Алгоритмы синтеза должны упрощать описанный процесс проектирования благодаря использованию данных, имеющихся или легко получаемых в рамках создаваемого проекта, и генерации согласующих цепей в виде схем, готовых для дальнейшего анализа.

NIAWRDesignEnvironmentявляется примером такого САПР: уникальная единая модель данных проекта и доступность всех схем, документов и симуляторов в едином окне позволяет добиться беспрецедентной интеграции и оптимизации времени, требуемого для получения готового к производству проекта на основе полученного технического задания. Помимо этого, в этой статье будет описан новый мастер-модуль программного пакета NIAWRDesignEnvironment, позволяющий синтезировать цепи согласования импеданса, находящих своё применение во многих областях проектирования высокочастотных устройств.

Мастер синтеза согласующих цепей

В версии 14 представлены новые мастера (визарды) для автоматизации часто используемых разработчиками процессов, одним из этих которых является мастер синтеза согласующих цепей (рис.1). Этот мастер позволяет инженерам провести наиболее полный анализ всех доступных конфигураций цепей согласования путём создания оптимизированных двухпортовых схем из дискретных и распределённых элементов на основе заданных пользователем входных данных и целевых функций оптимизации. Синтез значительно упрощает поиск подходящих конструкторских решений, удовлетворяющих различным требованиям по характеристикам проектируемого устройства, размерам, используемым в составе схемы компонентам и так далее.

 

Рисунок 1: Задачи синтеза могут решаться в нескольких частотных диапазонах.

Проектирование согласующей цепи для усилителя или антенны на одной частоте – задача достаточно тривиальная. Однако, с ростом сложности проекта, будь то широкополосные одно- и многокаскадные усилители или многодиапазонные антенны, усложняется и задача поиска оптимального согласования. Помимо этого, требования новых стандартов (например, для устройств «интернета вещей», рис. 2) ведут к необходимости создания компактных устройств и компонентов. Благодаря мастеру синтеза, становится возможным автоматизированное создание схем, напрямую согласующих импедансы различных компонентов, что позволяет сэкономить пространство платы или устройства по сравнению со стандартным методом согласования к характеристическому импедансу (например, 50 Ом).

 

Рисунок 2: Пример встроенных антенн для носимых устройств «интернета вещей» (изображение предоставлено компанией Striiv).

Более того, согласование может производиться по коэффициенту шума, уровню мощности, а также между каскадами усилителей. Оптимальные значения коэффициентов отражения задаются в требуемых частотных диапазонах и могут быть получены из данных load—pull, файлов S-параметров или напрямую из данных схемы в MicrowaveOffice. На основе вводимых спецификаций, включающих типы последовательных и параллельных компонентов, их количество и ограничения по значениям параметров компонентов, алгоритмы синтеза рассматривают множество различных конфигураций схемы и выдают оптимизированные варианты конструкций согласующих цепей.

Технология оптимизации

Создание нового мастера синтеза цепей согласования стало возможным благодаря увеличению расчётных мощностей современных компьютеров и появлению эволюционных алгоритмов оптимизации, зарекомендовавших себя в решении различных задач моделирования высокочастотных цепей. Новая технология уже была применена в программном обеспечении NIAWR– а именно в модуле синтеза и оптимизации антенн AntSyn™. Алгоритмы оптимизации основаны на рекомбинации и выборе точек из случайного распределения возможных значений параметров во всей области поиска решения, что обеспечивает повышенную эффективность и скорость получения оптимального решения.

В основе поискового алгоритма синтеза различных конструкций цепей согласования лежит ввод данных о типах компонентов, которые можно использовать в последовательном и параллельном подключении: конденсаторы, катушки индуктивности или линии передачи. Используя эти данные, мастер синтеза производит обширный поиск всех возможных решений, расширяя его по мере добавления новых элементов до достижения максимального количества секций, заданного пользователем (рис. 3). Эвристические самообучающиеся методы позволяют определить правила добавления новых элементов: так, например, мастер понимает, что расположение двух конденсаторов подряд не имеет смысла с точки зрения решения задачи согласования, в то время как две линии передачи могут использоваться для ступенчатого преобразования импеданса или в составе чисто распределённых конструкций.

 

Рисунок 3: Алгоритмы поиска решения последовательно рассматривают различные комбинации компонентов до достижения заданного пользователем максимального количества секций

Целевые функции оптимизации задаются в интерфейсе мастера при помощи предустановленного набора измерений, однако сам процесс мало чем отличается от стандартного для MicrowaveOffice. Специализированные измерения существуют для согласования по уровню шума, выходной мощности усилителя или межкаскадного согласования. Оптимальные значения коэффициента отражения задаются в зависимости от частоты и могут вводиться в формате данных load—pull, файлов S-параметров или схем MicrowaveOffice.

