Расчётная среда системы «СВЧ КИТ»: сквозной расчёт тракта и автоматическая проверка сборки

Гаранович Д.И., Григорьев О.В., Огурцова К.М., ООО «СВЧ КИТ», г. Москва

Статья размещена в журнале «Электроника СВЧ» №3-2026г.

Рассматривается расчётная среда платформы быстрого прототипирования «СВЧ КИТ», в которой модель тракта не вводится как схема, а восстанавливается из геометрии размещения блоков на основании-носителе. На этой модели выполняется сквозной расчёт коэффициента передачи, уровней мощности с учётом компрессии, коэффициента шума и характеристик нелинейности, а также автоматическая проверка собранного тракта: корректность стыковки портов, наличие цепей питания и допустимость уровней мощности. Приведены результаты расчёта приёмного и передающего трактов, собранных из серийных блоков каталога.

Введение

В предыдущей публикации [1] была представлена система быстрого прототипирования «СВЧ КИТ» [2] – модульная платформа, на которой СВЧ-тракт собирается из унифицированных функциональных блоков на основании-носителе, без пайки и специализированного монтажного оборудования. Настоящая статья посвящена расчётной части платформы: программной среде, которая берёт схему прямо из компоновки блоков на экране, считает системные параметры тракта и проверяет собранную схему на ошибки.

Потребность в такой среде связана с особенностью модульной сборки. Когда перекомпоновка тракта занимает минуты, число проверяемых вариантов доходит до десятков, и узким местом становится не монтаж, а расчёт. Разработчику по-прежнему требуется определить коэффициент передачи и уровни мощности во всех сечениях, убедиться, что ни один каскад не введён в компрессию, оценить коэффициент шума приёмного тракта и проверить питание каждого активного блока. Расчёт в электронной таблице соответствует компоновке только на первых двух-трёх вариантах: таблица не отражает ни перестановку блоков местами, ни неподключённую цепь питания.

Тот же принцип модульного прототипирования реализован в системе X-Microwave [3]. Отличия «СВЧ КИТ» состоят в опоре на ЭКБ отечественного производства, унификации по метрической резьбе и конструкции СВЧ-перехода, рассчитанной на многократную перекомпоновку. Каталог платформы перекрывает диапазон частот до 25 ГГц.

Средства системного моделирования эту часть работы автоматизируют, но не связывают её с конструкцией. Тракт в Keysight ADS и Genesys, Cadence AWR Visual System Simulator или в приложении RF Budget Analyzer пакета MATLAB [4] задаётся цепочкой идеальных четырёхполюсников, параметры которых оператор вводит вручную. Такая модель не содержит сведений о посадочных местах, ориентации блока, слое монтажа, цепях питания и управления, а потому принципиально не способна обнаружить ошибку физической сборки.

То же ограничение имеют отечественные калькуляторы радиотракта РаТрак [5] и RxCalc [6], рассчитывающие каскадное усиление, коэффициент шума, чувствительность, точки компрессии и пересечения третьего порядка. Различаются они источником исходных данных: РаТрак опирается на встроенную библиотеку элементов, в RxCalc параметры каждого каскада задаются вручную. Для предварительной оценки и подбора ЭКБ такие инструменты удобны, однако тракт в них остаётся списком каскадов, не связанным с расположением блоков на основании.

В статье описан способ связать геометрию сборки с расчётом так, чтобы системные параметры тракта и диагностика ошибок получались автоматически из той же схемы, которую разработчик компонует на экране и затем воспроизводит на реальном основании.

Блоки, порты и граф соединений

Каждая позиция каталога описана в базе данных платформы габаритом в ячейках монтажной сетки, набором портов с локальными координатами и типом, набором системных параметров и перечнем внутренних связей между портами. Системные параметры блока – коэффициент передачи K_прб, точка компрессии по выходу P_вых1дБ, коэффициент шума K_ш, выходная точка пересечения третьего порядка OIP3; у генерирующих блоков к ним добавляется собственная выходная мощность P_вых.

