Разработка МШУ диапазона 1-2 ГГц с использованием программы структурного синтеза СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма

УДК 621.375.4

И.М. Добуш, А.А. Калентьев, Д.А. Жабин, Д.С. Гарайс, Л.И. Бабак

Разработка МШУ диапазона 1-2 ГГц с использованием программы структурного синтеза СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма

Описывается процесс разработки одно- и двухкаскадного малошумящих усилителей (МШУ) диапазона частот 1-2 ГГц, выполненных по технологии печатного монтажа, с помощью программы структурно-параметрического синтеза СВЧ-транзисторных усилителей (ТУ) «Ge-neamp» на основе генетического алгоритма. Реализованный в Geneamp подход, в отличие от существующих, позволяет синтезировать СВЧ ТУ с использованием наборов ^-параметров пассивных элементов, что дает возможность разработчику получать реализуемые схемотехнические решения с учетом реальных характеристики электронных компонентов выбранного производителя. Проведено сравнение результатов моделирования МШУ с измерениями. Ключевые слова: СВЧ-транзисторный усилитель, МШУ, структурно-параметрический синтез, генетический алгоритм, наборы ^-параметров, SMD-компонент.

Для решения задач синтеза (генерации) принципиальных схем линейных и малошумящих СВЧ-транзисторных усилителей (ТУ) по заданным требованиям к характеристикам в Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС) ТУСУРа были разработаны подход и программа структурно-параметрического синтеза «Geneamp», основанные на генетическом алгоритме (ГА) [1, 2].

Развитие подхода к автоматизированному проектированию ТУ на основе ГА, с точки зрения использования моделей пассивных элементов в процессе синтеза, можно условно разделить на три этапа [1-5]:

1) Модели идеальных пассивных элементов [1, 2], в том числе идеальные емкости, индуктивности, сопротивления, линии передачи (ЛП) и др.

2) Параметрические модели пассивных элементов в виде эквивалентных схем (ЭС) [3, 4]. Данный вариант программы был преимущественно ориентирован на GaAs-, InP- и GaN-технологии изготовления СВЧ-монолитных ТУ и использовал модели пассивных монолитных элементов, в частности, полупроводниковых и тонкопленочных резисторов, МДМ-конденсаторов, квадратных и круглых спиральных катушек индуктивности, ЛП с потерями и др.

3) Модели пассивных элементов в виде наборов ^-параметров [5], такой подход имеет два главных преимущества. Во-первых, отсутствует необходимость в трудоемкой процедуре построения параметрических моделей в виде ЭС, так как измеренные ^-параметры пассивных элементов различных номиналов могут быть непосредственно применены в процессе синтеза. Во-вторых, открывается возможность синтеза не только монолитных усилителей, но и ВЧ/СВЧ ТУ, выполненных по технологии печатного монтажа с использованием SMD-компонентов (Surface Mounted Device - прибор для поверхностного монтажа). В последнем случае могут быть использованы измеренные 5-па-раметры резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предоставляемые большинством производителей электронной компонентной базы (ЭКБ) в стандартных форматах файлов *.s2p или *.mdif и соответствующие ряду типономиналов изготавливаемых в виде чипов компонентов.

Примеры синтеза СВЧ ТУ на основе идеальных и ЭС-моделей пассивных элементов представлены в работах [1-4]. Целью настоящей работы является демонстрация эффективности реализованного в программе Geneamp алгоритма, позволяющего осуществить структурный синтез СВЧ ТУ при использовании моделей пассивных элементов в виде наборов ^-параметров [5], на примере разработки одно- и двухкаскадного малошумящих усилителей (МШУ) диапазона 1-2 ГГц. Усилители выполнены в микрополосковом тракте на печатных платах (ПП) с использованием SMD-компонентов. Описаны основные этапы проектирования, проведено сравнение результатов измерений, разработанных МШУ с параметрами коммерческих отечественных и зарубежных аналогов.

Алгоритмы синтеза СВЧ ТУ на основе ГА, использующие идеальные и ЭС-модели пассивных элементов, исследованы и подробно описаны в [1-4]. Для реализации возможности синтеза ТУ

на SMD-компонентах алгоритм был модифицирован [5]. В частности, были внесены изменения в способ кодирования-декодирования хромосомы [1, 2], описывающей СВЧ ТУ. При этом в хромосоме кодируется в бинарном виде номер типономинала каждого пассивного элемента. После декодирования хромосомы из mdif-файла выбирается набор ^-параметров пассивного элемента, соответствующий выбранному номеру типономинала, он используется при расчете характеристик усилителя. Также была введена модель пассивного элемента в виде набора ^-параметров. В качестве моделей транзисторов используются наборы S- и шумовых параметров на фиксированных частотах.

Модифицированный алгоритм был включен в новую версию программы Geneamp [5], в качестве исходных данных при работе в программе пользователь задает: требования к комплексу характеристик усилителя в полосе частот Д/ (коэффициент усиления G, коэффициент шума NF, уровни согласования на входе |S11| и выходе |S22|, устойчивость к); ограничения на структуру усилителя (число усилительных каскадов, использование или неиспользование входной, выходной и межкаскадных согласующих цепей (СЦ)); ограничения на структуру каждого усилительного каскада (использование или неиспользование определенных включений цепей коррекции и обратной связи (ОС), типы и число элементов в каждой цепи); ограничения на структуру каждой СЦ (число и способ включения ветвей, типы и число элементов в каждой ветви), кроме того, выбираются ряды типономиналов для каждого пассивного SMD-компонента и загружаются файлы, содержащие S- и шумовые параметры активных элементов (АЭ) для разных конструкций или рабочих точек.

В процессе синтеза программа, исходя из требований к характеристикам ТУ, автоматически генерирует его принципиальную схему и номиналы всех элементов, а также проводит вариацию и выбор АЭ. При этом ГА синтезирует несколько различных вариантов схем ТУ. Особенностью программы Geneamp является возможность полного контроля структуры и значений элементов синтезируемых усилителей, что позволяет получать практически реализуемые решения.

Автоматизированное проектирование МШУ диапазона 1-2 ГГц. В табл. 1 приведены требования, предъявляемые к характеристикам одно- и двухкаскадного усилителей. В качестве АЭ использовались малошумящие корпусированные GaAs-полевые транзисторы от следующих производителей: TriQuint, Avago Technologies, Mitsubishi Electric и Renesas Electronics. В качестве пассивных элементов применялись SMD-компоненты фирм Coilcraft и Panasonic.

„ _ , С использованием результатов из-

Таблица 1

Требования к характеристикам МШУ мерений, полученных ш спршючных

данных производителей активных и

пассивных элементов, для осуществления синтеза МШУ в диапазоне частот до 6 ГГц были сгенерированы наборы S- и шумовых параметров для АЭ в различных рабочих точках, а также наборы S-параметров пассивных элементов. Эти данные были загружены в программу Geneamp.

На структуру усилителей были наложены следующие ограничения: СЦ должны содержать элементы подачи напряжений питания и смещения на транзисторы, а также элементы развязки по постоянному току; в цепи истоков транзисторов разрешено использование индуктивной последовательной ОС; для уменьшения коэффициента шума параллельная ОС в усилительных каскадах не использовалась.

В результате 10 запусков процедуры синтеза для каждого из МШУ получены по 5 различных схем, удовлетворяющих требованиям. На рис. 1 показаны схемы и смоделированные частотные характеристики МШУ, имеющих наилучшие параметры и использующие pHEMT-транзисторы компании Avago Technologies.

На заключительном этапе были добавлены цепи питания, разработаны топологии тестовых ПП и выполнено с использованием программы «Microwave Office» моделирование характеристик МШУ (рис. 2, в, г). Размеры ПП МШУ: однокаскадный - 35^25 мм2, двухкаскадный - 45*25 мм2.

После изготовления тестовых ПП и монтажа МШУ (рис. 2, а, б) были проведены измерения их СВЧ-характеристик (рис. 2, в, г). При напряжении питания 4 В ток потребления однокаскадного МШУ составляет 60 мА, двухкаскадного - 140 мА.

