Фурманова Наталія Іванівна. Математичне та програмне забезпечення автоматизованого синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ

Короткий опис

Фурманова Наталія Іванівна. Математичне та програмне забезпечення автоматизованого синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ.- Дисертація канд. техн. наук: 05.13.12, Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Львів, 2015.- 247 с.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

ФУРМАНОВА НАТАЛІЯ ІВАНІВНА

УДК 004.962; 621.372.54
МАТЕМАТИЧНЕ ТА ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО СИНТЕЗУ ТОПОЛОГІЙ
МІКРОСМУЖКОВИХ ФІЛЬТРІВ НВЧ

Спеціальність: 05.13.12 – Системи автоматизації проектувальних робіт

ДИСЕРТАЦІЯ
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Науковий керівник:
Фарафонов Олексій Юрійович
кандидат технічних наук, доцент

Запоріжжя – 2015

ЗМІСТ:
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ……………………………………............ 6
ВСТУП………………………………………………………………….…………. 7
1 АНАЛІЗ МОЖЛИВОСТЕЙ СИНТЕЗУ ФІЛЬТРІВ З УРАХУВАННЯМ
МІКРОСМУЖКОВОЇ ТОПОЛОГІЇ............................................…………..…. 21
1.1 Проблема синтезу фільтрів НВЧ…………………………….………….. 21
1.2 Можливості сучасних САПР для синтезу мікросмужкових НВЧ
фільтрів………………………………………………………….………… 31
1.3 Методи розв’язку електродинамічних задач для мікросмужкових
структур…………………………...………………………………………. 43
1.3.1 Електродинамічний аналіз мікросмужкових пристроїв…………. 49
1.3.2 Квазістатичний аналіз мікросмужкових фільтрів………………... 53
1.4 Постановка задач дослідження………………………………………….. 60
2 ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ СИНТЕЗУ ТОПОЛОГІЙ
МІКРОСМУЖКОВИХ НВЧ ФІЛЬТРІВ……………………………………… 62
2.1 Класифікація фільтрів НВЧ та задача оптимального синтезу
фільтрів.……………………………………………..………………………… 62
2.2 Синтез поліноміальних фільтрів…………………….…………………... 65
2.3 Синтез фільтрів за амлітудно-частотною характеристикою…………... 68
2.3.1 Фільтри нижніх частот……………………………………………... 77
2.3.2 Фільтри верхніх частот…………………………………………….. 85
2.3.3 Смугопропускаючі фільтри………………………………………... 86
2.3.4 Смугозагороджуючі фільтри………………………………………. 103
2.4 Моделі та методи, що використовуються про синтезі топологій
мікросмужкових структур……………………………………………….. 108
2.4.1 Моделювання відкритого кінця МСЛ…………………………….. 119
2.4.2 Моделювання розриву лінії………………………………………... 119
2.4.3 Моделювання відрізку зв’язаних ліній…………………………… 120

2.4.4 Моделювання відрізку із стрибкоподібною зміною
ширини…………………………………...………………………….
121
2.4.5 Моделювання відрізку з плавною зміною ширини………………. 121
2.4.6 Моделювання розгалуження МСЛ…………………………........... 123
2.4.7 Моделювання повороту лінії на довільний кут…………………... 123
2.4.8 Моделювання отворів в екрануючому шарі……………………… 124
2.4.9 Моделювання отворів в МСЛ………………………………........... 124
2.4.10 Моделювання трикутних резонаторів…………………………… 125
2.5 Приклади моделювання мікросмужкових фільтрів……………………. 127
2.6 Метод проектування фільтрів на резонаторах шпилькового типу…... 138
2.7 Висновки…………………………………………………………….......... 140
3 РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИНТЕЗУ
ТОПОЛОГІЙ МІКРОСМУЖКОВИХ ФІЛЬТРІВ НВЧ НА ОСНОВІ
КВАЗІСТАТИЧНОГО АНАЛІЗУ…….…………………………….…………. 143
3.1 Використання генетичного алгоритму пошуку рішень для
розв’язку задачі оптимізації…………...………………………………... 143
3.2 Удосконалення методу пошуку рішень для розв’язку задачі
оптимізації з використанням генетичного алгоритму шляхом
попередньої кластеризації………………………………………………. 150
3.3 Виконання розпаралелювання обчислень під час синтезу
топологій мікросмужкових фільтрів……………………………………. 154
3.3.1 Розпаралелювання обчислень під час синтезу топологій
мікросмужкових фільтрів за допомогою квазістатичного
аналізу………………………………………………………………..

156
3.3.2 Розпаралелювання обчислень під час оптимізації з
використанням удосконаленого генетичного алгоритму…........... 158
3.4 Розроблені методи та методики проектування топологій
мікросмужкових фільтрів НВЧ…….....………………………….............
165

3.4.1 Врахування залежності хвильових опорів мікросмужкового
фільтра від товщини смужки……………………………………….. 166
3.4.2 Використання алгоритмів для проектування фільтрів на
резонаторах шпилькового типу…………………………………… 168
3.4.3 Метод проектування фільтрів на резонаторах трикутного
типу………………………………………………………………….. 170
3.4.4 Метод синтезу топологій фільтрів на основі відрізку
одиночної нерегулярної лінії……………………….……………… 174
3.4.5 Метод проектування фільтрів на основі фракталів………….…… 188
3.5 Висновки………………………………………………………………….. 191
4 ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ СИСТЕМИ ПРОЕКТУВАННЯ ТОПОЛОГІЇ
МІКРОСМУЖКОВИХ НВЧ ФІЛЬТРІВ……………………………………… 194
4.1 Вимоги до системи проектування топологій мікросмужкових НВЧ
фільтрів……………………………………………………………………. 194
4.2 Архітектура розробленої автоматизованої системи синтезу топологій
фільтрів НВЧ………………………...……………………………………. 196
4.3 Основні характеристики системи проектування топологій НВЧ
фільтрів…………………………………….…………………………….... 201
4.4 Проектування фільтрів у середовищі SynFil, приклади реалізації……. 202
4.5 Висновки…………………………………………………………….......... 207
ВИСНОВКИ………………….…………………………………………………… 210
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………….…………………………….. 216
Додаток А. Загальний алгоритм роботи системи синтезу топологій
мікросмужкових фільтрів НВЧ…………………………………………………. 239
Додаток Б. Блок-схема алгоритму синтезу ФНЧ в розробленій системі
синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ…………………………… 240
Додаток В. Блок-схема алгоритму синтезу ФВЧ в розробленій системі синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ……………………………..
241