Роль порта в тракте задаётся его типом, и от типа зависит, с какими портами он может быть состыкован:

• IN, OUT – сигнальные вход и выход;
• IN_OUT – двунаправленный сигнальный порт: линии передачи, СВЧ-переходы;
• OUT_GEN – порт, самостоятельно порождающий сигнал: выход ГУН или опорного генератора, от которого расчёт тракта начинается без подключения выше по цепи;
• POWER_IN, POWER_OUT – вход питания блока и выход платы питания;
• CONTROL_IN – вход цифрового управления: цифровые аттенюаторы, фазовращатели, коммутаторы.

Вынесение силовых и управляющих портов в отдельные классы, не смешиваемые с сигнальными, и делает возможной автоматическую проверку питания.

Восстановление схемы из геометрии сборки

Блок ставится на основание с поворотом, кратным 90°. Абсолютные координаты его портов получаются из локальных поворотом вокруг геометрического центра блока и последующим переносом; нечётный поворот дополнительно меняет местами ширину и высоту занимаемой области. Для блоков, установленных с нижней стороны основания, вся группа зеркально отражается относительно общего центра компоновки: разворачивается порядок следования блоков, а не только изображение каждого из них на прежнем месте.

Соединение фиксируется по близости портов: два блока считаются соединёнными, если расстояние между центрами их портов меньше полусуммы диаметров обозначений этих портов:

(1)

Неравенство (1) соответствует физическому касанию контактных площадок на основании. Список соединений поэтому не требует ручного ввода: он определяется расстановкой блоков, и расчётная схема не может разойтись со схемой сборки.

Узлом расчётной модели служит не блок целиком, а отдельный порт отдельного экземпляра блока. Рёбра графа бывают двух видов. Внешние соединяют порты разных блоков там, где выполнено (1); проводимость их нулевая, что соответствует идеальному соединению. Внутренние описывают проход сигнала через сам блок и несут его системные параметры K_прб, P_вых1дБ, K_ш и OIP3. Внутренние рёбра берутся из описания связей портов компонента, что даёт возможность правильно обрабатывать многопортовые блоки (делители и сумматоры мощности, смесители, направленные ответвители), у которых передача между разными парами портов различается. Для обычного двухпортового блока (усилителя, аттенюатора, фильтра) внутреннее ребро строится автоматически между каждым сигнальным входом и каждым сигнальным выходом, и заносить его в каталог не требуется.

В общем случае такой граф содержит циклы. Делитель мощности описан в каталоге сразу в двух ролях, как делитель и как сумматор, то есть одна и та же пара портов связана в обе стороны; порт типа IN_OUT при касании также даёт ребро в обе стороны. Расчёту предшествует поэтому отдельный шаг: от множества источников строится направленный ациклический подграф распространения сигнала вперёд, из которого исключены зеркальные рёбра, не задействованные в текущей схеме. Без этого шага схема, в которой тракт расходится на ветви разной длины и вновь сходится на сумматоре, будет рассчитана неверно. Полная цепочка преобразований, от расстановки блоков к результатам расчёта, показана на рис. 1.

Рис. 1. От геометрии сборки к сквозному расчёту и проверкам

Коэффициент передачи и уровни мощности

В линейном режиме коэффициент передачи тракта равен сумме коэффициентов передачи внутренних рёбер, в дБ, лежащих на пути от входа к выходу:

(2)

Пока все блоки работают линейно, этого достаточно. Для передающего тракта, где оконечный усилитель заведомо подходит к насыщению, выходная мощность каждого каскада рассчитывается по модели мягкого ограничения, привязанной к точке компрессии по выходу:

(3)

где k = 0,7827 – коэффициент модели, а δ = P_вых1дБ + 10 − (P_вх + K_прб) – отстояние линейного уровня выходной мощности каскада от асимптоты насыщения модели, дБ. При P_вх + K_прб ≪ P_вых1дБ выражение (3) вырождается в линейное P_вых = P_вх + K_прб, а при P_вх + K_прб = P_вых1дБ даёт ослабление около 1 дБ, то есть воспроизводит определение точки однодецибельной компрессии. Мерой нелинейности режима служит коэффициент компрессии – разность линейной и фактической выходной мощности каскада:

(4)

K_к служит основным диагностическим признаком: нулевое значение отвечает линейному режиму, единицы децибел соответствуют работе в компрессии. Следует учитывать, что асимптота (3), уровень P_вых1дБ + 10 дБ, физического смысла не имеет, и за пределами K_к ≈ 1…2 дБ выражение следует рассматривать как индикатор ухода в компрессию, а не как оценку реальной выходной мощности. Поэтому при превышении порога по K_к система формирует диагностику, а не ограничивается выводом числа. Для блоков-ограничителей мощности к результату (3) добавляется жёсткая отсечка по паспортному уровню просачивающейся мощности.

