автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Система проектирования микрополосковых полосно-пропускающих фильтров

РГВ

од

На правах рукописи

НИКИТИНА Мария Ивановна

СИСТЕМА

ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального тзначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 1998

Работа выполнена в лаборатории Электродинамики и СВЧ электроники Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Научные руководители:

доктор технических наук Б.А. Беляев,

кандидат физико-математических наук В.В. Тюрнев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Б. Кашкин

кандидат физико-математических наук В.М. Владимиров

Ведущая организация: Сибирский физико-технический

институт, г. Томск

- Защита состоится « » 1998 г. в '/'у'" часов на

заседании диссертационного совета Д.064.54.03 Красноярского государственного технического университета по адресу: 660074, г Красноярск, ул. Киренского, 26, Красноярский государственный технический университет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослан « ЛЯ » -¿^/¿У 1998 года.

1

Ученый секретарь

ювета

У

диссертационного совета Ю.П. Саломатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Микрополосковые фильтры (МПФ) широко используются в технике СВЧ, Это объясняется рядом причин. К ним относятся: высокая надежность, хорошая воспроизводимость параметров, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, малые масса и габаритные размеры при требуемых электрических характеристиках. При этом существенным моментом является тот факт, что их проектирование й производство в достаточной степени может быть автоматизировано.

Да настоящего времени проектирование СВЧ устройств, в частности микрополосковых. фильтров, является задачей, решение которой под силу лишь высококвалифицированным специалистам в области СВЧ техники. Существующие программные средства проектирования СВЧ устройств, к ним относятся такие известные пакеты САПР, как SUPER-COMPACTr, TOUCHSTONE, FAGOT, в значительной мере ориентированы также на высококвалифицированных специалистов. Поэтому задача создания программного обес- / печения, способного максимально упростить и ускорить труд конструктора, является актуальной.

Для того чтобы программа, предназначенная для решения за/

дач в конкретной области, могла в процессе рабо'ты помочь пользователю определенными советами, необходимо обеспечить её комплексом ' специальных знаний. Такая программа, обладающая свойствами искусственного интеллекта, называется экспертной системой. При разработке экспертной системы приходится решать большой круг вопросов, связанных с накоплением знаний, определением формы их представления. Поэтому актуальной является задача экспертной оценки известных конструкций микрополосковых фильтров на предмет перспективности включения их в систему.

Также актуальна задача накопления и формализации знаний о свойствах этих конструкций.

В связи с постоянным появлением новых конструкций МПФ, а также накоплением опыта' работы с ними, необходимо, чтобы программное обеспечение для их проектирования было- открытым к дополнению и модернизации. Поэтому разработка принципов построения программного обеспечения, отвечающего указанному требованию, является актуальной.

Одной из основных целей' автоматизированного проектирования является сокращение, насколько это возможно, времени на экспериментальную доводку разработанного устройства. Достижение этой цели обеспечивается использованием адекватных расчетных моделей, а также применением различных методов оптимизации параметров конструкции. Поэтому актуальной является задача разработки новых эффективных методов оптимизации, снижающих временные затраты на разработку устройств.

Целью настоящей работы является: разработка принципов построения и реализация программного обеспечения, максимально облегчающего работу проектировщика микрополосковых фильтров, открытого к расширению и модернизации. Для достижения этих целей в диссертационной работе поставлены и решаются следующие задачи:.

1) проведение экспертной оценки ряда используемых конструкций МПФ и формирование банка оптимальных конструкций;

2) проведение расчетных экспериментов по выявлению закономерностей поведения избирательности ряда конструкций МПФ;

3) разработка эффективного метода оптимизации конструктивных параметров МПФ;

4) определение формы представления знаний lío проектированию и инструментальных средств для построения экспертной системы;

5) разработка архитектуры экспертной системы, обеспечивающей возможность расширения и модернизации;

6) программная реализация экспертной системы по синтезу микро-полосковых полосно-пропускающих фильтров.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем.

1. Исследована зависимость избирательности микрополос-ковых фильтров на параллельно связанных резонаторах от длины области связи резонаторов. Показано, что традиционные фильтры на параллельно связанных резонаторах имеют неоптимальную длину области связи с точки зрения реализации симметричной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Получены оптимальные значения относительных величин смещения резонаторов друг относительно друга, обеспечивающие либо симметричную АЧХ с максимальной прямоугольностью, либо максимальную крутизну низкочастотного или высокочастотного склонов АЧХ.

2. Разработаны принципы построения и программно реализована экспертная система по синтезу микрополосковых полосно-пропускающих фильтров, обладающая, свойством• открытости к модернизации и расширению, а также способностью накапливать опыт проектирования.

3. Разрабртан новый эффективный метод оптимизации конструктивных параметров микрополосковых фильтров.

Практическая ценность. Полученные результаты по зависимости асимметрии склонов АЧХ от длины области связи резонаторов могут быть использованы при практической реализации и настройке фильтров на параллельно связанных резонаторах. Созданная экспертная система является, удобным средством проектирования МПФ, не требующим от пользователя особых навыков работы с ней и высокой квалификации в области проектирования. Система может быть использована также для исследования новых конст-

рукций МПФ. Прикладная значимость работы состоит также в разработке нового эффективного метода оптимизации, который может . быть использован для оптимизации параметров широкого класса СВЧ фильтров.

