автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Структурно-параметрический синтез широкополосных согласующе-корректирующих цепей СВЧ устройств на основе морфологического и-или дерева и генетического алгоритма

ТОМСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

На правах рукописи

005001102

Дорофеев Сергей Юрьевич

1

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

ШИРОКОПОЛОСНЫХ СОГЛАСУЮЩЕ-КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО И-ИЛИ ДЕРЕВА И ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2011

005001102

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 Газизов Талгат Рашитович

кандидат технических наук, доцент Акимов Сергей Викторович

Ведущая организация:

Защита состоится «6» декабря 2011 г. в 9 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, к. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034 г. Томск ул. Вершинина, 74.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу 634050, Томск, пр.Ленина 40, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «.03 у>ИОЯ&№ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Филатов А.В.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и состояние проблемы. В настоящее время во всем мире наблюдается исключительно быстрое развитие радиоэлектронных систем (РЭС), работающих в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), в том числе беспроводных систем передачи данных, систем сотовой и радиорелейной связи, навигации и радиолокации и др. К важнейшим элементам СВЧ РЭС относятся такие радиоэлектронные устройства (РЭУ), как транзисторные усилители, умножители частоты, передающие устройства, во многом определяющие характеристики РЭС.

Важной составляющей проектирования указанных типов СВЧ РЭУ является решение задач широкополосного согласования, а также коррекции произвольной формы частотной характеристики (ЧХ). В общем случае требуется согласовать комплексные импедансы источника сигнала и нагрузки с целью максимизации передаваемой мощности в заданном диапазоне частот, что осуществляется с помощью согласующе-корректирующих цепей (СКЦ). В СВЧ диапазоне СКЦ могут выполняться как в сосредоточенном, так и распределенном элементных базисах, иначе говоря, содержать как сосредоточенные (сопротивления, емкости, индуктивности), так и распределенные (отрезки линии передачи - ЛП) элементы.

Задача проектирования (синтеза) СКЦ состоит в поиске структуры и значений элементов реактивной цепи, обеспечивающих необходимую форму ЧХ в заданном диапазоне частот при комплексных импедансах генератора и нагрузки. Эта задача имеет большую практическую значимость, так как обеспечивает оптимальное построение широкополосных приемопередающих трактов.

Автоматизация процедуры синтеза СКЦ является актуальной проблемой, так как позволяет упростить процесс проектирования и улучшить характеристики синтезированных устройств. Методы синтеза СКЦ достаточно широко рассмотрены в работах Н.З. Шварца, В.М. Богачева, В.Б. Текшева, Г.Н. Девяткова, Л.И. Бабака, Г. Карлина, Б. Ярмана, Д. Меллора, П. Абри и др., тем не менее, они не лишены недостатков. Например, используются только сосредоточенные элементы или только соразмерные отрезки ЛП. Основной недостаток существующих методов - они не учитывают в полной мере дополнительные требования на структуру и значения элементов синтезируемых цепей, накладываемые при решении практических задач (например, реализуемость элементов и цепи при определенной технологии изготовления, необходимость подачи питания на транзистор и др.). В результате полученные цепи неудобно, а иногда и невозможно реализовать на практике.

На основе графоаналитических и численных методов разработано несколько систем автоматизированного проектирования (САПР) СКЦ (MultiMatch, Smith, Filter Design Guide, ZMatch). Они позволяют достаточно успешно синтезировать СКЦ, однако сохраняют отмеченные недостатки реализованных в них методов.

На практике до сих пор наиболее распространенным методом проектирования СКЦ остается эвристический подход, при котором сначала выбирается структура

СКЦ на основе упрощенных методов расчета, диаграммы Вольперта-Смита или опыта проектировщика, а затем выполняется параметрическая оптимизация. Такой подход трудоемок и накладывает высокие требования к квалификации проектировщика, при этом, зачастую не обеспечивая оптимальные решения.

Таким образом, процесс проектирования широкополосных СКЦ, широко применяемых в СВЧ технике, с учетом требований к структуре и параметрам синтезируемой цепи, форме ЧХ, частотнозависимым импедансам нагрузки и генератора, до сих пор остается сложной задачей, занимает много времени и требует высокой квалификации разработчика.

В последнее время предложены новые подходы к решению задачи автоматизации синтеза РЭУ, в частности, основанные на генетических алгоритмах (ГА), имитирующих эволюционные процессы в природе - обмен генами, мутацию, естественный отбор. ГА обеспечивают поиск в дискретно-непрерывных пространствах, оперируют целыми множествами решений (популяцией), а также позволяют находить приемлемые решения за приемлемое время.

Исследованием способов применения ГА к синтезу РЭУ занимается так называемая «эволюционная электроника», которая в настоящий момент активно развивается. Тем не менее, существующие подходы пока недостаточно эффективны. В частности, методы, описанные в работах Д.Р. Козы, приводят к избыточным схемам РЭУ. Методы синтеза СКЦ на основе ГА, предложенные в работах П. Абри, Д. Плезиса, С. Сана и В. Jlay, А.Ф. Поттера и др. не позволяют гибко учитывать требования к структуре цепей и решать задачи синтеза СКЦ с произвольной формой ЧХ. Отсутствие в этой области значимых с точки зрения практики результатов подтверждает тот факт, что в настоящее время отсутствуют коммерческие программные средства структурно-параметрического синтеза РЭУ на основе ГА.

Основным недостатком существующих подходов к синтезу РЭУ на основе ГА является отсутствие контроля структуры синтезируемого объекта, что приводит к нереализуемым на практике решениям. Перспективным подходом, позволяющим преодолеть указанную трудность, является морфологический подход (МП), предложенный Ф. Цвикки. К задаче структурно-параметрического синтеза РЭУ МП применил C.B. Акимов, предложив использовать И-ИЛИ деревья для описания структуры РЭУ. Главной идеей настоящей диссертации является объединение преимуществ МП и ГА с целью получения эффективного инструмента для решения прикладных задач синтеза широкополосных СКЦ. Благодаря рассмотрению задачи с общих позиций ряд результатов диссертации может быть распространен на более широкий класс аналоговых РЭУ, например, СВЧ транзисторных усилителей и др.

Серьезной проблемой при реализации структурно-параметрического синтеза с использованием итерационных алгоритмов (к которым относятся и ГА) является также повышение скорости математического моделирования синтезируемых устройств с заранее неизвестной структурой, так как время синтеза пропорционально времени моделирования.

Цель работы - разработка подхода для автоматизированного структурно-параметрического синтеза широкополосных согласукнце-корректирующих цепей СВЧ радиоэлектронных устройств в сосредоточенном и распределенном элементных базисах на основе И-ИЛИ деревьев и генетических алгоритмов с учетом практической реализуемости; проектирование на этой базе согласующе-корректирующих цепей для СВЧ транзисторных усилителей.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1) анализ предметной области и существующих подходов к синтезу СКЦ;

2) разработка морфологического И-ИЛИ дерева, описывающих структурно-параметрическую модель СКЦ, а также способов его кодирования и варьирования;

3) разработка быстродействующего способа математического моделирования;

4) разработка способа задания требований к СКЦ, оценки проектных решений;

5) реализация разработанного подхода к синтезу в виде программы, исследование его эффективности;

6) решение практических задач синтеза СКЦ.

Научная новизна работы:

1) Впервые разработан подход к структурно-параметрическому синтезу широкополосных согласующе-корректирующих цепей в сосредоточенном и распределенном базисах на основе генетического алгоритма и морфологических И-ИЛИ деревьев, с возможностью расширения на другие классы устройств.

2) Впервые предложен способ математического моделирования линейных радиоэлектронных устройств на основе сопоставления И-ИЛИ дереву иерархически вложенных аналитических моделей компонентов, специально ориентированный на применение в задачах динамической генерации структуры устройств.

3) Предложен набор эвристических правил, учитывающих особенности проектирования лестничных цепей и позволяющих повысить практическую эффективность синтеза согласующе-корректирующих цепей на основе генетического алгоритма.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Разработанный на основе И-ИЛИ деревьев способ формирования морфологических моделей РЭУ позволяет контролировать структуру и параметры элементов РЭУ, что позволяет синтезировать удобные для практической реализации цепи.

2) Использование ГА позволяет одновременно получать группу различных схемных решений. Это дает возможность проектировщику выбрать схемное решение на основе не только значений характеристик, но и особенностей практической реализации (например, обусловленных технологией изготовления).

3) Использование эвристических правил обеспечивает генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращает время синтеза.

4) Разработанная программа ВДОЕЗУЗ-МАТСН обеспечивает решение широкого круга задач синтеза широкополосных СКЦ как на сосредоточенных, так и распределенных элементах, при произвольных частотпозависимых комплексных им-педансах генератора и нагрузки и при произвольной форме ЧХ коэффициента

передачи по мощности. По сравнению с другими программами синтеза, INDESYS-МАТСН позволяет расширить класс решаемых задач, полностью автоматизировать решение задачи структурно-параметрического синтеза СКЦ, получать реализуемые на практике схемы с высокими техническими характеристиками, сократить время и трудоемкость синтеза СКЦ (типичное время синтеза СКЦ составляет несколько секунд), снизить требования к уровню квалификации и опыту проектировщика.

5) С использованием программы INDESYS-MATCH решен ряд практических задач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей: первых в России копланарных гетероструктурных усилителей мм-диапазона волн на основе 0,13 мкм GaAs гетероструктурной тНЕМТ технологии Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН); трехкаскадного малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 27-31 ГГц с фильтрующими свойствами для системы космической связи, выполненного по монолитной 0,1 мкм GaAs шНЕМТ технологии D01MH фирмы OMMIC для французского космического агентства CNES; трехкаскадного МШУ диапазона частот 7-13 ГГц для НПФ «Микран».

Положения, выносимые на защиту:

1) Комбинирование с применением генетического алгоритма радиоэлектронных компонентов, входящих в обобщенную морфологическую модель в виде И-ИЛИ дерева, позволяет осуществить одновременно структурный и параметрический синтез широкополосных согласующе-корректирующих цепей, обеспечивающих заданную форму частотной характеристики.

2) Обход морфологического И-ИЛИ дерева и сопоставление аналитических моделей компонентам дерева позволяет вычислить частотные характеристики динамически сгенерированных согласующе-корректирующих цепей с меньшими временными затратами, чем с использованием алгоритмов универсального моделирования.

3) Использование в генетическом алгоритме эвристических правил, учитывающих особенности проектирования согласующе-корректирующих цепей, позволяет повысить эффективность синтеза: запрет генерации ряда однотипно включенных сосредоточенных элементов позволяет получать корректные с точки зрения схемотехники цепи лестничного типа; исключение следующего после колебательного контура звена лестничной цепи позволяет фиксировать порядок лестничной цепи; замена в генетическом алгоритме цепей с повторяющейся структурой на случайно сгенерированные обеспечивает постоянный структурный поиск.

Апробация результатов. Представленная работа выполнялась как составная часть НИР ТУСУР и поддержана грантами: У.М.Н.И.К., Бизнес-СТАРТ с Microsoft, РФФИ №09-07-99020, INTAS №06-1000024-9199, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракты №№П1418, П1492, П669), гос. контракт № 354/1 от администрации Томской области, гос. контракты №14.740.11.0135 и №16.740.11.0092 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области микроэлектроники».

Результаты исследования докладывались в 9 докладах на международных научно-технических конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2008 г.), «Электронные средства и системы управления» (Томск 2007, 2010 гг.), «Современные техника и технологии» (Томск, 2010 г.), «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010 г.), в 17 докладах на Всероссийских научных конференциях «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2007-2011 гг.), «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2008-2009 г.), «Ползу-новские гранты молодым ученым» (Барнаул, 2008 г.), «Технологии Microsoft» (Томск, 2009-2010 гг.), «Интегрированные САПР для разработки инновационной радиоэлектронной продукции, аппаратуры и систем» (Санкт-Петербург, 2010 г.) и др.

По результатам выступлений на конференциях и конкурсах получены: грамота за лучшую научную работу во всероссийском открытом конкурсе, диплом лауреата «Ползуповские гранты молодым ученым», диплом I степени У.М.Н.И.К., дипломы I степени «Технологии Microsoft» в секциях «Интеллектуальные системы и технологии» и «Системы автоматизированного проектирования», диплом II степени в конкурсе «Microsoft Imagine Сир 2010» по Сибири и Дальнему Востоку. Созданный проект группового обучения студентов по теме исследований №1015 «Интеллектуальные системы синтеза СВЧ РЭУ» занял второе место в конкурсе ТУ СУР в 2010 г. По совокупности научных результатов автору присужден статус «Лауреат Томской области среди молодых ученых 2010».