В точках схождения ветвей, на сумматорах мощности, складываются не децибелы, а мощности:

(5)

Мощность рассчитывается не вдоль единственного выбранного пути «вход – выход», а на всех портах, достижимых от источников сигнала. Для проверок это принципиально: допустимые уровни контролируются во всех ветвях, включая неизмеряемые.

Коэффициент шума и влияние компрессии

В режиме компрессии фактический коэффициент передачи каскада меньше паспортного на величину (4). В расчёте поэтому используется эффективный коэффициент передачи каскада:

(6)

Для пассивных блоков (линий передачи, СВЧ-переходов, аттенюаторов, пассивных делителей и смесителей) коэффициент шума в каталоге не хранится: он равен вносимым потерям, K_ш = −K_прб, и для согласованного пассивного четырёхполюсника при температуре T₀ это равенство точное. Для цифрового аттенюатора отсюда следует, что вместе с установленным ослаблением изменяется и его коэффициент шума, а с ним результирующий коэффициент шума тракта.

Результирующий коэффициент шума приёмного тракта даёт формула Фрииса [7], применяемая в линейных единицах к последовательности внутренних рёбер:

(7)

Здесь F_i и G_i – коэффициент шума и коэффициент передачи i-го каскада в разах, причём G_i подставляется эффективный, по (6), а не паспортный. Практическое следствие: перегруженный каскад усиливает слабее, а уменьшение усиления в начале цепочки, как следует из (7), увеличивает вклад всех последующих каскадов в результирующий коэффициент шума. Компрессия и шум таким образом связаны в рамках одного расчёта, тогда как при раздельном расчёте уровней и шума эта связь не прослеживается.

Наряду с этим рассчитывается эквивалентная шумовая температура

(8)

Здесь T₀ – физическая температура тракта, задаваемая пользователем; по умолчанию принято 25 °C. Паспортные значения K_ш блоков отнесены к стандартной температуре 290 К, поэтому в обычном диапазоне рабочих температур расхождение (8) с определением коэффициента шума не превышает 0,15 дБ.

Собственный шум на выходе тракта в полосе B, дБм, равен:

(9)

Здесь k_Б – постоянная Больцмана, T₀ – температура, К, B – полоса, Гц; при T₀ = 298 К первое слагаемое равно −173,9 дБм/Гц. Совместно (7)–(9) определяют чувствительность тракта при требуемом отношении сигнал/шум и разносят результирующий коэффициент шума по каскадам, что позволяет обоснованно выбрать место установки малошумящего усилителя.

Нелинейные искажения

Точка пересечения третьего порядка для цепочки каскадов рассчитывается через приведённые ко входу величины IIP3 = OIP3 − K_прб:

(10)

Уровень интермодуляционных продуктов третьего порядка определяется как

(11)

что совместно с (9) даёт оценку динамического диапазона тракта, свободного от интермодуляционных составляющих.

Проверка собранного тракта

Помимо расчёта числовых характеристик, модель позволяет формально проверить собранный тракт на непротиворечивость. Проверки выполняются по порт-графу и по геометрии размещения; результаты делятся на ошибки, когда тракт неработоспособен либо сборка опасна для блоков, и предупреждения, когда тракт работоспособен, но режим неоптимален. Проверяются три группы условий.

