Разработка МШУ диапазона 1-2 ГГц с использованием программы структурного синтеза СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 375. 4
И. М. Добуш, А. А. Калентьев, Д. А. Жабин, Д. С. Гарайс, Л.И. Бабак
Разработка МШУ диапазона 1−2 ГГц с использованием программы структурного синтеза СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма
Описывается процесс разработки одно- и двухкаскадного малошумящих усилителей (МШУ) диапазона частот 1−2 ГГц, выполненных по технологии печатного монтажа, с помощью программы структурно-параметрического синтеза СВЧ-транзисторных усилителей (ТУ) «Ge-neamp» на основе генетического алгоритма. Реализованный в Geneamp подход, в отличие от существующих, позволяет синтезировать СВЧ ТУ с использованием наборов-параметров пассивных элементов, что дает возможность разработчику получать реализуемые схемотехнические решения с учетом реальных характеристики электронных компонентов выбранного производителя. Проведено сравнение результатов моделирования МШУ с измерениями. Ключевые слова: СВЧ-транзисторный усилитель, МШУ, структурно-параметрический синтез, генетический алгоритм, наборы-параметров, SMD-компонент.
Для решения задач синтеза (генерации) принципиальных схем линейных и малошумящих СВЧ-транзисторных усилителей (ТУ) по заданным требованиям к характеристикам в Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС) ТУСУРа были разработаны подход и программа структурно-параметрического синтеза «Geneamp», основанные на генетическом алгоритме (ГА) [1, 2].
Развитие подхода к автоматизированному проектированию ТУ на основе ГА, с точки зрения использования моделей пассивных элементов в процессе синтеза, можно условно разделить на три этапа [1−5]:
1) Модели идеальных пассивных элементов [1, 2], в том числе идеальные емкости, индуктивности, сопротивления, линии передачи (ЛП) и др.
2) Параметрические модели пассивных элементов в виде эквивалентных схем (ЭС) [3, 4]. Данный вариант программы был преимущественно ориентирован на GaAs-, InP- и GaN-технологии изготовления СВЧ-монолитных ТУ и использовал модели пассивных монолитных элементов, в частности, полупроводниковых и тонкопленочных резисторов, МДМ-конденсаторов, квадратных и круглых спиральных катушек индуктивности, ЛП с потерями и др.
3) Модели пассивных элементов в виде наборов-параметров [5], такой подход имеет два главных преимущества. Во-первых, отсутствует необходимость в трудоемкой процедуре построения параметрических моделей в виде ЭС, так как измеренные-параметры пассивных элементов различных номиналов могут быть непосредственно применены в процессе синтеза. Во-вторых, открывается возможность синтеза не только монолитных усилителей, но и ВЧ/СВЧ ТУ, выполненных по технологии печатного монтажа с использованием SMD-компонентов (Surface Mounted Device — прибор для поверхностного монтажа). В последнем случае могут быть использованы измеренные 5-па-раметры резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предоставляемые большинством производителей электронной компонентной базы (ЭКБ) в стандартных форматах файлов *. s2p или *. mdif и соответствующие ряду типономиналов изготавливаемых в виде чипов компонентов.
Примеры синтеза СВЧ ТУ на основе идеальных и ЭС-моделей пассивных элементов представлены в работах [1−4]. Целью настоящей работы является демонстрация эффективности реализованного в программе Geneamp алгоритма, позволяющего осуществить структурный синтез СВЧ ТУ при использовании моделей пассивных элементов в виде наборов-параметров [5], на примере разработки одно- и двухкаскадного малошумящих усилителей (МШУ) диапазона 1−2 ГГц. Усилители выполнены в микрополосковом тракте на печатных платах (ПП) с использованием SMD-компонентов. Описаны основные этапы проектирования, проведено сравнение результатов измерений, разработанных МШУ с параметрами коммерческих отечественных и зарубежных аналогов.