Додаток Г – Блок-схема алгоритму синтезу СПФ в розробленій системі
синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ…………………………….. 242
Додаток Д – Блок-схема алгоритму синтезу СЗФ в розробленій системі
синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ…………………………….. 243
Додаток К – Акти впровадження результатів роботи………………………….. 245

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

АЧХ амплітудно-частотна характеристика
БЕ базовий елемент
ГА генетичний алгоритм
ГЧЗ груповий час затримки
ДЗС дефективна заземлююча структура
ДМС дефективна мікросмужкова структура
ЕМ Електромагнітний
ЕОМ електронно-обчислювальна машина
ІС інтегральна схема
НВЧ надвисокі частоти
НЛП нерегулярна лінія передачі
НЧ нижні частоти
РЕА радіоелектронна апаратура
САПР система автоматизованого проектування
СЗФ смугозагороджуючий фільтр
СОКК самоорганізаційна карта Кохонена
СПФ смугопропускаючий фільтр
ФВЧ фільтр верхніх частот
ФЗЗ фотонна заборонена зона
ФНЧ фільтр нижніх частот
ФЧХ фазочастотна характеристика
ЧСП частотно-селективний пристрій
ЧХ частотна характеристика

ВСТУП

Актуальність теми. Розвиток і мініатюризація елементної бази надвисокочастотної техніки вимагає істотного зменшення розмірів і частотно-селективних пристроїв (ЧСП). Одним із шляхів вирішення цієї актуальної задачі є заміна порожнистих хвилеводних структур на смужкові та мікросмужкові структури [1]. Області застосування мікросмужкових ліній передачі безперервно розширюються [2] завдяки не тільки істотно меншим габаритам і вазі пристроїв, але і технологічності, а також дешевизні і можливості виготовлення на підкладках цілих вузлів і модулів. Однак, мікросмужковим лініям передачі і пристроям на їх основі притаманні деякі недоліки в порівнянні з хвилеводами: в них суттєво більш високі погонні втрати; труднощі точного аналізу пристроїв; відкритий характер ліній не виключає можливість електромагнітних зв'язків між елементами схеми. Як відомо, частотно-селективні пристрої є найважливішими елементами техніки зв'язку та радіолокації [3]. Нерідко від ЧСП залежать такі найважливіші параметри апаратури в цілому, як чутливість, завадостійкість, надійність, габарити, вага. Постійна тенденція до підвищення функціональної складності і ступеня інтеграції високочастотних пристроїв поставила перед дослідниками в цій області проблему розробки оптимальних конструкцій надвисокочастотних (НВЧ) фільтрів зі збереженням їх основних переваг: мініатюрності і надійності [4, 5]. Однак в зв'язку з особливостями поширення електромагнітних хвиль в мікросмужкових лініях виникають значні труднощі при аналізі конструкцій на їх основі і особливо, при проведенні синтезу пристроїв на мікросмужкових лініях.
Розробкою мікросмужкових фільтрів в різні роки займались вітчизняні та закордонні вчені В.В. Конін, В.В. Тюрнєв, Л.М. Карпуков, Н.Д. Малютін, А.А. Александровський, А.А. Беляєв, І.Н. Прудиус, В.І. Оборжицький, А.С. Петров, J.S. Hong, M.J. Lancaster, T. Itoh, M.C. Velazquez-Ahumada, J. Martel, F. Medina, K. Chang, D. Ahn, J.S. Seok, C.S. Kim, В.Д. Разевіг, В.Ю. Потапов, А.А. Курушин, О.В. Алексєєв, В.Ю. Приходько та ін.
В даний час є обширна література з теорії та методів синтезу різних типів фільтрів НВЧ. Розроблені методи синтезу багатьох структур фільтрів НВЧ (наприклад, на основі фільтрів-прототипів нижніх частот, східчастих трансформаторів, використанні частотного перетворення Річардса) дозволяють синтезувати ЧСП з високою точністю електричних параметрів (хвильові опору, електричні довжини) [6 – 8]. Однак при переході від електричних параметрів фільтра до геометричних параметрів топології виникають певні труднощі, пов'язані з недостатньою точністю існуючих моделей відрізків ліній передач і різних неоднорідностей, а також з проблемами обліку дисперсії, впливу корпусу, провідності матеріалу провідників тощо, особливо у верхній частині НВЧ діапазону. Це призводить до необхідності експериментального відпрацювання топології на макетах фільтрів. З появою програмних продуктів, що дозволяють виконувати аналіз топології пристроїв НВЧ на електродинамічному рівні, ситуація змінилася. З'явилася можливість так змоделювати топологію проектованого фільтру, щоб експериментальна характеристика добре збігалася з розрахунковою.
Синтез мікросмужкового фільтра НВЧ традиційним способом може зайняти значний час, при цьому можливість фізичної реалізації розробленого ЧСП не зможе бути визначена з моменту початку роботи до розрахунку геометричних параметрів. Крім того, існуючі методики дозволяють реалізувати фільтри лише на добре відомих резонуючих структурах, в той час як синтез фільтрів на сучасних топологічних рішеннях викликає труднощі.
В той же час, незважаючи на велику кількість робіт, присвячених проектуванню мікросмужкових конструкцій, та пакетів програм для їх моделювання та аналізу, на сьогодні відсутні програми, що дозволяють проводити синтез мікросмужкових фільтрів, що базується на квазістатичному аналізі топології, з використанням резонаторних структур, що активно використовуються при проектуванні сучасних ЧСП, серед яких слід виділити одиночні та зв’язані мікросмужкові лінії, шпилькові резонатори, трикутні резонатори, дефективні заземлюючі структури, дефективні мікросмужкові структури, відрізки нерегулярних ліній зі східчастим або плавним переходом та ін.
У зв’язку з великою кількістю варіантів конструктивного виконання [9 – 13] та складними методиками розрахунку мікросмужкових фільтрів НВЧ їх проектування є складною задачею.
Тому в даній дисертаційній роботі здійснюється порівняння різноманітних конструкцій фільтрів на мікросмужкових лініях з метою вибору найбільш перспективних, аналізуються методи синтезу ЧСП НВЧ діапазону, виконується розробка методики точного розрахунку геометричних розмірів топології фільтрів, отриманих в результаті синтезу з використанням квазістатичного аналізу, пропонуються моделі та алгоритми синтезу мікросмужкових НВЧ фільтрів.