1. Совместимость ролей стыкуемых портов. Для каждого соединения, найденного по (1), проверяется, что источником выступает порт типа OUT, IN_OUT, OUT_GEN или POWER_OUT, а приёмником – IN, IN_OUT, POWER_IN или CONTROL_IN. Стыковка двух выходов в любой комбинации OUT и OUT_GEN, как и стыковка двух входов, помечается недопустимым соединением. Так обнаруживается типичная ошибка компоновки: блок, развёрнутый при перестановке на 180°, садится на место без геометрических замечаний, но его сигнальные порты оказываются направленными навстречу соседним.
2. Цепи питания. Силовые и управляющие входы (POWER_IN, CONTROL_IN) стыкуются только с выходом платы питания POWER_OUT; стыковка силового порта с сигнальным недопустима независимо от того, насколько аккуратно посажен блок. Далее у каждого активного блока контролируется наличие подключённой цепи питания: на трассировку сигнала по графу оставленный без питания вход усилителя не влияет, однако рассчитанные характеристики на реальной сборке достигнуты не будут. Номинал и тип платы питания сверяются с потребителем: широкополосные усилители и ГУН питаются от линейных стабилизаторов серии DC-LDO, усилителям мощности на GaN и GaAs необходим контроллер серии DC-HSC, задающий требуемую последовательность подачи напряжений на затвор и сток. Питание, поданное на GaN-усилитель в обход контроллера, топологию формально не нарушает, но выводит транзистор из строя, поэтому такая конфигурация отнесена к ошибкам.
3. Уровни мощности. Проверка ведётся по уровням, рассчитанным на всех достижимых портах по (3)–(5). Входная мощность выше паспортной допустимой относится к ошибкам: собранный таким образом тракт способен вывести блок из строя при первом включении. Коэффициент компрессии (4) выше порога даёт предупреждение о том, что каскад непреднамеренно переведён в нелинейный режим. Отдельно контролируется минимально необходимый уровень на входе блока: ряд узлов тракта работоспособен только начиная с определённой входной мощности, к ним относятся пассивные умножители и делители частоты, а также гетеродинный вход смесителя. Уровень ниже требуемого даёт предупреждение, поскольку по топологии и питанию замечаний к такой сборке не будет, а заявленных характеристик она не обеспечит.

Совместно эти проверки позволяют до подачи питания на реальную сборку ответить на практический вопрос: пройдёт ли сигнал по собранному тракту и не выйдет ли при этом из строя блок.

Реализация

Расчётная среда выполнена в виде веб-приложения, постоянно доступного по адресу platform2.svch-kit.ru. Блоки перетаскиваются из каталога на рабочее поле с монтажной сеткой; соединения не рисуются, а возникают при совмещении портов по условию (1). Общий вид собранного тракта в режиме компоновки приведён на рис. 2.

Рис. 2. Собранный тракт в режиме компоновки

Расчётное ядро строит порт-граф, сводит его к ациклическому подграфу распространения сигнала, определяет мощность на каждом порте, выполняет сквозной расчёт вдоль измеряемого пути и формирует диагностику. Блоки берутся из базы данных платформы, содержащей на момент публикации 124 позиции. Каждое изменение компоновки запускает полный пересчёт, поэтому расчёт выполняется одновременно с компоновкой, а не после неё. В расчётном режиме на той же схеме подсвечивается найденный путь и отмечаются блоки, у которых K_к > 0 (рис. 3).

Рис. 3. Тот же тракт в расчётном режиме

Результаты сводятся в отдельную панель (рис. 4). Тракт разложен в ней на сегменты: линейные участки представлены цепочкой каскадов, участки с ветвлением показаны раздельно по ветвям с указанием точки суммирования. Для каждого каскада выводятся коэффициент передачи, входной и выходной уровни, коэффициент компрессии и накопленные коэффициенты передачи и шума.

Рис. 4. Панель сквозного расчёта тракта

Пример: приёмный тракт

В качестве иллюстрации взяты два тракта, собранные из серийных блоков каталога. Приёмный (табл. 1) образован широкополосным усилителем MW-GB07-0403 (K_прб 21 дБ, K_ш 2,8 дБ), копланарной линией передачи, цифровым аттенюатором MW-DAT02-0605 с установленным ослаблением 15 дБ, усилителем MW-GB04-0403 (K_прб 16,7 дБ, K_ш 3,5 дБ) и смесителем MW-MX01-0303.