По результатам научно-исследовательской деятельности опубликовано 32 работы по теме диссертации, а также издано 4 учебно-методических пособия. В число работ входит 5 публикаций в журналах, включенных в перечень ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты были использованы в ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), НИИ Полупроводниковых приборов (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск), Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» при ТУСУРе (г. Томск), Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (XLIM, г. Лимож, Франция), Французском космическом агентстве (CNES, г. Тулуза, Франция), а также в учебном процессе каф. КСУП ТУСУР.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор развил идею использования МП совместно с ГА для решения задачи структурно-параметрического синтеза СВЧ РЭУ, предложил и реализовал подход к быстродействующему математическому моделированию СВЧ РЭУ, предложил идею создания программной системы INDESYS, разработал программу INDESYS-MATCH обеспечивающую синтез широкополосных СКЦ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы составляет 229 страниц. Основная часть включает 192 страницы, в том числе 108 рисунков и 31 таблицу. Список используемых источников содержит 183 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмечены недостатки существующих подходов и программного обеспечения для синтеза широкополосных СКЦ для СВЧ РЭУ, рассмотрены преимущества использования ГА и МП для структурно-параметрического синтеза технических объектов. Определены цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе описывается постановка проблемы структурно-параметрического синтеза широкополосных реактивных СКЦ, используемых в СВЧ РЭУ. Рассматриваются существующие методы, алгоритмы и программное обеспечение для проектирования СКЦ, отмечаются их достоинства и недостатки:

1) графоаналитические методы на основе круговой диаграммы Вольперта-Смита;

2) классические методы синтеза, предполагающие решение задачи синтеза в два этапа - сначала аппроксимация ЧХ синтезируемой цепи, затем — реализация;

3) численные методы на основе метода «реальной частоты», случайного или систематического поисков;

4) методы областей и «визуального» синтеза, предполагающие представление требований к цепям в виде областей допустимых значений импеданса.

Графоаналитические и классические методы трудоемки, требуют высокой квалификации разработчика и позволяют решать ограниченный круг задач. Графоаналитические методы плохо пригодны для решения задач широкополосного согласования. В классических методах требуется представить генератор и нагрузку в виде эквивалентных ЯЬС-цепей, что не является тривиальной задачей для случая широкополосного согласования. Численные методы, как правило, реализуются на основе алгоритмов нелинейной оптимизации, а значит, зависимы от выбора начального приближения и целевых функций (ЦФ), могут приводить к локально оптимальным решениям. Метод областей и «визуальное» проектирование при синтезе СКЦ с числом элементов более 4-5 трудоемки, требуется высокая квалификация и опыт проектировщика.

Главный недостаток большинства существующих методов - отсутствие возможности учитывать ограничения на структуру синтезируемой цепи и значения элементов, что затрудняет реализацию полученных СКЦ. Метод синтеза, предназначенный для практического применения, должен позволять проектировщику ограничивать область поиска только рациональными структурами (например, обеспечивающими подачу напряжения на транзистор и т.д.).

Кроме того, метод должен предоставлять несколько различных вариантов проектных решений, которые являются оптимальными по различным, часто несовместимым, критериям (таким как степень согласования на различных участках частотного диапазона, количество элементов, удобство практической реализации и др.). В зависимости от важности критерия в каждом конкретном случае проектировщик выбирает наиболее подходящее решение.

В настоящее время наиболее развитой программой синтеза СКЦ является MultiMatch IMW, основанная на методе систематического поиска. К сожалению, программа не обеспечивает полного контроля структуры синтезируемых цепей, не позволяет получать произвольные формы ЧХ (только плоские и с постоянным наклоном), не учитывает ограничения на импеданс цепей за полосой согласования. Остальные известные программы повторяют недостатки используемых в них методов: не позволяют решать задачи широкополосного согласования (программа Smith), не обеспечивают возможности контроля структуры цепей и значений элементов (Filter Design Guide, ZMatch), требуют аппроксимации сопротивлений генератора и нагрузки эквивалентными RLC-цепями (Filter Design Guide).

В главе рассматриваются принципы итерационной оптимизации и оценки проектных решений на основе различных ЦФ, приводится обзор ГА и достижений «эволюционной электроники» в области синтеза аналоговых РЭУ, в частности, СКЦ. При синтезе РЭУ на основе ГА конкретная схема (особь) и значения элементов устройства кодируются в виде набора варьируемых целочисленных и вещественных параметров (генов), определяющих тип элемента, способ его включения, номинал и т.д. ГА является итерационным алгоритмом и оперирует одновременно со множеством особей - набором проектных решений. В процессе работы ГА особи обмениваются генами, порождая новые особи (скрещивание), в них вносятся случайные мутации, худшие особи отбрасываются (естественный отбор). При использовании ГА возникает проблема преждевременного заполнения всей популяции одной или несколькими «нишами» (близкими вариантам одной особи), в результате чего появление качественно новых особей значительно затруднено.

Наиболее значительные достижения в области автоматического синтеза согласующих цепей были получены Абри и Плезисом на основе гибридного ГА, в котором классический ГА был дополнен методом наискорейшего спуска. В этой работе область структурного поиска ограничена классом лестничных цепей (каскадно соединенных четырехполюсников - звеньев, в каждом из которых используются параллельные или последовательные соединения элементов, рис.1а), как наиболее удобных для реализации СКЦ. Данная работа не позволяет учитывать требования к структуре согласующей цепи для учета особенностей практической реализации и получать произвольные формы ЧХ.

Описанные трудности могут быть преодолены с помощью МП, позволяющего задать и ограничить класс возможных структур синтезируемого объекта в виде морфологического И-ИЛИ дерева. Применительно к РЭУ И-ИЛИ дерево определяет декомпозиционную иерархическую модель синтезируемого класса РЭУ и позволяет задавать как все возможные (допустимые) структурные компоненты устройства. Каждый элемент морфологического П-ИЛИ дерева (далее - «компонент») описывает структурное соединение связанных с ним компонентов нижнего уровня. И-связь означает, что нижестоящий компонент будет обязательно включен в данное структурное соединение, а ИЛИ-связи образуют наборы альтернативных компонентов,

среди которых осуществляется структурный поиск. В процессе синтеза все наборы ИЛИ-связей должны быть вырождены до одной связи в каждом наборе, в результате дерево опишет схему с конкретной структурой. Основное преимущество использования морфологических И-ИЛИ деревьев - значительное сокращение пространства поиска за счет обеспечения поиска только в области рациональных структур.

Одним из ключевых факторов, определяющих эффективность итерационных методов синтеза, является быстродействие моделей, так как время анализа каждого решения в итоге определяет общее время синтеза. Реализация быстродействующей процедуры моделирования осложняется тем, что изначально нет информации о структуре и параметрах генерируемых проектных решений. Заранее запрограммировать полные аналитические модели расчета характеристик для всех возможных вариантов устройств в общем случае невозможно ввиду их большого количества, а универсальные алгоритмы моделирования имеют значительно более низкое быстродействие. Поэтому возникает задача разработки способов моделирования РЭУ, специально ориентированных на задачи синтеза в условиях вариации структуры и параметров устройства. При этом к быстродействию динамически формируемой в процессе синтеза математической модели предъявляются повышенные требования.

Согласно модели синтеза, предложенной С.В. Акимовым и развитой в данной работе, процесс синтеза можно условно разделить на ряд уровней. Уровень идентификации М1 обеспечивает получение вектора параметров, кодирующих синтезируемый объект (схему РЭУ), варьируя которые можно получать различные варианты решений. Уровень спецификации М2 задает однозначное соответствие полученного набора значений кодирующих параметров конкретному объекту предметной области (схеме устройства с определенной структурой и номиналами элементов). Уровень анализа МЗ задает математическую модель и позволяет вычислить значения характеристик решения. Уровень предметной области М4 обеспечивает управление процессом синтеза. На этом уровне становится возможным задать эвристические правила, отражающие специфические знания предметной области, позволяющие направить процесс синтеза и, таким образом, значительно ускорить получение оптимального решения.

Данные уровни относительно независимы друг от друга и позволяют разделить метод синтеза на четыре отдельных части, что значительно упрощает их программную реализацию и адаптацию к использованию для синтеза объектов других предметных областей, замену способов моделирования или кодирования особей, применение оптимизационных алгоритмов, не основанных на ГА, и т.д.

В конце главы формулируются задачи, которые решаются в данной работе.

Во второй главе разрабатывается и исследуется численный метод на основе ГА и И-ИЛИ деревьев для синтеза широкополосных СКЦ, используемых в СВЧ РЭУ.

В данной главе разрабатывается морфологическое И-ИЛИ дерево, содержащее обобщенную модель СКЦ (рис. 1а) в виде цепи лестничного типа. Построенные морфологические деревья отдельных типов РЭУ можно использовать при синтезе более

сложных РЭУ. На рис 2. демонстрируется его использование в двухкаскадном усилителе (рис. 16).

Рис. 1. Структурные схемы СКЦ в виде лестничной цепи (а) и двухкаскадного усилителя (б)

Рис. 2. Морфологическое дерево двухкаскадного усилителя с СКЦ На рис. 2 приняты следующие обозначения: в виде прямоугольников показаны способы включения, в виде эллипсов - элементы. Сплошная линия означает связь типа «И» (компонент обязательно войдет в синтезированное РЭУ), пунктирная линия -связь типа «ИЛИ» (войдет только один из набора вариантов).

Полный контроль над каждым компонентом синтезируемой цепи обеспечивается подключением или отключением отдельных ветвей морфологического дерева. Например, при синтезе СКЦ проектировщик может задать необходимые ограничения для каждого звена. Это позволяет ограничить область поиска только рациональными

структурами, одновременно ускоряя получение оптимального проектного решения. Вырождая наборы связей ИЛИ до одной, можно обеспечить структурный синтез.

Каждому компоненту можно дополнительно сопоставить диапазоны варьирования вещественных параметров (на рис. 2 нижние и верхние пределы обозначены с префиксами min и тах соответственно). Варьируя параметры элементов в этих диапазонах, можно обеспечить параметрический синтез.

Для обеспечения уровня идентификации М1 предлагается следующий способ. Кодирующий РЭУ набор варьируемых параметров формируется рекурсивным обходом морфологического дерева. Целочисленные параметры описывают порядковый номер узла из набора альтернатив ИЛИ-ветви, а вещественные - значения параметров элементов РЭУ. Диапазон варьирования целочисленных параметров равен количеству ИЛИ-альтернатив в узле, диапазоны вещественных параметров (номиналов элементов) задаются проектировщиком перед началом синтеза. Например, для описания структуры и параметров СКЦ, показанной на рис. 2, требуется 9 целочисленных и 48 вещественных параметров. Варьирование их любым способом (например, ГА) в полученных диапазонах обеспечивает получение различных проектных решений.

Соответствие набора значений варьируемых параметров конкретным схемам РЭУ (декодирование) задает уровень спецификации М2. В работе предлагается способ реализации уровня М2 на основе принципов объектно-ориентированного программирования. Создаются классы, которые описывают каждый возможный вид элементов и структурных соединений. Каждый класс содержит в себе номиналы элемента или ссылки на вложенные в него компоненты. Объектная модель конкретной цепи РЭУ формируется в результате последовательного обхода вырожденного дерева с соответствующей иерархической подстановкой компонентов (рис.3).

Рис. 3. Иерархическая структура компонентов при декодировании Для решения задачи отображения РЭУ в виде принципиальной схемы предложено в каждом классе дополнительно хранить относительное положение вложенных компонентов и координат узлов. Разработан алгоритм универсальной геометрической интерпретации (отображения) схемы РЭУ вне зависимости от степени вложенности ее компонентов.

Для вычисления характеристик полученной схемы на уровне анализа МЗ предложен способ динамического формирования математических моделей по

морфологическому И-ИЛИ дереву непосредственно в процессе синтеза. Каждому виду компонента И-ИЛИ-дерева задается прямая аналитическая модель, позволяющая рассчитать Ъ-, У-, А- или Б- параметры на основе параметров входящих в него компонентов более низкого уровня. Кроме того, созданы модели характеристик, которые могут вычислять как частошозависимые (коэффициент передачи, коэффициент отражения и др.), так и интегральные значения характеристик (минимальное или максимальное значение характеристик во всем частотном диапазоне) на основе вычисленных параметров компонентов. Задав номиналы всех элементов РЭУ и определив способы включения его компонентов, можно вычислить его ЧХ. Всего было разработано более 50 моделей, позволяющих вычислять ЧХ коэффициента передачи для СКЦ в виде лестничной цепи на основе сосредоточенных (К, Ь, С, в том числе колебательных контуров) и распределенных элементов (отрезков ЛП).

Описанный способ моделирования обеспечивает возможность быстрого расширения элементной базы, а также обеспечивает высокую скорость моделирования СВЧ РЭУ за счет многоуровневой организации несложных аналитических моделей. Благодаря использованию объектно-ориентированного подхода он легко реализуется в виде программного кода.

После вычисления характеристик полученного проектного решения становится возможным оценить его соответствие заданным требованиям на основе вычисления значения ЦФ. Для задания требований к СКЦ и оценки полученных решений в данной работе выбран следующий способ. Пользователь задает допустимые диапазоны значений моделируемой ЧХ (для СКЦ такой характеристикой может быть коэффициент передачи по мощности) в виде нижнего и верхнего пределов на каждой из частотных точек. После моделирования ЧХ синтезированной цепи рассчитываются их отклонения (запасы) по отношению к заданным предельным значениям. Значения запасов передаются в выбранную ЦФ, которая производит численную оценку данного проектного решения. Описанный подход обеспечивает возможность задания требований при любой необходимой форме ЧХ коэффициента передачи по мощности.