Алгоритмы синтеза СВЧ ТУ на основе ГА, использующие идеальные и ЭС-модели пассивных элементов, исследованы и подробно описаны в [1−4]. Для реализации возможности синтеза ТУ
на SMD-компонентах алгоритм был модифицирован [5]. В частности, были внесены изменения в способ кодирования-декодирования хромосомы [1, 2], описывающей СВЧ ТУ. При этом в хромосоме кодируется в бинарном виде номер типономинала каждого пассивного элемента. После декодирования хромосомы из mdif-файла выбирается набор-параметров пассивного элемента, соответствующий выбранному номеру типономинала, он используется при расчете характеристик усилителя. Также была введена модель пассивного элемента в виде набора-параметров. В качестве моделей транзисторов используются наборы S- и шумовых параметров на фиксированных частотах.
Модифицированный алгоритм был включен в новую версию программы Geneamp [5], в качестве исходных данных при работе в программе пользователь задает: требования к комплексу характеристик усилителя в полосе частот Д/ (коэффициент усиления G, коэффициент шума NF, уровни согласования на входе |S11| и выходе |S22|, устойчивость к) — ограничения на структуру усилителя (число усилительных каскадов, использование или неиспользование входной, выходной и межкаскадных согласующих цепей (СЦ)) — ограничения на структуру каждого усилительного каскада (использование или неиспользование определенных включений цепей коррекции и обратной связи (ОС), типы и число элементов в каждой цепи) — ограничения на структуру каждой СЦ (число и способ включения ветвей, типы и число элементов в каждой ветви), кроме того, выбираются ряды типономиналов для каждого пассивного SMD-компонента и загружаются файлы, содержащие S- и шумовые параметры активных элементов (АЭ) для разных конструкций или рабочих точек.
В процессе синтеза программа, исходя из требований к характеристикам ТУ, автоматически генерирует его принципиальную схему и номиналы всех элементов, а также проводит вариацию и выбор АЭ. При этом ГА синтезирует несколько различных вариантов схем ТУ. Особенностью программы Geneamp является возможность полного контроля структуры и значений элементов синтезируемых усилителей, что позволяет получать практически реализуемые решения.
Автоматизированное проектирование МШУ диапазона 1−2 ГГц. В табл. 1 приведены требования, предъявляемые к характеристикам одно- и двухкаскадного усилителей. В качестве АЭ использовались малошумящие корпусированные GaAs-полевые транзисторы от следующих производителей: TriQuint, Avago Technologies, Mitsubishi Electric и Renesas Electronics. В качестве пассивных элементов применялись SMD-компоненты фирм Coilcraft и Panasonic.
«_, С использованием результатов из-
Таблица 1
Требования к характеристикам МШУ мерений, полученных ш спршючных
данных производителей активных и
пассивных элементов, для осуществления синтеза МШУ в диапазоне частот до 6 ГГц были сгенерированы наборы S- и шумовых параметров для АЭ в различных рабочих точках, а также наборы S-параметров пассивных элементов. Эти данные были загружены в программу Geneamp.
На структуру усилителей были наложены следующие ограничения: СЦ должны содержать элементы подачи напряжений питания и смещения на транзисторы, а также элементы развязки по постоянному току- в цепи истоков транзисторов разрешено использование индуктивной последовательной ОС- для уменьшения коэффициента шума параллельная ОС в усилительных каскадах не использовалась.
В результате 10 запусков процедуры синтеза для каждого из МШУ получены по 5 различных схем, удовлетворяющих требованиям. На рис. 1 показаны схемы и смоделированные частотные характеристики МШУ, имеющих наилучшие параметры и использующие pHEMT-транзисторы компании Avago Technologies.
На заключительном этапе были добавлены цепи питания, разработаны топологии тестовых ПП и выполнено с использованием программы „Microwave Office“ моделирование характеристик МШУ (рис. 2, в, г). Размеры П П МШУ: однокаскадный — 3525 мм2, двухкаскадный — 45*25 мм2.
После изготовления тестовых ПП и монтажа МШУ (рис. 2, а, б) были проведены измерения их СВЧ-характеристик (рис. 2, в, г). При напряжении питания 4 В ток потребления однокаскадного МШУ составляет 60 мА, двухкаскадного — 140 мА.
В табл. 2 и 3 сведены требования к основным параметрам одно- и двухкаскадного МШУ, а также данные моделирования и эксперимента. Как видно, результаты моделирования и эксперимента имеют хорошее совпадение.
