Теория, методы и алгоритмы автоматизированного синтеза СВЧ транзисторных усилителей на основе декомпозиционного подхода

• Автор: Бабак, Леонид Иванович
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 486 с. : 38 ил.

Список основных сокращений

АЦ - активная цепь

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

АЭ - активный элемент

ВЧ - высокие частоты

ГА - генетический алгоритм

ДЛФ - дробно-линейная функция

ДМС - декомпозиционный метод синтеза

ДОС - двухполюсник обратной связи

КД - корректирующий двухполюсник

КЦ - корректирующая цепь

МИС - монолитная интегральная схема
МФ - минимально-фазовая
МЦ - многополюсная цепь.
МШУ - малошумящий усилитель
ОС - обратная связь
ОДЗ - область допустимых значений
ППУ - полупроводниковое устройство
ПС - передача сигнала
РЭС - радиоэлектронная система
РЭУ - радиоэлектронное устройство
САПР - система автоматизированного проектирования
СВЧ - сверхвысокие частоты
СЦ - согласующая цепь
ТО - технический объект
УМ - усилитель мощности
УФР - условия физической реализуемости
ФЧХ - фазочастотная характеристика
ЦФ - целевая функция
ЧКЦ - четырехполюсная корректирующая цепь

Содержание
Введение
1 Способы построения и методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей
1.1 Способы построения и характеристики СВЧ транзисторных усилителей
1.2 Методы проектирования двухполюсных и реактивных четырехполюсных корректирующих цепей
1.3 Методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей
1.4 Методы автоматизированного структурного синтеза РЭУ и их применение к СВЧ полупроводниковым устройствам
1.5 Задачи параметрического и декомпозиционного синтеза сложных технических объектов
1.6 Задачи исследования
2 Структурный синтез СВЧ полупроводниковых устройств на основе декомпозиционного подхода
2.1 Решение задач параметрического и декомпозиционного синтеза технических объектов с использованием метода проекций
2.2 Задача синтеза активных СВЧ цепей
2.3 Декомпозиционный метод синтеза СВЧ активных цепей
Основные результаты исследования
3 Волновые модели СВЧ полупроводниковых устройств с корректирующими цепями
3.1 Метод определения шумовой волновой матрицы соединения двух многополюсников
3.2 Метод анализа СВЧ цепей с использованием топологической матрицы рассеяния
3.3 Программа символьного анализа СВЧ цепей на основе системы компьютерной алгебры
3.3.1 Символьный анализ СВЧ цепей в программных средах аналитических вычислений.
3.3.2 Программа символьного анализа линейных шумящих СВЧ цепей на основе использования топологической матрицы рассеяния
3.4 Аналитические модели СВЧ полупроводниковых устройств с корректирующими цепями
3.4.1. Параметры рассеяния и шумовые параметры 2р-полюсной цепи с одним КД
3.4.2 Параметры рассеяния и шумовые параметры (д+1)-полюсной цепи с одним КД
3.4.3 Различные формы представления волновых параметров цепи с одним КД
3.4.4 Математические модели СВЧ усилительных каскадов с одним КД
3.4.5 Параметры рассеяния 2/?-полгосных цепей с несколькими корректирующими двухполюсниками
3.4.6 Шумовые параметры 2р-полюсных цепей с несколькими корректирующими двухполюсниками
3.4.7 Параметры рассеяния и шумовые параметры (/Н-1)-полюсных цепей с несколькими корректирующими двухполюсниками
3.4.8 Параметры рассеяния и шумовые параметры ППУ с реактивными ЧКЦ
3.4.9 Параметры рассеяния и шумовые параметры ППУ с корректирующими двухполюсниками и реактивными ЧКЦ
3.4.10 Исследование свойств и структуры моделей ППУ с корректирующими двухполюсниками и реактивными ЧКЦ
3.5 Параметрическая идентификация моделей СВЧ полупроводниковых устройств с корректирующими цепями
3.5.1 Алгоритм параметрической идентификации математических моделей для параметров рассеяния ППУсКЦ
3.5.2 Алгоритм параметрической идентификации математической модели для коэффициента шума ППУсКЦ
Основные результаты исследования