В табл. 2 и 3 сведены требования к основным параметрам одно- и двухкаскадного МШУ, а также данные моделирования и эксперимента. Как видно, результаты моделирования и эксперимента имеют хорошее совпадение.

Тип МШУ 4/ ГГц G, дБ NF, дБ |S„|, дБ |S22|, дБ к

Однокаскадный 1-2 13±0,7 < 0,8 < -10 < -10 > 1

Двухкаскадный 1-2 29±1 < 0,8 < -10 < -10

C2„ C3

г.

GT = 13 ± 0,5 дБ C NF = 0,7 дБ

|S„| < -10,5 дБ 11 1 h |S22| < -10,5 дБ ]Li k > 1

TLii L^ II Д1

TLa\ L

C3

IH GT=29 ± 1 дБ NF = 0,8 дБ 3 |S„| < -11 дБ |S22| < -10 дБ k > 1

а б

Рис. 1. Схемы МШУ, синтезированные в вепеатр: однокаскадный - а; двухкаскадный - б

l^nUfel, дБ G, дБ

10 35

30 25 20 15 10 5

- Моделирование — Измерения

Gи

\', V

V7 IyW

15 10 5 0 -5 -10 -15 -20

Рис.

-20 о

1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Частота, ГГц Частота, ГГц

в г

2. Фотографии экспериментальных образцов МШУ 1-2 ГГц, а также результаты их моделирования и измерений: однокаскадный - а, в; двухкаскадный - б, г

C2

2

б

Таблица 2

Параметры однокаскадного МШУ: требования, моделирование и эксперимент

Этапы разработки Af, ГГц G, дБ NF, дБ |S„|, дБ |S22|, дБ Кп//потр, В/мА Размеры платы, мм2

Требования 1-2 13±0,7 <0,8 <-10 <-10 4/60 -

Моделирование 1-2 13±0,5 <0,7 <-10,5 <-10,5 4/60 35x25

Эксперимент 1-2 13,6±0,3 <0,9 <-13 <-10,2 4/60 35x25

Таблица 3

Параметры двухкаскадного МШУ: требования, моделирование и эксперимент

Этапы разработки А, ГГц G, дБ NF, дБ |Sn |, дБ |S22|, дБ Кп/Тпотр, В/мА Размеры корпуса, мм2

Требования 1-2 29±1 <0,8 <-10 <-10 4/140 -

Моделирование 1-2 29±1 <0,8 <-11 <-10 4/140 45x25

Эксперимент 1-2 28,7±0,5 <0,85 <-9,6 <-9,1 4/140 45x25

В табл. 4 приведены характеристики существующих коммерческих аналогов созданных МШУ Как видно, с использованием программы структурно-параметрического синтеза СВЧ ТУ вепеатр на основе ГА разработаны МШУ диапазона 1-2 ГГц с параметрами на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов.

Таблица 4

Параметры прямых аналогов разработанных МШУ

Производитель (модель) f ГГц G, дБ NF, дБ i^n|, дБ S^i, дБ V /I В/мА Размеры 3 корпуса, мм

Miteq (AFD4-010020-06) 1-2 44±1,25 0,6 -9,54 -9,54 15/175 39x19,3x2,87

Микран (010020-02) 1-2 35 0,8 -9,54 -9,54 8..15/- -

Mercury Systems (7216) 1-2 20±1 0,8 -9,54 -9,54 5/50 34,29x25,4x10,16

RFCOMP (HD30157) 1-2 35±4 1 -10,16 -8,52 12/180 31,75x31,75x14,29

Daico (DAML6274) 0,7-2,1 30 1,35 (1,5) -12,6 -12,6 5/350 50,8x17,78x10,16

Mini-Circ. (ZRL-2150) 0,95-2,15 25±1,8 1,5 (2,2) -17,69 -20,83 12/255 95,25x50,8x20,32