Тип МШУ 4/ ГГц G, дБ NF, дБ |S"|, дБ |S22|, дБ к
Однокаскадный 1−2 13±0,7 & lt- 0,8 & lt- -10 & lt- -10 & gt- 1
Двухкаскадный 1−2 29±1 & lt- 0,8 & lt- -10 & lt- -10
C2» C3
г.
GT = 13 ± 0,5 дБ C NF = 0,7 дБ
|S"| & lt- -10,5 дБ 11 1 h |S22| & lt- -10,5 дБ ]Li k & gt- 1
TLii L^ II Д1
TLa L
C3
IH GT=29 ± 1 дБ NF = 0,8 дБ 3 |S"| & lt- -11 дБ |S22| & lt- -10 дБ k & gt- 1
а б
Рис. 1. Схемы МШУ, синтезированные в вепеатр: однокаскадный — а- двухкаскадный — б
l^nUfel, дБ G, дБ
10 35
30 25 20 15 10 5
|S"|, jSd, дБ
— Моделирование — Измерения


|Su|
2|
'-, V
V7 IyW
15 10 5 0 -5 -10 -15 -20
Рис.
-20 о
1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Частота, ГГц Частота, ГГц
в г
2. Фотографии экспериментальных образцов МШУ 1−2 ГГц, а также результаты их моделирования и измерений: однокаскадный — а, в- двухкаскадный — б, г
C2
2
б
Таблица 2
Параметры однокаскадного МШУ: требования, моделирование и эксперимент
Этапы разработки Af, ГГц G, дБ NF, дБ |S"|, дБ |S22|, дБ Кп//потр, В/мА Размеры платы, мм2
Требования 1−2 13±0,7 & lt-0,8 & lt--10 & lt--10 4/60 —
Моделирование 1−2 13±0,5 & lt-0,7 & lt--10,5 & lt--10,5 4/60 35×25
Эксперимент 1−2 13,6±0,3 & lt-0,9 & lt--13 & lt--10,2 4/60 35×25
Таблица 3
Параметры двухкаскадного МШУ: требования, моделирование и эксперимент
Этапы разработки А, ГГц G, дБ NF, дБ |Sn |, дБ |S22|, дБ Кп/Тпотр, В/мА Размеры корпуса, мм2
Требования 1−2 29±1 & lt-0,8 & lt--10 & lt--10 4/140 —
Моделирование 1−2 29±1 & lt-0,8 & lt--11 & lt--10 4/140 45×25
Эксперимент 1−2 28,7±0,5 & lt-0,85 & lt--9,6 & lt--9,1 4/140 45×25
В табл. 4 приведены характеристики существующих коммерческих аналогов созданных МШУ Как видно, с использованием программы структурно-параметрического синтеза СВЧ ТУ вепеатр на основе ГА разработаны МШУ диапазона 1−2 ГГц с параметрами на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов.
Таблица 4
Параметры прямых аналогов разработанных МШУ
Производитель (модель) f ГГц G, дБ NF, дБ i^n|, дБ S^i, дБ V /I В/мА Размеры 3 корпуса, мм
Miteq (AFD4−10 020−06) 1−2 44±1,25 0,6 -9,54 -9,54 15/175 39×19,3×2,87
Микран (10 020−02) 1−2 35 0,8 -9,54 -9,54 8. 15/- -
Mercury Systems (7216) 1−2 20±1 0,8 -9,54 -9,54 5/50 34,29×25,4×10,16
RFCOMP (HD30157) 1−2 35±4 1 -10,16 -8,52 12/180 31,75×31,75×14,29
Daico (DAML6274) 0,7−2,1 30 1,35 (1,5) -12,6 -12,6 5/350 50,8×17,78×10,16
Mini-Circ. (ZRL-2150) 0,95−2,15 25±1,8 1,5 (2,2) -17,69 -20,83 12/255 95,25×50,8×20,32
Mini-Circ. (ZEL-1217LN) 1,2−1,7 20±1 1,5 -7,36 -7,36 15/70 22,86×22,86×17,15
MWT (AN12201N) 1,2−1,8 28/31±0,5 1,7 — - 12/180 —
RFCOMP (HD24854) 0,95−2,15 55±1 2 -10,88 -10,88 12/475 41,3×19,3×8,43
Тантал (M42143) 1−2 25±1 2,5 -7,36 -7,36 -12/- 66×35×15,5
Исток (M421173−1) 1,4−1,7 20±0,75 2,5 -9,54 -9,54 9/30 бескорпусной
Тантал (M42143-I) 1−2 30±1 3 -7,36 -7,36 -12/- 66×35×15,5
Исток (AM 0918) 0,9−1,8 20±1 3 -9,54 -9,54 9/40 9×12 (плата)
Заключение. Предложенный и реализованный в программе Geneamp подход на основе ГА, в отличие от существующих подходов, позволяет синтезировать линейные СВЧ-транзисторные усилители с использованием наборов-параметров пассивных элементов. Это дает возможность разработчику получать реализуемые схемотехнические решения с учетом реальных характеристик ЭКБ выбранного производителя. Эффективность подхода продемонстрирована на примере разработки МШУ диапазона 1−2 ГГц с параметрами на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов.