На уровне синтеза М4 в данной работе в качестве алгоритма, варьирующего параметры синтезируемого объекта, используется ГА, разработанный в ТУСУР В.А. Вьюшковым. После исследования влияния настроек на результаты синтеза были выбраны следующие значения его параметров - размер популяции 300 особей, мутация в виде инвертирования 0,01% битов в каждой особи.

Разработаны эвристические правила, учитывающие особенности проектирования лестничных цепей (запрет дублирующихся звеньев, фиксирования количества элементов цепи) и СВЧ РЭУ (нишевая селекция РЭУ). Эвристические правила устраняют ряд проблем, возникающих во время синтеза, и сокращают пространство поиска.

Первая проблема - в процессе синтеза зачастую получается лестничная цепь, имеющая «дублирующиеся звенья» (ряд последовательно или параллельно включенных однотипных сосредоточенных элементов). Их можно представить в виде одного элемента того же типа с эквивалентным номиналом (рис. 4).

В результате теряется возможность ограничивать значения параметров элементов с верхней стороны (эквивалентный номинал может оказаться выше допустимых пределов). Кроме того, происходит незапланированное снижение размерности (порядка) лестничной цепи. Схему с меньшим порядком проще оптимизировать (так как значение ЦФ зависит от меньшего числа параметров), таким образом, она имеет больше шансов для скрещивания в ГА и постепенно заполнит популяцию своими вариантами. Но поскольку из теории согласования известно, что схема более высокого порядка потенциально может иметь лучшее согласование, то полученные в результате синтеза решения в виде схем меньшего порядка будут неоптимальными.

Рис. 4. Однотипно включенные элементы лестничной цепи

Для решения этой проблемы предложено правило запрета дублирующихся звеньев лестничной цепи. Он основан на введении в этап декодирования таблицы запретов, которая содержит типы элементов, непригодных к использованию для декодирования текущего звена.

Таблица запретов содержит список уже декодированных сосредоточенных элементов последовательного ряда звеньев лестничной цепи, содержащих одинаковые способы структурного включения (параллельного или последовательного). В случае получения в следующем звене того же способа включения, а также типа элемента, содержащегося в таблице запретов, элемент принудительно меняется на любой, не содержащийся в ней. Если в таблице нет доступных элементов, меняется способ его включения. При получении способа включения, отличающегося от способа включения в предыдущем звене, таблица обнуляется.

Использование таблицы запретов полностью устраняет проблему дублирования звеньев, обеспечивая тем самым генерацию корректных структур лестничной цепи.

Вторая проблема связана с тем, что общее количество элементов лестничной цепи может изменяться в процессе синтеза, так как в каждом звене могут находиться одноэлементный или двухэлементный (колебательный контур) компоненты. Как результат, алгоритм синтеза СКЦ в меньшей степени задействует колебательные контуры, что часто служит причиной потери глобально-оптимального решения. Переменное число элементов цепи неудобно при проектировании, так как разработчик, как правило, стремится решить задачу с минимально возможным количеством элементов, увеличивая порядок цепи лишь в том случае, если не удается выполнить требования при меньшем количестве элементов.

Данная проблема решена с помощью предложенного правила фиксирования количества элементов лестничной цепи, исключающего звено, следующее за двухэлементным контуром. В начале работы проектировщик задает суммарное количество элементов в лестничной цепи. В случае если в процессе декодирования в звене оказывается двухэлементный компонент, то в следующее звено будет принудительно

помещен специальный компонент «Провод», который не содержит элементов. Это позволяет сохранить суммарное количество элементов в цепи неизменным.

Третья проблема вызвана эффектом преждевременного заполнения всей популяции ГА одной или несколькими «нишами» (близкими вариантам одного и того же решения). Применительно к синтезу РЭУ данную проблему решает разработанная нишевая селекция РЭУ, который ограничивает количество схем с одинаковой структурой (рис. 5).

Структура цепи 1 Структура цепи 2 Структура цепи 3

Особь Значение ЦФ Особь Злачеиие ЦФ Особь Значение ЦФ

Схема 5 0,4152 Схема 23 0,1258 Схема 54 0,9856

Схема 34 0,6127 Схема 44 0,6589 Схема 26 1,6589

Схема 12 0,7526 Схема 3 5,6348

Ч5хвца36 Тзгевв-44. —-—*

СхемгтТ Ьх?Г7528 12/Г56&.__ -С*СТГоТ9 12?75Т?-—

Рис. 5. Сортировка и удаление схем в нишевой селекции РЭУ

Принцип работы нишевой селекции сводится к следующему. Все схемы РЭУ сортируются по виду их структуры, затем в списках схем одинаковой структуры выполняется сортировка по значению ЦФ. В них оставляется по три лучших особи, значения ЦФ остальных особей задаются равными -оо. ГА автоматически заменяет такие особи в популяции на случайно сгенерированные. Описанный алгоритм, наряду с использованием мутации, гарантирует постоянный структурный поиск.

Этапы разработанного подхода к структурно-параметрическому синтезу РЭУ и их соответствие уровням М1-М4 показаны на рис. 6. Подход был реализован в программе синтеза СКЦ 1ШЕ8У8-МАТСН.

Для оценки эффективности эвристических правил с ее помощью решен следующий тестовый пример. Необходимо синтезировать 8-элементный фильтр с полосой пропускания 300-350 МГц при сопротивлении генератора и нагрузки 50 Ом. Задача выбрана как наиболее сложная из задач синтеза СКЦ (как правило, цепи с числом элементов более 8 на практике не синтезируют).

Эвристически* алгоритмы

Фмксировани* количества е цепи

Удален«« ду£лнрую«мхсй элементов

Нишевая селекция

Г

I П^евдзоввйк

^остакэеил

Аимтез

Д» >

к характеристикам

Рис. 6. Схема разработанного подхода

Выполнялось по 10 запусков реализованного алгоритма длительностью по 3 минуты (среднее время, по истечении которого алгоритм переставал находить новые решения). Полученные решения (табл. 1) оценивались по значению минимаксной ЦФ (1) и отклонению от требований (оба эти критерия должны быть минимальными).

Ф=тах(Рп.|О(О-О0(Г1)|,...,Рв.|О(Г])-О0(4)|,...,РГт-|О(и-О0(У|), (1) где О0(:0 = (О~(:Г) + О+(:£'))/2- среднее значение коэффициента передачи по мощности на частоте f с минимально и максимально допустимыми значениями С (^ и (Г), - весовые коэффициенты на частоте ш- количество частотных точек.

По результатам синтеза были отмечены следующие особенности:

1) при отключенном правиле запрета однотипных звеньев лестничной цепи в 2 полученных схемах имелись последовательно или параллельно включенные однотипные сосредоточенные элементы;

2) при отключении нишевой селекции РЭУ по истечению указанного промежутка времени в популяции остается только одна структура цепи, не позволяющая получить оптимальные характеристики;

3) отключение правила фиксирования количества элементов цепи в 7 из 10 случаев приводит к схемам, содержащим более 8 элементов.

Таблица 1

Результаты тестирования эвристических правил (10 запусков по 3 минуты)

Эвристические правила Среднее арифметическое значение ЦФ Лучшее значение ЦФ Максимальное отклонение от G"(f) и G+(f) Среднее арифметическое Go

Все правила (рис.6) 584,9 0,083 (рис.7) 0,0540 0,0851

Без запрета дублирующихся звеньев 10101 10784 0,3822 0,2009

Без нишевой селекции 58240 2056 0,1451 0,2720

Без фиксирования количества элементов в цепи 1024,3 0,139 0,0557 0,0966

1-50 01»

гт?

4.14 pF

-TP—I h

711 pF

T~5

I I

.26 pF 194««

_j I-nnpwo

3 338ПН

i»a

Ohm

а) схема, синтезированная с использованием предложенных эвристических правил

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0,45 F.GHz

б) характеристики решений: прерывистая линия - классический метод, сплошная линия - разработанный метод Рис. 7. Результаты синтеза полным численным методом

Табл. 1 демонстрирует значительное превосходство метода, использующего все предложенные эвристические правила. Полученные результаты синтеза сравнимы с результатами, полученными другими методами (рис. 76).

В качестве эталона для тестирования быстродействия и точности созданного алгоритма математического моделирования использована САПР Microwave Office. Результаты измерения времени расчета коэффициента передачи по мощности 1000 вариантов СКЦ для той же задачи показывают превосходство программной реализации разработанного подхода в 7-8 тысяч раз. Такая значительная разница, вероятно, обусловлена различиями в подходах к моделированию - программа Microwave Office использует универсальные алгоритмы, а предложенный подход - многоуровневую систему прямых аналитических моделей. При сравнении учтено время, затрачиваемое на вызов программных функций Microwave Office.

Третья глава посвящена описанию разработанной программной системы INDESYS, предназначенной для реализации на ее основе различных прикладных программ в области СВЧ РЭУ. Одним из них является программа INDESYS-MATCH, обеспечивающая синтез широкополосных СКЦ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА. Структура разработанной системы показана на рис. 8.

Рис. 8. Структура системы INDESYS и программы INDESYS-MATCH Система INDESYS содержит ядро Kernel, общий пользовательский интерфейс GUI, связь с программой Microwave Office обеспечивается посредством MWOManag-ег. Программный интерфейс INDESYS API, доступный для внешних программ, определяется классом Арр.

Ядро программной системы INDESYS состоит из нескольких сотен классов общего назначения: комплексная арифметика, матричная алгебра, геометрическая интерпретация схем РЭУ, алгоритмы моделирования СВЧ РЭУ, оптимизации, вычисления ЦФ и др. Общий пользовательский интерфейс представляет собой главное окно программы, дерево проекта, средства отображения данных (графики, таблицы) и общие диалоговые формы. Из Microwave Office можно импортировать частоты, импедансы нагрузки и генератора, а также экспортировать, что удобно при синтезе в СВЧ устройств, содержащих СКЦ (например, усилителей).

На базе системы INDESYS создан ряд программ: визуального проектирования СКЦ INDESYS-LM, построения моделей элементов на основе ГА INDESYS-MB, работы с измерительной аппаратурой INDESYS-MS.

На ее базе так же создана программа INDESYS-MATCH (рис. 9), реализующая предложенный в данной работе подход на основе И-ИЛИ деревьев и ГА. INDESYS-MATCH позволяет синтезировать СКЦ для СВЧ РЭУ на сосредоточенных и распределенных элементах, обеспечивающие широкополосное согласование произвольных комплексных импедансов генератора и нагрузки при любой форме ЧХ коэффициента передачи по мощности. Программа состоит из пошагового мастера задачи Wizard, собственного окна MATCH Window и загрузчика MATCH Plugin, обеспечивающего взаимодействие с системой INDESYS (рис. 8).

В четвертой главе описываются результаты решения тестовых и практических задач синтеза широкополосных СКЦ с помощью программы ШОЕ8У8-МАТСН.

В качестве эталона для сравнения различных методов синтеза СКЦ наиболее часто используется задача Фано: согласовать трехэлементную ИХ-нагрузку с рези-стивным сопротивлением генератора в полосе частот от 0 до 1 ГГц. Результаты синтеза с использованием различных методов приведены в табл. 2, где |-Гшах| - максимальное значение модуля коэффициента отражения в полосе согласования; СщП=1-|-Ггтх|2 - минимальное значение коэффициента передачи по мощности; ¿Ю=(Отах-ОшпУСтт ~ неравномерность ЧХ; п - число реактивных элементов цепи.

Таблица 2

СЦ, полученные в результате решения задачи Фано

Цепь № Рис. Методика расчета Gmin AG n

1 10а Классический метод Фано-Юлы 0,8261 0,0588 0,417 4

2 106 Метод «реальной частоты» 0,8487 0,0381 0,389 3

3 10в INDESYS-MATCH, сосредоточенный базис 0,8539 0,059 0,382 3

4 Юг INDESYS-MATCH, сосредоточенный базис 0,8835 0,025 0,3415 3

5 Юд INDESYS-MATCH, распределенный базис 0,8304 0,108 0,412 3

б 10е INDESYS-MATCH, сосредоточенно-распределенный базис 0,8304 0,089 0,412 3

7 — Визуальное проектирование в LOCUS (M.B. Черкашин) 0,8132 0,077 0,432 3

8 — INDESYS-MATCH, заданное волновое сопротивление ЛП (125 Ом) 0,8268 0,0787 0,416 3

9 — Гибридный ГА (Р. Abrie, D. Plessis) 0,8562 — 0,379 3

18,303 иГн

Рис. 10. СКЦ, полученные в результате решения задачи Фано Для сравнения дано решение задачи Фано классическим методом (рис. 10а) — цепь 4-го порядка с трансформатором на сосредоточенных элементах. Метод «реальной частоты» позволил получить цепь меньшего порядка и лучшими характеристиками (рис. 1 Об), чем с использованием классического метода.

С использованием программы ШОЕЗУБ-МАТСН получены следующие результаты: 1) повышение От1„ при той же структуре цепи (рис. 10в); 2) нетипичная цепь (с ЬС-контуром) с повышением 0™п(рис. Юг); 3) продемонстрированы возможности задания разных элементных базисов (в т.ч. несоразмерных отрезков ЛП), а также наложения ограничений как на структуру, так и на элементы (рис. 10в-10е).

