Развитие методов синтеза цепей и идентификация параметров моделей радиокомпонентов Свистунов, Сергей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Для развития техники радиоэлектронных устройств на современном этапе характерны следующие взаимосвязанные тенденции: увеличение диапазона используемых частот, уменьшение размеров самих устройств, что значительно сокращает возможности подстройки, и резкий рост стоимости макетирования. В связи с этим существенно возрастают требования к точности расчета схем, чем и обусловлено интенсивное развитие и внедрение систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры. Соответственно возрастают требования к адекватности используемых при расчетах моделей радиокомпонентов и эффективности методов анализа и синтеза.

Большинство традиционно используемых методик идентификации параметров моделей радиокомпонентов строится на основе минимизации разности между экспериментальными частотными характеристиками компонента и характеристиками его модели с использованием различных оптимизационных процедур. Вследствие много.чкстремальности задачи получаемое решение зависит от принятых начальных условий, и чем сложнее структура модели, тем больше число локальных оптимумов, и, соответственно, выше требования, предъявляемые к точности начального приближения. Кроме того, наличие параметров, оказывающих сходной или малое влияние на схемные функции модели, что характерно для современных активных приборов СВЧ, приводит к специфичному "овражному" виду целевой функции задачи оптимизации. Это дополнительно затрудняет процесс идентификации и увеличивает вероятность ложного решения.

П связи со сказанным задача повышения надежности и .эффективности определения параметров моделей радиокомпонентов, особенно активных приборов СВЧ, предстагмяется актуальной. Можно выделить три основных направления развития методов параметрической идентификации: 1) разработка методик прямого измерения параметров моделей с целью уточнения начального приближения для оптимизации; 2) разработка методов, основанных на оптимизации, но имеющих малую чувствительность к изменению начального приближения; 3) создание аналитических методов. Наиболее перспективными следует считать последние два направления.

Как показывает анализ, новые оптимизационные методы с малой чувствительностью к изменению начального приближения достаточно

эффективны и позволяют определять параметры малосигнальных эквивалентных схем раднокомпонентов даже при ограниченных исходных данных — только по частотным зависимостям матричных параметров приборов в рабочем диапазоне частот. Эти методы могут также применяться как базовые при параметрической идентификации нелинейных моделей.

Однако существующие методики не учитывают ряда важных закономерностей, в частности, такого факта, как различия чувствительности разных схемных функций модели к изменению того или иного параметра на различных участках частотного диапазона. Следовательно, имеет место возможность дополнительного снижения чувствительности идентификации к изменению начального приближения, и методики нуждаются в доработке. Но, в любом случае, полностью избавиться от присущих оптимизационным методам недостатков, к которым относятся длительное время счета и принципиальная возможность ложного решения, невозможно.

В отличие от вышесказанного, решение, получаемое с помощью аналитических методов, всегда является оптимальным, а его достижение требует гораздо меньших вычислительных затрат. Однако данные методы также имеют свои недостатки. В частности, они не позволяют контролировать попадание идентифицируемых параметров в область допустимых значений, и поэтому их применение требует максимально полного соответствия модели объекту, повышенной точности измерений и тщательной предварительной обработки экспериментальных данных (исключение погрешностей, сглаживание и т.д.)-

Таким образом, отдать предпочтение какому—либо одному виду методик параметрической идентификации не представляется возможным, и в диссертации рассматриваются оба направления.

С задачей определения параметров моделей радиокомпонентов тесно связана задача параметрического синтеза. Здесь альтернативой традиционным, основанным на оптимизации, методам может служить только использование модификаций методов прямого синтеза для схем заданной структуры. Однако данный материал также нуждается в обобщении и развитии.

Необходимо заметить, что использование аналитических методов параметрического синтеза и идентификации, аналогично методам прямого синтеза, требует предварительного решения задачи аппроксимации частотных характеристик синтезируемой или идентифици —

^

руемой схемы рациональными функциями комплексной частоты р. И если для прямого синтеза цепей, в частности, фильтров, решение задачи аппроксимации достаточно хорошо разработано, то применительно к параметрическому синтезу и идентификации параметров моделей этот вопрос практически не рассматривался.

Цель и задачи работы. Основной целью диссертации является развитие методов параметрического синтеза линейных радиотехнических цепей и методов идентификации параметров моделей радио — компонентов, в частности, полевых и биполярных транзисторов.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи:

1. Создание аналитического (прямого) метода параметрического синтеза линейных цепей блочной структуры и его применение для идентификации параметров малосигнальных моделей полевых и биполярных транзисторов.