Литература
1. Babak L.I. A new technique for synthesis of low noise amplifiers based on genetic algorithm and morphological approach / L.I. Babak, A.A. Kokolov, A.A. Kalentyev // 21th Int. Crimean Conf. @Micro-wave and Telecommunication Technology@ (CriMiCo'-2011). — 2011. — P. 228−229.
2. Babak L.I. A new genetic-algorithm-based technique for low noise amplifier synthesis / L.I. Babak, A.A. Kokolov, A.A. Kalentyev, D.V. Garays // 7-th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC). — 2012. — P. 381−384.
3. Калентьев А. А. Структурный синтез СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием параметрических моделей монолитных элементов / А. А. Калентьев, Д. В. Гарайс, Л. И. Бабак, А. А. Коколов, И. М. Добуш // Сб. трудов 22-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». — 2012. — Т. 1. — С. 131−132.
4. Калентьев А. А. Структурно-параметрический синтез СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием моделей монолитных элементов / А. А. Калентьев, Д. В. Гарайс, И. М. Добуш, Л. И. Бабак // Доклады ТУСУРа. — 2012. — № 2 (26). — С. 104−112.
5. Калентьев А. А. Структурный синтез СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с применением моделей пассивных элементов в виде наборов S-параметров / А. А. Калентьев, Д. А. Жабин, И. М. Добуш, Д. В. Гарайс, Л. И. Бабак // Сб. трудов 24-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». — 2014. — Т. 1. — С. 117−118.
Добуш Игорь Мирославович
Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Лаб. интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС) ТУСУРа Тел. (раб.): +7−913−827−52−91 Эл. почта: igadobush@gmail. com
Калентьев Алексей Анатольевич
Аспирант каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП),
мл. науч. сотрудник ЛИКС ТУСУРа
Тел. (раб.): +7−913−827−52−91
Эл. почта: alexey. kalentyev@gmail. com
Жабин Дмитрий Александрович
Аспирант каф. КСУП
Тел. (раб.): +7−913−827−52−91
Эл. почта: zhabin91g@gmail. com
Гарайс Дмитрий Викторович
Аспирант каф. КСУП
Тел. (раб.): +7−913−827−52−91
Эл. почта: dvgarays@gmail. com
Бабак Леонид Иванович
Д-р техн. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУРа, профессор каф. КСУП
Тел. (раб.): +7−913−827−52−91
Эл. почта: leonid. babak@rambler. ru
Dobush I.M., Kalentyev A.A., Zhabin D.A., Garays D.V., Babak L.I.
LNAs 1−2 GHz development using genetic algorithm based on software tool «Geneamp»
The design of 1−2 GHz single- and double-stage LNAs on PCB is demonstrated using the genetic-algorithm-based software tool Geneamp that provides the structural-parametric synthesis of microwave transistor amplifiers. The new approach, implemented in Geneamp, allows synthesis of the microwave transistor amplifiers using sets of S-parameters. The approach allows generating the schematics according to real performance of chosen manufacturer'-s components. The comparison of modeled and measured performances of LNAs is presented. Keywords: microwave transistor amplifier, LNA, structural and parametric synthesis, genetic algorithm, sets of S-parameters, SMD-component.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой