Информационные технологии автоматизированного проектирования усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств

проектирования телекоммуникационных устройств с использованием инструментальной среды AWR Microwave OfTice // Сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития •2007". Одесса: Черноморье. 2007. С. 72-75.

6. Карнкин Д.В. Нелинейные модели полевых транзисторов в САПР на основе инструментальной

среды AWR Microwave Office //Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций: Сб. науч. тр. СПб: Изд-во СПбГПУ. 2008. С. 259-269.

7. Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи: Учебник для вузов / B.J1. Карякин. М: Радио и связь, 2007. 433 с.

В. Л. Карякин, В. В. Карякин

Информационные технологии автоматизированного

проектирования усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств

Сегодня разработаны и продолжают совершенствоваться информационные технологии автоматизированного проектирования радиопередающих устройств.

Актуальность исследования определяется, прежде всего, возможностями информационных технологий в повышении качества и надежности разрабатываемых устройств, сокращении сроков проектирования.

В разрабатываемых усилителях мощности повышение качества и сокращение сроков проектирования достигается благодаря применению более совершенных компьютерных моделей на высоких и сверхвысоких рабочих частотах, внедрению новых информационных технологий анализа и оптимизации, автоматизации процесса проектирования и использованию зарубежной элементной базы.

Методики проектирования радиопередатчиков на отечественной элементной базе наиболее полно изложены в книгах под ред. Г.М. Уткина. В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского; В. В. Шахгильдяна: O.A. Челнокова, а также M.A. Сиверса. Г.А. Зейтленка. Ю.Б. Несвижского и др. авторов. Однако данные методики не позволяют в полной мере реализовать возможности зарубежной элементной базы, а также не ориентированы на компьютерное моделирование и автоматизацию проектирования.

Эффективный способ решения задач автоматизации проектирования передатчиков — использование инструментальной среды A WR Microwave Office (AWR MWO) [1-5].

Используемые до настоящего времени системы проектирования СВЧ-оборудования компаний Hewlett-Packard, Ansoft. Eagleware разработаны в 70-х и 80-х годах, предназначались для работы в OC UNIX, и лишь затем адаптированы для Windows. Как следствие, известные пакеты программ HP Advanced Design System, Momentum, Maxwell EM, HFSS, Microwave Explorer, Serenade, GENESYS, IE3D уступают по производительности в работе с Windows пакету AWR MWO.

Первую версию системы проектирования СВЧ устройств AWR MWO компания Applied Wave Research (AWR) представила в 1998 году.

AWR изначально ориентирована на ОС Windows и использование объектно-ориентированного программирования, что позволило создать программный продукт, оптимальный во многих отношениях: высокопроизводительный. доступный в использовании, с высокой степенью интеграции.

Инструментальная система AWR MWO написана на объектно-ориентированном языке С++ и может легко адаптироваться для решения новых прикладных задач, в частности для

автоматизации проектирования усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств.

Одна из задач работы, проводимой в Лаборатории автоматизированного проектирования инфокоммуникационных систем и устройств Поволжского государственного университета информатики и телекоммуникаций ( П ГУТИ ), — автоматизация проектирования усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств на биполярных транзисторах с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office.

Результаты исследований При решении данной задачи получены следующие результаты:

1. Проведен анализ нелинейных моделей биполярных плоскостных транзисторов и ге-терогранзисторов, которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.

2. Разработаны информационные технологии анализа и оптимизации усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств на биполярных транзисторах.

3. Разработаны рекомендации по созданию системы автоматизированного проектирования усилителей мощности на основе использования инструментальной среды AWR MWO.

В работе использованы компьютерные методы инструментальной среды AWR MWO. в которой для решения схемотехнических задач содержится два модуля для моделирования линейных и нелинейных схем — Voltaire LS и Voltaire XL. В основе пакета нелинейного анализа Voltaire XL лежит модифицированный метод гармонического баланса для использования в современных программах высокочастотных и сверхвысокочастотных приложений.