Інтегруючи інженерні методики в єдину систему розробки фільтрів, необхідно уніфікувати їх і представити у виді сукупності блоків, підпрограм з однотипними вхідними даними і результатами, що представляються у деякому стандартному виді. Розв’язуючи цю задачу, буде достатньо легко організувати синтез для фільтрів з різними амплітудно-частотними характеристиками. Створення і аналіз інженерних методик з їх подальшою алгоритмізацією дозволяє впритул наблизитися до створення САПР фільтрів НВЧ діапазону. Чим більшу кількість інженерних методик вдасться уніфікувати, тим більша вірогідність синтезу оптимального (з точки зору введених початкових умов) фільтра НВЧ діапазону. Вищесказане дає привід зробити висновок, що поставлена задача є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт, що виконувались на кафедрі «Інформаційні технології електронних засобів» Запорізького національного технічного університету:
1. 04419 «Розробка методів проектування радіоелектронних апаратів з урахуванням функціональних, конструктивних і технологічних обмежень» (2009-2012). Участь автора полягала у дослідженні впливу на вихідні функції радіоелектронних апаратів функціональних, конструктивних і технологічних обмежень (дослідження хвильових опорів мікросмужкових смугопропускаючих фільтрів) та у розробці методів утворення моделей врахування функціональних, конструктивних і технологічних обмежень на вихідні функції радіоелектронних апаратів (розробка моделей для оптимізації мікросмужкових смугопропускаючих фільтрів).
2. 04212 «Розробка методів проектування радіоелектронних апаратів з використанням інформаційних технологій». Участь автора полягала в дослідженні методик проектування та оптимізації НВЧ фільтрів та оцінці їх точності.
3. 04410 «Об’єктно-орієнтовані методи проектування радіоелектронних апаратів» (2010-2012). Автором розроблені методи синтезу топологій мікросмужкових смугопропускаючих фільтрів на резонаторах шпилькового типу та трикутних резонаторах, вдосконалені існуючі методики проектування та розроблена методика проектування фільтрів на ділянках зв’язаних ліній з прямокутними отворами в екрануючому шарі.
Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності проектувальних робіт шляхом розроблення методів синтезу та алгоритмів системи автоматизованого синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:
– проаналізувати існуючі методи синтезу мікросмужкових фільтрів, відмітити їх особливості та визначити області можливого застосування;
– дослідити конструкції мікросмужкових фільтрів НВЧ, реалізованих на різних резонаторних структурах, визначити перспективні конструкції з точки зору технологічності виготовлення, можливості мініатюризації, покращення частотних характеристик;
– розглянути існуючі пакети САПР мікросмужкових пристроїв, проаналізувати можливість синтезу фільтрів НВЧ;
– розробити методи проектування мікросмужкових фільтрів на резонаторних структурах, які не мають точних алгоритмів розрахунку, та методики, що уточнюють існуючі методи розрахунку геометричних розмірів топології мікросмужкових фільтрів;
– розробити структуру, описати алгоритми системи проектування мікро¬смужкових фільтрів НВЧ, запропонувати способи оптимізації процесу синтезу.
Об'єкт дослідження – процес синтезу топології мікросмужкових фільтрів НВЧ за заданими вихідними даними: особливостями частотних характеристик, габаритними розмірами плати, матеріалом підкладки.
Предмет дослідження – методи, моделі і алгоритми проектування конструкцій фільтрів НВЧ в мікросмужковому виконанні, синтез топологій мікросмужкових фільтрів з використанням квазістатичного та електродинамічного методів.
Методи дослідження – теорія довгих ліній і методи аналізу мікросмужкових структур у квазістатичному наближенні, розрахунки за наближеними методиками на основі апроксимаційних формул з використанням ЕОМ, чисельні методи моделювання, метод колокації, квазістатичний аналіз, метод декомпозиції, метод генетичного алгоритму пошуку мінімуму, використання статистичних та експериментальних даних, узагальнення результатів.
Наукова новизна отриманих результатів:
1. Розроблено метод синтезу СПФ на резонаторах шпилькового типу з з такими особливостями, як щілина в екрануючому шарі, фрактальна реалізація та непаралельність ділянок зв’язаних ліній. Метод дозволив отримати фільтри з шириною смуги пропускання від вузької до понадширокої та покращити придушення паразитних смуг пропускання у смузі загородження, скоротити час проектування СПФ на шпилькових резонаторах і забезпечити процедуру синтезу в автоматичному режимі для реалізації в САПР.
2. Удосконалено метод пошуку рішень для розв’язку задачі оптимізації шляхом проведення початкової кластеризації з використанням самоорганізаційних карт Кохонена перед виконанням пошуку мінімуму генетичним алгоритмом. Такий підхід демонструє більш точні результати синтезу топологій та дає можливість значно скоротити витрати часу завдяки можливості розпаралелювання обчислень на різних кластерах.
3. Вперше запропоновано метод синтезу топологій фільтрів на відрізках нерегулярних ліній, для яких немає точних методик розрахунку. При цьому отримані в результаті проектування фільтри мають такі переваги, як мініатюрність, можливість видалення другого паразитного резонансу майже на дві октави, підвищена власна добротність першого робочого резонансу.
4. Запропоновано метод синтезу топологій мікросмужкових фільтрів на трикутних резонаторах з використанням квазістатичного аналізу топології.
