Система проектирования микрополосковых полосно-пропускающих фильтров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.21, кандидат технических наук Никитина, Мария Ивановна

• Никитина, Мария Ивановна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитина, Мария Ивановна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

§ 1. Методы синтеза микрополосковых фильтров

§ 2. Системы автоматизированного проектирования СВЧ-

устройств

§ 3. Экспертные системы

ГЛАВА II. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ

§ 1. Расчет амплитудно-частотной характеристики

микрополоскового фильтра

§ 2. Трехзвенный микрополосковый фильтр. Зависимость

селективности фильтра от параметров конструкции

§ 3. Сравнение селективных свойств различных конструкций

четырехзвенных микрополосковых фильтров

§ 4. Влияние длины области связи резонаторов на крутизну

склонов АЧХ микрополосковых фильтров

§ 5. Выводы

ГЛАВА III. НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ИЬТЕХ

§ 1. Назначение и основные характеристики ЭС ИЬТЕХ

§ 2. Структура экспертной системы

§ 3. Модуль ввода технического задания

§ 4. Банк оптимальных конструкций. Файл-каталог

§ 5. Блок оптимизации параметров. Файл-решение

2

§ 6. Банк рекордных решений. Файл-задание

§ 7. Программа применения знаний

§ 8. Утилита Grlnfo

§ 9. Проектирование фильтров в ЭС FILTEX

§ 10. Программная реализация ЗС FILTEX

ГЛАВА IV. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФИЛЬТРОВ

§ 1. Физические аспекты оптимальной настройки

микрополосковых фильтров

§ 2. Новый метод оптимизации конструктивных параметров СВЧ фильтров

ГЛАВА V. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

§ 1. Сравнение расчетных и экспериментальных АЧХ фильтров

§ 2. Сравнение результатов расчета АЧХ фильтров в системах

FILTEX и TOUCHSTONE

§ 3. Возможности развития экспертной системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Инструментальная оболочка ЭС

Текст схемного файла 1

Текст схемного файла 2

Акт о внедрении

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система проектирования микрополосковых полосно-пропускающих фильтров»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Микрополосковые фильтры (МПФ) широко используются в технике СВЧ. Это объясняется рядом причин. К ним относятся: высокая надежность, хорошая воспроизводимость параметров, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, малые масса и габаритные размеры при требуемых электрических характеристиках. При этом существенным моментом является тот факт, что их проектирование и производство в достаточной степени может быть автоматизировано.

До настоящего времени проектирование СВЧ устройств, в частности микрополосковых фильтров, является задачей, решение которой под силу лишь высококвалифицированным специалистам в области СВЧ техники. Существующие программные средства проектирования СВЧ устройств, к ним относятся такие известные пакеты САПР, как FAGOT, SUPER-COMPACTR, TOUCHSTONE, в значительной мере ориентированы на высококвалифицированных специалистов в данной области - экспертов. Процесс проектирования включает в себя такие важные этапы, как подбор конструкции устройства, описание данной конструкции на специальном языке конкретной САПР, подбор начальных значений конструктивных параметров устройства, задание целевой функции и выбор метода оптимизации конструктивных параметров. На каждом этапе проектирования пользователю приходится решать достаточно сложные, трудоемкие задачи. Поэтому задача создания программного обеспечения, способного максимально облегчить труд конструктора, является актуальной.

Для того чтобы программа, предназначенная для решения задач в конкретной области, могла в процессе работы помочь пользователю определенными советами или даже принять решение вместо него, необходимо обеспечить эту программу комплексом специальных знаний в этой узкой предметной области. Такая программа, обладающая свойствами искусственного интеллекта, называется экспертной системой. При разработке экспертной системы приходится решать большой круг вопросов, связанных с накоплением знаний о предметной области, определением формы представления знаний, организацией логического вывода. Поэтому актуальной является задача экспертной оценки известных конструкций микрополосковых фильтров на предмет перспективности включения их в систему, а также накопления и формализации знаний о свойствах этих конструкций.

В связи с постоянным появлением новых конструкций микрополосковых фильтров, а также накоплением опыта работы с ними, необходимо, чтобы программное обеспечение для их проектирования обладало свойством открытости к дополнению и модернизации. Поэтому разработка принципов построения программного обеспечения, отвечающего указанному требованию, является актуальной.

Одной из основных целей автоматизированного проектирования является сокращение, насколько это возможно, времени на экспериментальную доводку разработанного устройства. Достижение этой цели обеспечивается использованием адекватных расчетных моделей для используемых элементов схемы, а также применением разнообразных методов оптимизации параметров конструкции. Поэтому актуальной является задача разработки новых эффективных методов оптимизации, снижающих временные затраты на разработку устройств.