Внедрение результатов работы. Созданная экспертная система ИЬТЕХ внедрена и активно используется в в/ч 35533 (г. Москва), а также в учебном процессе кафедры «Радиотехнических, систем СВЧ» Красноярского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на 1-ой Крымской конференции "СВЧ-техника и спутниковый прием" (Севастополь, 1991), ИИЭР - Российской конференции: "Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, 'применение" (Новосибирск, 1997), Международной, научно-технической конференции «Спутниковые системы связи и навигации» -(Красноярск, 1997).

На защиту выносятся:

1) результаты исследований избирательности микрополоско-вых фильтров на параллельно связанных резонаторах;

2) экспертная система для проектирования микрополоско-вых полосно-пропускающих фильтров;

3) новый метод оптимизации параметров СВЧ фильтров.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,

пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и приложений. Общий объем диссертации - 151 страница, включая 56 рисунков, 3 таблицы, 11 страниц приложения. Библиографический список содержит 55 наименований. -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ-

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы основные задачи исследований, пе-

речислены основные полученные результаты с указанием их практической значимости.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В первом разделе рассматриваются существующие методы синтеза фильтров полосковых и микрополосковых конструкций. Отмечаются преимущества и недостатки прямого синтеза. Формулируются основные''положения параметрического синтеза МПФ.

Второй раздел содержит краткие характеристики существующих САПР по ■ разработке СВЧ устройств. Среди них - широко известные . САПР . - SUPER-COMPACT, TOUCHSTONE. Отмечены их универсальность, но в тоже время трудоемкость процесса разработки устройств с их помощью, необходимость высокой квалификации у разработчика. Упомянуты также программы ФАГОТ, ФИЛЬТР СВЧ, MIC OPTIMIZER, LINMIC.

В третьем разделе изложены основные подходы к построению ■ особого типа программного обеспечения (ПО) - экспертных систем (ЭС), предназначенных для-эффективного решения задач в трудно формализуемых областях. Отмечается перспективность использования технологии создания ЭС при разработке ПО для проектирования СВЧ устройств.

Во второй главе изложены результаты исследований влияния симметрии расположения полосок микрополосковых резонаторов (МПР), длины их области связи, а также конструктивных параметров на избирательность МПФ. Исследования проводились методом расчетного эксперимента.

Первый раздел содержит описание используемого в работе метода расчета характеристик МПФ. Расчет фильтров проводится в приближении длинных линий. Параметры основных типов волн для отрезков связанных микрополосковых линий (МПЛ) рассчитываются в квазистатическом приближении. Влияние высших типов волн на разомкнутых отрезках МПЛ учитывается введением эф-

фективнЫх концевых .емкостей. Дисперсия .эффективной диэлектрической проницаемости учитывается в рамках приближенной аналитической модели. Наличие потерь учитывается введением мнимой части у волнового числа к -> к(1+г'/2С30), где С3() - экспериментально измеренная . собственная добротность МПР.

Используемый метод расчета при выполнении условий применимости квазистатического приближения обеспечивает приемлемое согласие между экспериментальными и рассчитанными АЧХ фильтров, что позволило проводить исследования свойств микропо-лосковых конструкций методом расчетного эксперимента. На Рис. 1. приведено сравнение результатов счета и экспериментальных данных для трехзвенного микрополоскового фильтра решетчатого типа со смежным расположением точек кондуктивного подключения к внешним линиям передачи. Значения конструктивных параметров экспериментального фильтра, являющиеся и параметрами расчетной модели также приведены на рисунке.

60 50 40 30 20 10 0

и дБ

синтез экст ери^

1.

относительная диэлектрическая проницаемость "подложки ег = 80; толщина подложки = 1.5 мм; собственная добротность резонаторов СЗ = 400; длина, резонатора Ьг = 12 им; зазор между полосками резонаторов Б= 1.05 мм ; ширина полоски резонатора 3.05 мм

Г0, ГГц

0.0 0.2 0.4" 0.6 0.8 1.0 1.2

Рис. 1. Расчетная и экспериментальная АЧХ трехзвенного фильтра на регулярных полуволновых резонаторах

Автором написаны программы расчета трехзвенных конструкций МПФ со смежным и диагональным кондуктивным подключением к внешним 50-омным линиям передачи. Исследованы зависи-

мости минимумов и максимумов прохождения СВЧ мощности от длины области связи резонаторов и других конструктивных параметров. Показаны возможности формирования полюсов затухания вблизи полосы пропускания. Отмечено, что конструкция с диагональным подключением и лестничным расположением полосок МПР позволяет реализовать фильтры с симметричной АЧХ и максимальным коэффициентом прямоугольности. , .

Методом расчетного эксперимента исследован ряд четырех-звенных конструкций МПФ (Рис. 2). Для каждой конструкции получены зависимости коэффициентов крутизны склонов АЧХ от ве- • личины смещения резонаторов друг относительно друга при фиксированных центральной частоте,, ширине полосы пропускания и уровне обратных потерь в полосе пропускания.

