На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕР. ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ, ВЫП. 2(350), 1983 стр. 60-65

УДК 621.375.029.64

Т. А. Бочарова, А. А. Курушин, С. И. Подковырин, В. Б. Текшев

МАШИННЫЙ СИНТЕЗ ТРАНЗИСТОРНЫХ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ 
С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА АВТОНОМНЫХ БЛОКОВ

Предложен метод синтеза согласующих цепей транзисторных СВЧ-усилителей с помощью ЭВМ. Микрополосковая плата разбивается на элементы декомпозиции автономные блоки, и производится целенаправленное наращивание согласующей топологии в соответствии с требуемыми характеристиками. Задача' анализа текущей структуры, составляющая основу синтеза, сводится к нахождению матрицы рассеяния сложного соединения автономных блоков. По данному алгоритму создана программа синтеза транзисторных СВЧ-усилителей на языке Фортран. Разработанная программа была использована для синтеза однокаскадного СВЧ-усилителя на транзисторе КТ391А-2.

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время под синтезом транзисторных СВЧ-усилителей чаще всего подразумевают параметрический синтез, т. е. нахождение параметров схемы с заданной структурой, при которых достигаются оптимальные характеристики. Структура согласующих цепей полагается заданной. Такой подход не в полной мере соответствует названию “синтез”, так как результатом синтеза должно быть создание новой структуры.

Предлагаемая работа посвящена синтезу транзисторных СВЧ-усилителей, основанному на применении интенсивно развиваемого в последнее время метода автономных блоков (АБ). В процессе этого синтеза не осуществляется перебор заранее заданных структур, а получается новая, неизвестная априорно структура усилителя.

Сущность метода АБ заключается в расчленении сложного СВЧ-устройства на автономно анализируемые блоки элементы декомпозиции. Анализ АБ проводится на электродинамическом уровне, а затем находится решение для всего сложного СВЧ-устройства [I]. В результате такой электродинамической декомпозиции вместо одной краевой задачи большой трудности решается серия краевых задач, сложность которых уже вполне преодолима. Наиболее эффективным исследованиям с помощью метода АБ подверглись волноводные структуры [2]. Задача синтеза полосковых устройств с активными элементами с использованием метода АБ в известной нам литературе не ставилась.

2. СУЩНОСТЬ МЕТОДА СИНТЕЗА

Диэлектрическая плата, на которой будет располагаться усилитель, разбивается на элементарные площадки, как показано на рис. 1. Из условия максимального подобия площадка выбирается в

Рис. 1. Топология СВЧ-усилителя. Цифрами 1—67 показаны номера АБ, образующих согласующую структуру, в соответствии с очередностью присоединения. Цепи смещения не показаны

виде квадрата, в результате чего АБ представляет собой четырехканальный параллелепипед с высотой, равной толщине подложки. На подложке выбираются места расположения активных элементов транзисторов и формируется начальная топология согласующих цепей, например в виде двух полосковых линий: подводящей мощность к транзистору и отводящей ее на выход усилителя. Эта начальная структура представляет собой последовательное соединение АБ.

Каждый АБ описывается волновой матрицей рассеяния восьмиполюсника [S]. Элементы этой матрицы в общем случае учета п мод, т. е. высших типов волн виртуальных волноводов, соединяющих соседние АБ, в свою очередь являются матрицами

где комплексный коэффициент, связывающий высшие волны и I типа на I и / входах АБ.

Таким образом, задача единичного анализа, составляющая основу для проведения синтеза, сводится к нахождению общей многомодовой матрицы рассеяния сложного соединения АБ: 

(1)

где [S]', [S]2, . . . ,'[S]" — многомодовые матрицы рассеяния 1, 2,... , п-го АБ; знак определения суммарной матрицы.

Вычисленная матрица полностью характеризует устройство на заданной частоте. В частном случае транзисторного СВЧ-усилителя коэффициент передачи по мощности определится как , , ,

фазовая характеристика и т. д., где элементы матрицы [S] .

Далее ставится задача построения усилителя с заданными по техническим условиям характеристиками или показателями качества. В простейшем случае требуется построить усилитель с равномерной частотной характеристикой в полосе частот fн — fв и коэффициентом передачи по мощности (в дБ) G=Gо±D S. Существенной особенностью при этом является то, что усилительные свойства СВЧ-транзистора ухудшаются с увеличением частоты. Поэтому согласующе-трансформирующие цепи должны иметь наклонные частотные характеристики для компенсации избыточного усиления на низших частотах. Задача синтеза согласующе-трансформирующих цепей с наклонной частотной характеристикой решалась в [3, 4], но принципиальным отличием предлагаемого подхода, основанного на методе АБ, является получение согласующих цепей сложной формы, а не в виде набора шлейфов и соединяющих их линий.