Mini-Circ. (ZEL-1217LN) 1,2-1,7 20±1 1,5 -7,36 -7,36 15/70 22,86x22,86x17,15

MWT (AN12201N) 1,2-1,8 28/31±0,5 1,7 - - 12/180 -

RFCOMP (HD24854) 0,95-2,15 55±1 2 -10,88 -10,88 12/475 41,3x19,3x8,43

Тантал (M42143) 1-2 25±1 2,5 -7,36 -7,36 -12/- 66x35x15,5

Исток (M421173-1) 1,4-1,7 20±0,75 2,5 -9,54 -9,54 9/30 бескорпусной

Тантал (M42143-I) 1-2 30±1 3 -7,36 -7,36 -12/- 66x35x15,5

Исток

Заключение. Предложенный и реализованный в программе Geneamp подход на основе ГА, в отличие от существующих подходов, позволяет синтезировать линейные СВЧ-транзисторные усилители с использованием наборов ^-параметров пассивных элементов. Это дает возможность разработчику получать реализуемые схемотехнические решения с учетом реальных характеристик ЭКБ выбранного производителя. Эффективность подхода продемонстрирована на примере разработки МШУ диапазона 1-2 ГГц с параметрами на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов.

Литература

1. Babak L.I. A new technique for synthesis of low noise amplifiers based on genetic algorithm and morphological approach / L.I. Babak, A.A. Kokolov, A.A. Kalentyev // 21th Int. Crimean Conf. @Micro-wave and Telecommunication Technology@ (CriMiCo'2011). - 2011. - P. 228-229.

2. Babak L.I. A new genetic-algorithm-based technique for low noise amplifier synthesis / L.I. Babak, A.A. Kokolov, A.A. Kalentyev, D.V. Garays // 7-th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC). - 2012. - P. 381-384.

3. Калентьев А. А. Структурный синтез СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием параметрических моделей монолитных элементов / А. А. Калентьев, Д.В. Гарайс, Л.И. Бабак, А.А. Коколов, И.М. Добуш // Сб. трудов 22-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - 2012. - Т. 1. - С. 131-132.

4. Калентьев А.А. Структурно-параметрический синтез СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием моделей монолитных элементов / А.А. Калентьев, Д.В. Гарайс, И.М. Добуш, Л.И. Бабак // Доклады ТУСУРа. - 2012. - № 2 (26). - С. 104-112.

5. Калентьев А.А. Структурный синтез СВЧ-транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с применением моделей пассивных элементов в виде наборов S-параметров / А.А. Калентьев, Д.А. Жабин, И.М. Добуш, Д.В. Гарайс, Л.И. Бабак // Сб. трудов 24-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - 2014. - Т. 1. - С. 117-118.

Добуш Игорь Мирославович

Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Лаб. интеллектуальных компьютерных систем (ЛИКС) ТУСУРа Тел. (раб.): +7-913-827-52-91 Эл. почта: igadobush@gmail.com

Калентьев Алексей Анатольевич

Аспирант каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП),

мл. науч. сотрудник ЛИКС ТУСУРа

Тел. (раб.): +7-913-827-52-91

Эл. почта: alexey.kalentyev@gmail.com

Жабин Дмитрий Александрович

Аспирант каф. КСУП

Тел. (раб.): +7-913-827-52-91

Эл. почта: zhabin91g@gmail.com

Гарайс Дмитрий Викторович

Аспирант каф. КСУП

Тел. (раб.): +7-913-827-52-91

Эл. почта: dvgarays@gmail.com

Бабак Леонид Иванович

Д-р техн. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУРа, профессор каф. КСУП

Тел. (раб.): +7-913-827-52-91

Эл. почта: leonid.babak@rambler.ru

Dobush I.M., Kalentyev A.A., Zhabin D.A., Garays D.V., Babak L.I.

LNAs 1-2 GHz development using genetic algorithm based on software tool «Geneamp»

The design of 1-2 GHz single- and double-stage LNAs on PCB is demonstrated using the genetic-algorithm-based software tool Geneamp that provides the structural-parametric synthesis of microwave transistor amplifiers. The new approach, implemented in Geneamp, allows synthesis of the microwave transistor amplifiers using sets of S-parameters. The approach allows generating the schematics according to real performance of chosen manufacturer's components. The comparison of modeled and measured performances of LNAs is presented. Keywords: microwave transistor amplifier, LNA, structural and parametric synthesis, genetic algorithm, sets of S-parameters, SMD-component.