12.6. Структурный и параметрический синтез. Автоматизация проектирования устройств свч

Проектирование СВЧ трактов современных радиотехнических систем представляет достаточно сложную задачу, решение кото­рой практически невозможно без ЭВМ. В результате проекти­рования должна быть получена конструкция устройства, частотные характеристики которой удовлетворяют заданным требованиям. В столь общей постановке данная задача не имеет единственного решения, так как различные по конструкции устройства могут иметь идентичные электрические характеристики. При проекти­ровании СВЧ тракта выделяют два основных этапа. Первый этап, называемый конструктивным синтезом, состоит в выборе одного или нескольких допустимых вариантов разрабатываемого устройства. На этом этапе разработчик, основываясь на интуиции и ин­женерном опыте, используя некоторые общие приближенные представления о принципе работы устройств СВЧ, пользуясь спе­циальными пособиями, где содержатся сведения об аналогичных устройствах и необходимые справочные материалы, определяет набор элементов, из которых состоит разрабатываемое устройст­во, и порядок их включения, т.е. предопределяет конструктивное выполнение элементов. Следует отметить, что для многих уст­ройств СВЧ в настоящее время созданы приближенные методики синтеза, как правило, использующие приближение теории длинных линий, с помощью которых можно по заданным техническим тре­бованиям приближенно определить конструктивные параметры элементов (см. гл.13 и 14).

Второй этап проектирования, называемый параметрическим синтезом, состоит в окончательном выборе варианта конструкции и уточнении параметров всех его элементов с целью получения требуемых частотных характеристик устройства. На этом этапе строят более точную эквивалентную схему проектируемого уст­ройства и выполняют анализ схемы, вычисляют элементы матри­цы рассеяния, что позволяет рассчитать частотные характеристики проектируемого устройства. Частотные характеристики, рассчитан­ные по уточненной эквивалентной схеме, могут существенно отли­чаться от заданных при проектировании. Это отличие будет тем больше, чем более грубые и приближенные методики синтеза ис­пользовались на первом этапе. Если найденные характеристики не удовлетворяют техническому заданию, возникает задача кор­рекции параметров базовых элементов, выбранных на первом этапе, с целью улучшения характеристик устройства.

Процесс улучшения характеристик устройства на основе ка­кого-то исходного варианта называется оптимизацией. Он сос­тоит в целенаправленном поиске таких параметров элементов устройства, которые обеспечивали бы минимальное значение не­которой целевой функции, оценивающей отклонение получаю­щихся характеристик от требуемых техническим заданием. Как правило, оптимизация проводится численно, т.е. по определен­ному плану перебираются возможные значения параметров эле­ментов. Для каждого сочетания параметров вычисляется матрица рассеяния и рассчитывается значение целевой функции. Отыс­кивается такое оптимальное сочетание параметров, при котором получается минимум целевой функции. По вопросам численной оптимизации существует обширная литература. Достаточно полное представление о методах численной оптимизации примени­тельно к задачам проектирования радиосистем можно найти в [43, 45]. Чем сложнее устройство и жестче требования к его хара­ктеристикам, тем важнее роль оптимизации. Второй этап проекти­рования практически невозможно выполнить без ЭВМ.

Эффективность любого проектирования в большей степени зависит от того, в какой мере удается автоматизировать стан­дартные операции, не требующие принятия решений. Такими стандартными операциями при проектировании трактов СВЧ яв­ляются расчет частотных характеристик известной схемы и в оп­ределенной степени процесс оптимизации.

Структурный синтез, выполняемый на первом зтапе, где раз­работчик, используя свой опыт, принимает неформальное реше­ние по выбору конструкции, очевидно, не может быть полностью автоматизирован. Поэтому при проектировании СВЧ трактов ис­пользуют системы автоматизированного проектирования (САПР) устройств* СВЧ. Ядром САПР является библиотека математи­ческих моделей базовых элементов, содержащая вычислитель­ные программы для расчета их матриц рассеяния. От полноты библиотеки зависит возможность проектировать те или иные трак­ты СВЧ на основе САПР. В настоящее время созданы САПР для проектирования СВЧ трактов определенного класса: например, САПР волноводных трактов или САПР полосковых плат [43] и т.д. В соответствии с назначением и формируется библиотека базовых элементов. Кроме этого, в САПР входит программа для вычисле­ния матрицы рассеяния всего устройства по известным матрицам базовых элементов. И наконец, одним из основных блоков САПР является блок оптимизации. В качестве вспомогательных блоков, входящих в САПР, можно отметить блок ввода исходных данных на проектирование и блок выдачи конструкторской документации.

Возможны различные варианты САПР. Идеальная САПР предполагает полную автоматизацию, т.е. весь указанный объем работ, вплоть до выдачи конструкторской документации, осуществ­ляется ЭВМ без участия человека, кроме тех случаев, когда из предложенных элементов ЭВМ не может синтезировать конст­рукцию с заданными характеристиками. В этом случае разработчик с учетом полученной от ЭВМ информации производит коррек­тировку исходной конструкции (первый этап) либо требований к проектируемому устройству, и весь процесс повторяется на ЭВМ. Однако, как показывает практика, подобные системы чрезвычайно сложны. Поэтому, как правило, разрабатывают более простые и эффективные системы диалогового типа, когда конструкция уст­ройства и начальный набор параметров базовых элементов, обра­зующих ее, задаются разработчиком, а ее анализ, т.е. расчет электрических характеристик и частичная оптимизация, выпол­няется ЭВМ. Результаты анализа и оптимизации отображаются на экране дисплея или выдаются в виде графиков, таблиц и т.д. При значительном расхождении требуемых и полученных характе­ристик разработчик вносит определенные коррективы в исходные данные либо критерии оценок при оптимизации и дает указание повторить анализ и оптимизацию. Подобный диалог человека с машиной продолжается до тех пор, пока не достигаются с за­данной точностью требуемые характеристики. Затем ЭВМ состав­ляет и оформляет конструкторскую документацию. Как показывает практика, режим диалога позволяет активно использовать опыт и интуицию разработчика, что существенно упрощает вычисли­тельные программы и ускоряет поиск оптимальной конструкции устройства. Более подробно ознакомиться с САПР устройств СВЧ можно в [43-45].