2. Разработка метода аппроксимации экспериментальных частотных характеристик радиокомпонента рациональными функциями комплексной частоты р, реализуемыми как схемные для его модели.

3. Развитие оптимизационных методов параметрической идентификации моделей радиокомпонентов, обладающих малой чувствительностью к изменению начального приближения и повышенной надежностью.

Методы исследования. Основными методами исследования являются методы синтеза линейных цепей, аналитическая теория четырехполюсников, критерии устойчивости динамических систем, матричная алгебра, методы линейного программирования, численные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, метод наименьших квадратов (МНК) аппроксимации таблично заданной функции функцией заданного вида, численные методы поиска минимума функции нескольких переменных.

Научная новизна.

1. Развит основанный на положениях аналитической теории четырехполюсников метод анализа блочных линейных схем — алгоритм поэлементного подключения/отключения. На его основе создан аналитический (прямой) метод параметрического синтеза линейных цепей по аналитическим выражениям иммитанса двухполюсника или матричных параметров четырехполюсника. Синтез строится как последовательное решение систем уравнений относительно коэффициентов

схемных функций подсхем цепи. Предложены алгоритм составления таких уравнений, методы их решения в общем виде и частных случаях, а также критерий отбора физически реализуемых решений. Проведен анализ области применения метода и его чувствительности.

2. Разработан модифицированный метод наименьших квадратов аппроксимации экспериментальных частотных характеристик ра — диокомпонента рациональными функциями комплексной частоты р.

3. Развит оптимизационный метод параметрической идентификации, имеющий малую чувствительность к изменению начального приближения и, как следствие, высокую надежность.

4. Разработана методика расчета широкополосных усилительных каскадов на максимум усиления мощности в полосе при заданной степени устойчивости с учетом собственных реактивностей активного прибора.

Основные практические результаты.

1. На основе алгоритма поэлементного подключения/отключения создана программа быстрого анализа и оптимизации блочных линейных схем FALCON.

2. Предложенные аналитический метод параметрического синтеза и модифицированный МНК применены для идентификации параметров малосигнальных моделей транзисторов и эквивалентов антенн.

3. Предложена методика предварительной обработки результатов измерений частотных зависимостей матричных параметров транзистора.

4. Разработаны оптимизационные методики параметрической идентификации моделей полевых и биполярных транзисторов, характеризующиеся малой чувствительностью к изменению начального приближения, с помощью которых можно надежно определять параметры моделей по экспериментальным частотным зависимостям матричных параметров приборов.

5. Предложена методика расчета регулировочных характеристик линейных перестраиваемых по частоте схем.

6. Спроектированы и внедрены практические схемы усилителей мощности и перестраиваемых полосовых фильтров для телевизионных передатчиков.

Реализация результатов работы. Методики идентификации параметров моделей транзисторов, методика расчета широкополосного усилительного каскада на максимум усиления мощности в полосе и программа быстрого анализа и оптимизации блочных линейных схем

FALCON внедрены и используются в промышленности.

Работа над диссертацией велась в рамках НИР по хоздоговорным темам на кафедре Формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (технического университета).

Положения, выносимые ид защиту

7. Аналитический (прямой) метод параметрического синтеза.

8. Модифицированный метод наименьших квадратов аппроксимации экспериментальных частотных характеристик радио — компонентов рациональными функциями комплексной частоты р.

9. Оптимизационный метод параметрической идентификации моделей транзисторов, характеризующийся малой чувствительностью к изменению начального приближения.

10. Методика расчета широкополосных усилительных каскадов на максимум усиления мощности в полосе при заданной степени устойчивости с учетом собственных реактивностей активного прибора.

Публикации и апробация результатов работы. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы [1—4]. Основные результаты апробированы на Всероссийской научно—технической конференции "Новая техника радиоприемных устройств" (Москва, 22 — 24 декабря 1992 г.), Международной научно—технической конференции "Проблемы радиоэлектроники" (Москва, 19 — 21 лпрпля 199Л г.) и соминлрлх кл — гргдры Формирования колгблиий и сишллоп н 1990 — I 99Л гг.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 134 стр. текста, иллюстрирована 47 рисунками, содержит 13 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из 107 наименований.