Введение к работе
Актуальность работы. Как правило любая радиотехническая система содержит пассивные, или активные линейные устройства - линии передачи, " сумматоры, "малошумяшиё входные усилители и нелинейные устройства, такие как смесители, умножители частоты, усилители мощности, модуляторы и т.д. Общей тенденцией развития радиотехнических систем является их усложнение, расширение объема выполняемых ими функций, работа в широком диапазоне частот и амплитуд сигналов и помех, применение более сложных схемных решений или новых принципов построения схем, новых типов нелинейных приборов. Развитие технологий, появление мощных высокочастотных приборов, а также возрастающие требования к радиотехническим системам, необходимость освоения все более коротковолновых диапазонов длил волн СВЧ, привели к усложнению процесса проектирования и потребовало обязательного применения ЭВМ. Это и определило в последние годы тот огромный интерес научных коллективов и специалистов многих организаций и фирм как у нас в стране, так и за рубежом к вопросам разработки математического и программного обеспечения при проектировании и оптимизации радиосистем в высокочастотных диапазонах. Отметим, что для СВЧ устройств обычные принципы раздельного проектирования электрических схем и конструкций не применимы, так как электрические характеристики непосредственно определяются конструкторско-технологическими параметрами схемы устройства.
Большой вклад в вопросы разработки моделей, методов анализа и проектирования СВЧ пассивных и активных устройств, работающих в линейном режиме, внесли такие отечественные ученые как Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Малорацкий Л.Г., Черне Х.И., Сестрорсцкий Б.В., Хотуицев Ю.Л., Эткцн B.C., Гершензон Е.М., Шварц II.3., и другие, а также зарубежные ученые Дженсен Р., Гупта К., Миттра Р., Олинер А., Маггсй Д., Янг Л., Джонс Е., и др. Ими были заложены и развиты основы разработки и проектирования линейных СВЧ устройств, возрастающие требования к выходным параметрам которых предопределило разработку сложного математического обеспечения для ЭВМ.
В то же время ряд вопросов, связанных с построением оптимальных структур алгоритмов и программ, позволяющих уменьшить требуемый объем памяти ЭВМ и необходимое время решения задач, обеспечить оптимальпое проведение вычислительного эксперимента остался не исследованным. Эти проблемы, непосредственно связанные с задачами синтеза и оптимизации линейных систем, имеют большое значение при построении систем автоматического проектирования.
Вопросам разработки численных методов моделирования нелинейных цепей и радиотехнических устройств в последние годы уделяется повышенное внимание. Значите-
лен вклад в развитие этого направления отечественных ученых- Хотунцева Ю.Л., Гершен-зона Е.М., Богдановича Б.М., Моругина С.Л., Петрова Б.Е., Норенкова Й.П., Фомина Н.Н., Ланне А.А., Данилова Л.В., и других, а также зарубежных ученых- Вейнера Д., Гилмора Р., Нарайанана С, Хикса Р., Чуа Л., Эйприлла Т. и др.
Работа большинства нелинейных радиотехнических систем основана на использовании свойств и явлений, присущих только нелинейным цепям, где нелинейность прибора играет основную роль в процессе преобразования спектров полезных сигналов. В тоже время эти устройства работают в присутствии большого числа мешающих воздействий (к таким воздействиям относятся, например, собственные шумы полупроводниковых приборов), и нелинейность их каскадов уже играет отрицательную роль, приводя к возникновению многочисленных интермодуляционных и перекрестных помех, существенно влияющих на работоспособность системы.
В процессе проектирования нелинейных радиотехнических систем возникает необходимость расчета очень большого количества разнообразных параметров и характеристик одних и тех же устройств в различных условиях их применения и режимах работы. Для моделирования может использоваться как временная, так и частотная область. Однако применимость существующих до последнего времени методов к анализу нелинейных систем ограничивалась узкими классами устройств и пренебрежением существенными нелинейными эффектами. Одновременно интенсивные исследования в области разработки численных методов анализа нелинейных устройств привели к появлению очень большого числа частных методик (особенно в частотной области), использующих свои приемы решений. Поэтому возникает задача выработки единого универсального и эффективного подхода моделирования работы нелинейных систем.
Специфика проектирования, методов анализа и моделей линейных и нелинейных радиотехнических систем, отражающихся, в частности, в организации математического и программного обеспечения для получения оптимальных выходных параметров устройств с учетом тонких физических явлений активных приборов, выделяет эти задачи в самостоятельную научную проблему, имеющую важное научное и народнохозяйственное значение и требующую решения. Эта проблема может быть сформулирована как задача оптимизации линейных и нелинейных СВЧ систем.
Цель работы и задачи исследований. Целью диссертации является дальнейшее развитие методической, алгоритмической и программной базы для моделирования, исследования и оптимизации с помощью ЭВМ пассивных линейных и нелинейных радиотехнических устройств СВЧ диапазона.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
1. Теоретическое обобщение методов и алгоритмов исследования линейных радиотехнических цепей в спектральной области и формализация процедур моделирования с помощью ЭВМ. - 2. Развитие критериев оптимизации линейных радиотехнических цепей, обеспечивающих - - - - -эффективное использование ЭВМ.
-
Разработка с помощью полученных критериев методик исследования моделей линейных систем - пассивных радиотехнических устройств СВЧ на элементах с сосредоточенными и распределенными параметрами, заданных в виде эквивалентных схем, наиболее полно отражающих их функциональное назначение.