Новизна и практ ическая ценность исследований. Новизна полученных результатов исследований усилителей мощности с использованием компьютерных методов инструментальной среды AWR MWO заключается в следующем: обоснована методика построения статических характеристик транзисторов, динамических характеристик усилителей мощности в диапазонах высоких и сверхвысоких частот благодаря анализу нелинейных моделей биполярных плоскостных транзисторов и гетерот-ранзисторов:

предложена методика проектирования оптимальных нелинейных усилителей мощности

на биполярных транзисторах, представляющая собой совокупность разработанных методик исследования влияния параметров схемы усилителя на режимы его работы, оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения, оптимизации цепей согласования и оценки их энергетических характеристик;

предложена методика анализа и оптимизации широкополосного усилителя мощности на биполярном транзисторе в линейном режиме малого сигнала.

Достоверность результатов, полученных в инструментальной среде AWR Microwave Office, подтверждается результатами экспериментов. проводимых в Лаборатории автоматизированного проектирования инфокоммуникационных систем и устройств ПГУТИ на макетах усилителей мощности, выполненных с использованием современных технологий изготовления топологии печатных плат, монтажа элементов и высокоточного измерительного СВЧ оборудования (генераторы стандартных сигналов, измерители комплексных сопротивлений, измерители амплитудно-частотных характеристик, анализаторы спектра).

Адекватность использованных компьютерных моделей транзисторов реальным, подтверждается также результатами экспериментов. проводимых компанией AWR совместно с компаниями-разработчиками активных элементов, а также результатами тестирования пакета программ AWR Microwave Office зарубежными компаниями-разработчиками телекоммуникационных систем и устройств.

Результаты работы имеют существенное значение для отрасли телекоммуникаций, заключающееся в повышении качества и надежности разрабатываемых устройств, сокращении сроков проектирования.

Предложенные методики проектирования оптимальных нелинейных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств, методика анализа и оптимизации широкополосного усилителя мощности в линейном режиме малого сигнала с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office представлены в виде алгоритмов и программ, зарегистрированных в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

Этапы исследований

На первом этапе исследований приводится анализ моделей биполярных плоскостных транзисторов BJTн гетеротранзисторов IIВТ (рис.1), которые в настоящее время широко применяются при разработке телекоммуникационных устройств.

Рис. 1. Модель транзистора технологии НВТ в инструментальной среде AWR MWO

В частности, рассматриваются нелинейные модели биполярных транзисторов, адекватно описывающие нх динамику в диапазонах высоких и сверхвысоких рабочих частот. Отмечается, что выбор транзистора в базе данных инструментальной среды AWR MWO исходя из технических характеристик автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем.

Каждая из анализируемых моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств биполярного транзистора на рабочих частотах с учетом специфики его статических характеристик.

Приводится классификация SPICE-napa-метров — составной части математической модели транзистора в AWR MWO. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то численные значения SPICE-параметров можно ввести, воспользовавшись информацией производителей радиоэлектронных компонентов (NEC, Philips, Motorola), имеющейся на сайтах в сети Internet.

Рассматриваются перспективы развития технологии производства биполярных транзисторов. Из анализа развития технологии производства биполярных транзисторов следует, что

в ближайшем будущем в мощных высокочастотных усилителях найдут широкое применение сравнительно дорогие биполярные гетеротран-зисторы И ВТ на основе ваА^-технологии. а в высокочастотных усилителях малой и средней мощности при высоких требованиях к собственным шумам — более дешевые гетеротранзисторы НВТ на основе 51Се-технологии. Кремневые биполярные плоскостные транзисторы Д./7'уступают по частотным свойствам /УД'Гтранзисторам, но благодаря низкой стоимости находят широкое применение при разработке телекоммуникационных устройств.

Второй этап посвящен методике исследования влияния параметров схемы усилителя мощности (УМ) на режимы его работы, временные и энергетические характеристики.

