разрешают получить устройства с более высокими техническими характеристиками, снижают требования к уровню квалификации и опытности проектировщика. Все это обеспечивает более быстрое выполнение проектных работ при разработке СВЧ МИС, изготавливаемых по отечественным технологиям.

4. С использованием разработанных методов и программ на базе зарубежных и отечественных GaAs MESFET и рНЕМТ технологий спроектированы СВЧ МИУ различных типов (малошумящие и мощные транзисторные усилители, активные фильтры, конвертеры импеданса, фазовые манипуляторы) с повышенным уровнем требований к комплексу рабочих характеристик. В частности, на основе отечественной 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии разработана и изготовлена первая в России опытная партия гетероструктурных МИС малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 8-12 ГГц с характеристиками на уровне зарубежных аналогов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика преобразования моделей элементов позволяет осуществить синтез и оптимизацию СВЧ МИУ с учетом потерь и паразитных параметров монолитных элементов.

2. Предложенные способы построения функций преобразования позволяют реализовать методику преобразования для любых моделей монолитных элементов, независимо от вида и структуры моделей.

3. Совместное использование методики преобразования и идеальных цепей-прототипов на сосредоточенных элементах позволяет осуществить синтез распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей.

4. Использование методики преобразования моделей элементов совместно с методом областей, ДМС и интерактивными «визуальными» процедурами обеспечивает эффективное проектирование КЦ и СЦ на монолитных элементах, а также СВЧ МИУ с КЦ и СЦ.

Апробация результатов.

Представленная работа выполнялась как составная часть НИР на кафедре компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа.

Работа была поддержана грантами международной организации INTAS (INTAS № 06-1000016-6390 для молодых исследователей и 1NTAS-CNES №06-1000024-9199), а также являлась частью НИР, выполняемых по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ №06-07-96916, 2006 г.) и Министерства образования и науки РФ (грант 2005 г. по программе «Развитие научного потенциала высшей школы»).

Основные результаты исследований опубликованы в работах [1-15], а также докладывались на различных симпозиумах и конференциях, в числе которых Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», ТУСУР, г. Томск, 2004 и 2005 гг., Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2005 и 2006 гг., Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2005 и 2007 гг., Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2005, 2006), г. Севастополь, 2005 и 2006 гг., VI научно-техническая конференция «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар-2007), 2007г.

Реализация и внедрение результатов работы. Методы и алгоритмы, представленные в работе, используются при проектировании СВЧ усилителей и других устройств в НПФ «Микран» (г. Томск), ФГУП НИИПП (г. Томск). Созданные программы внедрены в НПФ «Микран», в Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (1RCOM, г. Лимож, Франция), а также в учебном процессе на кафедре КСУП ТУСУРа. Разработанные методы и программы использовались при разработке монолитного рНЕМТ малошумящего усилителя, совместно выполненной ТУСУР, НПФ «Микран» и ИСВЧПЭ РАН (г. Москва). В конце диссертационной работы приведены документы, подтверждающие использование результатов.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ. Из них 1 работа напечатана в журнале, включенном в перечень ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем работы составляет 255 страниц. Основная часть включает 167 страниц, в том числе 120 страниц текста, 123 рисунка и 22 таблицы. Список используемых источников содержит 133 наименования.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. С целью оптимизации и синтеза СВЧ МИС выбраны, построены, исследованы и верифицированы быстродействующие ЭС-модели активных и пассивных монолитных элементов для отечественных 0,3 мкм GaAs MESFET и 0,15 мкм GaAs р-НЕМТ технологий изготовления.

2. Впервые реализована и исследована методика проектирования СВЧ МИУ на основе преобразования моделей элементов, позволяющая учесть потери и паразитные параметры элементов.

3. Разработаны процедуры автоматического перехода от идеальных элементов к МИ-элементам, основанные на одномерной и адаптивной многомерной аппроксимации зависимостей геометрических параметров МИ-элемента от электрических параметров идеального элемента.