4 Формирование ОДЗ параметров корректирующих цепей для СВЧ полупроводниковых устройств
4.1 Последовательность проектирования пассивных и активных СВЧ цепей
4.2 Построение допустимых областей иммитанса по требованиям к характеристикам КЦ и СЦ
4.3 Алгоритмы построения линий уровня характеристик ППУ и допустимых областей параметров КЦ на плоскости
4.4 Метод формирования ОДЗ параметров КЦ на основе построения проекций многомерной допустимой области
4.5 Итерационные алгоритмы поиска ОДЗ параметров корректирующих цепей ППУ.
4.5.1 Задача поиска ОДЗ для ППУ с двумя корректирующими цепями
4.5.2 Алгоритм построения полных ОДЗ на основе поиска множества допустимых точек на плоскости
Основные результаты исследования
5 Синтез корректирующих и согласующих цепей по областям допустимых значений иммитанса
5.1. Аппроксимационный подход к решению задачи синтеза корректирующих и согласующих цепей
5.2. Алгоритм решения задачи аппроксимации
5.2.1 Описание алгоритма
5.2.2 Пример: синтез выходной ЧКЦ усилителя мощности на биполярном СВЧ транзисторе
5.3. Предельные характеристики широкополосных пассивных и активных цепей
5.3.1. Предельные возможности пассивных цепей при воспроизведении входных характеристик
5.3.2 Численный метод решения задачи предельного согласования для произвольных нагрузок
5.3.3 Предельные характеристики широкополосных СВЧ усилителей с корректирующими и согласующими цепями
5.4. Визуальное проектирование корректирующих и согласующих цепей СВЧ полупроводниковых устройств
5.4.1. Основные принципы «визуального» проектирования
5.4.2. Процедура «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей
5.5. Автоматический синтез реактивных ЧКЦ на основе генетических алгоритмов
5.5.1 Общая схема алгоритма структурного синтеза реактивных ЧКЦ
5.5.2 Особенности реализации алгоритма структурного синтеза согласующих цепей
5.6 Синтез межкаскадных реактивных ЧКЦ по ОДЗ иммитанса на основе генетических
алгоритмов
Основные результаты исследования
6 Проектирование СВЧ транзисторных усилителей на основе декомпозиционного метода синтеза
6.1 Построение контурных диаграмм для усилительных каскадов с реактивными ЧКЦ на входе и выходе
6.2 Построение ОДЗ коэффициентов отражения источника сигнала и нагрузки
6.3 Методика «визуального» проектирования однокаскадных СВЧ усилителей с реактивными ЧКЦ на входе и выходе
6.3.1 Описание «визуальных» процедур проектирования СВЧ усилителей с реактивными ЧКЦ.
6.3.2 Пример: проектирование малошумящего СВЧ усилителя диапазона 3,4-4,2 ГГц на полевом транзисторе с затвором Шотки
6.3.3 Особенности проектирования СВЧ транзисторных усилителей мощности с реактивными ЧКЦ на основе декомпозиционного подхода
6.3.4 Проектирование многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными ЧКЦ
6.4 Построение контурных диаграмм для усилительных каскадов с корректирующими двухполюсниками
6.5 Графический анализ СВЧ устройств с корректирующими двухполюсниками на основе обобщенной круговой диаграммы
6.6 Методика «визуального» проектирования СВЧ усилительных каскадов с двухполюсными цепями коррекции и обратной связи

циента устойчивости к = const на плоскости передаточной проводимости Г]2 четырехполюсника ОС являются эллипсами. Однако в силу сделанных допущений формулы, выведенные в [ 123], являются приближенными.
Структурные схемы СВЧ усилительных каскадов, в которых одновременно применяются КД и ЧКЦ, представлены на рис. 1.2г, д. В качестве активного четырехполюсника (составного усилительного элемента) в каскаде на рис. 1.2г может использоваться, например, одна из схем включений АЭ с КД, изображенных на рис. 1.5, а ЧКЦ часто выполняются реактивными. В этом случае КД корректирует («исправляет) в нужную сторону характеристики усилительного элемента, образованного соединением АЭ и КД, а реактивные ЧКЦ могут выполнять функцию согласования каскада с трактом.
Использование в усилительном каскаде с реактивными ЧКЦ двухполюсных корректирующих (компенсирующих) цепей и цепей ОС (рис. 1.2г, д) обеспечивает большую гибкость при проектировании и позволяет полнее реализовать потенциальные возможности АЭ. В частности, включение диссипативного КД последовательно или параллельно в цепь передачи сигнала (рис. 1.5а-г) разрешает (аналогично диссипативной ЧКЦ) улучшить согласование и повысить устойчивость каскада на условно устойчивом АЭ, однако при этом снижается усиление. Предельный коэффициент усиления такого каскада определяется формулой (Б.29): Gmax = Gms i
Напротив, применение цепи ОС в каскаде с реактивными ЧКЦ (например, рис. 1.5д, е) позволяет получить выигрыш в коэффициенте усиления [ 111]. Физически это объясняется возможностью реализации положительной ОС путем передачи части мощности выходного сигнала во входную цепь усилителя, причем, в такой мере, что каскад все еще будет оставаться безусловно устойчивым.
Исследованию усилительных свойств усилителей с ОС посвящены работы [ 96, 142, 145, 133, 321, 330, 460]. В [ 96] показано, что применение реактивной цепи ОС совместно с реактивными СЦ позволяет построить нейтрализованный усилитель с коэффициентом усиления, равным значению U-функции: G = U. При этом одновременно обеспечиваются безусловная устойчивость и согласование на входе и выходе усилителя.
Между тем, как свидетельствуют расчеты, величина (/-функции для взятого отдельно транзистора практически всегда превышает приведенные выше значения коэффициента усиления Gmax, реализуемые в схемах с реактивными ЧКЦ и с КД в канале передачи сигнала. Тем самым доказывается преимущество усилителей с ОС в величине достижимого устойчивого коэффициента усиления. Работы [ 133, 321, 460] посвящены экспериментальному подтверждению возможности построения в