Дана методика построения статических характеристик биполярных транзисторов в инструментальной среде М\\Ю. Отмечается, что для построения статических характеристик необходимо вначале выбрать нелинейный усилительный элемент из базы данных МШО с учетом требований технического задания по параметрам и области применения усилителя мощности. Следующим этапом является подготовка программы к проведению исследований УМ в инструментальной среде МШО. Алгоритм подготовки МШО к проведению исследований содержит информацию о последовательности открытия нового проекта в среде методике составления компьютерной модели выбранного транзистора из библиотеки М\\Ю или библиотек производителей радиоэлектронных компонентов.

На основании компьютерной модели выбранного транзистора разработан алгоритм программы М\УО построения статических характеристик усилителей мощности. Анализ характеристик позволяет судить о работоспособности модели транзистора по постоянному току, характере нелинейности, диапазоне значений входного напряжения, при котором удовлетворяются требования по максимально допустимому выходному току.

Для наиболее полного исследования работы УМ с выбранным транзистором на рабочих частотах разработана программа построения динамических характеристик, т.е. зависимостей выходного тока от выходного напряжения с учетом сопротивления нагрузки транзистора и его инерционных свойств на рабочих частотах.

Построение динамической характеристики осуществляется в плоскости построений семейства статических характеристик. Это обеспечивает наглядность полученных результатов исследования УМ. В частности, в совокупности с временными зависимостями выходного тока можно судить о режиме работы УМ. инерционности транзистора, контролировать влияние блокировочных элементов цепей питания и смещения на работу УМ.

С целью выбора ограничений на параметры усилителя мощности при его оптимизации разработана совокупность методик с использованием динамических характеристик (рис. 2), позволяющих исследовать влияние сопротивления нагрузки, питающих напряжений, мощности возбуждения, напряжения смещения, цепей питания на режимы работы, временные и энергетические характеристики.

ГУСигге

Рис. 2. Динамические характеристики УМ при изменяющемся напряжении коллекторного питания

На третьем этапе дана методика оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения УМ.

Схема усилителя мощности передающих устройств в общем случае содержит активный элемент (АЭ). входную и выходную цепи согласования, а также цепи питания и смещения. Входная цепь согласования трансформирует входное сопротивление АЭ в оптимальное сопротивление нагрузки для источника возбуждения, а выходная — сопротивление нагрузки в требуемое для данного транзистора сопротивление с целью обеспечения оптимального режима работы.

Критерием оптимизации, как правило, является максимальная выходная мощность при достаточно высоком значении КПД.

Результаты исследований УМ с использованием ранее рассмотренных методик позволяют сформулировать ограничения на параметры УМ, т.е. задать напряжение питания, смещения, мощность возбуждения, схему цепей питания, возможные пределы изменения варьируемых параметров для выбранного транзистора.

Выбранные критерии оптимизации и ограничения на параметры схемы УМ даюг возможность сформулировать целевую функцию, т.е. максимально формализовать решение задачи оптимизации.

Настоящий этап работы посвящен рассмотрению методики оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения по заданным критериям качества при ограничениях на параметры УМ, сформулированных на основании использования ранее рассмотренных методик.

Приведенные методики оценки оптимального сопротивления нагрузки (рис. 3) и сопротивления источника возбуждения по заданным критериям качества позволили перейти к рассмотрению алгоритмов и программ проектирования цепей согласования УМ в среде М\УО.

Приводятся результаты анализа и оптимизации входных и выходных цепей согласования УМ. при проектировании которых на первое место выступает требование к трансформации нагрузочных сопротивлений в диапазоне рабочих частот.

Рис. 3. Результаты оценки оптимального сопротивления нагрузки и максимальной выходной мощности УМ

Однако для обеспечения высоких энергетических характеристик УМ к цепям согла-

сования предъявляются также требования минимизации потерь мощности в диапазоне рабочих частот. В этой связи представляет интерес оценка энергетических характеристик цепей согласования, схемы которых получены в результате оптимизации, исходя из критериев наилучшего согласования с источником возбуждения и нагрузкой.