5. Запропоновано методику синтезу топологій мікросмужкових фільтрів з фрактальною реалізацією резонаторів, що робить можливим проектування мікросмужкових фільтрів при необхідності отримання двох смуг пропускання (загородження) так, щоб друга смуга пропускання (загородження) мала центральну частоту нижче за 2fo. Також фрактальна геометрія при проектуванні мікросмужкових фільтрів може застосовуватися для зниження рівня паразитних смуг, при цьому таке рішення конструкції фільтра відрізняється відсутністю необхідності збільшення габаритних розмірів фільтра в цілому.
Практичне значення отриманих результатів:
1. Вперше розроблено методику, яка дозволяє виконати розрахунок геометричних розмірів ділянки зв’язаних ліній з прямокутним отвором в екрануючому шарі під нею, що базується на квазістатичному аналізі поперечного перерізу мікросмужкової топології і генетичному алгоритмі пошуку рішень.
2. Уточнено методики проектування фільтрів завдяки використанню квазістатичного аналізу при проведенні синтезу топологій фільтрів, в тому числі для мікросмужкових фільтрів на зв’язаних лініях з отворами в екрануючому шарі.
3. Проаналізовано залежність хвильових опорів мікросмужкового фільтра від товщини смужки, побудовано номограму для визначення оптимальної топології з урахуванням товщини мікросмужкової лінії; результати аналізу зведені у масив, який використовується в розробленій системі синтезу топологій мікросмужкових фільтрів. Виконано проектування СПФ на шпилькових резонаторах з отворами в екрануючому шарі під ділянками зв’язаних ліній.
4. Запропоновано алгоритми для системи проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ, що містить у собі велику кількість топологічних рішень для кожного типу фільтрів.
5. Проаналізовано залежність властивостей частотних характеристик фільтрів, побудованих на відрізку неоднорідної мікросмужкової лінії, від його геометричних розмірів, а саме довжини і зміни ширини. Створено базу даних, що використовується в розробленій системи синтезу топологій мікросмужкових фільтрів.
6. Розроблено алгоритми і структуру САПР мікросмужкових фільтрів, що дозволяє синтезувати топології фільтрів із заданими характеристиками з використанням квазістатичного аналізу.
7. Було впроваджено метод синтезу топологій смугопропускаючих фільтрів на резонаторах шпилькового типу зі щілиною в екрануючому шарі, використання досконаленого методу пошуку рішень задачі оптимізації з використанням генетичного алгоритму шляхом попередньої кластеризації та систему синтезу топологій мікросмужкових фільтрів в процес модернізації вузла И ПС056.
8. Розроблено і впроваджено у навчальний процес систему автоматизованого проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ, що дозволяє виконувати синтез фільтрів за уточненими та розробленими методиками розрахунку, що базується на квазістатичному аналізі топології фільтра та проведенні багато параметричної оптимізації за генетичним алгоритмом пошуку рішень.
Особистий внесок здобувача. Всі основні положення, що становлять суть дисертації, отримані здобувачем самостійно. В роботах, опублікованих в співавторстві, здобувачеві належать: створення методики проектування та аналізу мікросмужкових фільтрів на шпилькових резонаторах з отворами в екрануючому шарі [14]; дослідження впливу товщини МСЛ на параметри фільтрів [15]; дослідження впливу неоднорідності в екрануючому шарі у виді отвору на параметри фільтра з використанням квазістатичного аналізу топології [16], проведення оцінки можливостей існуючих САПР, що використовують різні методи аналізу, при проектуванні фільтрів з отворами в екрані [17, 18]; дослідження особливостей моделювання перемичок у відгалужувачах Ланге [19, 20]; формування мети досліджень та перевірка отриманих даних за допомогою електромагнітного аналізу досліджуваних структур [21], аналіз неоднорідності у виді повороту МСЛ в фільтрах на резонаторах шпилькового типу [22]; дослідження впливу особливостей топології СПФ на шпилькових резонаторів у вигляді непаралельних ділянок зв’язаних ліній на його частотні характеристики [23], послідовність оптимізаційних рішень для топології фільтрів з метою зменшення втрат [24, 25]; методика синтезу смугопропускаючих фільтрів на трикутних резонаторах [26]; залежність частотних характеристик мікросмужкових фільтрів з фрактальною реалізацією резонаторів від кількості ітерацій [27, 28]; використання паралельних обчислень при проведенні квазістатичного аналізу мікросмужкових пристроїв [29]; використання карт Кохонена для попередньої кластеризації в генетичних алгоритмах та перевірка запропонованого удосконаленого методу пошуку рішень [30, 31]; метод проектування фільтрів на відрізку нерегулярної лінії з синусоїдальною зміною ширини з використанням квазістатичного аналізу [32].
Реалізація результатів роботи. Розроблена система проектування впроваджена в процес проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ казенного підприємства НВК «Іскра», ТОВ НПФ «Вест Лабс Лтд» і в навчальний процес Запорізького національного технічного університету.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на:
– міжнародних науково-технічних конференціях «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії» TCSET (м. Львів – с.м.т. Славське, Україна, 2010, 2012, 2014 рр.);
– міжнародних науково-практичних конференціях «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» РТТ (м. Запоріжжя, Україна, 2010, 2012, 2014 рр.);
– міжнародних Кримських конференціях «НВЧ-техніка та телекомунікаційні технології» КриМіКо (м. Севастополь, АР Крим, Україна, 2012, 2013 рр.);
– міжнародному 18-ому молодіжному форумі «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.» (м. Харків, Україна, 2014 р.);
– науково-технічній конференції «Фізика, електроніка, електротехніка» (м. Суми, Україна, 2014 р.);