Таблица 1. Сквозной расчёт приёмного тракта 3,0 ГГц

Блок	Kпрб, дБ	Kш, дБ	ΣKпрб, дБ	ΣKш, дБ
MW-GB07-0403	+21,0	2,8	+21,0	2,80
MW-THR02-0203	−1,4	1,4	+19,6	2,81
MW-DAT02-0605	−15,0	15,0	+4,6	3,51
MW-GB04-0403	+16,7	3,5	+21,3	4,27
MW-MX01-0303	−8,0	8,0	+13,3	4,33

Расчёт при Pвх = −60 дБм, T0 = 25 °C, Δf = 1 МГц; все блоки в линейном режиме.

Суммарный коэффициент передачи тракта составил 13,3 дБ при коэффициенте шума 4,33 дБ, чему по (8) отвечает эквивалентная шумовая температура 511 К. Входному уровню −60 дБм соответствует выходной −46,7 дБм, все каскады работают линейно (K_к = 0). В полосе 1 МГц уровень собственного шума на выходе по (9) равен −96,2 дБм, что даёт отношение сигнал/шум 49,5 дБ; приведённый ко входу уровень шума −109,5 дБм соответствует чувствительности −99,5 дБм при требуемом отношении сигнал/шум 10 дБ.

Пример: передающий тракт

Передающий тракт (табл. 2) собран из ГУН MW-VCO05-0808 с выходной мощностью +3 дБм, линии передачи, предварительного усилителя MW-GB04-0403 и усилителя мощности MW-PA01-0605 на GaN (K_прб 20 дБ, P_вых1дБ +40 дБм). В исходной компоновке (вариант 1) расчёт по (3), (4) сразу указывает на ошибку: коэффициент компрессии предварительного усилителя достигает 1,98 дБ, то есть он перегружен по входу собственной мощностью ГУН. Аттенюатор MW-FA03-0203 на 10 дБ перед этим усилителем (вариант 2) возвращает тракт в линейный режим: K_к снижается до 0,38 дБ на предварительном усилителе и 0,10 дБ на оконечном при выходной мощности +27,8 дБм (0,60 Вт). Уровневые диаграммы обоих вариантов приведены на рис. 5.

Таблица 2. Сквозной расчёт передающего тракта до и после коррекции уровней

Блок	Kпрб, дБ	Pвых1дБ, дБм	Pвых, дБм	Kк, дБ
Вариант 1 (исходная компоновка)
MW-VCO05-0808	–	–	+3,0	–
MW-THR02-0203	−1,4	–	+1,6	0,00
MW-GB04-0403	+16,7	+13	+16,3	1,98
MW-PA01-0605	+20,0	+40	+35,9	0,45
Вариант 2 (после коррекции уровней)
MW-VCO05-0808	–	–	+3,0	–
MW-THR02-0203	−1,4	–	+1,6	0,00
MW-FA03-0203	−10,0	+30	−8,4	0,00
MW-GB04-0403	+16,7	+13	+7,9	0,38
MW-PA01-0605	+20,0	+40	+27,8	0,10

Значения Pвых варианта 1 при Kк > 1 дБ приведены как индикатор перегрузки, а не как оценка реальной мощности.

Рис. 5. Уровневые диаграммы передающего тракта

Более существен другой результат расчёта. Усилитель мощности с K_прб 20 дБ выходит на собственную точку компрессии +40 дБм при входном уровне около +20 дБм, а предварительный усилитель MW-GB04-0403 с P_вых1дБ +13 дБм такую раскачку обеспечить не может: в линейном режиме тракт отдаёт 0,60 Вт вместо реализуемых для MW-PA01-0605 единиц ватт. Ограничением тракта является не оконечный каскад, а драйвер, и для полного использования усилителя мощности необходим предварительный усилитель с большей точкой компрессии по выходу. При расчёте вручную этот вывод обычно получают по результатам измерений собранного макета.

Формальную проверку сборки оба тракта проходят. В варианте 1 формируется предупреждение о компрессии предварительного усилителя, а при снятой цепи питания MW-PA01-0605 формируется ошибка отсутствия контроллера DC-HSC01-0605, причём численный расчёт остаётся при этом формально успешным. Расчёт и верификация сборки решают разные задачи и применяются совместно.