Мастер позволяет учесть и иные факторы в процессе синтеза – в частности, можно задать DC параметры схемы, ограничения на значения параметров компонентов (включая возможность задать номинальные ряды), а также указать, какие элементы должны быть первыми или последними в схеме. Последнее может быть полезно в том случае, если нужно убедиться в реализуемости топологии синтезируемой схемы: например, если необходима широкая линия передачи для соединения с широким затвором транзистора. Помимо этого, можно учесть влияние цепей питания. В результате мастер получает набор возможных решений, которые он сортирует от лучших к худшим на каждом шаге поиска. 

Интерактивный интерфейс

Интерфейс мастера представляет собой набор вкладок, на каждой из которых задаются определённые параметры поиска решения (рис. 4). На вкладкеSynthesisDefinition, например, указывается расположение согласующей цепи, нумерация портов и характеристический импеданс, а также задаются частотные диапазоны согласования.

 

Рисунок 4: На вкладках мастера синтеза цепей согласования задаются параметры, ограничивающие область поиска возможных решений.

На вкладке Componentsвыбираются типы компонентов, которые могут использоваться последовательно и параллельно, вводятся ограничения на первый и последний элементы, а также задаётся максимальное число секций. В этом же окне указывается оценка размера области поиска решений при текущих заданных параметрах – то есть количество комбинаций элементов, которое будет рассмотрено в процессе синтеза (рис. 5). На этой же вкладке можно указать блок параметров подложки MSUB, чтобы использовать модели микрополосковых линий вместо идеальных моделей TLIN.

 

Рисунок 5: Оценка количества рассматриваемых комбинаций позволяет интерактивно оценивать сложность решаемой задачи согласования.

Пример: Load—Pull

Мастер синтеза может работать напрямую с данными load—pullв MicrowaveOffice. Рассмотрим пример, приведённый на рис. 6 слева, где на диаграмме Смита (5 Ом) построены контуры КПД добавленной мощности (PAE) в 63% и выходной мощности в 51 дБм (~125 Вт) в диапазоне от 1.8 до 2.0 ГГц; также можно представить те же данные в виде контура пересечения этих значений (рис. 6 справа).

 

Рисунок 6: Контуры данных load—pullдля выходной мощности и КПД (слева) и области пересечения этих контуров (справа) как опорные данные для мастера синтеза согласующих цепей.

Вместо того, чтобы задавать значения импедансов вручную, мастер предоставляет возможность указать файл данных load—pullв качестве источника всех необходимых значений. На вкладке Goalsпользователь просто задаёт целевые функции оптимизации в виде значения КПД в 63% и выходной мощности 51 дБм. Очевидно, такой подход является более интуитивным и понятным по сравнению с ручным вводом целей для каждой точки частотного диапазона. Стоит отметить, что мастер поддерживает синтез согласования в нескольких частотных диапазонах, а сам процесс настройки параметров оптимизации не отличается от стандартного для MicrowaveOffice и позволяет задавать вес и наклон целевых функций.

Помимо целей оптимизации, основанных на данных load—pull, можно добавлять и другие. На рисунке 7 показа контуры пересечения КПД и выходной мощности при разных частотах и параметры синтезированной согласующей цепи для заданной частотной полосы. Пользователь может добавить цели для согласования на гармониках для увеличения КПД и линейности усилителя. Расширение частотного диапазона моделирования показывает, что мастер синтеза создал цепь, обеспечивающую требуемый импеданс как на основной частоте, так и на второй и третьей гармониках.

 

Рисунок 7: Мастер может синтезировать согласующие цепи, учитывающие контуры пересечения КПД и выходной мощности на трёх основных частотах и заданные пользователем дополнительные цели для второй и третьей гармоник.

Обработка результатов

По окончании процесса синтеза мастер предлагает пользователю набор различных вариантов конструкции согласующей цепи. В интерфейсе мастера их можно отсортировать по количеству используемых компонентов, степени отклонения от требуемых характеристик и по параметру чувствительности к технологическим допускам компонентов. Выбрав желаемые конструкции и отправив их для дальнейшего анализа в MicrowaveOffice, пользователь может наглядно сравнить их и выбрать оптимальный вариант конструкции (рис. 8).

 

Рисунок 8: Предлагаемые варианты конструкций согласующей цепи и соответствующие им характеристики на графиках позволяют наглядно оценить результаты и выбрать наиболее подходящее решение.

Заключение