Приводится методика оценки затухания оптимальных цепей согласования УМ по мощности в диапазоне рабочих частот.

В результате проведенных на предыдущих этапах анализа и оптимизации усилителей мощности построена принципиальная схема, представленная на рис. 4.

Явх

На четвертом этапе проводится анализ и оптимизация широкополосного линейного усилителя мощности.

В некоторых случаях к усилителю мощности предъявляются высокие требования по широ-кополосности и линейности его характеристик, в частности, при усилении многоканального сигнала с изменяющейся амплитудой.

Один из путей расширения диапазона рабочих частот усилителя мощности — исключение из схемы входных и выходных цепей согласования. Требуемое входное и выходное сопротивления усилителя можно обеспечить благодаря наличию в его схеме цепей отрицательной обратной связи по напряжению и по току. Линейность характеристик УМ достигается выбором режима, при котором работа транзистора осуществляется в активной области статических характеристик. В этом режиме в связи с высокими требованиями по линейности усилителя мощности транзистор не должен находиться в состояниях отсечки и насыщения.

В данном разделе разработан алгоритм программы МШО анализа и оптимизации работы широкополосного усилителя мощности с цепями отрицательной обратной связи. Критерий оптимизации — минимизация отличия выходной мощности от заданной в диапазоне рабочих частот при стандартных сопротивлениях источника возбуждения и сопротивления нагрузки 50 Ом и заданных ограничениях на величину переменных параметров цепей обратной связи усилителя мощности.

Результатом оптимизации является принципиальная схема УМ (рис. 5). обеспечивающая требуемый коэффициент усиления по мощности в заданном диапазоне рабочих частот.

Пятый этап посвящен методике автоматизации проектирования оптимальных усилителей мощности телекоммуникационных передающих устройств на биполярных транзисторах.

Как отмечалось ранее, критерием оптимизации УМ, как правило, является максимальная выходная мощность при достаточно высоком значении КПД.

Результаты исследований с использованием ранее разработанных методик, реализованных в виде алгоритмов и программ, позволили перейти к проектированию оптимальных УМ, содержащих активный элемент, входную и выходную цепи согласования, а также цепи питания и смещения (см. рис. 4).

Алгоритм проектирования.

N1 Ввод исходных данных.

Из базы данных М\¥0 выбирается транзистор, исходя из требований технического задания по мощности, диапазону рабочих частот и области применения.

СЭ 10 НФ

I—I

Ы 1000 нГI

1-1 3 нГи а 2,2 нГн С2 «3,7 пФ

1 1

из 1000 нГн

С4 43 пФ 1.5 1.2 нГи 1_Б 1,7 нГн

С5 6.3 п

1 1

Рис. 4. Схема усилителя мощности, оптимального по критерию максимальной выходной мощности при высоком КПД

С710 нФ

I—IMF-4

Е1 9 В

L3 10 мкГн L2 73,8 нГн R3 467 Ом

С210 нФ

Р = 0.5 дБм R = 50 Ом

С610 нФ

Rm = 50 Ом

1

,5 пФ

Utcs,J

R1 10,8 Ом R2 10,5 Ом

Рис. 5. Оптимальная схема широкополосного усилителя мощности

N2 Составляется компьютерная модель транзистора с помощью программы УМ I.

N3 Строятся статические характеристики транзистора с помощью программы УМ2.

N4 Составляется компьютерная модель схемы УМ и строятся динамические характеристики с помощью программы УМЗ.

N5 Выбираются параметры УМ (мощность и сопротивление источника возбуждения, схема цепей питания, напряжение питания, напряжение смещения. сопротивление нагрузки), обеспечивающие требуемые режимы с помощью программ УМ4, УМ5. УМ6, УМ7. УМ8.