– науково-технічній конференції «Інформатика, математика, автоматика» (м. Суми, Україна, 2014 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 друкованих праць, з них 5 статей у спеціалізованих фахових наукових виданнях України, 14 публікацій у матеріалах конференцій та тезах доповідей (п’ять праць без співавторів).
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літературних джерел (290 назв). Загальний обсяг роботи становить 247 сторінок, з них 212 друкованого тексту. Робота містить 132 рисунка і 6 таблиць.
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи, задачі дослідження, визначено наукову новизну дисертаційної роботи та практичну цінність отриманих результатів. Наведено структуру роботи, відомості про публікації, апробацію та впровадження результатів роботи.
У першому розділі розглянуті існуючі методики синтезу мікросмужкових фільтрів та аналізу пристроїв НВЧ діапазону, особливу увагу приділено електродинамічному та квазістатичному методам аналізу. Досліджені можливості сучасних САПР мікросмужкових пристроїв в області синтезу фільтрів, можливостей і точності аналізу топологій класичних і сучасних конструкцій фільтрів. Визначено, що найбільш точні результати при проведенні аналізу топологій мікросмужкових фільтрів отримані з використанням системи High Frequency System Simulator, що також має можливість оптимізації аналізованих конструкцій. Недоліками системи можна вважати відсутність блоку синтезу мікросмужкових фільтрів та бібліотеки основних елементів фільтрів у мікросмужковому виконанні.
Серед інших розглянутих систем слід виділити Microwave Office, який має модуль розрахунку фільтрів, побудованих з використанням блоків, проте їх кількість обмежена, відсутня можливість доповнення бібліотеки, а при проектуванні топології фільтра за допомогою графічного редактора створення конструкції фільтра з нерегулярними лініями є неможливим. Іншим недоліком є значні витрати часу при проведені аналізу структури та відсутність блоку синтезу.
Таким чином, постає задача розробки системи синтезу мікросмужкових фільтрів, що базується на використанні традиційних методик та квазістатичному аналізі топологій, що матиме вбудований конструктор топологій з можливістю додавання нових базових елементів, матиме можливість оптимізації та проведення синтезу.
Проведено огляд існуючих методів та методик проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ. Розглянуто особливості методів квазістатичного та електродинамічного аналізу та області їх застосування. Показано переваги квазістатичного аналізу для проведення синтезу конструкцій мікросмужкових фільтрів з використанням різних резонаторних структур. Визначено, що методи синтезу фільтрів з використанням фільтрів-прототипів нижніх частот дає найбільш точні результати, проте може бути уточнений за допомогою квазістатичного аналізу. Перший розділ закінчується формулюванням мети дисертаційної роботи і задач дослідження, поставлено задачі розробки уточнених методик проектування мікросмужкових фільтрів, створення алгоритмів синтезу фільтрів за вихідними характеристиками з використанням квазістатичного аналізу топології.
У другому розділі розглянуто методи та методики проектування, які уможливлюють синтез фільтрів, визначено можливість їх застосування для проектування ЧСП на різних резонаторних структурах. Для цього проведено аналіз існуючих конструкцій мікросмужкових фільтрів, виконаних з використанням резонаторних структур різних типів. Спираючись на огляд літератури з тематики дисертаційної роботи та дослідження розробок вітчизняних підприємств, визначені найбільш розповсюджені та технологічно відпрацьовані конструкції фільтрів та визначено перспективні топологічні рішення, що забезпечують зменшення габаритних розмірів, покращення позасмугових характеристик тощо. Для проведення досліджень точності методу декомпозиції з подальшим квазістатичним аналізом топології, було обрано наступні конструкції мікросмужкових фільтрів:
– три фільтра нижніх частот (на мікросмужковій лінії зі ступінчатою зміною хвильового опору; на шпильковому резонаторі зі ступінчатим опором; на основі відрізка нерегулярній лінії);
– один фільтр верхніх частот ФВЧ (на відрізках ліній, короткозамкнених на кінці, і розривах в основній лінії передачі);
– п’ять смугопропускаючих фільтрів (на паралельних зв’язаних лініях 2-го порядку; на паралельних зв’язаних лініях 2-го порядку з отворами в екрануючому шарі під ділянками зв’язаних ліній; на шпилькових резонаторах 5-го порядку; СПФ на шпилькових резонаторах 5-го порядку з отворами в екрануючому шарі; СПФ на трикутних резонаторах 2-го порядку);
– три смугозагороджуючих фільтра (на підключених чвертьхвильових відгалуженнях ліній передачі, що включають вузький і широкий провідники; на ділянках зв’язаних ліній, у яких один із відрізків МСЛ коротко замкнутий на кінці; СЗФ на кільцевому резонаторі).
Обрані конструкції було проаналізовано за допомогою декомпозиційного методу, визначено можливість проектування окремих ділянок за допомогою існуючих методик синтезу фільтрів.
Розглянуті конструкції фільтрів характеризуються значною варіативністю у виборі резонаторних структур і забезпечують реалізацію заданих частотних характеристик. Частина з них має широко застосовувані методики проектування, проте використання квазістатичного аналізу топології дозволило уточнити параметри елементів топології для отримання частотних характеристик, що більш точно відповідають заданим. Для інших конструкцій, таких як фільтри на зв’язаних лініях та фільтри на резонаторах шпилькового типу з отворами, запропоновано уточнені методики проектування, що враховують неоднорідність структури у вигляді прямокутного отвору в екрануючому шарі підкладки.
В окрему групу винесені топології, які не мають описаних у літературі методик розрахунку, а їх проектування базується на проведених статистичних даних: фільтр на трикутних резонаторах і фільтр на відрізку НЛП. Поставлено задачу розробки методики проектування фільтрів на неоднорідностях таких типів.