4. Предложен новый способ проектирования распределенных и сосредоточенно-распределенных цепей, основанный на использовании сосредоточенных идеальных цепей прототипов и методики преобразования моделей.

5. На основе методики преобразования моделей и метода «областей» разработана и реализована интерактивная процедура «визуального» проектирования монолитных КЦ и СЦ.

6. Разработаны методики визуального проектирования СВЧ МИУ с КЦ и СЦ на основе ДМС.

7. Разработана программа адаптивного построения моделей элементов и функций преобразования в виде многомерных полиномов, интегрированная со средой моделирования MWO. Программа позволяет строить функции преобразования для любых моделей МИ-элементов в этой среде.

8. На основе программ LOCUS и MWO разработана интегрированная среда для проектирования монолитных КЦ и СЦ. В сочетании с программами проектирования активных СВЧ цепей, базирующихся на ДМС, она позволяет осуществлять проектирование СВЧ МИУ.

9. На основе результатов теоретических исследований с помощью разработанных моделей, методик и программ спроектированы и исследованы различные СВЧ МИУ, включая пассивные и активные фильтры, фазовые манипуляторы, многокаскадные малошумящие и мощные усилители с высокими характеристиками. В частности, совместно с НПФ «Микран» и ИСВЧПЭ РАН разработана, изготовлена и экспериментально исследована первая в России опытная партия гетероструктур-ных МИС МШУ диапазона 8-12 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии. Параметры усилителя не уступают зарубежным аналогам.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, к. т. н., доц. кафедры КСУП Леониду Ивановичу Бабаку за поддержку и неоценимую помощь в работе над диссертацией, к.т.н., ст. преподавателю каф. КСУП Михаилу Владимировичу Черкашину за помощь в проектировании описанных в работе СВЧ устройств.

В работе использовались программные продукты GENESYN и LOCUS, реализованные Вьюшковым В. А. и Зайцевым Д. А., программные модули, созданные при участии студента кафедры КСУП Лукьяненко П. В.

Автор также благодарит своих родителей и близких за понимание и поддержку.

Заключение

1. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. -М.: Сов. радио, 1980. -368 с.

2. Петров Г.В., Толстой А.И. Линейные балансные СВЧ усилители. М.: Радио и связь, 1983.- 176 с.

3. Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А. Широкополосные радиопередающие устройства / Под ред. О.В. Алексеева. М.: Связь, 1978.-302 с.

4. Текшев В.Б. Проектирование СВЧ транзисторных усилителей с использованием ЭВМ: Учебное пособие для студентов. М.: Изд-во МЭИ, 1982. - 79 с.

5. Besser L., Gilmore R. Practical RF circuit design for modern wireless systems: Passive circuits and systems. Vol. 1. London-Boston: Artech House, 2003. - 539 p.

6. Besser L., Gilmore R. Practical RF circuit design for modern wireless systems: Active circuits and systems. Vol. 2. London-Boston: Artech House, 2003. - 569 p.

7. Abrie P.L.D. Design of RF and microwave amplifiers and oscillators. -London-Boston: Artech House, 2000. 480 p.

8. Gonzales G. Microwave transistor amplifiers. Analysis and design / Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1984. 217 p.

9. Grebennikov A. RF and microwave power amplifiers and oscillators: Theory and design, London-Boston: Noble Pub., 2002. - 400 p.

10. Бабак Л.И. Анализ транзисторных СВЧ усилителей с обратной связью с помощью круговых диаграмм // В сб. «Полупроводниковая электроника в технике связи» / Под ред. И.Ф. Николаевского. М.: Связь, 1978. - Вып. 19. - С. 69-81.

11. Бабак Л.И. Графический анализ транзисторных СВЧ усилителей с корректирующим двухполюсником // В сб. «Широкополосные усилители» / Под ред. А.А. Кузьмина. Томск: Изд-во ТГУ, 1975. - Вып. 4. - С. 72-88.

12. Бабак Л.И. Расчет параметров рассеяния и круговых диаграмм каскадных усилительных цепей с корректирующим двухполюсником // В сб. "Широкополосные усилители" / Под ред. А.А. Кузьмина. Томск: Изд-во ТГУ, 1975. - Вып. 4. - С. 4-17.