Рис. 2. ,Четырехзвенные конструкции МПФ

Коэффициенты крутизны рассчитывались по следующим формулам:

' А13 _ лгз / 2 - _ ДЕ3 / 2 •

Кз = Кг = К'1 = АГ,-ДР3/2'

где К3 - о^щий коэффициент крутизны, Кг, К^ - коэффициенты крутизны соотлетственно низкочастотного и высокочастотного

ч

склонов, ДР3 - ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ, АГг - ширина полосы частот от центра полосы пропускания до низкочастотного склона на уровне 30 дБ, А¥/, - ширина полосы частот от центра полосы пропускания до высокочастотного склона на уровне 30 дБ.

Анализ зависимостей коэффициентов крутизны приводит к выводу, что конструкция (б) на Рис. 2 позволяет реализовать АЧХ с крутым высокочастотным склоном (К/, > 2), конструкция (г) -симметричную АЧХ с максимальным К5, кроме того, изменяя в ней длину области связи резонаторов, можно получить более крутой низкочастотный или высокочастотный склон (Рис. 3).

кс к5> Кь

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6

.........к, / / / \ \ .

. / \/

:-.к, ■■■-. V ./ ./ N \

---Х

I /I

а' г

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8

Рис. 3. Зависимость коэффициентов крутизны от величины относительного смещения резонаторов

Характер приведенных на Рис. 3 зависимостей сохраняется для любой фиксированной полосы пропускания, независимо от числа звеньев в конструкции, ,-иэлектрической проницаемости подложки, соотношения ширины полосок МПР и толщины подложки. При этом всегда существует единственное значение сдвига резонаторов, которое обеспечивает симметричную форму АЧХ и максимальную прямоугольность характеристики. Относительная величина такого сдвига 1а/1г колеблется в пределах от 0.23 до 0.33 в зависимости от параметров фильтра. Максимальную крутизну высокочастотного склона обеспечивает относительный сдвиг 1а/1г« 0 ч- - 0.1. Максимальная крутизна низкочастотного склона достигается при относительном сдвиге, в пределах от 0.65 до 0.75 в зависимости от других параметров.

Полученные результаты стали частью базы знаний созданной экспертной системы ИЬТЕХ.

В третьей главе описаны назначение, структура и .основные функции компонентов экспертной системы ИЬТЕХ.

ЭС ИЬТЕХ предназначена для автоматизированного проектирования микрополосковых полосно-пропускающих фильтров. Набор конструкций, которым оперирует ЭС в данный момент, позволяет синтезировать фильтры с центральной частотой полосы пропускания в диапазоне от 50 МГц до 20 ГГц с относительной шириной полосы пропускания от 2 до 100 %.

Экспертная система позволяет пользователю работать в двух

/

режимах - ручном и автоматическом. В ручном режиме последовательность шагов при проектировании задает сам проектировщик. Этот режим предназначен для опытных пользователей. В автоматическом режиме процесс проектирования проходит в форме «во-' прос-ответ», большинство функций система выполняет либо без участия пользователя, либо давая ему советы по дальнейшим действиям. Ручной режим работы схож с работой в обычной САПР, автоматический режим — с работой в традиционной экспертной системе.

На Рис. 4 приведена структурная схема экспертной системы ИЬТЕХ. Система включает как компоненты, характерные для экспертных систем, так и компоненты, присущие САПР СВЧ устройств. . ,

К первым относятся: словарь системы, база знаний, включающая базу правил и базу текстов, программа применения знаний (ППЗ). Для наполнения базы знаний и создания ППЗ в систему включена инструментальная оболочка ЬиБУЗ [*]. Программа

1 Ноженкова Л.Ф. Решение задач интерпретации данных в системах искусственного интеллекта. Красноярск, 1994, 285 с: - Деп. в ВИНИТИ 18.04.95, № 1072-В95.

Модуль компиляции правил

База правил

' База текстов

1]

Г Словарь

экспертной системы

Баше оптимальных конструкций

- Банк рекордных решений

Файл-решение

А

О

Программа применения знаний

О

Файл-задание

Блок оптимизации параметров

Утилита йгЫо

А

А

Управляющая программа экспертной системы К I Ь Т £ X

И

1]

Эксперт

Пользователь

Рис. 4. Структурная схема экспертной системы ПЬТЕХ

применения знаний является результатом компиляции базы знаний и реализует автоматический режим работы системы.

Второй ряд компонентов включает: банк оптимальных конструкций (БОК), банк рекордных решений (БРР), блок оптимизации параметров, графический вьюер Ог1п1'о, а также управляющую программу, модуль ввода технического задания (ТЗ), модуль" работы с БОК, модуль работы с БРР.

Проектирование устройств в системе ПЬТЕХ включает следующие шаги: • - «

1) ввод технического задания на проектируемое устройство;

2) выбор конструкции фильтра;

3) выбор начальных значений конструктивных параметров;

4) оптимизацию конструктивных параметров;

5) вывод результатов проектирования.