Визначено методику обчислення S-матриці, що дає можливість застосування квазістатичного аналізу для проведення синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ. Запропоновано методику аналізу пристроїв НВЧ з отворами в екрануючому шарі для одно- та багатошарових підкладок. Розраховані значення ємностей неоднорідностей можуть використовуватись для уточненого аналізу фільтрів на МСЛ.
Запропоновано використання методу колокацій для обчислення матричних елементів, що дає можливість введення елементів трикутної форми, в результаті чого покращується апроксимація деяких некоординатних топологій.
Запропоновано моделювання фільтрів на резонаторах трикутного типу шляхом попереднього проведення квазістатичного аналізу та створення матриці ємностей неоднорідностей з використанням методу колокації, що дозволяє моделювати різні типи фільтрів на трикутних резонаторах, а також синтезувати їх.
Розроблено метод проектування мікросмужкових смугопропускаючих фільтрів на резонаторах шпилькового типу, що дозволяє отримати фільтри з шириною смуги пропускання від вузької до понадширокої та покращити придушення паразитних смуг пропускання у смузі загородження.
У третьому розділі розроблено методику, яка дозволяє виконати розрахунок геометричних розмірів ділянки зв’язаних ліній з прямокутним отвором в екрануючому шарі під нею, що базується на квазістатичному аналізі поперечного перерізу мікросмужкової топології і генетичному алгоритмі пошуку рішень.
Проаналізовано залежність хвильових опорів мікросмужкового фільтра від товщини смужки, побудовано номограму для визначення оптимальної топології з урахуванням товщини мікросмужкової лінії; результати аналізу зведені у масив, який використовується в розробленій системі синтезу топологій мікросмужкових фільтрів.
Удосконалено метод пошуку рішень для розв’язку задачі оптимізації шляхом проведення початкової кластеризації з використанням самоорганізаційних карт Кохонена перед виконанням пошуку мінімуму генетичним алгоритмом. Такий підхід демонструє більш точні результати синтезу топологій та дає можливість значно скоротити витрати часу завдяки можливості розпаралелювання обчислень на різних кластерах. Крім того, розглянуто і запропоновано шляхи прискорення обчислень за допомогою паралельного виконання операцій при проведенні розрахунку оберненої матриці та за допомогою розподілення обчислень для виконання на різних процесорах або ЕОМ, що дає можливість скоротити час синтезу та оптимізації на 21-35%.
Проаналізовано залежність ширини смуги пропускання від кута між непаралельними ділянками зв’язаних ліній в СПФ на шпилькових резонаторах, результати зведено до масиву, що використовується в розробленій системі автоматизованого синтез топологій мікросмужкових ліній.
Вперше запропоновано метод синтезу топологій фільтрів на відрізках нерегулярних ліній, для яких немає точних методик розрахунку. При цьому отримані в результаті проектування фільтри мають такі переваги, як мініатюрність, можливість видалення другого паразитного резонансу майже на дві октави, підвищена власна добротність першого робочого резонансу.
Проаналізовано залежність властивостей частотних характеристик фільтрів, побудованих на відрізку нерегулярної лінії передачі, від його геометричних розмірів, а саме довжини і зміни ширини.
Запропоновано алгоритми для системи проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ, що містить у собі велику кількість топологічних рішень для кожного типу фільтрів, та алгоритм, що включає в себе розрахунок геометричних розмірів поперечного перерізу топології мікросмужкового СПФ на шпилькових резонаторах з отворами в заземлюючому шарі, що базується на квазістатичному аналізі поперечного перерізу мікросмужкової топології та генетичному алгоритмі пошуку рішень.
Запропоновано метод синтезу топологій мікросмужкових фільтрів з фрактальною реалізацією резонаторів, що робить можливим проектування мікросмужкових фільтрів при необхідності отримання двох смуг пропускання (загородження) так, щоб друга смуга пропускання (загородження) мала центральну частоту нижче за 2fo. Також фрактальна геометрія при проектуванні мікросмужкових фільтрів може застосовуватися для зниження рівня паразитних смуг, при цьому таке рішення конструкції фільтра відрізняється відсутністю необхідності збільшення габаритних розмірів фільтра в цілому.
Запропоновано метод синтезу топологій мікросмужкових фільтрів на трикутних резонаторах з використанням квазістатичного аналізу топології.
Проаналізовано залежність хвильових опорів на відрізках зв’язаних мікросмужкових ліній з отворами в екрануючому шарі від товщини металізації, створено номограму, результати якої можуть використовуватись для синтезу топологій фільтрів.
У четвертому розділі описується система проектування мікросмужкових фільтрів, що базується на використанні методів синтезу за фільтрами прототипами нижніх частот, теорії довгих ліній та квазістатичному аналізі топології. Проаналізовано вимоги до розроблюваної системи проектування, визначено можливі модулі системи.
Запропоновано структуру програми, визначено зв’язки між окремими елементами. На основі аналізу обмежень щодо фізично та технологічно реалізуємих параметрів елементів резонаторних структур та методик проектування сформовані точністні характеристики системи проектування. Проведено оцінку швидкодії роботи системи проектування в залежності від задач, що розв’язуються. Показано застосування розробленої системи проектування на прикладі синтезу топологій мікросмужкових смугопропускаючих фільтрів.
Результати роботи підтверджені експериментально і актами впровадження, які наведені в Додатку К.