13. Карсон Р. Высокочастотные усилители / Перевод с англ. под ред. В.Р. Магнушевского. М.: Радио и связь, 1981. - 216 с.

14. Смит Ф. Круговые диаграммы в радиоэлектронике / Перевод с англ. М.: Связь, 1976. - 142 с.

15. Bor S.S., Liu J.C., Lu Р.С. Plots with matching circles for optimizing the performances of a low-noise amplifier // Microwave and Opt. Tech. Lett. -1993. Vol. 6.-№2.-P. 141-148.

16. Perez F., Blanko S. A new method of designing equalization networks for microwave transistor amplifiers // Int. J. Electronics. -1984. Vol. 56. - № 3. - P. 419-428.

17. Балабанян H. Синтез электрических цепей. M.: Госэнергоиздат, 1961. - 416 с.

18. Богачев В.М. Синтез цепей связи для широкополосных усилителей / Под ред. С.М. Смольского. М.: изд-во МЭИ, 1980. - 100 с.

19. Вай Кайчень. Теория и проектирование широкополосных согласующих цепей / Перевод с англ. под ред. Ю.Л. Хотунцева. -М.: Связь, 1979. 288 с.

20. Карни Ш. Теория цепей. Анализ и синтез / Перевод с англ. под ред. Г.И. Атабекова. М.: Связь, 1973. - 396 с.

21. Ланнэ А.А. Оптимальный синтез электронных схем. М.: Связь, 1978. - 336 с.

22. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи / Перевод с англ. под ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира. М.: Связь, 1971.-440 с.

23. Youla D.C. A new theory of broad-band matching // IEEE Trans. 1964. - Vol. CT-11.-P. 30-50.

24. Aksen A., Yarman B.S. A real frequency approach to describe lossless two-ports formed with mixed lumped and distributed elements // Int. J. Electron. Commun. (AEU). 2001. - Vol. 55. - № 6. - P. 389-396.

25. Carlin H.J. A new approach to gain-bandwidth problem // IEEE Trans. 1977. - Vol. CAS-24. - № 4. - P. 170-175.

26. Carlin H.J., Amstutz P. On optimum broad-band matching // IEEE Trans. 1981. - Vol. CAS-28. - № 5. - P. 401-405.

27. Jung W.L., Chiu J.H. Stable broadband microwave amplifier design using the simplified real frequency technique // IEEE Trans. 1993. - Vol. MTT-41. -№ 2. - P. 336-339.

28. Kerherve E., Jarry P. Efficient numerical method to the design of microwave active circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest. -1997. P. 1611-1614.

29. Carlin H.J., Komiak J.J. A new method of broad-Band equalization applied to microwave amplifiers // IEEE Trans. 1979. - Vol. MTT-27. - № 2. - P. 93-99.

30. Madley M.W. Microwave and RF circuits: analysis, synthesis and design. London: Artech House, -1993. - 643 p.

31. Yarman B.S. A dynamic CAD technique for designing broadband microwave amplifiers // RCA Review. -1983. Vol. 44. - № 12. - P. 551-565.

32. Yarman B.S., Carlin H.J. A simplified real frequency technique applied to broadband multistage microwave amplifiers // IEEE Trans. 1982. - Vol. MTT-30. - № 12. -P. 2216-2222.

33. Глориозов Е.Л. Морфологический синтез нелинейных логических схем // Радиоэлектроника. 1977. - Т. 20. - № 6. - С. 79-84.

34. Глориозов Е.Л., Клычина И.Ю. Модели представления знаний в структурном синтезе функционально-интегральных элементов // В кн.: Электронная вычислительная техника / под ред. В.В.Пржиялковского. М.: Радио и связь. - 1989. -Вып.З.-С. 103-116.

35. Brodersen A.J. et al. Simultaneous automated AC and DC design of linear integrated circuit amplifiers // IEEE Trans. 1971. - Vol. CT-18. - № 1. - P. 50-58.

36. Шумилов Ю.М., Эйдельмант В.М. Программное обеспечение автоматизированного проектирования радиоэлектронных схем. Киев: Техника, 1994.

37. El-Turky F., Perry Е.Е. BLADES: An artificial intelligence approach to analog circuit design // IEEE Trans, on CAD. 1989. - Vol. 86. - P. 680-692.

38. Lonh J.D., Colombano S.P. A circuit representation technique for automated circuit design // IEEE Trans, on Evolutionary Computation. 1999. - Vol. 3. - № 9. - P. 205-129.

39. Koza J.R, Bennett F.H. et al. Automated synthesis of analog electrical circuits by means of genetic programming // IEEE Trans, on Evolutionary Computation. 1997. -Vol. l.-№2.-P. 109-128.

40. Sripramong Т., Toumazou C. The invention of CMOS amplifiers using genetic programming and current flow analysis // IEEE Trans, on CADS of Integrated Circuits and Systems.-2002.-Vol. 11.-№ 11.-P. 1237-1252.

41. Gielen G.G.E., et al. ISAAC: A symbolic simulator for analog integrated circuits // IEEE Journ. of Solid-State Circuits. 1989. - Vol. 24. - № 6. - P. 1587-1597.

42. Ochotta E.S., Rutenbar R.A., Carley L.R. Synthesis of high-performance analog circuits in ASTRX/OBLX // IEEE Trans, on CAD. 1996. - Vol. 153. - № 3. - P. 273-294.

43. Phelps R., et al. ANACONDA: Robust synthesis of analog circuit via stochastic pattern search // IEEE Conf. Custom Integrated Circuit. -1999. P. 26.3.1-26.3.4.

44. Бабак Л.И., Покровский М.Ю., Дьячко A.H., Черкашин М.В., Поляков А.Ю.

45. Автоматизированный синтез полупроводниковых устройств высоких и сверхвысоких частот // Межд. научно-техн. конф. СИБКОНВЕРС'95: Сб. трудов конференции. Томск: ТУСУР, 1995. - Т. 1. - С. 87-89.

46. Babak L.I., Cherkashin M.V. Interactive "visual" design of matching and compensation networks for microwave active circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest. Phoenix. AZ. - 2001. - P. 2095-2098.

47. Babak L.I. Decomposition synthesis approach to design of RF and microwave active circuits // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. Phoenix. AZ. - 2001, -P. 1167-1170.

48. Darlington S. Synthesis of reactance Four poles which produce prescribed insertion loss characteristics // J. Math. Phys. -1939. - Vol. 18. - P. 257-353.

49. Desoer C.A. Notes commenting on Darlington's design procedure for networks, made of uniformly dissipative coils (d0 + 5) and uniformly dissipative capacitors (d0 5) // IRE Trans. -1959. - Vol. CT-6. - P. 397-398.

50. Belevitch V. P. R. Darlington filters with unequal dissipation in inductors and capacitors // Philips Res. Repts. -1964. Vol. 19. - P. 441-468.

51. Temes G. An extension of Darlington's semi-uniform predistortion procedure // Proc 1st Allerton Conf. on Circuit and System Theory. -1963, Nov.

52. Andersen J., Lee H. B. Network synthesis using lossy reactance // IEEE Trans. Circuit Theory 1966, sept. - Vol. CT-13. - P. 244-258.

53. Su Y. H. Broadband matching theory of lossy networks: Master's thesis. Tianjin: Tianjin University. -1986.

54. Geffe P. R. A notes on predistortion // IRE Trans, on Circuit Theory (Correspondence). -1959. Vol. CT-6. - P. 395-396.

55. Geffe P. R. Exact synthesis with real amplifiers // IEEE Trans. Circuits Syst. 1974 -Vol.CAS-21.-P. 369-376.

56. Desoer C. A. Network design by first-order predistortion techniques // IRE Trans. Circuit Theory. 1957. - Vol. CT-4. - P. 167-170.

57. MacDonald J. D., Temes G. C. A simple method for the predistortion of filter transfer function // IEEE Trans. Circuit Theory. 1963. - Vol. CT-10. - P. 447-450.

58. Gadenz R.N., Temes G. C. Iterative compensation techniques for lossy or mismatched two-ports // IEEE Trans. Circuit Theory. 1973. - Vol. CT-20. - P. 599603.

59. Cutteridge O. P. D., Krzeczkowski A. J. Improved methods of synthesizing linear networks by coefficient matching // IEEE Trans. Circuit Syst. 1975. - Vol. CAS-22. -P. 486-489.

60. Gaunholt H. Design and predistortion of passive filters by optimization // Int. Jour. On Circ. Theory and App. -1974. Vol. 2, P. 391-396.

61. Fleischer P. E. Sensitivity minimization in a single amplifier biquad circuit // IEEE Trans. Circ. Syst. -1976. Vol. CAS-23. - P. 45-55.

62. Willams A. E., Bush W. G., Bonetti R. R. Predistortion Technique for Multicoupled Resonator Filters // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1985. - Vol. MTT-33. -P. 402-407.

63. Lee H.B., Carvey P., Evans D. Program refines circuit from rough design data // Electron. -1970. 43. - P. 58-65.

64. Leuenberger R., Christen E. A predistotrtion technique for Linear Networks // IEEE Trans. On Circ. and Syst. -1981. Vol. CAS-28. - P. 355-358.

65. Liu L. С. Т., Ku W. H. Computer-aided synthesis of lumped lossy matching network for monolithic microwave integrated circuit (MMIC's) // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -1984. Vol. MTT-32. - P. 282-289.

66. Zhu L., Wu В., Sheng C. Real frequency technique applied to the synthesis of lumped broad-band matching network with arbitary nonuniform losses for MMIC's // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -1988. Vol. 36. - P. 1614 -1620.

67. Zhu L. Computer-aided synthesis of a lossy commensurate line network and its application in MMIC's // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -1991. Vol. 39. - P. 654-659.

68. Zhu L. A Novel approach to the synthesis of mixed lumped and distributed lossy networks // IEEE Microwave Theory Tech. Dig. -1992. P. 1355-1358.

69. Lin Q. A Design Method for Lumped BroadBand MMIC Matching Networks with Semiuniform Frequency-Dependent Losses // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. -1993.-Vol. 41.-P. 873-876.

70. Bahl I.J. Lumped elements for RF and microwave circuits. London-Boston: Artech House, 2003.-492 c.

71. De Geest J., Dhaene Т., Fache N., De Zutter D. Adaptive CAD-Model Building Algorithm for General Planar Microwave Structures // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. 1999. - Vol. 47. - P. 1801-1809.

72. Lehmensiek R., Meyer P. Creating accurate multivariate rational interpolation of microwave circuits by using efficient adaptive sampling to minimize the number of analyses // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. 2001. - Vol. 49. - P. 14191430.

73. Hafid Zaabab A., Zhang Q.-J., Nakhla M.S. A Neural Network Modeling Approach to Circuit Optimization and Statical Design // IEEE Transaction on theory and techniques. 1995. - Vol. 43. - No. 6.

74. Данилин В. H., Кушниренко А. И., Петров Г. В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.

75. Сигорский В.П., Калниболотский Ю.М., Королев Ю.В. Оптимальное решение задачи канонического синтеза электронных схем с помощью ЭВМ // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. -1968. Т. 11. - № 11. - С. 1182-1197.

76. Калниболотский Ю.М., Королев Ю.В. Синтез электронных схем. Киев: Ви-ща школа. -1979.

77. Нореиков И.П., Маничв В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высшая школа. -1990.

78. Темнов В.М., Левенчон Л.С. Машинный синтез транзисторных СВЧ усилителей // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Радиоизмерительная техника. 1974. -№2.-С. 34-41.

79. Текшев В.Б. Параметрическо-структурный синтез широкополосных СВЧ усилителей // Радиотехника. -1989. № 6. - С. 31-23.

80. Фаио Р. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импе-дансов / Перевод с англ. под ред. Г.И. Слободенюка. М.: Советское радио, 1965.-72 с.

81. Mellor D.J., Linvill J.C. Synthesis of interstate networks of prescribed gain versus frequency slopes // IEEE Trans. -1975. Vol. MTT-23. - № 12. - P. 1013-1020.

82. Mellor D. J. Improved computer-aided synthesis tools for the design of matching networks for wide-band microwave amplifiers // IEEE Trans. 1986. - Vol. MTT-34. -№12.-P. 1276-1281.

83. Young G.P., Scanlan S.O. Matching network design studies for microwave transistor amplifiers // IEEE Trans. -1981. Vol. -№ 10. - P. 1027-1035.

84. Bandler J.W., Chen S.H. Circuit Optimization: The State of the Art // IEEE Trans. -1988. Vol. MTT-34. - № 12. - 1988. - Feb. - P. 424-443.

85. Покровский М. Ю. Декомпозиционный синтез транзисторных малошумящих широкополосных УВЧ и СВЧ усилителей: Дис. канд. техн. наук / М.Ю.Покровский. Томск: ТИАСУР, 1993. - 213 с.

86. Бабак Л.И., Покровский М.Ю. Автоматизированный структурный синтез корректирующих и согласующих цепей полупроводниковых СВЧ устройств // Тезисы докладов XII Всесоюзной научно-техн. конф. по твердотельной электронике СВЧ. Киев, 1990. - С. 230-231.

87. Бабак Л.И. Синтез технических устройств и систем с использованием проекций области работоспособности // Межд. научно-техн. конф. СИБКОНВЕРС'97: Сб. трудов конференции, Томск. - 1997. - С. 203-213.

88. Бабак Л.И., Поляков А.Ю. Design Problem Solver программа для решения задач проектирования технических устройств и систем // Межд. научно-техн. конф. СИБКОНВЕРС'97: Сб. трудов конференции, - Томск: ТУСУР, 1997. - С. 221-228.

89. Поляков А.Ю. Методологическое и программное обеспечение проектирования технических устройств и систем на основе метода проекций: Дис. . канд. техн. наук / А.Ю. Поляков. Томск: ТУСУР, 2000. - 405 с.

90. Бабак Л.И., Черкашин М.В., Зайцев Д.А. «Визуальное» проектирование корректирующих и согласующих цепей полупроводниковых СВЧ-устройств // Доклады ТУСУРа. 2006. - №6. - С. 11-26

91. Бабак Л.И. Синтез согласующих цепей и цепей связи транзисторных широкополосных усилителей по областям иммитанса // Радиотехника и электроника. -1995. Т. 40. - Вып. 10. - № 8. - С. 1550-1560.

92. Бабак Л.И. Проектирование транзисторных широкополосных СВЧ усилителей с двухполюсными цепями коррекции и обратной связи // Электронная техника. Серия 1. СВЧ техника. 1994. - № 2. - с. 16-19. -№ 3. - С. 9-16.

93. Вьюшков В. А. Синтез согласующих и корректирующих цепей на основе генетического алгоритма // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. трудов всероссийской научн.-техн. конф. Красноярск: изд-во КГТУ, 2003. - С. 327331.

94. Нефедьев А.В., Бабак Л.И. Структурный синтез транзисторных СВЧ усилителей при помощи генетических алгоритмов // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. трудов всероссийской научн.-техн. конф. Красноярск: КГТУ, -2005.-С. 220-223.

95. OMMIC, Inc. электронный ресурс., режим доступа: http://www.ommic.com.

96. Microwave Office, Applied Wave Research, Inc. электронный ресурс., режим доступа: http://www.appwave.com.

97. Разевиг В. Д., Потапов Ю. В., Курушин А. А. Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В. Д. Разевига. М:СОЛОН-Пресс, 2003. -496 с.

98. MATLAB, The Mathworks, Inc. электронный ресурс., режим доступа: www.mathworks.com

99. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.

100. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1990. 288 с.