После выбора начальной топологии (которая. как отмечалось, может представлять собой две линии: подводящую мощность к транзистору и отводящую ее на выход усилителя) осуществляется целенаправленное наращивание структуры путем присоединения новых АБ, которое приводит к сближению требуемых по техническим условиям и рассчитываемых по [S]S характеристик транзисторного СВЧ-усилителя.

Согласующие цепи, при синтезе которых учитываются высшие типы волн, по размерам могут, быть значительно меньше, чем согласующие цепи, при расчете которых неоднородности искусственно удаляются на расстояния реактивного затухания высших типов волн. Возможность машинного расчета с моделями АБ, учитывающими волны высших типов, позволяет синтезировать устройства СВЧ с существенными неоднородностями и значительно уменьшить размеры этих устройств при тех же характеристиках.

В существующих методах расчета, основанных на применении теории цепей, эмпирические соотношения и расчетные формулы получены и широко используются, поэтому ключевой задачей при применении метода АБ является нахождение матрицы рассеяния АБ.

3. МАТРИЦА РАССЕЯНИЯ АБ

Строгим способом является решение системы уравнений Максвелла и граничных условий для электромагнитного поля в области АБ. Кроме указанных в [1] методов расчета на электродинамическом уровне (решение в этом случае представляется чрезвычайно сложным, а неизбежно возникающие ошибки дадут далеко не точный результат при расчете общей матрицы рассеяния, особенно для большого количества АБ), можно использовать приближенное нахождение матрицы рассеяния АБ [S], что и сделано в рамках данной работы.

Для этого проводится параметрический синтез элементов матрицы [5] и комплексного коэффициента отражения Г от границы микрополосковой структуры с целью наиболее точного приближения характеристик микрополосковой линии длиной 11 мм с характеристиками последовательно соединенных одиннадцати АБ (рис. 2). (Проводился синтез АБ и для более сложных пассивных структур).

 

Рис. 2. Схема последовательного соединения цепочки автономных блоков (а) и эквивалентный ей отрезок микрополосковой линии (б).

Известны достаточно точные эмпирические соотношения для микрополосковой линии без потерь в ТЕМ-при,лижении. Из [3, 5, 6] получаем матрицу рассеяния отрезка микрополосковой линии (рис. 2,б):

, (2)

 

где ;

;

;

;

;

;

;

;

r нормированное относительно 50 Ом волновое сопротивление микрополосковой линии; Н толщина подложки, мм; W — ширина микрополосковои линии, мм; e диэлектрическая проницаемость подложки; e эфф эффективная диэлектрическая проницаемость подложки с учетом искажения поля; l длина линии, мм.

Нахождение элементов матрицы [5] проводится методом случайного поиска [8] с применением целевой функции вида:

 

где , угол — (i,j) -й элемент матрицы [S] р.эм, рассчитанной по эмпирической формуле (2); , угол — (i,j) -й элемент матрицы [S] р.эд, рассчитанной по (1) с использованием матрицы [S] рассеяния АБ, элементы которой варьируются в процессе поиска. Матрица [S] р.эд находится по одиннадцати последовательно соединенным АБ (рис. 2,а).

4. ВЫБОР НАЧАЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ ПРИ НАХОЖДЕНИИ МАТРИЦЫ АБ

Успех всякого поиска зависит от выбора начального приближения. В качестве начального приближения выберем матрицу рассеяния L,С-эквивалента диэлектрического пространства [9]. Следуя физическому смыслу, кубик диэлектрического пространства со стороной а=1 мм и металлизацией двух противоположных сторон представим эквивалентной схемой рис. 3 (корректность такого представления требует l >>а). Емкость величиной 0,087 пФ (С =e e 0 a2 h-1 ), которой обладает этот “конденсатор”, разбита на пять емкостей, четыре из которых сосредоточены на краях. Индуктивность 0,28 нГ, рассчитанная как индуктивность отрезка микрополосковои линии длиной 1 мм, разбита на двадцать четыре индуктивности, соединенные последовательно-параллельно.

Условия, накладываемые на элементы матрицы рассеяния, обусловлены симметричностью эквивалентной схемы относительно осей ХХ и УУ (рис. 3) и реактивностью [6]:

 

Условия (3) были использованы как ограничения пр|1 проведении поиска минимума Р1, в результате чего получена матрица [5] для подложки толщиной h=1 мм, e ==9,8 и размеров элементов АБ 1х1 мм (см. табл. 1). Коэффициент отражения

Рис. 3. LС-эквивалент диэлектрического пространства АБ

от границы микрополосковои структуры, отражающей связь с ее боковым пространством, также определен при этом поиске и равен для частоты 1 ГГц Г=0,9998e -j0.5 o. В табл. 2 приведена классификация всех возможных АБ, используемых для формирования на диэлектрической подложке согласующих топологий любой сложности, а также матрицы рассеяния шестиполюсника, четырехполюсника и двухполюсника, полученные по синтезированной матрице восьмиполюсника с соответствующими Г на краевых сечениях.