Техническое задание включает параметры полосы пропускания, параметры полос заграждения и некоторые конструктивные параметры. Параметры полосы пропускания содержат: центральную

частоту и частотные границы полосы пропускания, уровень потерь, гю' которому определяется полоса пропускания, уровень минимальных обратных потерь в полосе пропускания. К параметрам полос заграждения относятся контролируемые частоты и уровни заграждения на них' Из конструктивных параметров в ТЗ задаются: диэлектрическая проницаемость подложки, толщина диэлектрической подложки, расстояние до экранирующей крышки, собственная добротность резонаторов.

Структурный синтез, т.е. определение конструкции проектируемого фильтра, в системе частично автоматизирован путем создания банка оптимальных конструкций (БОК). Система формирует в соответствии с имеющимися у нее знаниями список конструкций из БОК, потенциально пригодных для выполненгя введенного ТЗ. Пользователь выбирает конструкцию из этого списка. Модуль работы. с БОК предоставляет, информационную помйщь по топологии и конструктивным параметрам.

В банк включены только те конструкции, которые, во-первых,

имеют определенные пре-

и*

01

III

■I

Рис. 5. Примеры конструкций из БОК

имущества перед другими (лучшая селективность,

малые габариты и др.), во-вторых, используемый в системе метод расчета фильтров, дает хорошее совпадение расчетных й экспериментальных данных для этих конструкций. В настоящее время банк содержит более 20 конструкций. Часть из них приве-

дена на Рис. 5. Пополнение банка новыми конструкциями не требует изменения рабочих модулей системы.

Задача оптимизации параметров в системе Р1ЬТЕХ разбита на две задачи - оптимизацию с целью формирования требуемой полосы пропускания и оптимизацию с целью достижения требуемых уровней заграждения. Соответственно на две группы разбиты конструктивные параметры, варьированием которых решаются указанные задачи.

Первая задача решается без участия пользователя программами формирования полосы пропускания (ФПП). Для каждой конструкции существует своя программа ФПП. Программа ФПП рассчитывает АЧХ" конструкции и оптимизирует первую группу параметров. Оптимизация параметров производится эффективным методом, описанным в четвертой главе. Начальные значения оптимизируемых параметров пользователь выбирает из БРР.

Банк рекордных решений системы представляет собой совокупность файлов рекордов (по одному на - конструкцию), содержащих электрические характеристики и значения конструктивных параметров ранее синтезированных фильтров. Во избежании неограниченного роста файла рекордов все пространство возможных решений разбито на классы. Класс решения характеризуется семью разрядами. Разряды определяют интервалы значений пара- _ метров полосы пропускания и некоторых параметров конструкции для решений, попадающих в один класс. В файл -попадают только те решения, которые являются рекордными в своем классе. Ре-кордность решения определяется по значениям коэффициентов крутизны, рассчитанных для уровней 30 и 40 дБ. Создается файл рекордов и пополняется в процессе работы самой системой.

Вторая задача оптимизации - достижение требуемых уровней заграждения - решается с участием пользователя посредством перебора конструкций или варьированием тех параметров, которые

не изменялись при решении первой задачи. После каждой коррекции параметров вновь запускается программа ФПП.

В автоматическом режиме работа пользователя максимально облегчена. Это достигается тем, что программа применения знаний выполняет следующие функции:

> формирует список устройств, потенциально пригодных для выполнения ТЗ; ■ ,

У анализирует причины и предлагает пути решения проблемы, если список устройств оказывается пуст;

> выбирает из банка решений начальное приближение и формирует файл-задание для программы ФПП;

> формирует промежуточный файл-задание, если найденное в БРР решение далеко от требуемого и обеспечивает тем самым результативную работу программы ФПП;

> анализирует файл-решение, являющийся результатом работы программы ФПП;

> оптимизирует длину связи резонаторов в фильтрах на параллельно связанных резонаторах.

Результаты проектирования можно проанализировать на экране дисплея и вывести на печать с помощью утилиты Ог1пЛ:о. Утилита позволяет увидеть частотную зависимость прямых и обратных потерь, фазочастотную характеристику, частотную зависимость изменения группового времени запаздывания, а также эскиз топологии фильтра с указанием координат вершин полосок МПР.

В четвертой главе в первом разделе изложены физические основы оптимальной настройки микрополосковых фильтров с заданной полосой пропускания. Сформулированы п+1 условие, которым должен, удовлетворять оптимально настроенный фильтр с числом резонаторов равным п.- Указаны необходимыэ операции

коррекции конструктивных параметров, устраняющие тот или иной тип -искажения АЧХ.