Таким образом, из табл. 2 следует превосходство подхода к синтезу СКЦ, реализованного в программе ЩОЕБУЗ-МАТСН, в том числе и над алгоритмом гибридного ГА Абри-Плезиса. Задача является достаточно простой для реализованного алгоритма во всех случаях (решение находится за несколько секунд).

Кроме того, решалась тестовая задача синтеза пятисекционного трансформатора импедансов на отрезках ЛП с коэффициентом трансформации 15 в полосе частот

от 1 до 2 ГГц. При синтезе с помощью INDESYS-MATCH использовались классические структуры в виде каскадно-соединенных четвертьволновых отрезков ЛП, такая же структура при неравных длинах отрезков, а также выполнялся поиск оптимальной структуры трансформатора. Целью исследования была демонстрация возможности поиска оптимальных решений, а также возможности компромисса между коэффициентом отражения и суммарной длиной трансформатора.

Результаты синтеза трансформатора импедансов с помощью разработанного подхода к синтезу превосходят результаты классического приближеного метода синтеза трансформаторов при чебышевском равноволновом приближении (А.Л. Фельдштейн) и сопоставимы с результатами, полученными «визуальным проектированием» в программе IMAGE (А.Ю.Поляков).

Наиболее интересной является полученная схема трансформатора с параллельным шлейфом в первом звене с |Гшах| = I Л-0,0382 (рис. 11). При практиче- Рис. 11. Нетипичная структура трансформатора

ской реализации длина такого трансформатора может быть приблизительно равной длине 3-ступенчатого «классического» четвертьволнового трансформатора (270°). Однако последний трансформатор имеет худшее значение |Гтах| = 0,05 и меньшую относительную полосу пропускания (1,857).

Для демонстрации возможности применения программы INDESYS-MATCH при проектировании СВЧ транзисторных усилителей решается задача синтеза межкаскадной СКЦ в двухкаскадном усилителе-, полоса частот от 4 до 6 ГГц, компенсация наклона ЧХ коэффициента передачи транзисторов 12 дБ/октаву. В качестве импедансов генератора и нагрузки выступают соответственно выходное и входное сопротивления усилительных каскадов. Накладываются также дополнительные требования на структуру СКЦ для разделения каскадов по постоянному току и подачи смещения на транзисторы.

759 пФ 2,940 нГн ,,375 пф ^^ ^

■ I __i Mia

-4-1-о о-1-ry^ri-,-1]-1-о о-1 ■"■ ■■'. ----1.". г л—

1,763 нГн

0-rrr\--

0,682 пФ J 3,598 „Гн

) 1,696 нГк J 10 нГн

52.156 0м 121,306"

23.529 Ом 49,272°

Рис. 12. Схемы синтезированных межкаскадных СКЦ В результате было одновременно получено 12 удовлетворяющих требованиям схем в сосредоточенном и сосредоточенно-распределенном базисах, некоторые из них показаны на рис. 12.

Для поиска предельных возможностей разработанного подхода исследованы возможности синтеза многоэлементных СКЦ со сложной формой ЧХ. За основу взята задача проектирования двухполосного 8-элементного фильтра с полосами пропускания от 0,65 до 0,75 ГГц и от 1,3 до 1,6 ГГц. Полученное в результате синтеза решение (рис. 13а) практически не уступает по своим характеристикам (рис. 136, сплошная ли-

ния) решению на основе классической процедуры синтеза, приведенной в работе Г.Н. Девяткова (прерывистая линия).

5,18 пФ

Г

15.5 нГн

_/YY\_

7,24 пФ 53,54 нГн ")7.3 нГ» 5 21 л нГн ^ 30 1гГн

3 "5 ' ? "5

j 27.4 н.Гн

I

X

0.951 пФ

-I

О.О 7

б) моделированные характеристики.

а) результаты синтеза в ШОЕБУБ-МАТСН

Рис. 13. Результаты синтеза двухполосного 8-элементного фильтра Кроме перечисленных решаются и другие тестовые задачи. В главе также представлены результаты решения практических задач синтеза СКЦ для СВЧ транзисторных усилителей. В частности, подробно описан процесс проектирования трехкаскадного 3-каскадного монолитного МШУ Х-диапазона для НПФ «Микран» (структурная схема показана на рис. 14, исходные требования и характеристики полученного усилителя приведены в табл. 3).

Входная

Zr=50 Ом СКЦ

Активный элемент 1

Межкаскадная СКЦ 1

Активный элемент 2

Межкаскадная СКЦ 2

Активный элемент 3

Выходная

СКЦ Ом

Наименование характеристики Требования Результаты моделирования

Диапазон частот 7-13 ГГц 7-13 ГГц

Коэффициент шума не более 2,7 дБ до 2,7

Коэффициент усиления не менее 21 дБ от 24,5

Неравномерность коэффициента усиления не более 1,5 дБ до 1,5 дБ

Модуль коэффициента отражения от входа/выхода не более-15 дБ до-15 дБ

Рис. 14. Структурная схема 3-каскадного МШУ Х-диапазона

Таблица 3

Параметры синтезированного МШУ

С использованием программы 1№ЭЕ8У8-МАТСН решен ряд практических задач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей, в том числе: копланарные гетероструктурные усилители мм-диапазона волн на основе 0,13 мкм ваАв тНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН (рис. 15, 16), МШУ диапазона 27-31 Г Гц с фильтрующими свойствами для системы космической связи по монолитной 0,1 мкм ваАэ тНЕМТ технологии 1МН фирмы ОММ1С (рис. 17).

а) Принципиальная схема б) Моделированные в) Топология (1,8x0,9мм)

усилителя характеристики

Рис. 15. Однокаскадный усилитель диапазона 34-38 ГГц по технологии ИСВЧПЭ

\ 4 ^ 1

\

1

в) Топология (2x1,5мм)

а) Принципиальная схема б) Моделированные

усилителя характеристики

Рис. 16. Трехкаскадный усилитель диапазона 34-37,5 ГГц по технологии ИСВЧПЭ

ДЧХ типового МШУ Ка-биапазона

> 10 15 20 26 30 35 -10 /.СНг

а) Моделированная АЧХ

в) Топология (2x3мм)

б) Моделированные характеристики шума и согласования

Рис. 17. Трехкаскадный усилитель диапазона 27 - 31 ГГц по технологии ОММ1С

В конце главы подводятся итоги по результатам решения тестовых и практических задач синтеза. Процесс синтеза СКЦ занимает от нескольких секунд (4-6 для задачи Фано) до нескольких минут (до 10 для двухполосного фильтра), процесс задания требований в программе занимает менее 10 минут. Результаты синтеза в ШОЕЗУЭ-МАТСН по своим характеристикам сравнимы и даже в большинстве случаев превосходят описанные в литературе результаты, полученные другими методами. При этом разработанный метод показал ряд преимуществ, значимых с точки зрения его использования на практике: одновременно получается несколько решений, имеющих различную структуру; гибко контролируется структура цепей и значения параметров элементов, что позволяет учесть различные практические требования (минимизация габаритов цепи, подача смещения на транзистор и др.).

В заключении отмечаются результаты работы:

1) Разработан подход к структурно-параметрическому синтезу широкополосных СКЦ (с перспективой расширения и на другие классы РЭУ) на основе ГА и морфологических И-ИЛИ деревьев, позволяющий контролировать структуру и параметры элементов синтезированных цепей и получать одновременно несколько схемных решений. Это позволяет синтезировать удобные с точки зрения практической реализации цепи.

2) Предложен подход к моделированию РЭУ на основе сопоставления морфологическому дереву иерархически вложенных аналитических моделей компонентов, ориентированный на применение в задачах структурно-параметрического синтеза.

3) Разработан ряд эвристических правил (удаления дублирующихся звеньев в лестничной цепи, фиксирования количества элементов, нишевой селекции РЭУ),

обеспечивающих генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращающих время синтеза.

4) Разработана программная CHCTeMaINDESYS, являющаяся основой для реализации прикладных программе области СВЧ РЭУ. Созданная на ее основе программа INDESYS-МАТСНобеспечивает решение широкого круга задач синтеза широкополосных СКЦ как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах, при произвольных частотнозависимых комплексных импедансахгенератора и нагрузки и при произвольной форме ЧХ коэффициента передачи по мощности.Программа позволяет полностью автоматизировать решение задачи структурно-параметрического синтеза СКЦ, получать реализуемые на практике схемы с высокими техническими характеристиками, сократить время и трудоемкость синтеза СКЦ, снизить требования к уровню квалификации и опыту проектировщика. '

5) С использованием программы INDESYS-МАТСНрешен ряд практических задач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей, в том числе: при создании копланарных гетероструктурных усилителей мм-диапазона волн на основе технологии ИСВЧПЭ РАН; трехкаскадного МШУ диапазона 27-31 ГГц с фильтрующими свойствами технологии D01MH фирмы OMMIC; трехкаскадного МШУ диапазона частот 7-13 ГГц для НПФ «Микран».

Приложения содержат краткий обзор методов синтезаширокополосных СКЦ (аналитические, численные, графо-аналитическиеи визуальные методы) и копии документов, подтверждающих внедрение и использование результатов диссертационной работы.

Основное содержание диссертации отражено в следующих статья ^журналов и сборников трудов международных конференций:

1. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И. Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма // Доклады ТУ СУР. - 2007. - № 2,- С. 151-156.

2. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И., Барышников A.C., Добуш И.М., Кошевой С.Е., Песков М.А., Шеерман Ф.И. Интеллектуальная САПР СВЧ-устройств INDESYS // Информационные технологии. - 2010. - № 2. - С. 42-48.

3. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Песков М.А., Самуилов A.A. Программа построения моделей элементов монолитных интегральных схем на основе многомерных полиномов //Известия ТПУ. - 2010. -№ 5. - С. 97-102.

4. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Песков М.А., Самуилов A.A., Черкашин М.В., Шеерман Ф.И.Разработка интеллектуальной системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств INDESYS // Доклады ТУСУР. - 2010. -№ 2. - С. 93-97.

5. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Песков М.А., Самуилов A.A. Программа INDESYS-MB для построения моделей элементов СВЧ монолитных интегральных схем на основе многомерных полиномов // Доклады ТУСУР. - № 2. - 2010. - С. 89-93.

6. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Песков М.А., Самуилов A.A.,Черкашин М.В., Шеерман Ф.И., Разработка интеллектуальной САПР СВЧ

устройств INDESYS // Электронные средства и системы управления: Матер. Между-нар. научно-практ. конф. - Томск: B-Спектр. - 2010.

7. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Каратаев Е.П., Песков М.А., Самуилов A.A., Модуль визуализации данных в CAOTINDESYS // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: B-Спектр. - 2010.

8. Дорофеев С.Ю.,Бабак Л.И., Реализация программы синтеза согласующих цепей с использованием генетического алгоритма и шаблонной архитектуры // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Томск: изд-во ИОА СО РАН. - 2007. - Ч. 2. - С. 124-127.

9. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И., Синтез согласующих цепей на сосредоточенных и распределённых элементах с использованием генетического алгоритма // 18-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2008): Материалы конф.- Севастополь: Вебер. - 2008. - С. 133-134.

10. Дорофеев С.Ю., Зайцева М.А.,Степачева A.B., Тестирование подсистемы моделирования радиоэлектронных устройств в САПР INDESYS// Студент и научно-технический прогресс: материалы Международной научн. студенческой конф. - Новосибирск: НГУ. - 2010. - С. 256.

11. Дорофеев С.Ю., Каратаев Е.П., Модуль графического представления расчётных данных в системе INDESYS// Студент и научно-технический прогресс: материалы Международной научн. конф. - Новосибирск: НГУ. - 2010. - С. 12.

12. Дорофеев С.Ю., Каратаев Е.П., Песков М.А., Платформа INDESYS Framework для создания специализированных программ в области проектирования СВЧ устройств // Современные техника и технологии: материалы Международной научн.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2010. - С. 328-330.

13. Свидетельствоо государственной регистрации программы для ЭВМ «Интеллектуальная среда проектирования РЭУ «IntelligentDesignSystem», №2008612128 от 29 апреля 2008г.

Тираж 100. Заказ № 1087. Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.:53-30-18.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА СОГЛАСУЮЩЕ-КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ.

1.1. Структурно-параметрический синтез СКЦ СВЧ РЭУ.

1.1.1. Уровни синтеза технических объектов М1-М4.

1.1.2. Постановка задачи синтеза СКЦ.

1.2. Методы и программное обеспечение для синтеза СКЦ СВЧ РЭУ.

1.2.1. Обзор методов синтеза СКЦ.

1.2.2. Обзор программного обеспечения для синтеза СКЦ.

1.3. Процедура итерационной оптимизации для решения задачи синтеза.

1.4. Выделение параметров объекта.

1.5. Оценка проектных решений.

1.6. Генетические алгоритмы.

1.6.1. Использование ГА для синтеза технических объектов.

1.6.2. Использование ГА для синтеза цифровых и аналоговых РЭУ.

1.6.3. Синтез СКЦ на основе ГА.

1.7. Морфологический подход к структурно-параметрическому синтезу.