Применение в учебном процессе

Сочетание набора функциональных блоков с расчётной моделью позволяет применять платформу в учебном процессе. Лабораторная работа, ранее сводившаяся к сборке и измерению заданной преподавателем схемы, дополняется расчётным этапом. Студент компонует тракт в расчётной среде, получает уровни мощности, коэффициент передачи и коэффициент шума, добивается отсутствия диагностик, после чего собирает ту же схему из физических блоков и сравнивает измеренные характеристики с расчётными. Расхождение расчёта и измерения становится предметом разбора: состав и топология обеих схем заведомо совпадают.

Второе применение – задачи синтеза при ограниченном наборе средств: из заданного перечня блоков собрать тракт с требуемыми коэффициентом передачи, выходной мощностью при заданном запасе до компрессии и коэффициентом шума. Такая постановка близка к реальной инженерной задаче и, в отличие от расчёта по учебнику, допускает немедленную проверку решения: сначала расчётом, затем сборкой.

Заключение

В описанном подходе расчётная модель СВЧ-тракта не вводится как схема, а восстанавливается из геометрии физической сборки на платформе модульного прототипирования. Разделение рёбер порт-графа на внешние и внутренние даёт единый способ обработки двухпортовых и многопортовых блоков, ветвлений и суммирования мощности, а разделение портов на сигнальные, силовые и управляющие делает возможной формальную верификацию сборки, недоступную системным САПР, которые оперируют абстрактной цепочкой каскадов.

Модель обеспечивает сквозной расчёт коэффициента передачи, уровней мощности с учётом компрессии, коэффициента шума по формуле Фрииса и характеристик нелинейности, а также три группы проверок: стыковки сигнальных портов, цепей питания и уровней мощности. Введение эффективного коэффициента передачи каскада связало компрессию с результирующим коэффициентом шума в рамках одного расчёта. Расчёт выполняется одновременно с компоновкой: результаты и диагностика обновляются вместе со схемой, а ошибки, которые прежде обнаруживались при включении реальной сборки, выявляются до подачи питания.

Модель использует ряд упрощений, которые следует учитывать при интерпретации результатов. Собственный коэффициент шума блока принят постоянным и от режима не зависит; на шум компрессия влияет лишь опосредованно, через уменьшение усиления по (6). Фазовые соотношения сигналов не рассчитываются, поэтому в точках схождения ветвей мощности складываются по (5) как мощности некоррелированных сигналов; отличить когерентное сложение от некогерентного модель не может, и для схем с балансным усилителем или иным делением с последующим синфазным суммированием результат требует отдельной проверки. За пределами K_к ≈ 1…2 дБ значения выходной мощности носят индикативный характер, а для пассивных блоков точка компрессии задаётся в каталоге условно большой величиной, и допустимая мощность контролируется для них отдельным паспортным параметром, а не по (3).

Основное ограничение текущей реализации – отсутствие частотной зависимости: расчёт ведётся по скалярным паспортным параметрам, и рабочие диапазоны блоков не участвуют ни в расчёте, ни в проверках. Ближайшее направление работы – переход к описанию блоков частотно-зависимыми S-параметрами и введение на этой основе проверки частотной совместимости последовательно соединённых блоков. Отдельное направление – выгрузка рассчитанного тракта в спецификацию заказа блоков.

Скачать статью в пдф формате

Реклама в журнале «Эkектроника СВЧ»: anton.denisov@ecomp.pu

Литература

1. Гаранович Д. И., Григорьев О. В. Быстрое прототипирование СВЧ-трактов на отечественной ЭКБ с помощью системы «СВЧ КИТ» // СВЧ-электроника. 2025. № 4.
2. «СВЧ КИТ». www.svch-kit.ru/
3. X-Microwave – Modular RF Prototyping & Production Platform. www.xmicrowave.com/
4. RF Budget Analyzer. Analyze gain, noise figure, IP2, and IP3 of cascaded RF elements. MathWorks Documentation. www.mathworks.com/help/rf/ref/rfbudgetanalyzer-app.html
5. РаТрак – калькулятор расчёта радиотракта. www.n-teh.sourcecraft.site/ratrak/
6. RxCalc – Radio receiver calculator. www.sourceforge.net/projects/rxcalc/

7. Friis H. T. Noise Figures of Radio Receivers // Proceedings of the IRE. 1944. Vol. 32. № 7.