Во втором разделе описан оригинальный метод оптимизации параметров СВЧ фильтров, разработанный в процессе создания системы ИЬТЕХ. В предлагаемом методе, вместо скалярной целевой функции введен вектор отклонения Б. Этот вектор характеризует степень отклонения текущей АЧХ фильтра в области полосы пропускания от требуемой. Размерность вектора О равна п+1, где п - число резонаторов в фильтре. Для каждой компоненты Б, построен ' свой оператор коррекции конструктивных параметров С„ замечательный тем, что при его воздействии на параметры существенно изменяется только компонента Например, для четырех-звенного фильтра компоненты вектора О и соответствующие им операторы коррекции имеют вид:

т

Их^о -Р0гея)/Е0 Сх = Е/к. где ,т=[(п+1)/2]

к=г

п-т

Ъ2=:(АТ - АГтек)/ДГ • с2 = Есь - •

к=1

Бз - (К - ймин) С3 = ¿, '

= Из-С^+Кз), ¿4=1/2 6!-¿2,

где Г0 — центральная частота полосы пропускания, АГ ~ ширина полосы пропускания, И - средний уровень минимумов обратных потерь в полосе пропускания, ймин _ требуемый уровень минимумов обратных потерь, - г-ый минимум обратных потерь, -оператор, корректирующий резонансную частоту к-ого резонатора, ск - оператор, корректирующий величину связи к-ой' пары резонаторов, I. - оператор, корректирующий величину связи крайних резонаторов с внешними линиями передачи. Вектор отклонения и

операторы коррекции построены для фильтров с числом резонаторов от трех до шести.

Цель оптимизационного процесса — обнуление компонент вектора отклонения. Использование вектора Б с операторами С,- позволяет сократить число итераций благодаря тому, что по величинам компонент О, можно определить какие параметры нуждаются в коррекции.в первую очередь и оценить степень требуемой коррекции.

В пятой главе проведено сравнение характеристик фильтров, синтезированных в системе ИЬТЕХ и изготовленных по результатам синтеза. Представлены четырехзвенный фильтр на регулярных полуволновых резонаторах и четырехзвенный фильтр на встречно направленных шпилечных резонаторах. Результаты сравнения для одного из них вместе с параметрами конструкции приведены на Рис. 6. Отмечается хорошее согласие результатов синтеза и экспериментальных данных.

Ь, <1В

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Рис. 6. Сравнение синтезированной и экспериментальной АЧХ для четырехзвенного фильтра

В этой же главе обсуждаются возможности развития экспертной системы ИЬТЕХ за счет включения новых конструкций МИФ и расширения базы знаний системы.

В заключении приведены основные результаты работы, состоящие в следующем. .

1. Исследованы селективные свойства ряда конструкций трех-звенных и четырехзвенных микрополосковых фильтров на параллельно связанных резонаторах с различной симметрией расположения полосок МПР. Показано, что конструкция с лестничным расположением резонаторов позволяют реализовывать фильтры с симметричной АЧХ и при этом с" максимально возможным коэффициентом крутизны склонов. Кроме того, эта конструкция позволяет плавно менять крутизну низкочастотного и высокочастотного склонов. Из четырехзвенных конструкций выделена также конструкция с диагональным расположением -точек кондуктивного подключения и такой раздвижкой резонаторов, при которой, внешние резонаторы вместе с соседними внутренними резонаторами сдвигаются в противоположных направлениях." Показано, что на основе этой конструкции можно синтезировать фильтр с высокой крутизной высокочастотного склона.

2. Исследовано влияние длины области связи резонаторов на асимметрию склонов амплитудно-частотной характеристики фильтров на параллельно связанных МПР. Получены зависимости коэффициентов крутизны склонов амплитудно-частотной характеристики от длины области связи МПР в двух-, трех-, четырех- и пяти-звенных фильтрах. Получены интервалы значений смещения резонаторов, позволяющие .реализовать заданный тип АЧХ.

3. Разработан и использован в экспертной системе ИЪТЁХ новый эффективный метод оптимизации параметров СВЧ фильтров.

4. Создана экспертная система для проектирования микропо-лосковых полосно-пропускагощих фильтров с относительной шириной полосы пропускания от 2% до 100% в диапазоне частот от 50 МГц до 20 ГГц. Экспертная система отвечает основным требованиям, предъявляемым к программам САПР, и имеет:

• удобный способ ввода технического задания;

• достаточно высокую точность расчета характеристик синтезируемого устройства; . 1

• 'сравнительно малое время оптимизации параметров;

• пополняемый банк оптимальных конструкций МПФ;

• наглядный графический вывод информации/

С Другой стороны, созданный пакет программ обладает преимуществами экспертной системы.

• Имеет базу знаний, содержащую опыт проектирования МПФ.

• Обладает свойством накопления информации о характеристиках каждой конструкции фильтра.

• Включает в себя инструментальную оболочку, позволяющую расширять базу знаний ЭС.

В приложениях приведены описание инструментальной оболочки, используемой при создании программы применения знаний, акт о внедрении экспертной системы ПЬТЕХ в в/'ч 35533. Публикации по работе.

1. Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев! Трехзвенный микро-полосковый фильтр на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью. Материалы 1-ой Крымской конференции "СВЧ-техника и спутниковый прием", 1991.

2. Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Трехзвенный мшсро-полосковый СВЧ фильтр. - Препринт № 71 ОФ. - Институт физики СО РАН, Красноярск, 1992, 60 с.

3. Б.Д. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Влияние длины области связи микрополосковых резонаторов на избирательность полос-но-пропускающих фильтров. - Электронная техника. Сер. СВЧ-. техника, 1993, вып. 5-6, с. 11-15.

4. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Синтез микрополосковых фильтров по заданной полосе пропускания. — Препринт № 760Ф, Институт физики СО РАН, Красноярск, 1995, 27 с.

5: Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Физические аспекты оптимальной настройки микрополосковых фильтров. - Препринт № 76'8Ф. -""Институт физики СО РАН, Красноярск, 1996, 41' с.

6. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Эффективный метод оптимизации микрополосковьгх фильтров. - Труды ИИЭР - Российской конференции: "Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение", Новосибирск, 1997, стр. 104-109.

7. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Экспертная система FILTEX для синтеза микрополосковых фильтров. Труды ИИЭР -Российской конференции: "Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение", Новосибирск, 1997, с. 110-115.

8. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Экспертная система FILTEX для синтеза микрополосковых фильтров. Труды межд. на-учно-техн. конф. "Спутниковые системы связи, и навигации", 1997, Красноярск, Т. 1, с. 241-249.

9. Беляев Б,А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Новый метод оптими-. зации конструктивных параметров СВЧ фильтров. - Труды международной научно-технической конференции - "Спутниковые системы связи и навигации". 30 сентября - 3 октября. Красноярск, 1997, Т. 1, стр. 241-249.

10. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Экспертная система FILTEX для синтеза микрополосковых фильтров. Электронная техг лика. Сер. СВЧ-техника, 1998, Вып. 2, с. 21-25.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. КИРЕНСКОГО

На правах рукописи

НИКИТИНА МАРИЯ ИВАНОВНА

СИСТЕМА

ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -

доктор технических наук Беляев Б.А.,

кандидат физико-математических наук

Тюрнев В.В.

Красноярск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ............................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................................4

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................8

§ 1. Методы синтеза микрополосковых фильтров...........................................8

§ 2. Системы автоматизированного проектирования СВЧ-

устройств..................................................................................................................................................19

§ 3. Экспертные системы........................................................................................................23

ГЛАВА II. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ...................28

§ 1. Расчет амплитудно-частотной характеристики

микрополоскового фильтра....................................................................................................2 8

§ 2. Трехзвенный микрополосковый фильтр. Зависимость

селективности фильтра от параметров конструкции.................................33

§ 3. Сравнение селективных свойств различных конструкций

четырехзвенных микрополосковых фильтров.....................................................43

§ 4. Влияние длины области связи резонаторов на крутизну

склонов АЧХ микрополосковых фильтров............................................................48

§ 5. Выводы..........................................................................................................................................53

ГЛАВА III. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ИЬТЕХ..................................................................................55

§ 1. Назначение и основные характеристики ЭС ИЬТЕХ..................55

§ 2. Структура экспертной системы...........................................................................56

§ 3. Модуль ввода технического задания..............................................................58

§ 4. Банк оптимальных конструкций. Файл-каталог..................................61

§ 5. Блок оптимизации параметров. Файл-решение...................................67

2

§ 6. Банк рекордных решений. Файл-задание..................................................73

§ 7. Программа применения знаний............................................................................78

§ 8. Утилита Grlnfo.....................................................................................................................84

§ 9. Проектирование фильтров в ЭС FILTEX..................................................86

§ 10. Программная реализация ЗС FILTEX........................................................90

ГЛАВА IV. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ............................................................................100

§ 1. Физические аспекты оптимальной настройки

микрополосковых фильтров...............................................................................................100

§ 2. Новый метод оптимизации конструктивных параметров СВЧ фильтров...............................................................................................................................................109

ГЛАВА V. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ.................................................................................120

§ 1. Сравнение расчетных и экспериментальных АЧХ фильтров

........................................................................................................................................................................120

§ 2. Сравнение результатов расчета АЧХ фильтров в системах

FILTEX и TOUCHSTONE.....................................................................................................124

§ 3. Возможности развития экспертной системы.......................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................................................135

Инструментальная оболочка ЭС....................................................................................135

Текст схемного файла 1.......................................................................................................141

Текст схемного файла 2.......................................................................................................143

Акт о внедрении...........................................................................................................................145

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Микрополосковые фильтры (МПФ) широко используются в технике СВЧ. Это объясняется рядом причин. К ним относятся: высокая надежность, хорошая воспроизводимость параметров, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, малые масса и габаритные размеры при требуемых электрических характеристиках. При этом существенным моментом является тот факт, что их проектирование и производство в достаточной степени может быть автоматизировано.

До настоящего времени проектирование СВЧ устройств, в частности микрополосковых фильтров, является задачей, решение которой под силу лишь высококвалифицированным специалистам в области СВЧ техники. Существующие программные средства проектирования СВЧ устройств, к ним относятся такие известные пакеты САПР, как FAGOT, SUPER-COMPACTR, TOUCHSTONE, в значительной мере ориентированы на высококвалифицированных специалистов в данной области - экспертов. Процесс проектирования включает в себя такие важные этапы, как подбор конструкции устройства, описание данной конструкции на специальном языке конкретной САПР, подбор начальных значений конструктивных параметров устройства, задание целевой функции и выбор метода оптимизации конструктивных параметров. На каждом этапе проектирования пользователю приходится решать достаточно сложные, трудоемкие задачи. Поэтому задача создания программного обеспечения, способного максимально облегчить труд конструктора, является актуальной.