Учет высших типов волн необходим для описания АБ. Многомодовая матрица рассеяния может быть получена после решения электродинамической задачи, как это сделано в работе [7]. Расчет высших типов волн в строгой постановке задачи выходит за пределы данной статьи, однако описанный алгоритм адаптируется к многомодовой матрице [S] любой сложности. Пределы ставят только затраты машинного времени.

Табл. 1. Матрицы рассеяния элемента внутренней структуры в диапазоне частот 300—1000 МГц

Элемент матрицы рассеяния

f, МГц

300 | 400

500

600

700

800

900

1000

g

0,500016 178,9°

0,500028 178,6°

0,500043 178,2°

0,500062 177,8°

0,500085 177.5°

0,500112 177,1°

0,50014 176,8°

0,500173 176.4°

a

0,499989 -0,72°

0,499981 -0,96°

0,499973 -1,2°

0,499957

—1,45°

0,499942 —1,63°

0,499924 —1.93°

0,499904

-2,17°

0,499988 —2,41°

b

0,499997 —0,42°

0,499996 -0,56°

0,499993 -0,70°

0,499990 —0,84°

0,499987 —0,98°

0,499983 —1.12°

0.499978

-1,27°

0,499973

-1,41°

Примечание. Положение g , a , b в матрице рассеяния соответствует табл. 2.

5. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ SYNTES ДЛЯ МАШИННОГО СИНТЕЗА ТРАНЗИСТОРНОГО СВЧ-УСИЛИТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА АБ

Программа, написанная на языке Фортран для ЕС-1033, в 1200 операторов занимает в памяти машины 100 Кбайт. Время синтеза согласующей топологии в соответствии с примером, приведенным ниже, — 10 мин.

Блок-схема программы SYNTES, приведенная на рис. 4, состоит из следующих блоков: управляющая подпрограмма MAIN, поисковая подпрограм ма POISK, подпрограмма формирования структуры 5ТКАК, подпрограмма вычисления [S] ТАКТ, подпрограмма вычисления целевой функции F1, библиотека матриц рассеяния АБ В1В1-, датчик случайных чисел RAND.

Рис. 4. Блок-схема программы SYNTES

Рассмотрим назначение отдельных подпрограмм.

МАIN — управляющая подпрограмма, В нее вводятся исходные данные: тип применяемых транзисторов; размеры и диэлектрическая проницаемость платы; структура запретных зон, на которых будут располагаться цепи смещения, крепления, конденсаторы и т. п.; заданные технические условия на электрические характеристики проектируемого усилителя в полосе частот; исходные данные на поиск применяемый метод оптимизации, параметры поиска, критерий выхода из поиска; начальная топология согласующей структуры.

POISK осуществляет минимизацию целевой функции. Каждое вычисление, целевой функции происходит при измененной согласующей структуре, и задача подпрограммы POISK—так изменять структуру, чтобы целевая функция уменьшалась. Для экономии машинного времени эта процедура должна быть не просто перебором, а целенаправленным поиском. Особенность выбранной стратегии заключается в том, что при попадании в удачное направление заполнения структуры наращивание продолжается в этом же направлении, даже в криволинейном.

STRAK запоминает структуру после присоединения очередного АБ к текущей структуре и формирует все необходимые массивы для работы подпрограммы ТАКТ.

ТАКТ подпрограмма вычисления [S] всей структуры по (1). Расчет [S] сводится к составлению и решению уравнений, связывающих падающие и отраженные волны в сечениях объединяемых АБ, и исключению методом Гаусса волн, не являющихся входнымивыходными.

F1 — подпрограмма вычисления целевой функции. В программе SYNTES применена целевая функция в виде суммы среднеквадратичных отклонений требуемых характеристик от расчетных.

BIBL — библиотека матриц рассеяния пяти АБ, а также S-параметров транзисторов в полосе частот.

RAND — датчик случайных чисел.

В целом программа работает следующим образом. После ввода исходных данных в MAIN основную работу выполняет подпрограмма POISK. Она минимизирует целевую функцию, каждый раз вызывая подпрограмму F1, до выполнения критерия выхода из поиска, а затем распечатывается окончательная структура и характеристики усилителя в полосе частот.