Список літератури

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розглянуто існуючі методи синтезу фільтрів, визначено можливість їх застосування для різних видів резонаторних структур. Проведено огляд існуючих традиційних та сучасних конструкцій мікросмужкових фільтрів, виконано їх класифікацію за видом АЧХ та резонансними структурами, що використовуються в них. Значна кількість запропонованих конструкцій дозволяє покращити позасмугові характеристики фільтрів (знизити рівень паразитних смуг пропускання). Базовий елемент, що представляє собою ділянку зв’язаних ліній з прямокутною щілиною в екрануючому шарі, дозволяє розширити смугу пропускання СПФ, при цьому покращуються значення направленості та широкосмуговості.
Визначено методику обчислення S-матриці, що дає можливість застосування квазістатичного аналізу для проведення синтезу топологій мікросмужкових фільтрів НВЧ. Запропоновано методику аналізу пристроїв НВЧ з отворами в екрануючому шарі для одно- та багатошарових підкладок. Розраховані значення ємностей неоднорідностей можуть використовуватись для уточненого аналізу фільтрів на МСЛ. Запропоновано використання методу колокацій для обчислення матричних елементів, що дає можливість введення елементів трикутної форми, в результаті чого покращується апроксимація деяких некоординатних топологій.
Запропоновано моделювання фільтрів на резонаторах трикутного типу шляхом попереднього проведення квазістатичного аналізу та створення матриці ємностей неоднорідностей, що дозволяє моделювати різні типи фільтрів на трикутних резонаторах, а також синтезувати їх. Відрізки нерегулярних ліній описані як базові елементи для проектування фільтрів і розглянуті за допомогою квазістатичного аналізу. Це дає можливість синтезувати топології фільтрів, для проектування яких немає точних методик розрахунку.
Розроблено метод проектування мікросмужкових смугопропускаючих фільтрів на резонаторах шпилькового типу, що дозволяє отримати фільтри з шириною смуги пропускання від вузької до понадширокої та покращити придушення паразитних смуг пропускання у смузі загородження.
Вперше розроблено методику, яка дозволяє виконати розрахунок геометричних розмірів ділянки зв’язаних ліній з прямокутним отвором в екрануючому шарі під нею, що базується на квазістатичному аналізі поперечного перерізу мікросмужкової топології і генетичному алгоритмі пошуку рішень.
Проаналізовано залежність хвильових опорів мікросмужкового фільтра від товщини смужки, побудовано номограму для визначення оптимальної топології з урахуванням товщини мікросмужкової лінії; результати аналізу зведені у масив, який використовується в розробленій системі синтезу топологій мікросмужкових фільтрів. Виконано проектування СПФ на шпилькових резонаторах з отворами в екрануючому шарі під ділянками зв’язаних ліній.
Удосконалено метод пошуку рішень для розв’язку задачі оптимізації шляхом проведення початкової кластеризації з використанням самоорганізаційних карт Кохонена перед виконанням пошуку мінімуму генетичним алгоритмом. Такий підхід демонструє більш точні результати синтезу топологій та дає можливість значно скоротити витрати часу завдяки можливості розпаралелювання обчислень на різних кластерах.
Проаналізовано залежність ширини смуги пропускання від кута між непаралельними ділянками зв’язаних ліній в СПФ на шпилькових резонаторах, результати зведено до масиву, що використовується в розробленій системі автоматизованого синтез топологій мікросмужкових ліній.
Вперше запропоновано метод синтезу топологій фільтрів на відрізках нерегулярних ліній, для яких немає точних методик розрахунку. При цьому отримані в результаті проектування фільтри мають такі переваги, як мініатюрність, можливість видалення другого паразитного резонансу майже на дві октави, підвищена власна добротність першого робочого резонансу.
Проаналізовано залежність властивостей частотних характеристик фільтрів, побудованих на відрізку нерегулярної мікросмужкової лінії, від його геометричних розмірів, а саме довжини і зміни ширини. Запропоновано методику проектування фільтрів нижніх частот та смугозагороджуючих фільтрів на відрізку неоднорідної МСЛ, топологія якого описується синусоїдами довжиною 3π, з використанням створеної бази даних.
Розглянуто можливість синтезу фільтрів на основі відрізку нерегулярної лінії передачі. Визначено, що збільшення базового елементу у виді відрізку нерегулярної лінії з синусоїдальною формою провідника для зміни центральної частоти СПФ не завжди дає бажаний результат, що може бути пояснено розузгодженням хвильових опорів, зміною не тільки параметрів елементів схеми заміщення, а й ланок еквівалентної схеми. Створено базу даних, де в якості базового елементу виступає відрізок нерегулярної лінії, форма якого описується синусоїдою.
Використання результатів аналізу дозволяє синтезувати фільтри на нерегу-лярних лініях, а уточнення геометричних розмірів топології відбувається за допомогою генетичного алгоритму пошуку рішень. Розроблено метод синтезу фільтрів на відрізку нерегулярної лінії, що базується на попередньому розрахунку за методиками для фільтрів нижніх частот зі ступінчатою зміною хвильового опору та квазістатичному аналізі.