1.7.1. Морфологический подход к синтезу РЭУ.

1.7.2. Классификация методов морфологического синтеза.

1.8. Выводы и задачи для исследования.

2. СТРУКТУРНО-ПРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СОГЛАСУЮЩЕ-КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО И-ИЛИ ДЕРЕВА И ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА.

2.1. Уровни синтеза М1-М4 для задачи проектирования РЭУ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА.

2.2. Морфологический анализ СКЦ и их представление в виде набора кодирующих параметров.

2.2.1. Разработка морфологической модели СКЦ. олучение объектных моделей РЭУ из морфологических И-ИЛИ деревьев. инамическое математическое моделирование РЭУ на основе его объекта

4.1. Математические модели компонентов СКЦ.

4.2. Описание процесса моделирования. ценка проектных решений.

5.1. Задание исходных данных и требований при синтезе широкополосн Щ

5.2. Формирование ЦФ. ыбор параметров и операторов ГА.

MATCH.

3.1.1. Этапы разработки.

3.1.2. Выбор инструментальных средств

3.2. Программная система INDES YS.

3.2.1. Система INDESYS как платформа для создания прикладных модулей в области СВЧРЭУ.

3.2.2. Определение требований.

3.2.3. Архитектура системы.

3.2.4. Структура расчетного ядра.

3.2.5. Пользовательский интерфейс.

3.2.6. Структура пользовательского интерфейса.

3.2.7. Выходные данные.

3.3. Модуль синтеза широкополосных согласующе-корректирующих цепей INDES YS-MATCH.

3.3.1. Определение требований.

3.3.2. Структурная схема реализации модуля INDESYS-MATCH на основе INDESYS.

3.3.3. Исходные данные.

3.3.4. Пример синтеза двухполосного фильтра с использованием INDESYS-MATCH.

3.4. Тестирование INDESYS и INDESYS-MATCH и направления дальнейшего развития.

3.4.1. Тестирование.

3.4.2. Возможные пути развития.

3.5. Выводы.

4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ СИНТЕЗА СОГЛАСУЮЩЕ-КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ СВЧ РЭУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ «INDESYS-MATCH».

4.1. Классическая задача Фано.

4.2. Синтез трехэлементной реактивной цепи для согласования ^-нагрузки с резистивным сопротивлением генератора.

4.3. Синтез трансформатора импедансов.

4.4. Синтез межкаскадной СКЦ транзисторного СВЧ усилителя.

4.5. Синтез двухполосного фильтра.

4.6. Проектирование трехкаскадного малошумящего СВЧ усилителя.

4.6.1. Требования к параметрам усилителя.

4.6.2. Синтез входной СКЦ.

4.6.3. Синтез СКЦ между первым и вторым каскадами.

4.6.4. Синтез выходной СКЦ.

4.6.5. Синтез СКЦ между вторым и третьим каскадами.

АЛ. Решение задач синтеза СКЦ при проектировании транзисторных СВЧ усилителей.

4.7.1. Синтез СКЦ для трехкаскадного GaAs тНЕМТ МШУ диапазона 27-31 ГГц

4.7.2. Проектирование СКЦ для копланарного однокаскадного GaAs тНЕМТ усилителя 34—38 ГГц.

4.7.3. Проектирование СКЦ для копланарного двухкаскадного GaAs тНЕМТ усилителя 34-3 7,5 ГГц.

4.8. Выводы.

В настоящее время во всем мире наблюдается быстрое развитие беспроводных систем передачи данных, систем сотовой и радиорелейной связи, радионавигации и радиолокации. Устойчивой тенденцией развития современных радиоэлектронных систем (РЭС) является освоение все более высокочастотных диапазонов и переход в область сверхвысоких частот (СВЧ), повышенные требования к чувствительности, мощности сигнала и ширине полосы рабочих частот. К важнейшим элементам СВЧ РЭС относятся такие радиоэлектронные устройства (РЭУ), как транзисторные усилители, умножители частоты, передающие устройства, во многом определяющие характеристики РЭС. Большинство подобных устройств в настоящее время реализуются в интегральном исполнении, отличаются небольшими габаритами, малым весом, пониженным энергопотреблением, устойчивостью к влиянию внешних помех, низкой себестоимостью и хорошей повторяемостью характеристик.

Важной составляющей проектирования указанных типов СВЧ РЭУ является решение задач широкополосного согласования, а также коррекции произвольной формы частотной характеристики (ЧХ). В общем случае требуется согласовать комплексные импедансы источника сигнала и нагрузки с целью максимизации передаваемой мощности в заданном диапазоне частот, что осуществляется с помощью согласующе-корректирующих цепей (СКЦ). В СВЧ диапазоне СКЦ могут выполняться как в сосредоточенном, так и распределенном элементных базисах, иначе говоря, содержать как сосредоточенные (сопротивления, емкости, индуктивности), так и распределенные (отрезки линии передачи - ЛП) элементы.

Задача проектирования (синтеза) СКЦ состоит в поиске структуры и значений элементов реактивной цепи, обеспечивающих необходимую форму ЧХ в заданном диапазоне частот при комплексных импедансах генератора и нагрузки. Эта задача имеет большую практическую значимость, так как обеспечивает оптимальное построение широкополосных приемопередающих трактов, что позволяет улучшить их характеристики и одновременно снизить трудоемкость его изготовления.

Методы синтеза СКЦ достаточно широко рассмотрены в работах Н.З. Шварца, В.М. Богачева, В.Б. Текшева, Г.Н. Девяткова, Л.И. Бабака, Г. Карлина, Б. Ярмана, Д. Меллора, П. Абри [2-4, 16-18, 81, 101-119, 125, 136, 175, 178] и др. Можно выделить следующие основные подходы к решению задачи широкополосного согласования:

1) Графоаналитические методики расчета реактивных СКЦ, а также транзисторных усилителей с СКЦ на основе использования круговой диаграммы Вольперта-Смита [102, 172].

2) Классические методы синтеза пассивных СКЦ, предполагающие решение задачи синтеза в два этапа - сначала аппроксимация частотных характеристик синтезируемой цепи, затем - реализация [82, 121, 125, 129, 137].

3) Численные методы синтеза пассивных СКЦ, а также активных РЭУ с СКЦ на основе метода «реальной частоты» и различных его модификаций [6, 16-18, 51, 81], случайного [132] и систематического [182] поиска.

4) Метод областей [109] и интерактивная процедура «визуального» проектирования СКЦ [11], при которых требования к цепям (или всего устройства) представляются в виде областей допустимых значений импеданса.

Основные недостатки рассмотренных методов применительно к синтезу широкополосных СКЦ следующие.

Графоаналитические и классические методы трудоемки, требуют высокой квалификации разработчика и исчерпываются решением ограниченного круга задач, кроме того, для классических методов, требуется представить генератор и нагрузку в виде эквивалентных RLC-цепей, что не всегда является тривиальной задачей в условиях широкополосного согласования. Часто используются только сосредоточенные элементы или только соразмерные отрезки ЛП.

Численные методы зачастую реализуются на основе алгоритмов нелинейной оптимизации, а значит, зависимы от выбора начального приближения (кроме методов случайного поиска), способа формирования целевых функций (ЦФ), ограничены возможностями современной вычислительной техники. Кроме того, существует сложность выбора оптимального численного алгоритма и значений его параметров, так как чем более алгоритм эффективен для решения какой-либо частной задачи, тем менее он будет эффективен для других (теорема «No Free Lunch» об эффективности оптимизационных алгоритмов [58]).

Графоаналитические и визуальные методики лучше всего годятся для узкополосного согласования. Основные недостатки описанного подхода заключаются в следующем: применение визуальной интерактивной методики синтеза для СКЦ с числом элементов более 4-5 затруднено, требуется определенная квалификация и опыт пользователя для успешного решения задач синтеза.

Основной недостаток существующих методов - они не учитывают в полной мере дополнительные требования на структуру и значения элементов синтезируемых цепей, накладываемые при решении практических задач (например, реализуемость элементов и цепи при определенной технологии изготовления, необходимость подачи питания на транзистор и др.). В результате полученные цепи неудобно, а иногда и невозможно реализовать на практике

Автоматизация процедуры синтеза СВЧ РЭУ является актуальной задачей, позволяющей упростить процесс проектирования и улучшить качественные характеристик синтезированных устройств. На рынке программного обеспечения существует ряд продуктов, решающих задачу синтеза СКЦ: MultiMatch Impedance Matching Wizard (фирма Ampsa PTY Ltd., США), Filter Design Guide, Smith (Agilent Technologies, США), ZMatch (Nu-hertz, США), Smith (Berne University of Applied Sciences, Швейцария) [5, 35, 62, 165]. Наиболее развитой программой, позволяющей эффективно решать задачу синтеза широкополосных СКЦ, является MultiMatch, основанная на методе систематического поиска. К сожалению, программа не обеспечивает полного контроля структуры синтезируемых цепей, не позволяет задавать требования к произвольной форме ЧХ (поддерживаются только прямые и наклонные формы), не учитывает дополнительные ограничения на импеданс цепей за полосой согласования, что значительно сужает область ее применения на практике.

Все остальные программы несут недостатки используемых в них методов: не позволяют выполнять широкополосное согласование (Smith), требуют аппроксимации сопротивлений генератора и нагрузки эквивалентными RLC-цепями (Filter Design Guide), не обеспечивают возможности контроля значений элементов и структуры цепей при синтезе (Filter Design Guide, ZMatch), требуют высокого уровня подготовки пользователя (Filter Design Guide), содержат процедуры нелинейного программирования (ZMatch, MultiMatch).

На практике до сих пор наиболее распространенным методом проектирования СКЦ остается эвристический подход, при котором сначала выбирается структура СКЦ на основе упрощенных методов расчета, диаграммы Вольперта-Смита или опыта проектировщика, а затем выполняется параметрическая оптимизация. Такой подход трудоемок и накладывает высокие требования к квалификации проектировщика, при этом, зачастую не обеспечивая оптимальные решения.

Таким образом, процесс проектирования широкополосных СКЦ, широко применяемых в СВЧ технике, с учетом требований к структуре и параметрам синтезируемой цепи, форме ЧХ, частотнозависимым импедансам нагрузки и генератора, до сих пор остается сложной задачей, занимает много времени и требует высокой квалификации разработчика.

В последние десять лет были предложены новые подходы к решению общей задачи структурно-параметрического синтеза технических объектов (в том числе аналоговых РЭУ), базирующиеся на современных достижениях в области искусственного интеллекта. Одним из таких перспективных подходов считается использование генетических алгоритмов (ГА) [43, 48, 52, 131 и др.], имитирующих эволюционные процессы в природе

- механизмы генетического наследования, мутации, скрещивания и естественного отбора.

ГА обеспечивают поиск в дискретно-непрерывных пространствах, а также позволяют находить «приемлемые решения» за «приемлемое время» даже там, где других способов решения не существует или они трудоемки. Одним из преимуществ использования ГА является также то, что результатом является сразу набор различных решений и проектировщик может выбрать наиболее подходящее с его точки зрения.

ГА уже успешно используются для решения задач на графах (задача коммивояжера, раскраска, нахождение паросочетаний), размещения и компоновки, распознавания изображений, оптимизации функций и запросов в базах данных, настройки и обучения искусственной нейронной сети, составления расписаний, игровых стратегий, искусственной жизни, улучшения изображений и многих других [131, 152, 155, 173].

Исследованием способов применения ГА к синтезу РЭУ занимается эволюционная электроника, которая в настоящий момент активно развивается. Тем не менее, существующие подходы к синтезу РЭУ на основе ГА, описанные в работах [4, 8, 14, 20, 27

- 29, 42, 44, 45, 50, 57, 65, 67, 74 - 55, 94, 99, 130, 131, 134, 135, 152-155, 173, 180] не позволяют гибко учитывать требования к структуре РЭУ, а также задавать требования на произвольную форму ЧХ.

В зарубежных источниках [4, 29, 67, 54, 55] уже описаны подходы к решению задач синтеза СКЦ (и даже усилителей) с использованием ГА. Наиболее значительные достижения в области автоматического синтеза СКЦ были получены Абри и Плезисом (Abrie, Plessis) [4, 29]. В этих работах ими был использован гибридный ГА, в котором классический ГА был дополнен методом наискорейшего спуска для осуществления локальной параметрической оптимизации. В качестве существенных недостатков данной работы можно отметить отсутствие возможности задавать произвольную форму характеристики коэффициента передачи по мощности, а также управлять структурой СКЦ лестничного типа посредством наложения ограничений на каждую из звеньев, использовать колебательные контуры. Перечисленные ограничения не позволяют применить его для решения большинства практических задач.

Отсутствие в этой области значимых с точки зрения практики результатов подтверждает тот факт, что в настоящее время отсутствуют коммерческие программные средства структурно-параметрического синтеза РЭУ на основе ГА.

Подводя итог выполненному обзору методов и программного обеспечения, можно констатировать, что процесс проектирования СКЦ с учетом требований к структуре синтезируемой цепи, форме ЧХ, произвольных нагрузок и генератора до сих пор остается сложной задачей, занимает достаточно много времени и требует высокой квалификации разработчика. До сих пор не существует методов, применимых для решения всего диапазона задач структурно-параметрического синтеза широкополосных СКЦ. В тех же случаях, в которых эти методы могут применяться, зачастую не учитываются требования, накладываемые с точки зрения практического использования результатов синтеза.

В Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ЛИКС ТУСУР), с участием автора был создан комплекс экспериментальных программ, предназначенных для автоматизированного синтеза СВЧ РЭУ и получивших высокую оценку ряда зарубежных и отечественных организаций [8, 99, 130, 153]. Данный комплекс включает, среди прочих, программы синтеза СКЦ GeneSyn [8, 99, 130] и усилителей GeneAmp [153], основанных на использовании ГА.

Однако эти программы практически не имеют общей базы, не позволяют использовать распределенные элементы в составе синтезируемых цепей, а жестко заданная внутренняя структура не позволяет расширять их возможности, кроме того, они были реализованы с использованием устаревших технологий программирования. В связи с этим, их применение, поддержка и развитие, а так же проведение новых исследований в этой области были значительно затруднены. Для устранения этих недостатков было решено разработать программную систему INDESYS (аббревиатура от «Intelligent Design System» - интеллектуальная система проектирования), которая должна стать основой для реализации различных прикладных модулей в области СВЧ РЭУ. Одним из методов, реализованных на основе программной системы INDESYS должен быть метод синтеза СКЦ на основе ГА, реализованный в виде программного модуля INDESYS-MATCH.

Основным недостатком существующих подходов к синтезу РЭУ является отсутствие контроля структуры синтезируемого объекта, что приводит к нереализуемым на практике решениям. Перспективным подходом, позволяющим преодолеть указанную трудность, является морфологический подход (МП) [83, 160, 161, 92], предложенный Ф. Цвикки. К задаче структурно-параметрического синтеза РЭУ МП рассмотрел C.B. Акимов [93, 94], предложив использовать И-ИЛИ деревья для описания структуры РЭУ. Данный подход позволяет выполнять синтез различными методами (в том числе ГА) с возможностью полного контроля структуры и параметров получаемых решений. Это является важным фактором при синтезе технических объектов, используемых на практике, так как на их структуру и параметры, как правило, накладывается большое количество ограничений со стороны внешней среды и технологии изготовления.

Главной идеей настоящей диссертации является объединение преимуществ МП и ГА с целью получения эффективного инструмента для решения прикладных задач синтеза широкополосных СКЦ. Благодаря рассмотрению задачи с общих позиций ряд результатов диссертации может быть распространен на более широкий класс аналоговых РЭУ, например, СВЧ транзисторных усилителей и др.

Актуальность работы обусловлена устойчивой тенденцией освоения все более высокочастотных диапазонов при проектировании РЭС, содержащих в своем составе СКЦ, и отсутствием эффективных методов и программного обеспечения, позволяющих выполнять структурно-параметрический синтез широкополосных СКЦ с высокими техническими характеристиками, удовлетворяющих требованиям практической реализации.

Цель работы - разработка подхода для автоматизированного структурно-параметрического синтеза широкополосных согласующе-корректирующих цепей СВЧ радиоэлектронных устройств в сосредоточенном и распределенном элементных базисах на основе морфологических И-ИЛИ деревьев и генетических алгоритмов с учетом практической реализуемости; проектирование на этой базе согласующе-корректирующих цепей для СВЧ транзисторных усилителей.

Цель работы достигается решением следующих основных задач:

1) анализ предметной области и существующих подходов к синтезу СКЦ;

2) разработка морфологического И-ИЛИ дерева, описывающих структурно-параметрическую модель СКЦ, а также способов его кодирования и варьирования;

3) разработка быстродействующего способа математического моделирования;

4) разработка способа задания требований к СКЦ, оценки проектных решений;

5) реализация разработанного подхода к синтезу в виде программы, исследование его эффективности;

6) решение практических задач синтеза СКЦ.

Научная новизна работы:

1) Впервые разработан подход к структурно-параметрическому синтезу широкополосных согласующе-корректирующих цепей в сосредоточенном и распределенном базисах на основе генетического алгоритма и морфологических И-ИЛИ деревьев, с возможностью расширения на другие классы устройств.

2) Впервые предложен способ математического моделирования линейных радиоэлектронных устройств на основе сопоставления И-ИЛИ дереву иерархически вложенных аналитических моделей компонентов, специально ориентированный на применение в задачах динамической генерации структуры устройств.

3) Предложен набор эвристических правил, учитывающих особенности проектирования лестничных цепей и позволяющих повысить практическую эффективность синтеза согласующе-корректирующих цепей на основе генетического алгоритма.

При проведении исследований, изложенных в данной работе, были использованы следующие теории: оптимизации, структурно-параметрического синтеза (с использованием МП), численных методов (в частности, ГА), R-функций, СВЧ цепей. Также были использованы методы анализа электрических цепей с помощью матриц. При проектировании программного комплекса была использована методология Rational Unified Process, основанная на объектно-ориентированном подходе.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Разработанный на основе И-ИЛИ деревьев способ формирования морфологических моделей РЭУ позволяет контролировать структуру и параметры элементов РЭУ, что позволяет синтезировать удобные для практической реализации цепи.

2) Использование ГА позволяет одновременно получать группу различных схемных решений. Это дает возможность проектировщику выбрать схемное решение на основе не только значений характеристик, но и особенностей практической реализации (например, обусловленных технологией изготовления).

3) Использование эвристических правил обеспечивает генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращает время синтеза.

4) Разработанная программа INDESYS-MATCH обеспечивает решение широкого круга задач синтеза широкополосных СКЦ как на сосредоточенных, так и распределенных элементах, при произвольных частотнозависимых комплексных импедансах генератора и нагрузки и при произвольной форме ЧХ коэффициента передачи по мощности. По сравнению с другими программами синтеза, INDESYS-MATCH позволяет расширить класс решаемых задач, полностью автоматизировать решение задачи структурно-параметрического синтеза СКЦ, получать реализуемые на практике схемы с высокими техническими характеристиками, сократить время и трудоемкость синтеза СКЦ (типичное время синтеза СКЦ составляет несколько секунд), снизить требования к уровню квалификации и опыту проектировщика.

5) С использованием программы 1Ж)Е8У8-МАТСН решен ряд практических задач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей: первых в России копланарных гетероструктурных усилителей мм-диапазона волн на основе 0,13 мкм ваАБ гетероструктурной шНЕМТ технологии Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН); трехкаскадного малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 27-31 ГГц с фильтрующими свойствами для системы космической связи, выполненного по монолитной 0,1 мкм ОаАэ тНЕМТ технологии 001МН фирмы ОММ1С для французского космического агентства СИЕ8; трехкаскадного МШУ диапазона частот 7-13 ГГц для НПФ «Микран».

Положения, выносимые на защиту:

1) Комбинирование с применением генетического алгоритма радиоэлектронных компонентов, входящих в обобщенную морфологическую модель в виде И-ИЛИ дерева, позволяет осуществить одновременно структурный и параметрический синтез широкополосных согласующе-корректирующих цепей, обеспечивающих заданную форму частотной характеристики.

2) Обход морфологического И-ИЛИ дерева и сопоставление аналитических моделей компонентам дерева позволяет вычислить частотные характеристики динамически сгенерированных согласующе-корректирующих цепей с меньшими временными затратами, чем с использованием алгоритмов универсального моделирования.

3) Использование в генетическом алгоритме эвристических правил, учитывающих особенности проектирования согласующе-корректирующих цепей, позволяет повысить эффективность синтеза: запрет генерации ряда однотипно включенных сосредоточенных элементов позволяет получать корректные с точки зрения схемотехники цепи лестничного типа; исключение следующего после колебательного контура звена лестничной цепи позволяет фиксировать порядок лестничной цепи; замена в генетическом алгоритме цепей с повторяющейся структурой на случайно сгенерированные обеспечивает постоянный структурный поиск.

Апробация результатов. Представленная работа совпадает с тематикой исследований на Кафедре компьютерных систем в управлении и проектировании Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (КСУП ТУСУР) и выполнялась как составная часть научно-исследовательской работы ЛИКС. Некоторые теоретические сведения и практические результаты, полученные в рамках выполнения этой работы, легли в качестве примеров в основу курсов лекций по дисциплинам «Тгометрическое моделирование в САПР», «Объектно-ориентированное программирование», «Технологии разработки программного обеспечения» которые читались автором работы в ТУСУРе, а также курса «Разработка \¥еЬ-приложений» в

Центре инноваций Microsoft при Национальном исследовательском Томском политехническом университете (ТПУ).

По тематике исследований создан проект группового обучения на каф. КСУП №1015 «Интеллектуальные системы синтеза СВЧ РЭУ», а также индивидуальная программа обучения студентов. Данный проект занял второе место в конкурсе проектов группового обучения ТУ СУР в 2010 г.

Работа была поддержана следующими грантами:

1) «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), проводимый в рамках IV международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». Тема проекта «Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе ГА» (номер гос. контракта 01/08 от ООО «Комресурс»),

2) «Бизнес-Старт с Microsoft» от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Тема проекта «Разработка системы автоматизированного проектирования INDESYS и основных функциональных модулей» (номер проекта 8424).

3) Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ №09-07-99020). Тема проекта «Методы, алгоритмы и интеллектуальное программное обеспечение для структурного синтеза СВЧ монолитных интегральных устройств на основе гетероструктурных нанотехнологий».

4) INTAS (совместно с Лиможским университетом XLIM, Франция, Французским космическим агентством CNES, Франция, Голландским астрономическим центром ASTRON, Нидерланды). Тема проекта «Automatized synthesis of microwave monolithic integrated circuits with spatial and astronomy applications» (№06-1000024-9199).

5) Открытый конкурс на выполнение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Тема проекта «Решение научных задач характеризации, моделирования и проектирования GaAs монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе наногетероструктурных рНЕМТ и тНЕМТ технологий» (НК-129П, номер гос. контракта П1418).

6) Открытый конкурс на выполнение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Тема проекта «Разработка методов и программ автоматизированного проектирования, моделей элементов и комплекта GaAs монолитных усилителей мощностью миллиметрового диапазона волн на отечественных наногетероструктурных рНЕМТ и тНЕМТ технологий» (НК-217П, номер гос. контракта П1492).

7) Открытый конкурс на проведение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук» на 2009-2013 гг. Тема проекта «Разработка методов, алгоритмов и интеллектуального программного обеспечения для синтеза микроэлектронных СВЧ устройств с использованием точных моделей интегральных элементов» (НК-713П, номер гос. контракта П669).

8) Прикладные научно-исследовательские работы. Тема проекта «Разработка библиотеки моделей и программного обеспечения для проектирования и поддержки производства в Томске СВЧ монолитных интегральных схем на основе арсенид-галлиевой гетероструктурной технологии» (гос. контракт № 354/1).

9) Открытый конкурс «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области микроэлектроники». Тема проекта «Комплекс исследований, направленных на решение научных задач характеризации, моделирования, проектирования и опытного производства наногетероструктурных монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе материалов СаАз, 1пР и СаИ» (гос. контракт №14.740.11.0135).

10) Открытый конкурс «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук в области «микроэлектроника»». Тема проекта «Решение научных задач характеризации, моделирования и опытного производства наногетероструктурных монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе СаАя» (гос. контракт №16.740.11.0092).

По результатам научно-исследовательской деятельности опубликовано 32 работы по теме диссертации [84-89, 91, 105-108, 110-117, 123, 139-150]. Публикации включают 5 статей в ведущих рецензируемых журналах «Информационные Технологии», «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», «Известия Томского политехнического университета». В общее число публикаций входит 9 опубликованных в трудах международных научных конференций:

1) «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2008 г.

2) «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», Томск, 2007, 2010 гг.

3) «Современные техника и технологии», Томск, 2010 г.

4) «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2010 г. и 17, опубликованных в трудах Всероссийских научных конференций:

1) «Научная сессия ТУСУР», Томск, 2007-2010 гг.

2) «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2008-2009 г.

3) «Ползуновские гранты молодым ученым», Барнаул, 2008 г.

4) «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», Томск, 20092010 гг.

5) Научно-технический семинар «Научно-технические проблемы в промышленности: интегрированные системы автоматизированного проектирования нового поколения для разработки инновационной радиоэлектронной продукции, аппаратуры и систем», Санкт-Петербург, 2010 г.

Полученные результаты вошли также в 4 учебно-методических пособия:

1) Дорофеев С. Ю., Поляков А. Ю., Геометрическое моделирование в системах автоматизированного проектирования: учебно-методическое пособие - Томск: Из-во ТУСУР, -2007.

2) Дорофеев С. Ю., Песков М. А., Рекомендации по повышению качества программного кода для участников проектных групп ГПО: учебно-методическое пособие - Томск: Из-во ТУСУР, - 2007.

3) Дорофеев С. Ю., Песков М. А., Объектно-ориентированное программирование. Методические указания к выполнению курсовых работ: учебно-методическое пособие -Томск: Из-во ТУСУР, - 2007.

4) Дорофеев С. Ю., Зайцева М. А., Стручков С. М., Технологии разработки программного обеспечения: учебно-методическое пособие к выполнению курсового проекта, Томск - 2010.