-
Теоретическое обобщение методов и алгоритмов анализа и моделирования нелинейных радиотехнических устройств во временной и спектральной области путем нахождения решений дпфферсіщпальпьгх уравнений или перехода к лилейным системам с переменными параметрами.
-
Исследование, выбор и развитие моделей активных компонентов и схем нелинейных радиотехнических систем для задач анализа временным и спектральным методом.
-
Разработка методов и алгоритмов анализа нелинейных радиотехнических систем в различных режимах работы.
Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в диссертации состоят в следующем:
-
Систематизированы процедуры синтеза и оптимизации линейных трансформирутоще-согласующих цепей. Разработаны алгоритмы на основе программы минимизации целевой функции методом Розенброка, эффективным при оптимизации овражных функций, имеющих место при исследовании СВЧ устройств.
-
Разработан алгоритм, позволяющий оптимизировать выходные параметры линейных устройств СВЧ на основе критерия запаса работоспособности, который зависит от функций чувствительности входных параметров к возмущающим воздействиям и определяет длигелыюстъ выполнения системой заданных выходных характеристик с определенной степенью вероятности безотказной работы.
-
С целью оптимизации вычислительных процедур предложены новый метод оценки быстродействия алторігтмов и программ, базирующийся па приложении метода парциальных функций к анализу профилей исполнения программ, а также программа обработки данных полнофакторного эксперимента.
-
Разработаны машинный метод и алгори чмы оптимизации линейных радиотехнических систем СВЧ на элементах с распределенными постоятгыми (одноступенчатых и многоступенчатых волноводных трансформаторов и фильтров верхних частот на околопре-
дельном волноводе) при различных критериях минимизации целевой функции. Наилучшие результаты оптимизации выходных характеристик обеспечиваются при оптимизации с помощью модифицированного критерия запаса работоспособности.
-
Дан анализ частотных характеристик многоканальных делителей мощности на элементах с сосредоточенными постоянными и рассмотрены способы увеличения их широко-полосности.
-
На основе метода Монте-Карло разработан алгоритм машинного анализа основных характеристик распределения волнового сопротивления линии передачи на микрополос-ковых линиях в зависимости от случайных распределений ее параметров (диэлектрической проницаемости, толщины подложек, технологических разбросов).
-
Обобщены алгоритмы исследования параметров и режимов работы нелинейных радиотехнических систем в спектральной области па основе перехода к их моделям-системам с периодически меняющимися дифференциальными параметрами.
-
Разработан алгоритм анализа флуктуационных характеристик нелинейной системы.
-
Предложена методика анализа нелинейной системы при воздействии на нее гармонических модулированных сигналов.
Практическая ценность, полученных в диссертации результатов, состоит в их применении для научных приложений и прикладных задач. В научном плане разработанные методики и алгоритмы могут быть основой для развития математического и программного обеспечения систем автоматического проектирования линейных и нелинейных СВЧ устройств.
Прикладная значимость работы связана с созданием инженерных методик, позволяющих решать задачи расчета, анализа и оптимизации параметров и характеристик широкого класса линейных и нелинейных радиотехнических устройств. В результате решения этих задач обеспечивается улучшение и оптимизация технических характеристик, сокращение сроков проектирования устройств, экономия трудовых и материальных ресурсов.
Реализация и внедрение результатов работы.
Разработанные автором алгоритмы и программы внедрены в РТИ АН СССР в пакете программ ПОЛЮС-1, предназначенном для автоматизации схемотехнического проектирования линейных гибридно-интегральных схем а также для анализа и оптимизации устройств СВЧ. Результаты работ автора вошли в отчеты РТИ АН СССР № 1719, 11225/204,11526/204.
На защиту выносятся следующие основные научные и практические результаты:
!. Эффективная методика синтеза я оптимизации линейных систем на основе метода Ро-
зенброка! - - ___
-
Алгоритм оптимизации немодных параметров радиотехнических систем на основе критерия работоспособности.
-
Оптимизация вычислительных процедур алгоритмов с точки зрения увеличения irx быстродействия и уменьшения требуемого объема памяти ЭВМ.
-
Алгоритм и результаты оптимизации неоднородных волповодньтх трансформаторов и волноводных фильтров высокой частоты.
-
Методика ошнмнзации выходных характеристик многоканальных делителей мощности.
-
Алгоритм и результаты анализа чувствительности микрополоскового тракта.
-
Обобщенная методика и алгоритмы исследования параметров нелинейных систем в спектральной области при действии слабых сигналов.
-
Метод моделирования и результаты анализа флуктуациопньгх характеристик варактор-ного умножителя частоты.
-
Метод моделирования и результаты анализа воздействий на варакторный умножитель частоты модулированных сигналов.
Публикации по работе и ее апробация. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа в центральных научно-технических изданиях (журналы "Радиотехника1', "Радиотехника и электроника", сборники научных трудов РТИ им. А.Л.Миица АН СССР.) Отдельные научные результаты, пошедшие в диссертационную работу, докладывались на семинарах и конференциях:
"2 Всесоюзная школа-семинар по радиоприемным устройствам СВЧ" Ереван 1974 г.; ''Автоматизация проектирования элементов СВЧ диапазона в гибридно-интегральном исполнении" Москва, 1975 г.;
"Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню Радио" Москва, НТОРЭС им.А.С.Попова,1978 г.;
"7-я конференция молодых спепнхтистов " РТИ АН СССР 1980 г.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации ""страниц, в том числе страниц основного текста, 10 страниц списка литературы (95 наименований), С1 страниц - рисунки, графики, 2> страниц - приложение.