101. Potter A. HP RF compiler automates schematic capture and extends capabilities of circuit synthesis // Applied Microwave and Wireless. -1999. P. 109-117.

102. Фильтры и цепи СВЧ / Пер. с англ. Л. В. Алексеева. М: Связь. - 1976. - 248 с.

103. Матей Frank В.М., Hossain М.М, Antar Y.M.M. 23-GHz Low-noise amplifier using parallel feedback in 0.18-jim CMOS // Microwave and Opt. Tech. Letters. 2005.- Vol. 45. № 4. - P. 309-312.

104. Sussman-Fort S.E., Billonet L. MMIC-simulated inductors using compensated gyra-tors // Int. J. Microwave and Microwave Wave CAE. -1997, Vol.7. - № 3. - P. 241249.

105. Черкашин М.В. Интерактивный расчет широкополосных согласующих цепей // Межд. научно-техн. конф. СИБКОНВЕРС'97: Сб. трудов конференции, Томск: ТУСУР, - 1997. - С. 131-138.

106. Бабак Л.И., Поляков А.Ю. Автоматизированное проектирование мало-шумящих транзисторных СВЧ усилителей с реактивными согласующими цепями. // В сб.: «Доклады ТУСУР». Т. 1. - Вып. 1. - Томск: изд-во ТУСУРа. -1998. -С. 94-108.

107. Белоусов А.П., Каменецкий Ю.А. Коэффициет шума. -М.: Радио и связь, 1981. -112 с.

108. Medley M.W., Allen J.L. Broad-band GaAs FET amplifier design using negative-image device models // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1979. - V. MTT-27. -P. 784-788.

109. Mapple V, Maplesoft, Inc. электронный ресурс., режим доступа: http://www.maplesoft.com

110. Бабак Л.И., Черкашин М.В., Поляков А.Ю., Бодунов К.С., Дягилев А.В.

111. Программы "визуального" проектирования транзисторных СВЧ усилителей //15-я Межд. Крымская конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2005): материалы конф. в 2 т. Севастополь: изд-во "Вебер". - 2005. -Т. 2.-С. 425-426.

112. Guyette А.С., Hunter I.C., Pollard R.D. A new class of selective filters using low-Q components suitable for MMIC implementation // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.-2004.-P. 1959-1962.

113. Rizzoli V., Lipparini A. Computer-aided noise analysis of linear multiport networks of arbitrary topology // IEEE Trans. 1985. - Vol. MTT-33. - № 12. - P. 1507-1512.

114. Бабак Л.И. Автоматизированное проектирование СВЧ управляющих устройств на основе декомпозиционного подхода // Электронные средства и системыуправления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2005. - Ч. 1. - С. 106-110.

115. Шеерман Ф.И., Бабак Л.И., Зайцев Д.А. Интегрированная среда «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей монолитных СВЧ устройств // Известия Томского политехнического университета. Томск, 2006. - Т. 309.-№8.-С. 166-171.

116. RFIC and MMIC design and technology / Под ред. I. D. Robertson. London: The Institution of Electrical Engineers, 2001. - 562 c.

117. Goldfarb M., Pucel R. Modeling Via Hole Grounds in Microstrip // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. Vol. 1. - No.6. - P. 135-137.

118. McCant A. J., McCormack G. D., Smith D. H. An Improved GaAs FET Model for SPICE // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1990. - Vol. MTT-38. - P. 822.1. REFERENCEon the application of "visual" design technique for active RF/microwave circuits

119. The "visual" design technique proposed offers several merits:

120. Various passive network synthesis problems, arising in the design of different active RF/microwave circuits, can be handled on the common ground.

121. In the active circuit design, requirements for a simultaneous set of circuit performances as well as graphically represented data (such as gain/noise circles, etc.) can be considered.

122. The user can directly control passive network configurations and element values which results in practical solutions.

123. With the "visual" technique, the power of computer is combined with great intellectual abilities of man, this leads to increasing the design efficiency.

124. The design procedure is simple and clear, therefore, even the user with insufficient grounding in the microwave circuit synthesis can successfully employ the "visual" CAD tool.

