УДК 621.372.001.24

С.В. Акимов

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МНОЖЕСТВА ЛИНЕЙНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ

(оригинал: Акимов С.В. Морфологический анализ множества линейных транзисторных усилителей СВЧ // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2001. № 166. С. 84-89.)

Введение

Задачи оптимального синтеза электрических цепей можно разделить на две группы: при заданной структуре необходимо определить параметры элементов таким образом, чтобы устройство было оптимальным по какому либо критерию (критериям) и необходимо удовлетворить заданным ограничениям на характеристики с минимальными затратами (минимальное число элементов, минимальная стоимость и т. п.). Первая группа задач относится к задачам параметрического синтеза, решаемых методами параметрической оптимизации, вторая – к задачам структурно-параметрического синтеза. Если первая группа задач изучена достаточно хорошо, то задачи второй группы решены лишь для некоторых классов относительно простых цепей, в основном пассивных. Что касается транзисторных усилителей (ТУ) СВЧ, то хотя на сегодняшний день существует множество различных методик синтеза, они либо сводятся к параметрическому синтезу, либо решают задачу структурного синтеза, какого-то одного вида структур. Следовательно, необходимо создать наиболее общую методику синтеза ТУ СВЧ, которая была бы более гибкой и позволяла бы проводить синтез усилителя, имеющего практически любую структуру.

Для решения задачи структурно-параметрического синтеза произвольных цепей необходимо воспользоваться методами морфологического синтеза [1 – 4], которые применяются в различных областях техники, например, при проектировании стержневых конструкций и фундаментов, но довольно редко используются при синтезе электрических цепей. Решение задачи морфологического синтеза состоит из двух этапов – морфологического анализа (МА) и собственно морфологического синтеза.

1. Постановка задачи морфологического анализа ТУ СВЧ

МА транзисторных усилителей (ТУ) СВЧ является первым этапом в создании методики автоматизированного структурно-параметрического синтеза. Его результатом должно стать нахождение морфологического множества (ММ), представленного в виде многоуровневых морфологических таблиц или морфологических «и/или» деревьев, на котором будет проводиться поиск рациональных технических решений (ТР). ММ должно содержать очень большое (необозримое) число структур, среди которых будут находиться как известные, так и новые рациональные патентоспособные структуры усилителей, обладающих необходимыми свойствами (линейная характеристика ГВЗ, избирательность и т. п.).

2. БУС и ФЭ.

Для того чтобы с единых позиций синтезировать различные классы ТУ СВЧ, вводятся понятия базовой усилительной структуры (БУС) и функционального элемента (ФЭ) [5]. Базовые усилительные структуры (БУС) – это шаблоны усилителей, полученные в результате анализа большого числа известных линейных ТУ СВЧ. Множество БУС состоит из каскадной, балансной, структуры с распределенным усилением (БУС РУ), а также структур с параллельным и последовательным сложением мощности. Они состоят из ФЭ: усилительный четырехполюсник (УЧ), цепь связи (ЦС), направленный ответвитель (НО), делитель мощности (ДМ) и сумматор мощности (СМ). В качестве ФЭ (УЧ) могут выступать БУС, и таким образом можно получать составные усилительные структуры. Такую своеобразную рекурсию можно представить в виде рекурсивных морфологических и/или деревьев, т. е. таких деревьев, у которых к висячим вершинам могут «подключается» такие же деревья. Автору неизвестно описание рекурсивных морфологических и/или деревьев. Такая рекурсия теоретически позволяет исследовать структуры любой степени вложенности. Кроме того, она полностью соответствует принципу многократного использования программного кода.

3. Морфологические и/или деревья

На морфологическом и/или дереве (а точнее – прадереве, которое является частным случаем деревьев) БУС (рис. 1) белым кружком обозначена вершина или, черным – и. Вершина или означает выбор одного варианта (одного ребра дерева), вершина и – последовательную обработку всех ребер выходящих из данной вершины.

Рис. 1. Морфологическое дерево БУС

Каскадная БУС – усилительная структура, в которой каскадно включены два вида чередующихся ФЭ – УЧ и ЦС. Число УЧ, входящих в обычную (полную) каскадную БУС, соответствует числу каскадов. Число ЦС на единицу больше числа УЧ. Следовательно, общее число ФЭ, из которых состоит данная БУС, равно удвоенному числу УЧ плюс единица. Помимо полной каскадной БУС, введем еще три варианта усеченных каскадных БУС, у которых отсутствует входная, выходная или входная и выходная ЦС. Назовем их, соответственно, каскадными БУС типа 01, 10 и 00. Тип полной каскадной БУС будет 11. Усеченные типы БУС необходимы для представления различных модификаций БУС РУ. Также они могут использоваться при реализации древовидного и лабиринтного методов конструирования. Каскадная БУС является составной частью всех других БУС. Это придает особую значимость подробному изучению данного типа БУС.