Целями работы являются: разработка принципов построения и реализация программного обеспечения, максимально облегчаю-

5

щего работу проектировщика микрополосковых фильтров, открытого по отношению к расширению и модернизации. Для достижения этих целей в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) проведение расчетных экспериментов по выявлению закономерностей поведения избирательности ряда конструкций МПФ;

2) проведение экспертной оценки ряда используемых конструкций МПФ и формирование банка оптимальных конструкций;

3) разработка эффективного метода оптимизации конструктивных параметров МПФ;

4) выбор метода представления знаний по проектированию и инструментальных средств для построения экспертной системы;

5) разработка архитектуры экспертной системы, обеспечивающей возможность расширения и модернизации;

6) программная реализация экспертной системы по синтезу микрополосковых полосно-пропускающих фильтров.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем.

1. Исследована зависимость избирательности микрополосковых фильтров на параллельно связанных резонаторах с различным числом резонаторов от длины области связи. Показано, что традиционные фильтры на параллельно связанных резонаторах имеют неоптимальную длину области связи с точки зрения реализации симметричной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с максимальной прямоугольностью. Получена оптимальная относительная величина смещения резонаторов друг относительно друга, обеспечивающая максимальную прямоугольность АЧХ.

2. Разработаны принципы построения и программно реализована экспертная система по синтезу микрополосковых полосно-пропускающих фильтров, обладающая свойством открытости к мо-

дернизации и расширению, а также способностью накапливать опыт проектирования.

3. Разработан новый эффективный метод оптимизации конструктивных параметров микрополосковых фильтров.

Практическая ценность. Полученные результаты по зависимости асимметрии склонов АЧХ от длины области связи резонаторов могут быть использованы при практической реализации и настройке фильтров на параллельно связанных резонаторах. Созданная экспертная система является удобным средством проектирования МПФ, не требующим от пользователя особых навыков работы с ней. Система может быть использована также для исследования новых конструкций МПФ. Модульное построение системы и включение в нее инструментальной оболочки позволяет достаточно квалифицированному пользователю наращивать систему новыми конструкциями фильтров, модернизировать алгоритм автоматического проектирования устройств. Прикладная значимость работы состоит также в разработке нового эффективного метода оптимизации, который может быть использован для оптимизации параметров широкого класса СВЧ фильтров.

На защиту выносятся:

1) экспертная система по проектированию микрополосковых полосно-пропускающих фильтров;

2) результаты исследований избирательности микрополосковых фильтров на параллельно связанных резонаторах;

3) новый метод оптимизации параметров СВЧ фильтров.

Заключение диссертации по теме «Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства», Никитина, Мария Ивановна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена созданию экспертной системы для проектирования микрополосковых полосно-пропускающих фильтров.

Впервые путем расчетного эксперимента исследовано влияние длины области связи микрополосковых резонаторов на асимметрию склонов амплитудно-частотной характеристики полосно-пропускающего фильтра. В квазистатическом приближении получены зависимости коэффициентов крутизны склонов амплитудно-частотной характеристики от длины области связи МПР в двух-, трех-, четырех- и пятизвенных фильтрах. Показано, что традиционные фильтры на параллельно связанных резонаторах имеют неоптимальную длину области связи с точки зрения максимальной прямоугольности характеристики. Показано, что оптимальная относительная величина смещения резонаторов друг относительно друга 13/1Г, обеспечивающая максимальную прямоугольность АЧХ, колеблется в пределах от 0.23 до 0.3 в зависимости от числа звеньев в фильтре, ширины полосы пропускания, толщины подложки и ширины полосок МПР, а также от величины диэлектрической проницаемости. Показано, что для каждого фильтра существует единственное значение длины области связи МПР, при котором АЧХ фильтра имеет максимальную прямоугольность низкочастотного склона, а также значение длины области связи, при котором максимальна прямоугольность высокочастотного склона.

Впервые исследованы селективные свойства ряда конструкций четырехзвенных фильтров на параллельно связанных резонаторах с различной симметрией расположения полосок МПР. Показано, что конструкция с лестничным типом раздвижки резонаторов позволяет реализовывать фильтры с симметричной АЧХ и при этом с максимально возможным общим коэффициентом крутизны склонов. Выделена также конструкция с диагональным расположением точек кондуктивного подключения и такой раздвижкой резонаторов, при которой внешние резонаторы вместе с соседними внутренними резонаторами сдвигаются в противоположных направлениях. Показано, что на основе этой конструкции при положительном направлении сдвига резонаторов можно синтезировать фильтр с максимальной крутизной высокочастотного склона.

