Введение к работе
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. Лау, 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 СВ. 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 согласующе-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:
анализ предметной области и существующих подходов к синтезу СКЦ;
разработка морфологического И-ИЛИ дерева, описывающих структурно-параметрическую модель СКЦ, а также способов его кодирования и варьирования;
разработка быстродействующего способа математического моделирования;
разработка способа задания требований к СКЦ, оценки проектных решений;
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 широ
кополосных 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 ра
диоэлектронных 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 проек
тирования лестничных цепей и позволяющих повысить практическую эффективность
синтеза согласующе-корректирующих цепей на основе генетического алгоритма.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
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.
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).
Использование эвристических правил обеспечивает генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращает время синтеза.
Разработанная программа INDESYS-MATCH обеспечивает решение широкого круга задач синтеза широкополосных СКЦ как на сосредоточенных, так и распределенных элементах, при произвольных частотнозависимых 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 mHEMT технологии D01MH фирмы OMMIC для французского космического агентства CNES; трехкаскадного МШУ диапазона частот 7-13 ГГц для НПФ «Микран».
Положения, выносимые на защиту:
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.
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.
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 ТУСУР» (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 «Ползуновские 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 ТУСУР 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.