Балансная БУС состоит из двух идентичных УЧ, включенных в плечи двух идентичных же НО, поэтому и на диаграмме они изображены по одному экземпляру. В качестве УЧ в балансной БУС выступают каскадные БУС. В данном случае каскадные БУС выполняют роль одиночных усилителей входящих в состав балансного усилителя.

БУС РУ состоит из n идентичных УЧ, включенных по схеме бегущей волны. В качестве УЧ в БУС РУ выступают каскадные БУС (полные либо усеченные). Входная и выходная линии образованы из n+1 ЦС каждая, таким образом, в БУС РУ присутствует 2n+2 ЦС.

Базовая усилительная структура с параллельным сложением мощности состоит из n идентичных УЧ, включенных между делителем и сумматором мощности. В качестве УЧ применяются каскадные БУС.

Базовая усилительная структура с последовательным сложением мощности состоит из n идентичных УЧ, включенных в плечи 2n-2 НО по схеме бегущей волны. В качестве УЧ применяются каскадные БУС.

Усилительный 4-полюсник (УЧ) (рис. 2) – главный функциональный элемент, предназначенный для усиления электромагнитных колебаний. УЧ может быть представлен либо в виде функционального элемента (ФЭ) либо в виде базовой усилительной структуры (БУС). Так как БУС были рассмотрены выше, то рассмотрим только первый случай – ФЭ УЧ. Он состоит из активного элемента (АЭ) и двух корректирующих цепей (КЦ): КЦ входа и КЦ выхода, причем КЦ могут, как присутствовать, так и отсутствовать. АЭ представляет собой транзистор с цепями обратных связей (ОС) и цепями А и В, которые могут быть как двухполюсными, так и четырехполюсными. В общем случае может присутствовать четыре вида цепей ОС: параллельная, последовательная, параллельно-последовательная и последовательно-параллельная цепи. Более того, вместо транзистора может быть любой четырехполюсник, например составной транзистор или даже БУС.

Рис. 2. Морфологическое дерево ФЭ УЧ

Цепь связи (ЦС) (рис. 3) – функциональный четырехполюсный элемент, предназначенный для передачи энергии сигнала между другими функциональными элементами, а также для обеспечения режима согласования по определенному критерию. Понятие цепь связи шире понятия согласующая цепь, и включает в себя понятие последней. Согласующая цепь (СЦ) предназначена для обеспечения режима согласования между ФЭ. Цепь связи помимо этого может выполнять функции коррекции АЧХ и ФЧХ, обеспечивать необходимое время задержки сигнала или просто передавать энергию сигнала (являться длинной линией).

Рис. 3. Морфологическое дерево ЦС

Одним из наиболее часто применяемых типов ЦС является лестничная цепь (рис. 4). Лестничная цепь, прежде всего, характеризуется порядком. Далее вводятся четыре типа топологий – ТТ (начинается и заканчивается последовательно включенными двухполюсниками) и ПП (параллельными) для нечетных порядков и ТП (начинается последовательным и заканчивается параллельным) и ПТ (начинается параллельным, заканчивается последовательным) – для четных. Лестничная цепь может являться фильтром нижних частот (ФНЧ), фильтром верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающим (ППФ) и полосно-заграждающим (ПЗФ) фильтрами. Фильтры в свою очередь могут быть обычными или эллиптическими. Кроме того, в качестве согласующих цепей часто используются нерезонансные ППФ. На базе лестничной цепи может быть также выполнен амплитудный корректор. Аналогично строится морфологическое дерево для шлейфных структур. Также строятся морфологические деревья для НО, делителей и сумматоров мощности, но из-за ограниченного объема статьи здесь не приводятся.

Рис. 4. Морфологическое дерево лестничной цепи

Выводы

Из рисунков видно, что общее морфологическое дерево, описывающего различные классы ТУ СВЧ имеет достаточно сложную структуру, поддается декомпозиции. Кроме того, из морфологического анализа видно, что в случае ТУ СВЧ получаются рекурсивные морфологические деревья, что значительно сокращает объем программного кода при реализации САПР. В дальнейшем, по такому же принципу может быть проведен МА других активных цепей СВЧ и СВЧ модулей.

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.
5. Акимов С.В. Общая методология синтеза различных классов линейных транзисторных усилителей СВЧ // Юбилейная НТК / СПбГУТ. – СПб, 2001. – С. 108.