Для того чтобы программа, предназначенная для решения задач в конкретной области, могла в процессе работы помочь пользователю определенными советами или даже принять решение вместо него, необходимо обеспечить эту программу комплексом специальных знаний в этой узкой предметной области. Такая программа, обладающая свойствами искусственного интеллекта, называется экспертной системой. При разработке экспертной системы приходится решать большой круг вопросов, связанных с накоплением знаний о предметной области, определением формы представления знаний, организацией логического вывода. Поэтому актуальной является задача экспертной оценки известных конструкций микрополосковых фильтров на предмет перспективности включения их в систему, а также накопления и формализации знаний о свойствах этих конструкций.

В связи с постоянным появлением новых конструкций микрополосковых фильтров, а также накоплением опыта работы с ними, необходимо, чтобы программное обеспечение для их проектирования обладало свойством открытости к дополнению и модернизации. Поэтому разработка принципов построения программного обеспечения, отвечающего указанному требованию, является актуальной.

Одной из основных целей автоматизированного проектирования является сокращение, насколько это возможно, времени на экспериментальную доводку разработанного устройства. Достижение этой цели обеспечивается использованием адекватных расчетных моделей для используемых элементов схемы, а также применением разнообразных методов оптимизации параметров конструкции. Поэтому актуальной является задача разработки новых эффективных методов оптимизации, снижающих временные затраты на разработку устройств.

Целями работы являются: разработка принципов построения и реализация программного обеспечения, максимально облегчаю-

5

щего работу проектировщика микрополосковых фильтров, открытого по отношению к расширению и модернизации. Для достижения этих целей в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) проведение расчетных экспериментов по выявлению закономерностей поведения избирательности ряда конструкций МПФ;

2) проведение экспертной оценки ряда используемых конструкций МПФ и формирование банка оптимальных конструкций;

3) разработка эффективного метода оптимизации конструктивных параметров МПФ;

4) выбор метода представления знаний по проектированию и инструментальных средств для построения экспертной системы;

5) разработка архитектуры экспертной системы, обеспечивающей возможность расширения и модернизации;

6) программная реализация экспертной системы по синтезу микрополосковых полосно-пропускающих фильтров.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем.

1. Исследована зависимость избирательности микрополосковых фильтров на параллельно связанных резонаторах с различным числом резонаторов от длины области связи. Показано, что традиционные фильтры на параллельно связанных резонаторах имеют неоптимальную длину области связи с точки зрения реализации симметричной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с максимальной прямоугольностью. Получена оптимальная относительная величина смещения резонаторов друг относительно друга, обеспечивающая максимальную прямоугольность АЧХ.

2. Разработаны принципы построения и программно реализована экспертная система по синтезу микрополосковых полосно-пропускающих фильтров, обладающая свойством открытости к мо-

дернизации и расширению, а также способностью накапливать опыт проектирования.

3. Разработан новый эффективный метод оптимизации конструктивных параметров микрополосковых фильтров.

Практическая ценность. Полученные результаты по зависимости асимметрии склонов АЧХ от длины области связи резонаторов могут быть использованы при практической реализации и настройке фильтров на параллельно связанных резонаторах. Созданная экспертная система является удобным средством проектирования МПФ, не требующим от пользователя особых навыков работы с ней. Система может быть использована также для исследования новых конструкций МПФ. Модульное построение системы и включение в нее инструментальной оболочки позволяет достаточно квалифицированному пользователю наращивать систему новыми конструкциями фильтров, модернизировать алгоритм автоматического проектирования устройств. Прикладная значимость работы состоит также в разработке нового эффективного метода оптимизации, который может быть использован для оптимизации параметров широкого класса СВЧ фильтров.

На защиту выносятся:

1) экспертная система по проектированию микрополосковых полосно-пропускающих фильтров;

2) результаты исследований избирательности микрополосковых фильтров на параллельно связанных резонаторах;

3) новый метод оптимизации параметров СВЧ фильтров.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

§ 1. Методы синтеза микрополосковых фильтров

Микрополосковые фильтры выполняются на отрезках микрополосковых линий (МПЛ), выполненных в виде тонких полосок металла, нанесенных на одну из сторон диэлектрической подложки. Другая сторона подложки полностью металлизирована и является экраном. На Рис. 1 изображено поперечное сечение экранированной несимметричной полосковой линии. Такая конструкция носит название экранированной микрополосковой линии (МПЛ). Ширина металлического проводника, являющегося микрополосковым резонатором (МПР), обозначена на рисунке как ъи>, его толщина -t, относительная диэлектрическая проницаемость подложки - 8Г, толщина подложки - кф расстояние от поверхности подложки до верхнего экрана - На. При однородном заполнении диэлектриком всего пространства внутри экрана и На = Тг^ полосковая линия носит название симметричной. В зависимости от требований, предъявляемых к характеристикам фильтра, количество проводников, а также их форма могут меняться. Могут меняться также и другие параметры конструкции - материал подложки и ее толщина, высота экрана.

IV <—> \ £ / \ \ К /

... . ) с / \ [\ / а

Рис. 1. Поперечное сечение экранированной несимметричной ПЛ.