Разработан и использован в программах синтеза микрополос-ковых фильтров новый эффективный метод оптимизации параметров СВЧ фильтров. В этом методе вместо скалярной целевой функции введен вектор отклонения Б. Для каждой его компоненты Б^ построены такие многопараметровые операторы коррекции воздействие которых на оптимизируемые параметры вызывает изменение преимущественно только этой компоненты. Использование вектора Б вместе с операторами С{ позволяет сократить число итераций благодаря тому, что по величинам компонент Бг-можно определить какие параметры нуждаются в коррекции в первую очередь, оценить степень требуемой коррекции, установить момент, когда процесс оптимизации следует завершить.

Создана экспертная система для проектирования микрополос-ковых полосно-пропускающих фильтров с относительной шириной полосы пропускания от 2% до 100% в диапазоне частот от 50 МГц до 20 ГГц. Экспертная система отвечает основным требованиям, предъявляемым к программам САПР.

1. Имеет ясный и простой способ ввода технического задания.

2. Обеспечивает достаточно высокую точность расчета характеристик синтезируемого устройства.

3. Имеет сравнительно малое время оптимизации параметров конструкции.

4. Имеет банк оптимальных конструкций фильтров, который без дополнительных изменений в модулях системы может пополняться новыми конструкциями.

5. Имеет наглядный графический вывод информации.

6. Предоставляет возможность архивирования результатов проектирования в виде распечатки графиков АЧХ, ФЧХ, АГВЗ с указанием параметров синтезированного устройства, и таблицей координат вершин микрополосковых проводников.

С другой стороны, созданный пакет программ обладает всеми преимуществами экспертной системы.

1. Имеет разветвленную и дружественную систему ведения диалога.

2. Содержит программу применения знаний, которая представляет собой результат компиляции базы знаний системы. Программа применения знаний вбирает в себя накопленный опыт проектирования фильтров и тем самым максимально облегчает работу пользователя.

3. Включает в себя инструментальную оболочку, позволяющую дополнять систему новыми знаниями.

4. Имеет гибкий алгоритм работы, позволяющий пользователю на каждом этапе проектирования принимать решение самому или предоставить сделать это экспертной системе.

5. Обладает свойством накопления информации о характеристиках каждой конструкции фильтра путем накопления данных в банке рекордных решений.

Созданная экспертная система ГГЬТЕХ внедрена и успешно используется в в/ч 35533 (г. Москва). Внедрение подтверждено актом о внедрении.

В заключение хочу поблагодарить своих научных руководителей Б.А. Беляева и В.В. Тюрнева за предложенную интересную тему работы, а также за ценные советы при выполнении работы. Кроме того, хочу поблагодарить В.В Тюрнева за написание блока оптимизации, Л.Т. Рачко за написание модуля работы с топологией устройств, а также всех сотрудников лаборатории Электродинамики и СВЧ электроники за ценные замечания, высказанные в ходе апробации экспертной системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никитина, Мария Ивановна, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учебное пособие для радиотехнических специальностей/ Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н. Алехин и др.; Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высш. шк., 1988. -280 е.: ил.

2. Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, т. 1, 2: Пер. с англ. Под ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира. - М., Связь, 1972. - 496 с.

3. Под ред. Г. Темеша, С Митра. Современная теория фильтров и их проектирование: Пер. с англ. Под ред. И.Н. Теплюка. — М. Мир, 1977. - 560 с

4. Cohn S.B. Parallel-Coupled Transmission-Line-Resonator Filters. - IRE Trans. On Microwave Theory and Techniques, 1958, v. MTT-6 No. 4, p. 223-231.

5. Judd S.V., Whiteley I., Clowes R.J., Rickard D.C. An analytical method for calculating microstrip transmission line parameters. -IEEE Trans., 1970, MTT-18, p. 78-87.

6. Cisco T.C. Design of microstrip components by computer. -NASA Contractor Report CR-1982, 1972.

7. Kajfez D., Govind S. Effect of difference in odd- and even-mode wavelength on parallel-coupled bandpass filter. - Electronics Letters, 1975, v. 11, No. 5, p. 117-118.

8. Minnis B.J. Printed Circuit Coupled-Line Filters for Bandwidth Up to and Greater than an Octave. - IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. 1981, vol. MTT-12, No 1, p. 94-111.

9. Елисеев Н.И., Солдаткин В.Ю. Особенности синтеза фильтров на параллельно связанных полосковых резонаторах. - Радиотехника и электроника. 1992, том 37, вып. 11, с. 1949-1952.