В процессе выполнения данной работы были получены следующие дипломы и почетные грамоты:

1) по результатам первого тура Всероссийского открытого конкурса дипломных проектов награжден грамотой за лучшую научную работу, по теме «Синтез согласующих цепей на основе генетического алгоритма», 2007 г.

2) по результатам Всероссийского конкурса «Ползуновские гранты молодым ученым» награжден дипломом лауреата и денежной премией, тема «Среда интеллектуального проектирования СВЧ-устройств INDESYS», 2008г.,

3) по результатам Всероссийского молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К. награжден дипломом I степени, тема «Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма»,

4) по результатам VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» награжден дипломом I степени за доклад в секции «Системы автоматизированного проектирования»,

5) по результатам VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» награжден дипломом I степени за доклад в секции «Интеллектуальные системы и технологии»,

6) по результатам конкурса «Microsoft Imagine Cup 2010 - Сибирь и Дальний Восток» награжден дипломом II степени за доклад «Интеллектуальная система автоматизированного проектирования СВЧ устройств INDESYS»,

7) присужден статус «Лауреат Томской области в сфере науки среди молодых ученых 2010 за высокие достижения в сфере образования и науки, способствующие укреплению престижа Томского научно-образовательного комплекса в стране и во всем мире».

Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Интеллектуальная среда проектирования радиоэлектронных устройств «Intelligent Design System»» №2008612128 от 29 апреля 2008г. (прил. В).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в НПФ «Микран» (г. Томск), Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» при ТУСУРе (г. Томск), Институте СВЧ полупроводниковой электроники РАН (г. Москва). Созданная программа внедрена в НИИ Полупроводниковых приборов (г. Томск), в Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (XLIM, г. Лимож, Франция), во Французское космическое агентство (CNES, г. Тулуза, Франция), а также в учебном процессе каф. КСУП ТУ СУ Р.

В приложении Б содержатся акты использования результатов данной диссертационной работы.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор развил идею использования МП совместно с ГА для решения задачи структурно-параметрического синтеза СВЧ РЭУ, предложил и реализовал подход к быстродействующему математическому моделированию СВЧ РЭУ, предложил идею создания программной системы INDESYS, разработал программу INDESYS-MATCH обеспечивающую синтез широкополосных СКЦ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 229 страниц. Основная часть включает 192 страницы, в том числе 108 рисунков и 31 таблицу. Список используемых источников содержит 183 наименования.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1) Разработан общий подход, основанный на ГА в сочетании с морфологическими И-ИЛИ деревьями, обеспечивающий автоматизированный синтез СКЦ (с возможностью расширения и на другие классы устройств) и позволяющий полностью контролировать структуру и значения элементов, а так же получать одновременно несколько различных решений. Это позволяет учесть требования, накладываемые со стороны практической реализации.

2) Поддерживается возможность задания требований к произвольной форме ЧХ в виде диапазонов на каждой из частотных точек.

3) Разработано объектное представление РЭУ на базе морфологических деревьев с использованием принципов объектно-ориентированного программирования, а также разработан новый быстродействующий подход к моделированию линейных РЭУ, позволяющий динамически формировать и вычислять математические модели вариантов решений в процессе структурно-параметрического синтеза.

4) Разработана модификация ГА, отличающаяся от известных набором оригинальных эвристических правил, учитывающих особенности предметной области, позволяющая получать более качественные технические характеристики синтезируемых РЭУ (в частности, СКЦ) за меньшее время.

5) Разработана структура организации программной системы 1Ж)Е8У8, предназначенной для реализации на его основе модулей, решающих различные прикладные задачи в области СВЧ РЭУ.

6) На основе программной системы Г№}Е8У8 разработан программный модуль ГКОЕ8У8-МАТСН, предназначенный для автоматизированного синтеза СКЦ, обеспечивающих широкополосное согласование импедансов генератора и нагрузки с использованием сосредоточенных и распределенных элементов. Возможность задания требований к произвольной форме коэффициента передачи по мощности позволяет синтезировать СКЦ с фильтрующими свойствами, а также межкаскадные СКЦ, компенсирующие спад усиления транзистора.

7) Разработанные в результате выполнения данной работы подходы к структурно-параметрическому синтезу и реализованные на их основе программные инструменты позволяют снизить как трудоемкость синтеза СКЦ, так и требования к уровню квалификации и опыту проектировщика. Результаты тестирования показывают, что время синтеза всех решений составляет от несколько секунд до нескольких минут, при этом одновременно получаются несколько различных схемных решений.

6) С использованием программного модуля ШБЕВУБ-МАТСН был разработан ряд монолитных СВЧ усилителей с СКЦ как для отечественных организаций (Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН, НИИ Полупроводниковых приборов, НПФ «Микран»), так и зарубежных (Исследовательский институт систем СВЧ и оптической связи ХЫМ, Французское космическое агентство СЫЕ8), в частности - для трехкаскадного ваАБ шНЕМТ МШУ диапазона 27-31 ГГц, копланарного однокаскадного ваАэ тНЕМТ усилителя 34-38 ГГц, копланарного двухкаскадного ваАз тНЕМТ усилителя 34-37,5 ГГц.

В дальнейшем планируется распространить описанные подходы на другие виды устройств (например, СВЧ усилители), реализовать возможность синтеза с использованием моделей элементов с учетом потерь, повысить быстродействие системы моделирования за счет использования параллельных вычислений и графической карты, реализовать ЕЧОЕЗУБ-МАТСН в виде облачного сервиса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Aaron М. R., The use of least squares in system design // IRE Trans. Circuit Theory, CT3. 1956. - № 4. - P. 224-231.

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

3. Abrie P. L. D., MultiMatch design philosophy // Ampsa (PTY) Ltd. 2000. - P. 14.

4. Abrie P. L. D., Du Plessis W. P., Lumped impedance matching using a hybrid genetic algorithm // Microwave Opt. Techn. Letters. 2003. - Vol. 37. - № 3. - P. 210-212.

5. Advanced Design System. Technical overview. Agilent Technologies. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.agilent.com.

6. Aksen A., Yarman В. 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.

7. AnkhSVN Электронный ресурс. Режим доступа: http://ankhsvn.open.collab.net/

8. Armengaud V., Lintignat J., Barelaud В., Jarry В., Babak L. I., Laporte C., Design of a Ka-band MMIC Filtering LNA with a Metamorphic HEMT Technology for a Space Application // Proceeding of the 38th European Microwave Conference, C. 1358-1361.

9. A Simple C# Genetic Algorithm Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.codeproiect.com/KB/recipes/btl ga.aspx.

10. 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.

11. Babak L. I., Cherkashin M. V., Interactive «visual» design of matching and compensation networks for microwave active circuits. // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. Phoenix. AZ. 2001. - P. 1.

12. Bäck Т., Hoffmeister F., and Schwefel H., A survey of evolution strategies // In Proceedings of the Fourth International Conference on Genetic Algorithms/ -1991.-P. 1-10.

13. Barricelli N. A., Esempi numerici di processi di evoluzione // Methodo. P. 45-68.

14. Bennett F. H., Koza J. R. Automated synthesis of analog electrical circuits by means of genetic programming // IEEE Trans, on Evolutionary Computation. 1997. - Vol. 1. - № 2. -P. 109-128.

15. Bremermann H. J., Optimization through evolution and recombination //Self-Organizing Systems. Spartan Books, Washington D.C. 1962. - P. 93-106.

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

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

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

19. Chen W. K., Broadband Matching : Theory and Implementations, 2nd Ed. NJ / World Scientific Publishing Co., 1988.

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

21. COM, Microsoft Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.microsoft.com/com/default.mspx.

22. Conrad М., Computer experiments on the evolution of coadaptation in a primitive ecosystem : Ph.D. dissertation / Stanford University, 1969.

23. Dao Т. H., На Т. Т., Explicit formulas for GaAs FET amplifier interstate matching network//IEEE Proc., 1981.-Vol. 128. -№ 1 .-P. 25-31.

24. Deb K., Goldberg D. E., An investigation of niche and species formation in genetic function optimization // In Proceedings of the Third International Conference on Genetic Algorithms, 1989. - P. 42-50.

25. DeJong K. A., An Analysis of the Behavior of a class of Genetic Adaptive Systems // PhD thesis, University of Michigan, Ann Arbour. Department of Computer and Communication Sciences, 1975.

26. DotTrace, JetBrains Электронный ресурс. -Режим доступа: http ://www. i etbrains. com/profi 1 ег/

27. Du Plessis W. P., A genetic algorithm for impedance matching // Proceedings of the 2002 IEEE Africon Conference, P. 567-570.

28. DXperience, DevExpress Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.devexpress.com/Subscriptions/DXperience/.

29. Enterprise Architect, Sparx Systems Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.sparxsystems.com.au/.

30. Evolver, Axcelis Inc. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.palisade.com/evolver/.

31. Fano R. М., Theoretical limitations on the broadband matching of arbitrary impedances : M.I.T. Tech. Report 41, Res. Lab. Electron, 1948.

32. Fielder D. C., Broadband matching between load and source systems // IEEE Trans, Circuit Theory,-1961.-P. 131-148.

33. Filter Solutions Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.filter-solutions.com/.

34. Fletcher R., Powell M. J. D., A rapidly convergent descent method for minimization // Computer Journal, 1963. - Vol. 28. - P. 1067-1087.

35. Fogel D. В., Evolving artificial intelligence : Ph.D. dissertation / UC San Diego.1992.

36. Fogel L. J., Owens A. J., Walsh M. J., Artificial Intelligence through Simulated Evolution // John Wiley, NY. 1966.

37. Fraser A. S., Simulation of genetic systems by automatic digital computers. I. Introduction // Australian J. Biological Sciences, 1957. - Vol. 10. - P. 484-491.

38. Friedberg R. M., A learning machine: Part 1 //IBM Journal of Research and Development, 1958. - Vol. 2:1. - P. 2-13.

39. Friedman G. J., Selective feedback computers for engineering synthesis and nervous system analogy // Master's thesis, UCLA, 1956.

40. Gielen G.G. E., Rutenbar R.A., Computer-Aided Design of Analog and Mixed-Signal Integrated Circuits, Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.ece.cmu.edu/~rutenbar/pdf/rutenbar-procieeeOO.pdf.

41. Goldberg D. E., Genetic Algorithms in Search // Optimization, and Machine Learning. Addison-Wesley, 1989.

42. Havinga P. J.M., Heysters P.M., Rosien M.A.J., Smit G.J.M., Smit L.T., Dynamic Reconfiguration in Mobile Systems // Field-Programmable Logic and Applications. 12th International Conference, FPL, Lisbon, Portugal. 2002. - P. 171-181.

43. Higuchi Т. et al., Evolvable hardware: A first step towards building a Darwin machine // In Proc. of the 2nd Int. Conference on Simulated Behaviour: MIT Press. 1993. - P.417-424.

44. Holland J. H., Nonlinear environments permitting efficient adaptation // Computer and Information Sciences-II, J.T. Tou (Ed.), Academic Press, NY, 1967. - P. 147-164.

45. Holland J. H., Adaptation in Natural and Artificial Systems // Univ. Michigan Press, Ann Arbor, MI, 1975.

46. Holland J. H., Genetic algorithms // Scientific American, 1992. - P. 66-72.

47. Illinois Genetic Algorithms Laboratory Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.illigal.uiuc.edu/web/

48. James С., James R., Krasnicki R.A., Phelps R., Rutenbar R., Anaconda: Simulation-based synthesis of analog circuits via stochastic pattern search // IEEE Trans. Comput. Aided Design Integrated Circ. Syst., 2000. - P. 703-717.

49. 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.

50. Kureichik V. M., Malioukov S. P., Kureichik V. V., Malioukov A. S., Genetic algorithms for Applied CAD Problems // Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2009. - P. 236.

51. LaRosa R., Carlin H. J., A general theory of wideband matching with dissipative 4-poles // Polytechnic Inst Brooklyn, 1953.

52. Lau S. and Lau W. K., Antenna impedance matching using genetic algorithm // National Conference on Antennas and Propagation, 1999. - P. 31-36

53. Lau S. and Lau W. K., Evolutionary tuning method for automatic impedance matching in communications systems // IEEE Int Conf Electronics, Circuit Sys 3, 1998. - P. 73-77.

54. Levy R., Explicit formulas for Chebyshev impedance-matching networks // Proceedings IEE, 1964. - P. 1099-1106.

55. Louis S.J., Rawlins J.E., Designer genetic algorithms: genetic algorithms in structure design // ICG-91, in Proc. of the Fourth International Conference on Genetic Algorithms, 1991. -53 p.

56. Macready W.G., Wolpert D.H., No Free Lunch Theorems for Search Technical Report SFI-TR-95-02-010 // Santa Fe Institute. - 1995.

57. Matthaei G. L., Synthesys of Tchebyscheff Impedance Matching Networks, Filters and Interstages // IRE Trans. Circuit Theory. - 1956. - V. CT - 3. - No. 3. - P. 162-172.

58. Microwave Office, Applied Wave Research Электронный ресурс. -Режим доступа: http://web.awrcorp.com/.

59. Montgomery С. G., Dicke R H., Purcell E. M., Principles of Microwave Circuits // M.I.T. Radlab, 1947. - Vol. 9.

60. Multimatch RF and microwave impedance-matching amplifier and oscillator synthesis software, West: AMPSA Ltd. Электронный ресурс. -Режим доступа: htpp://www.ampsa.com.