К настоящему времени разработано большое количество конструкций МПФ, различающихся формой и взаимным расположением микрополосковых резонаторов, наличием нерегулярностей МПР, а также наличием дополнительных элементов, таких как сосредоточенные емкостные и индуктивные элементы Ясно, что автоматизировать процесс проектирования МПФ, имеющих сильно различающиеся конструкции, достаточно сложная задача. Основная цель проектирования - подобрать конструкцию и ее параметры так, чтобы устройство обладало заданными характеристиками. Поэтому процесс проектирования, по сути, является синтезом конструкции. В целом подобные задачи синтеза полностью не формализованы. Первая часть задачи синтеза - определение конструкции МПФ, отвечающей конкретному техническому заданию. Эту часть выполняет проектировщик, опираясь на свой опыт. Очевидно, что этот опыт достаточно сложно формализовать. В этом смысле структурный синтез плохо поддается автоматизации. Хотя в некоторой степени автоматизировать его можно путем сопоставления характеристик известных типов конструкций, входящих в некий банк данных.

Вторая часть задачи проектирования заключается в том, чтобы при определенной конструкции фильтра так подобрать конструктивные параметры, чтобы получить необходимые выходные характеристики. Эта часть задачи поддается полной автоматизации. Причем ее решение может быть получено двумя путями. Первый - использовать прямой способ синтеза. Этот способ состоит в том, что по известным для выбранной конструкции аналитическим формулам рассчитываются ее электрические, а затем геометрические параметры [2>3].

Одной из первых работ, которую можно отнести к области прямого синтеза МПФ, является работа С.Б. Кона [4]. В работе предложена конструкция полосно-пропускающего фильтра (ППФ),

9

ЖЕ

81

ж;

>1

-<*1

*

83

ШТ

сЬ

п

>1

п

W

п

не

<*п+1 ^

I

"Ж

'п

"^ТГ

Л77Т

I

1п+1

Рис. 2. Топология фильтра на параллельно связанных резонаторах

получившего название фильтра на параллельно связанных резонаторах (ПСР). Фильтр содержит полуволновые отрезки МПР, расположенные параллельно друг другу и сдвинутые относительно друг друга на половину своей длины. Топология фильтра приведена на Рис. 2. В работе даны формулы расчета параметров данной конструкции для случаев максимально плоской и чебышев-ской характеристик.

Расчетные формулы получены на основе универсальной методики расчета фильтров СВЧ, использующей в качестве исходных данных результаты синтеза фильтра-прототипа нижних частот (ФНЧ) с сосредоточенными элементами. Рассмотрен случай симметричной ПЛ. При выводе расчетных формул низкочастотному фильтру-прототипу, состоящему из сосредоточенных емкостных и индуктивных элементов $1 (см. Рис. 3) ставится в соответствие эквивалентная схема фильтра на параллельно связанных полуволновых резонаторах.

§2 §4

.о-^ТШ-т-ОТП-

г,

§1 Т §3

8п-1

ьп

■ ^-ЛГТР.

"ёп-1 ^

П

нечетное

п

четное

Рис. 3. Низкочастотный фильтр-прототип на сосредоточенных элементах

Показано, что эквивалентную схему такого фильтра можно представить в виде цепочки последовательных или парал-

лельных резонирующих контуров, соединенных инверторами сопротивления К^ (см. Рис. 4). Расчетные формулы получены в приближении нулевой ширины полосы пропускания, однако, как отмечают авторы, хорошие результаты получаются вплоть до 30 %-ой ширины полосы пропускания.

Синтез начинается с выбора типа характеристики и числа резонаторов п, позволяющих полу-

Рис. 4. Эквивалентная схема фильтра на ПСР

чить требуемый уровень заграждения на заданной частоте. Далее рассчитываются параметры д^ низкочастотного прототипа, и, основываясь на них, значения Кг-. Используя значения инверторов сопротивления, рассчитываются волновые сопротивления Zoe и Ъ00 четной и нечетной моды колебаний для каждой секции. В соответствии с рассчитанными Zoe, и %00 находятся ширины полосок резонаторов и){ и зазоры между ними Начальное значение длины I считается равным четверти длины волны в линии с заданным значением ег на центральной частоте полосы пропускания. При

учете краевой емкости на концах каждой полоски значение I корректируется на величину с2г-. Утверждается, что величина с£ = 0.165Ь (Ь - расстояние между верхним и нижним экранами) является вполне удовлетворительной поправкой для всех резонаторов.

В случае МПЛ, т.е. при неоднородном диэлектрическом заполнении, длины волн четной и нечетной моды не равны между собой. Поэтому при использовании описанного метода для синтеза фильтров в микрополосковом исполнении встает вопрос определения длины секции I. В работе [5] была предложена эмпирическая формула для расчета эквивалентной длины волны связанных МПЛ. Однако она получена для конкретной модели и должна меняться в случае МПЛ с другими геометрическими и электрическими характеристиками. Автор работы [6] в своих программах использует в качестве эквивалентной диэлектрической проницаемости среднее арифметическое от эффективных диэлектрических проницаемостей четной и н