УДК 621.372.001.24

С.В. Акимов

ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ СИНТЕЗА РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ

(оригинал: Акимов С.В. Общая методология синтеза различных классов транзисторных усилителей СВЧ // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2001. № 166. С. 79-83.)

На данный момент существует множество различных методик синтеза транзисторных усилителей (ТУ) СВЧ. Но с помощью большинства из них можно синтезировать только отдельные классы усилителей. Более того, в большинстве случаев, они либо сводятся к параметрическому синтезу, либо решают задачу структурного синтеза, какого-то одного вида структур. По существу, они часто сводят задачу синтеза усилителя либо к синтезу его отдельных узлов – согласующих и корректирующих цепей, либо ограничиваются параметрическим синтезом при заданной структуре. Одной из причин такого положения является отсутствие общей методологии синтеза ТУ СВЧ. Следовательно, необходимо создать наиболее общую методику синтеза МШТУ СВЧ, которая была бы более гибкой и позволяла бы проводить синтез усилителя, имеющего практически любую структуру. Кроме того, желательно, что бы эта методика была именно методикой синтеза усилителя, усилителя как целого, как системы, и не сводилась бы к простой сумме процедур синтеза его отдельных узлов. Все это можно осуществить, только применяя общую методологию синтеза ТУ СВЧ, основывающуюся на идеях системного подхода.

Для того чтобы с единых позиций синтезировать различные классы ТУ СВЧ, вводятся понятия базовой усилительной структуры (БУС) и функционального элемента (ФЭ). Множество БУС состоит из каскадной, балансной, структуры с распределенным усилением, а также структур с параллельным и последовательным сложением мощностей (рис.1). При создании программ автоматизированного синтеза такие структуры удобно представить в виде связанных списков, которые поддерживаются во многих языках программирования, например в LISP и C++. Чтобы синтезировать составные усилительные структуры необходимо: выражать характеристики составного усилителя через характеристики БУС, которые в свою очередь, также могут быть составными; синтезировать БУС; выражать характеристики БУС через характеристики ФЭ, составляющих БУС; синтезировать ФЭ.

Рис. 1. Базовые усилительные структуры: а – макромодель усилителя;
б, в, г, д, е – каскадная, балансная, УРУ, с параллельным
и последовательным сложением мощностей

Введение понятий БУС и ФЭ позволяет использовать относительные уровни иерархии. При абсолютной системе отсчета при исследовании СВЧ устройств и СВЧ модулей можно ввести четыре иерархических уровня. Первый уровень включает элементную базу, на основе которой создается усилитель: отрезки линий передачи, индуктивности, емкости, резисторы, диоды, транзисторы (в качестве элементов). Второй уровень состоит из функционально завершенных узлов: активных элементов (усилительных четырехполюсников), согласующих цепей (цепей связи), амплитудных и фазовых корректоров, фильтров, направленных ответвителей, цепей питания и смещения. Третий уровень представляет собой непосредственно усилитель. Первые два уровня являются общими для всех СВЧ устройств. К устройствам третьего уровня, помимо усилителей относятся также смесители, гетеродины, умножители и делители частоты, а также различные управляющие устройства. СВЧ модуль представляет собой устройство четвертого уровня. Иерархический уровень элемента определяется его положением в системе. Так, транзистор может быть элементом второго уровня, если он является активным элементом (усилительным 4-полюсником), и элементом первого уровня, если, например, он входит в состав активного элемента (например, в каскодных схемах). Что касается балансного усилителя, то он является устройством третьего уровня (хотя формально – четвертого), а одиночные усилители, входящие в его состав, будут элементами второго уровня, так как в данном случае они являются функционально завершенными узлами, такими же, как и направленные ответвители. Как видно, при абсолютных иерархических уровнях формальные иерархические уровни могут не совпадать с уровнями, определяемыми положением элемента в системе. При относительных иерархических уровнях такой проблемы не существует. Например, в балансном усилителе одиночные усилители выступают в качестве ФЭ, хотя, в свою очередь они сами являются БУС. Следовательно, можно получить практически любые комбинации, используя вложенные БУС. При этом вместо значений абсолютных иерархических уровней можно использовать степени вложенности.