Для примера приведем результаты синтеза однокаскадного усилителя на транзисторе КТ391А-2 в полосе частот 300—1 000 МГц. 5-параметры транзистора в этой полосе частот приведены в табл. 3. Параметры АБ для /г==1 мм, е=9,8 в той же полосе частот приведены в табл. 1.

В результате синтеза получена топология усилителя, представленная на рис. 1. Расчетные и

Таблица 2

Автономные блоки и их матрицы рассеяния на частоте 1 ГГц

 

 

Код

Название АБ

Расположе-
ние АБ

Соединение эквивалентного восьмиполюсника

Вид матрицы рассеяния

g

a

b

d

1

Элемент внутренней структуры

0,5001732 176,4°

0,4998814 — 2,408°

0,4999727 — 1,406°

 

2

Элемент, открытый с одной стороны

0,3334395

175,88°

0,6666545
-2,451°

0,6666258

- 1,95°

0.333497

176.88°

3

Канал, отрезок шлейфа

0,000554 —93,04°

0,999999 — 3,039°

   

4

Холостое окончание шлейфа

1,000000

- 7,59°

     

5

Уголок структуры

0,0049334 - 92,79

0,9999878 — 2,789°

   

кспериментальная зависимости его усиления от частоты приведены на рис. 5. Сравнение этих зависимостей показывает, что синтезированный методом АБ усилитель полностью реализует усилительные возможности транзистора. 

Таблица 3. Измеренные S-параметры транзистора КТ391А-2 (/к=5 мА, Uк.э= 5 В)

Параметр

f. МГц

300

400                | 500

600

700

800

900

1000

S 11

0,77 -36°

0,74 -48°

0,70

—54°

0,64

-56°

0,56

—58°

0,50 -65°

0,46 -76°

0,45 -91°

S 21

5,07 144°

4,90 137°

4.68 132°

4,27 124°

3,98 118°

3,67

112°

3,43 105°

3,24 99°

10S 12

0,58 68°

0,70 64°

0,76 60°

0,88

57°

0,94

56°

0,99

54°

1,04

51°

1,1

48°

S22

0,98

-22°

0,97
–-30°

0,94 -34°

037

—37°

0,84 —40°

0,84
– 44°

0,87

— 48°

0,84

–53°

Естественно, что описанный метод синтеза не позволяет построить усилитель с характеристиками, которые превосходят возможности транзистора. Например, широкополосность усилителя ограничивается реактивностями входных и выходных импедансов транзистора, и рассчитанная любым методом согласующая цепь или согласующая структура должна компенсировать эти реактивности в полосе частот. Но синтез, предложенный в данной работе, не ограничивает структуру согласующих цепей и дает возможность построить согласующие структуры на существенных неоднородностях и тем самым значительно уменьшить размеры усилителя при тех же характеристиках. В процессе эксплуатации программы SYNTES выявлены и другие преимущества предложенного метода проектирования: упрощение ввода и вывода топологии усилителя, расширение типов топологий по сравнению с обычными программами. Например. Синтезируются усилители, составленные из микрополосковых резонаторов произвольной формы, связанных многими транзисторами.

Рис.5. Рассчитанная методами теории цепей (1), методом АБ(2) и экспериментальная (3) зависимости усиления от частоты

6. ВЫВОДЫ

1. Показана возможность применения метода разбиения микрополосковой структуры на автономные блоки для машинного синтеза транзисторных СВЧ-усилителей.

2. Предложена модель для представления автономного блока микрополосковой платы.

3. Построен алгоритм и реализована программа машинного синтеза транзисторных СВЧ-усилителей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / Под ред. В. В. Никольского. М.:
Радио и связь, 1982. — 272 с.


2. Феоктистов В. Г. Система машинного моделирования сложных волноводных устройств.
Сборник научно-методических статей по электродинамике. М.: 1978, вып. 2, с. 120—145.

3. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ.М.: Связь, 1971 — 352 с.

4. Шварц Н. 3. Линейные транзисторные СВЧ усилители. .— М.: Советское радио, 1980. — 352 с.

5. Kompa G. S-Maxtrix Computation of Microstrip Discontinuities With a Planar Wave Guide Model.— АЕО, -1976, Band 30, Heft 2.

6. М а л о р а ц к и й Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Советское радио, 1972. — 230 с.

7. Нефедов Е. И., Ф и а л к о в с к и и й А. Т. Полосковые линии передачи. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Советское радио, 1980.—311 с.

8. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.— 532 с.

9.Сестрорецкий Б. В. RLC или Rt -аналоги электромагнитного пространства. В межвузовском сборнике научных трудов: Машинное проектирование устройств и систем СВЧ; М.: МИРЭА, 1977, вып. 1.

Статья поступила 6 июля 1982 г., после переработки — 17 ноября 1982 г.

 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июля 24, 2000