61. Nahi N., Plotkin S., On Limitations of Broad-Band Impedance Matching Without Transformers // IRE Trans. Circuit Theory. 1962. - V. CT - 9. - No. 2. - P. 125-132.

62. NUnit Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nunit.org/.

63. Pacheco M.A.C., Salem-Zebulum R., Vellasco M.V.R., Evolutionary Electronics, Automatic Design of Electronic Circuits and Systems by Genetic Algorithms. // CRC Press, USA.-2002.

64. Parker G., New Program Directly Synthesizes Filter With Arbitrary Transmisión Zero Placement // Applied MW& Wireless, 2000. - № 9. - P. 94-103.

65. Potter A. F., Compiler automates schematic capture and extends capabilities of circuit synthesis // Microwave & Wireless Magazine. 1999. - № 6. - P. 109-117.

66. Rechenberg I., Evolutionsstrategie Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution // PhD thesis, - 1971.

67. ReShaper, JetBrains Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.jetbrains.com/resharper/.

68. Schaeffer D. J., Eshelman L. J., Offut D., Spurious correlations and premature convergence in genetic algorithms // In Rawlins, G. J. E., editor, Foundations of Genetic Algorithms-1, 1991. - P. 102-114.

69. Schwefel H. P., Kybernetische evolution als Strategie der experimentellen forschung in der stroemungstechnik // Dipl-Ing. Thesis, Technical Univ. Berlin, 1965.

70. Schwaber K., Agile Project Management with Scrum / Ken Schwaber: Microsoft Press, 2004.

71. Sertbas A., Yarman B. S., A computer-aided design technique for lossless matching networks with mixed, lumped and distributed elements // Int. J. Electron. Commun. (AEU). -2004. Vol. 58. - P. 424-428.

72. 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.

73. Sussman-Fort S. E., Matchnet: Microwave Matching Network Synthesis Software and User's Manual, 1994.

74. Thierens D., Goldberg D. E., Mixing in genetic algorithms // In Proceedings of Fifth International Conference on Genetic Algorithms, 1993. - P. 38^15.

75. Visual Studio, Microsoft Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.microsoft.com/visualstudio/en-us/.

76. VisualSVN Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.visualsvn.com/visualsvn/.

77. Westman Н. P., Reference Data for Radio Engineers // Fourth Ed. NY: International Telephone and Telegraph Corp., 1956.

78. WholeTomato VisualAssist Электронный ресурс. -Режим доступа: http ://ww w. whol etomato. com/.

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

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

81. Zwicky F., Discovery, Invention, Research through the Morphological Approach. New York: McMillan, 1969.

82. Абрамов А. О., Бабак JI. И., Добуш И. М., Дорофеев С. Ю., Песков М. А., Самуилов А. А., Программа построения моделей элементов СВЧ монолитных интегральных схем на основе многомерных полиномов // Известия ТПУ. Томск, - Т. 317, №5 —2010.-С. 88-92.

83. Абрамов А. О., Дорофеев С. Ю., Каратаев Е. П., Песков М. А., Самуилов А.

84. А., Модуль визуализации данных в системе автоматизированного проектирования СВЧ устройств INDESYS // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. Томск: В-Спектр. - 2010.

85. Автоматизация поискового конструирования / Под ред. А. И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981.

86. Акимов С. В., Исследование и разработка методов структурно-параметрического синтеза линейных транзисторных усилителей СВЧ // Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, СПБГУТ. Санкт-Петербург, 2002.

87. Акимов С. В., Модель морфологического множества уровня идентификации // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2005. - № 172. - С. 120-135.

88. 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.

89. Алексеев О. В., Головков А. А., Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учебн. пособие для ВУЗов / Под ред. О.В.Алексеева. М.: Высшая школа, - 2000. - 479 с.

90. Алексеев О. В., Животовский А. И., Чавка Г. Г., Широкополосное согласование простых типов нагрузок // Вопросы радиоэлектроники. Техника радиосвязи. 1968.-Вып. 2.-С. 3-11.

91. Антушев Г.С., Методы параметрического синтеза сложных технических систем. -М.: Наука, 1989. -88 с.

92. Архипенков С. Я., Лекции по управлению программными проектами / С.Я. Архипенков. М.: Вильяме, - 2009. - С. 128.

93. Бабак Л. И., Автоматизированное проектирование и разработка транзисторных широкополосных СВЧ усилителей: Дис. . канд. техн. наук / Л.И. Бабак. -Томск: ТИАСУР, 1983. - 398 с.

94. 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.

95. 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.

96. Бабак Л. И., Синтез технических устройств и систем с использованием проекций области работоспособности// Докл. междунар. симп. СИБКОНВЕРС'97. Томск: ТУСУР. - 1997. - С. 203-213.

97. Бабак JI. И., Дьячко А. Н., Покровский М. К)., Поляков А. Ю., Черкашин

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

99. Бабак JI. И., Дорофеев С. Ю., Синтез согласующих цепей в распределённом и смешанном элементарных базисах // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. трудов всероссийской научн.-техн. конф.: Красноярск: из-во СФУ. - 2008. - С.98-101.

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

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

102. Бабков В. Ю., Белецкий А. Ф., О критерии близости в задачах синтеза согласующих цепей // Радиотехника и электроника. -1971.-Т. 16,- 8 С. 1511-1513.

103. Балабанян Н. Синтез электрических цепей. -М.: Госэнергоиздат, -1961.416 с.

104. Батищев Д. И., Шапошников Д. Е., Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений. Нижний Новгород: ИПФ РАН, - 1994.

105. Барышников A.C., Дорофеев С.Ю., Песков М.А., Шеерман Ф.И.

106. Интеллектуальный структурно-параметрический синтез СВЧ радиоэлектронных устройств // Ползуновские гранты: материалы Всероссийской научн.-практ. конф. Барнаул: Изд-во АлтГТУ. - 2008 - С. 35-39.

107. Бек К., Экстремальное программирование / Кент Бек. Питер, - 2002. - С. 224.

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

109. Боде Г., Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. М.: Иностр. литер., - 1948. - 641 с.

110. Бочарова Т. А., Курушин А. А., Подковырян С. П., Текшев В. Б., Машинный синтез транзисторных СВЧ усилителей с помощью метода автономных блоков // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1984. - Вып. 9. - С. 34-39.

111. Букатова И. JL, Михасев Ю. И., Шаров А. М., Эвоинформатика: Теория и практика эволюционного моделирования: учебное пособие. М. : Наука, - 1991. - 205 с.

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

113. 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. 327-331.

114. Гладков JI. А., Курейчик В. В., Курейчик В. М., Генетические алгоритмы / Под ред.В.М. Курейчика М.:ФИЗМАТЛИТ, - 2006 - 320с.

115. 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.

116. Горбунов-Пассадов М. М., Корягин Д. А., Мартынюк В. В., Под ред. Самарского A.A. Системное обеспечение пакетов прикладных программ. М.: Наука. -1990.-208 с.

117. Гудилов В.В., Зинченко Л.А., Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы, 2003.

118. Девятков Г. Н., Автоматизированный синтез широкополосных согласующих устройств //Диссертация на соискание степени доктора технических наук, Новосибирский государственный технический университет. Новосибирск 2006. С. 144-149.

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

120. Добуш И. М., Кошевой С. Е., Шеерман Ф. И., Программная среда INDESYS-MS для автоматизации процесса измерений // // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: материалы Всероссийской научн.-практ. конф. Томск, изд-во НИ ТПУ. - 2009.

121. Дорофеев С. Ю., Синтез согласующих цепей в распределенном элементном базисе // Научная сессия ТУСУР 2008: материалы Всероссийской научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов. Томск: B-Спектр. - 2008. - Ч. 2 - С. 100-102.

122. Дорофеев С. Ю., Зайцева М. А., Каратаев Е. П., Лысак А. П., Песков М. А.,

123. Интеллектуальная система автоматизированного проектирования СВЧ-устройств

124. DESYS Фестиваль Microsoft в ТПУ // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: материалы Всероссийской научн.-практ. конф. Томск, изд-во НИ ТПУ.-2010. -С.235-236.

125. Дорофеев С. Ю., Каратаев Е. П., Модуль графического представления расчётных данных в системе INDESYS // Студент и научно-технический прогресс: материалы Международной научн. студенческой конф. Новосибирск: НГУ. - 2010. -С.12.

126. Дорофеев С. Ю., Кузьмин А. А., Обфускаторы. Защита программ платформы .NET // Научная сессия ТУСУР 2009: материалы Всероссийской научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов. Томск: B-Спектр. - 2009. - Ч. 2 - С. 324-328.

127. Дорофеев С. Ю., Марков А. Ю., Генетические алгоритмы // Инновационные технологии кафедры КСУП: материалы электронной научн.-практ. конф. Томск,. - 2008.

128. Егоров И. Н., Новая технология оптимизации для создания эффективных технических систем Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.orc.ru/-pulsar.

129. Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. М., Теория и практика эволюционного моделирования. — М: Физматлит, 2003. — С. 432.

130. Кошевой С. Е., Система автоматизированного проектирования СВЧ усилителей // Пояснительная записка к дипломному проекту / Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Томск, 2008.

131. Курейчик В. В., Курейчик В. М., Генетический алгоритм размещения графа // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2000. - № 5. - С. 67-74.

132. Курейчик В. М., Лебедев Б. К., Лебедев О. Б., Поисковая адаптация: теория и практика. М.:ФИЗМАТЛИТ, - 2006 - 272 с.

133. Ларман К., Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования / Крэг Ларман. -М: Вильяме, 2009. - С. 736.

134. Могилевская Л. Я., Хотунцев Ю. Л., Вопросы синтеза согласующе-трансформирующих цепей // Радиотехника. 1975. - Т. 30. - №1. - С. 29-35.

135. Норенков И. П., САПР: Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов: В 9 кн., Кн. 1. Принципы построения и структура. Мн: ВШ. - 1987. -123 с.

136. Норенков И. П., Маничев В. Б., Основы теории и проектирования САПР. М: Высшая школа. - 1990. - 355 с.

137. Одрин В. М., Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ,- 1989.

138. Одрин В. М., Картавов С. С., Морфологический анализ систем // Построение морфологических таблиц. Киев: Наукова думка, 1977.

139. Паклин Н. Б., Генетические алгоритмы с вещественным кодированием Электронный ресурс. Режим доступа: http:/Avww. paklin.newmail.ru/mater/rcga.html

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

141. Поляков А. Ю., Визуальная технология решения задач проектирования технических устройств и систем // Диссертация на соискание степени кандидататехнических наук / Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Томск, 2000.

142. Программа Smith Chart. Berne University of Applied Sciences Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.hti.bfh.ch.

143. Растригин JI. А., Эйду к Я. Ю., Адаптивные методы многокритериальной оптимизации//Автоматика и телемеханика, 1985. - №1. - С. 5-26.

144. Рвачев В. JL, Геометрические приложения алгебры логики. Киев: Техника,1967.

145. Рвачев В. JL, Теория R-функций и некоторые ее приложения. Киев: Наук, думка, - 1982.-552 с.

146. Растригин JI. А., Статистические методы поиска. -М.: 1968.

147. Редько В. Г., Эволюция, нейронные сети, интеллект. Модели и концепции эволюционной кибернетики. М.: УРСС, 2005.

148. Смирнов В. П., Фельдштейн A. JL, Явич JI. Р., Справочник по элементам волноводной техники. 1967. - 652 с.

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

150. Спицын В. Г., Цой Ю. Р., Эволюционный подход к настройке и обучению искусственных нейронных сетей // Электронный журнал Нейроинформатика. 2006. - Т. 1. -№1. - С. 34-61.

151. Страуструп Б., Язык программирования С++ / Бьерн Страуструп. Бином, -2008.-С. 1104.

152. Текшев В. Б., Параметрическо-структурный синтез широкополосных СВЧ усилителей // Радиотехника. 1989. - № 6. - С. 31-32.

153. Фано Р., Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов / Перевод с англ. под ред. Г.И. Слободенюка. М.: Советское радио, -1965.-72 с.

154. Федоров Ю.В., Монолитные интегральные схемы малошумящих усилителей КВЧ диапазона на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах / Ю.В. Федоров, Д.Л. Гнатюк, Г.Б. Галиев и др. // Доклады ТУСУРа. 2010. - № 2(22), ч. 1. - С. 49-55.

155. Шварц Н. 3., К теории широкополосных согласующих цепей ВЧ и СВЧ без трансформаторов // Радиотехника и электроника. 1971. - № 11. - С. 2110-2119.

156. Шкамардин И.А., Проблемы и перспективы развития эволюционной электроники // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2009. - Т.93. - №4. - С.52-56.

157. Штойер Р., Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения. Пер. с англ. М.: Радио и связь, - 1992.

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

159. Дорофеев С. Ю., Песков М. А., Бабак JI. И., Черкашин М.В., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Интеллектуальная среда проектирования РЭУ «Intelligent Design System», №2008612128 от 29 апреля 2008г.