Данная методология позволяет использовать арсенал методов морфологического синтеза (древовидного и лабиринтного конструирования, совершенствования прототипа и т. д.) [1-3], который гармонично сочетается с параметрическим синтезом, допускает использование моделей различной степени точности: от структурных и принципиальных схем до многомодовых электродинамических моделей.

Различные классы ТУ СВЧ являются активными квазилинейными 4-полюсниками и описываются одинаковыми характеристиками (коэффициент усиления, коэффициент шума, КСВ входа и выхода, динамический диапазон и т. д.), поэтому при их синтезе можно использовать одни и те же целевые функции. Более того, эти целевые функции легко модифицировать для синтеза ФЭ, что еще раз доказывает целесообразность синтеза различных классов усилителей с единых позиций.

При выборе методов оптимизации необходимо рассмотреть как методы решения задач однокритериальной оптимизации с ограничениями, так и многокритериальной оптимизации. Последние особенно актуальны при исследовательском проектировании, поскольку позволяют исследовать характеристики усилителя при различных весовых коэффициентах, а также при синтезе ФЭ. Кроме того, информацию, полученную в результате решения задачи многокритериальной оптимизации, можно в дальнейшем использовать для обоснованного выбора ограничений.

При синтезе ТУ СВЧ весьма перспективным представляется модифицированный метод лабиринтного конструирования. В отличие от классического варианта в модифицированном методе на каждом шаге проводится параметрическая оптимизация полученной структуры, которая может быть дополнена структурной оптимизацией, например, методом совершенствования прототипа. В качестве примера рассмотрена стратегия синтеза усилителя на основе каскадной БУС (рис.2). Сначала синтезируется первый УЧ. Он (как и другие УЧ) может представлять собой как транзистор, содержащий различные корректирующие цепи, так и сколь угодно сложную БУС. Затем синтезируется входная ЦС и проводится оптимизация полученной структуры. Далее синтезируется второй УЧ. После этого проводится синтез ЦС между первым и вторым УЧ и проводится оптимизация полученной структуры. Этот процесс продолжается до получения окончательной усилительной структуры, которая будет удовлетворять техническому заданию. В процессе синтеза может оказаться, что полученная на ранних этапах структура не позволит удовлетворить ТЗ при дальнейшем наращивании или будет заведомо неоптимальной. В этом случае необходимо вернуться на несколько шагов назад и попытаться заново провести синтез. Для этого программа должна обладать механизмом возврата.

Рис. 2. Стратегия синтеза ТУ СВЧ на примере каскадной структуры:
1, 3 – синтез УЧ, 2, 4, 5 – синтез ЦС

Данная методология позволяет с единых позиций проводить синтез различных классов ТУ СВЧ, значит, она способствует процессу интеграции в области синтеза СВЧ устройств. С другой стороны, она позволяет сосредоточиться на задаче синтеза усилителя, разграничить задачи синтеза усилителя и синтеза его ФЭ, что имеет большое методологическое и методическое значение. В дальнейшем эта методология может быть обобщена на другие СВЧ устройства и СВЧ модули.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизация поискового конструирования / Под ред. А.И. Половинкина. – М.: Радио и связь, 1981.
2. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: постановка задачи, классификация методов, морфологические методы “конструирования”. – Киев, 1986. – 35с. (Препринт / ИК АН УССР р 86-3).
3. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: морфологические методы поиска. – Киев, 1986. – 35с. (Препринт/ИК АН УССР р 86-5).
4. Алексеев А.В., Борисов А.Н. и др. Интеллектуальные системы принятия проектных решений. – Рига: Зинатне, 1997.