N6 Составляется компьютерная модель проектируемого УМ с учетом ограничений на параметры.

N7 Определяется оптимальное сопротивление нагрузки УМ с помощью программы УМ9.

N8 Определяется оптимальное сопротивление источника возбуждения УМ с помощью программы УМЮ.

N9 Составляется компьютерная модель выходной цепи согласования и проводится ее анализ с помощью программы УМ 11.

N10 Проводится структурно-параметрическая оптимизация выходной цепи согласования с помощью программы УМ 12.

N11 Составляется компьютерная модель входной цепи согласования и проводится ее анализ с помощью программы УМ 13.

N12 Проводится структурно-параметрическая оптимизация входной цепи согласования с помощью программы УМ 14.

N13 Составляется принципиальная схема проектируемого УМ. формулируются требования к конструкции разрабатываемого устройства.

Совокупность методик и программ, приведенных в N'5, N6 алгоритма проектирования, обеспечивают формирование ограничений при решении задачи оптимизации УМ.

Методики и программы, рассмотренные в N7, N8 алгоритма проектирования, позволяют провести оптимизацию УМ с заданным критерием качества и ограничениями, сформулированными в N5, N6.

Реализация результатов оптимизации УМ в N5-N8 обеспечивается разработкой оптимальных согласующих цепей со стандартными 50 омными сопротивлениями источника возбуждения и нагрузки УМ с помощью программ, рассмотренных в N10-N12. составлением принципиальной схемы проектируемого УМ и формулировкой требований к конструкции разрабатываемого устройства (N13).

В рассмотренном алгоритме проектирования введены следующие обозначения.

УМ1 — программа подготовки MWO к проведению исследований; УМ2 — программа построения статических характеристик транзистора; УМЗ — программа построения динамических характеристик УМ; УМ4 —програм-

ма исследования нагрузочных характеристик УМ: УМ5 —программа исследования влияния питающих напряжений на режимы работы УМ; УМ6 — программа исследования влияния мощности возбуждения на режимы работы УМ; УМ7 — программа исследования напряжения смещения на режимы работы УМ; УМ8 — программа исследования влияния цепей питания УМ на режимы работы; УМ9— программа оценки оптимального сопротивления нагрузки УМ; УМ 10 — программа оценки оптимального сопротивления источника возбуждения УМ; УМ 11 —программа анализа работы выходной

цепи согласования УМ; УМ 12— программа оптимизации выходной цепи согласования УМ; УМ 13 — программа анализа работы входной цепи согласования УМ; УМ 14 — программа оптимизации входной цепи согласования УМ.

На основе полученных результатов разработаны рекомендации по созданию системы автоматизированного проектирования телекоммуникационных передающих устройств "Те1е-сот-М\УО" и представлены в виде технического задания с комплексом требований, которые необходимо выполнить для обеспечения эффективной работы пользователей в диалоговом режиме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карикии В.В. Информационные технологии моделирования биполярных транзисторов в САПР "Те1есот-М\УО"// Инфокоммуникационные технологии. Т. 6. № 3. М.: 2008. С. 86-93.

2. Карикии В.В. Нелинейные модели биполярных транзисторов в САПР "Те1есот-МУУО" // Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций: Сб. науч. тр. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 234-248.

3. Карикии В.В., Карякин Д.В. Информационные технологии проектирования телекоммуникационных устройств //Сб. тр. Мсждунар. науч.-техн. конф.

"Проблемы техники и технологии телекоммуникаций". Уфа: Изд-во УГАТУ, 2007. С. 82-85.

4. Система автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств "Telecom-MWO" с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office / Карякин В.В.. Карякин Д.В. М.: Федеральное агентство по образованию. 2007. (Отраслевой фонд алгоритмов и программ. № г/р 9010).

5. Устройства генерирования и формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи: Учебник для вузов / В.Л. Карякин. М: Радио и связь. 2007. 433 с.