Запропоновано алгоритми для системи проектування мікросмужкових фільтрів НВЧ, що містить у собі велику кількість топологічних рішень для кожного типу фільтрів. Запропоновано алгоритм, що включає в себе розрахунок геометричних розмірів топології фільтрів на зв’язаних напівхвильових резонаторах на основі фільтрів-прототипів нижніх частот за відомими методиками, проведення розрахунків геометричних розмірів поперечного перерізу топології мікросмужкового СПФ на шпилькових резонаторах з отворами в заземлюючому шарі за допомогою підпрограми MaxFCT, що базується на квазістатичному аналізі поперечного перерізу мікросмужкової топології та генетичному алгоритмі пошуку рішень. Це дозволяє спростити проектування мікросмужкових СПФ на шпилькових резонаторах з отворами в заземлюючому шарі, які базуються на зв’язаних лініях,
Запропоновано методику синтезу топологій мікросмужкових фільтрів з фрактальною реалізацією резонаторів, що робить можливим проектування мікросмужкових фільтрів при необхідності отримання двох смуг пропускання (загородження) так, щоб друга смуга пропускання (загородження) мала центральну частоту нижче за 2fo. Також фрактальна геометрія при проектуванні мікросмужкових фільтрів може застосовуватися для зниження рівня паразитних смуг, при цьому таке рішення конструкції фільтра відрізняється відсутністю необхідності збільшення габаритних розмірів фільтра в цілому.
Запропоновано метод синтезу топологій мікросмужкових фільтрів на трикутних резонаторах з використанням квазістатичного аналізу топології.
Розроблено систему автоматизованого синтезу топологій мікросмужкових фільтрів, що має просту структуру і може взаємодіяти з іншими САПР НВЧ пристроїв. В запропонованій САПР вперше реалізовано наступні функції:
– автоматизований синтез топології фільтрів за вимогами до амплітудно-частотної характеристики з використанням різних резонуючих структур, в тому числі – на трикутних резонаторах і на відрізках нерегулярних ліній;
– автоматизований вибір конструкції фільтра в залежності від частотних характеристик та переваг користувача.
Проведено аналіз базових топологічних елементів, на яких може бути виконано конструкцію фільтрів, та встановлено обмеження, зумовлені можливостями фізичної та технологічної реалізації.
Вперше розроблено підпрограму, яка дозволяє виконати розрахунок геометричних розмірів ділянки зв’язаних ліній з прямокутним отвором в екрануючому шарі, що базується на квазістатичному аналізі поперечного перерізу мікросмужкової топології і генетичному алгоритмі пошуку рішень. Використання підпрограми дає можливість спроектувати СПФ з ширшою смугою пропускання, кращими характеристиками у смузі загородження і нижчими вимогами до допусків при виробництві, ніж у СПФ на зв’язаних лініях без отворів в екрануючому шарі. Розроблена підпрограма також продемонструвала гарні результати при розрахунку СПФ на резонаторах шпилькового типу.
Розроблена система синтезу топологій мікросмужкових фільтрів має у своєму складі декілька бібліотек даних, що містять інформацію щодо залежності хвильових опорів мікросмужкового фільтра від товщини МСЛ; щодо залежності ширини смуги пропускання від кута між непаралельними ділянками зв’язаних ліній в СПФ на шпилькових резонаторах; щодо залежності розмірів відрізків нерегулярної лінії від їх геометричних розмірів та можливість реалізації на їх основі топологій фільтрів НВЧ. Це дає можливість синтезувати значну кількість топологій фільтрів, в тому числі таких, для яких немає точних методів та методик синтезу.
Розроблена система синтезу топологій мікросмужкових фільтрів має зручний у роботі та зрозумілий інтерфейс, що забезпечує високу швидкість освоювання програми користувачами, що мають відповідні знання щодо проектування НВЧ фільтрів. Вдалий вибір мов програмування привів до скорочення строків програмування системи проектування мікросмужкових фільтрів, можливостей підключення розроблених модулів САПР не тільки останнього покоління, але і створених значно раніше. Незважаючи на використання різних мов програмування, система має досить високу швидкодію завдяки оптимальному поділу блоків програми з метою мінімальної взаємодії між ними і використанню мов програмування, що забезпечують високу швидкість обчислень.
Проведено оцінку швидкодії роботи системи синтезу топологій фільтрів НВЧ у залежності від задач, що розв’язуються. Використання розпаралелювання шляхом обчислення різних топологічних рішень під час синтезу фільтрів на окремих процесорах зменшує тривалість розрахунків на 39% у порівнянні з послідовним виконанням обчислень без використання розподілення задач.
Показано застосування розробленої системи проектування на прикладі синтезу мікросмужкового СПФ на резонаторах трикутного типу та СЗФ на відрізку нерегулярної мікросмужкової лінії. Результати роботи підтверджені експериментально і актами впровадження.
Результати виконаних досліджень впроваджено в практику проектування електронних апаратів КП «НВК «Іскра» і використовувались для удосконалення пристроїв, що розробляються на підприємстві. Запропоновані методи синтезу впроваджено у виробництво ТОВ НПФ "Вест Лабс Лтд". Наукові та практичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі для студентів Запорізького національного технічного університету з дисциплін “Математичне моделювання в САПР” напряму 6.050902 “Радіоелектронні апарати” і “Конструкції пристроїв НВЧ” спеціальності 7.05090201 “Виробництво електронних засобів”. Результати досліджень використовуються у дипломному проектуванні.