125. The use of the "visual" design technique has allowed to reduce the design time and to obtain novel original circuit configurations with excellent performances.fcqumc 'C\ v ■ „. -uides1. U>- n. ihonw,

126. UMGGFS Codex , l£Lg5 S:,-is 72 S3 F.-.x « « „t 76 491. Professor of IRCOM, Dr.1. Professor of IRCOM, Drr1.Billonnet1. B.Jarry

127. УТВЕРЖДАЮ Руководитель предприятия1. ОТЗЫВо применении методики «визуального» проектирования активных СВЧ устройств

128. Предложенная методика «визуального» проектирования активных СВЧ устройств имеет следующие достоинства:

129. Она позволяет на общей основе решить разнообразные задачи синтеза корректирующих и согласующих цепей, возникающие при проектировании активных СВЧ устройств различного типа.

130. Методика дает возможность учесть при проектировании требования одновременно к нескольким характеристикам активного устройства, а также использовать графически представленные исходные данные.

131. Пользователь может непосредственно контролировать структуру и значения всех элементов пассивной цепи, это разрешает получить практически реализуемые схемы.

132. Подход позволяет привлечь интеллектуальные способности человека по восприятию визуальной информации и принятию решений, это приводит к повышению эффективности проектирования.

133. Процедура проектирования проста и наглядна, поэтому она не требует высокой квалификации пользователя.

134. Указанная методика реализована в программах автоматизированного проектирования СВЧ усилителей AMP-CF, REGION и программе «визуального» проектирования пассивных цепей LOCUS.

135. Tel.0; Э 72 63 Fax OS SS 4S /6n^J)eccop IRCOM, доктор1. Б.Джарри1. УТВЕРЖДАЮ

136. Генеральный директор НПФ «Микран» Гюнтер В. Я.1. УТВЕРЖДАЮ

137. Ректор ТУСУ£г д.т.н., профессор Собзев А. В.1. С$\Ж1 г.' АКТ О ВНЕДРЕНИИ•программы интерактивного «визуального» прое: монолитных корректирующих и согласующих

138. Процедура проектирования проста и наглядна. Благодаря этому программу LOCUS может легко освоить пользователь, не обладающий обширной подготовкой в области синтеза цепей и не имеющий большого опыта в разработке ВЧ и СВЧ устройств.

139. Использование программы LOCUS-MMIC позволило сократить время на проектирование и получить новые схемы устройств, характеристики которых не уступают промышленным образцам известных зарубежных производителей СВЧ техники.

140. Зам. директора НПФ «Микран» по НИОКР Аржанов С. Н. спедаалист НПФ «Микран» Баров А. А.1. Пред!вдели ТУСУРа

141. Бабак JI. И. Зайцев Д. А. Шеерман Ф. И. 2007 г.1. УТВЕРЖДАЮ1. УТВЕРЖДАЮ

142. Генеральный директор НПФ «Микран» ^JdQUJB-tА^юнтер В. Я.- /\rvi и НП^ДГЬПНН1. W«

143. Монолитный малошумящий усилитель диапажЬщ1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

144. Зам. директора НПФ «Микран» по НИОКР Представители ТУСУРа1. S" 0% 2007 г.

145. Бабак Л. И. Черкашин М. В. Шеерман Ф. И.1. УТВЕРЖДАЮ Ректор ТУСУЕ*т.н., профессор Кобзев А. В. 2007 г.1. АКТ О ВНЕДРЕНИИпрограммы интерактивного «визуального» прое монолитных корректирующих и согласующих

146. Применение программы LOCUS-MMIC в учебных целях позволяет студентам понять принципы работы согласующих и корректирующих цепей, дает возможность освоить современные методики проектирования радиоэлектронных устройств, основанные на «визуальном» подходе.

147. Зав. кафедрой КСУП, д.т.н., професа1. Предд.т.н., профессор1. Шурыгин Ю. А.тели ТУСУРа Бабак Л. И. Зайцев Д. А.1. Шеерман Ф. И.10" ОТ 2007 г.