10. Makimoto М., Yamashita S. Bandpass Filter Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators. - IEEE Trans. On Microwave Theory Techniques. 1980, vol. MTT-28, No 12, p. 14131417.

u. Chen Y. Ho, John H. Weidman. Half-Wavelength and Step Impedance Resonators Aid Microstrip Filter Design. - Microwave System News, 1983, v. 13, No 10, p. 88-103.

12. Ulrich H. Gysel. New Theory and Design for Hairpin-Line Filters. - IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. 1974, vol. MTT-22, No 5, p. 523-531.

13. Венедиктов В.Б., Гребнев B.H. Расчет полосно-пропускающих фильтров СВЧ на свернутых полуволновых микро-полосковых резонаторах. Вопросы радиоэлектроники, Сер. Общетехническая, 1979, вып. 11, с. 113-118.

14. Лоткова Е.Д., Косякин С.В. Расчет микрополосковых фильтров СВЧ на связанных линиях. - Радиотехника, 1991, № 10, с. 39-42.

15. Sagawa М., Takahashi К., Makimoto М. - IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. 1989, vol. 37, No 12, p. 19911997.

16. Никольский B.B., Орлов В.П., Феоктистов В.Г. и др. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / Под ред. В.В. Никольского. - М.: Радио и связь, 1982. - 272 с.

17. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 432 с.

18. Т. Шуп. Решение инженерных задач на ЭВМ: Пер. с англ./Под ред. В.Б. Миносцева. - М.: Мир, 1982. - 236 с.

19."Touchstone", EEsof Inc., Westlake Village, CA, 1990.

20. Sheinwald J. MMIC Compatible Bandpass Filter Design: A Survey of Applicable Techniques // Microwave J. 1994, v. 37, No. 3, p. 26, 28, 31, 35-36, 41, 42.

21. High-Frequency Structure Simulator (HFSS), Hewlett-Packard Co., Palo Alto, CA, 1992.

22. "EMsim," EEsof Inc., Westlake Village, CA, 1992.

23. "Explorer," Compact Software, Paterson, NJ, 1992.

24. Фильтр СВЧ. Рекламный проспект малого предприятия ТСТ (Техника Связи и Телевидения), Москва, 1992.

25. HP 85150В Microwave Design System, Hewlett-Packard, Palo Alto, CA, 1991.

26. S.W. Wodge, R. Compton and D. Rutledge " Puff-Computer Aided Design for Microwave Integrated Circuits, version 2.0", California Inst. Technol., Pasadena, 1991.

27. LINMIC +/N 4.0: Advanced Integrated Family of CAD Tools for Microwave and MM wave Hybrid and Monolithic Design, Jansen Microwave, 1995.

28. Д. Уотермен. Руководство по экспертным системам: - Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 388 с.

29. Ж.-Л. Лорьер. Системы искусственного интеллекта. - М.: Мир, 1991, 568 с.

30. Савушкин С.А. Нейросетевые экспертные системы. - Нейрокомпьютер, № 2, 1992, с. 29-36.

31. Bill Turpin. Bringing Expert Systems to the Desktop. Computer Language, 1992, vol. 9, No 5, p. 71-75.

32. Р. Левин, Д. Дранг, Б. Эделсон. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике: Пер. с англ.; Предисловие М.Л. Сальникова, Ю.В. Сальниковой. - М.: Финансы и статистика, 1990. - 239 е.: ил.

33. Представление и использование знаний: Пер. с англ./Под ред. X. Уэно, М. Исидзука. - М.: Мир, 1989. - 220 с.

34. И.А. Чмырь, П.С. Попов. Экспертные системы на базе сетевой диалоговой модели. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры, 1992, Вып. 3-4, с. 42-51.

35. Дж. Элти, М. Кумбс. Экспертные системы: концепции и примеры: Пер. с англ. - М.: Финансы и статистика, 1987. - 191 с.

36. Э.В. Попов. Инструментальные средства для создания экспертных систем. - Проблемы информатизации, 1993, № 1, с. 36-42.

37. Yoh-Han Pao, Dejan J. Sobajic. Neural Networks and Knowledge Engineering. IEEE Trans. On Knowledge and Data Engineering, 1991, Vol. 3, No 2, p. 185-192.

38. Leng Goh We, Tee Lan Kim. ESPCRM - Expert System for Personal Computer Repair and Maintaince/ Engl. Appl. Artif. Intell., 1992, No 2, p. 121-133.

39. В. Буркхардт. Использование искусственного интеллекта при проектирование печатных плат. — Труды Московского энергетического института, 1990, № 650, с. 112-118.

40. М.И. Забежайло. Интеллектуальные системы: На пути к новым поколениям. - Новости искусственного интеллекта, 1992, № 1, с. 8-24.

41. В.В. Тюрнев. Квазистатическая теория связанных микропо-лосковых линий. - Препринт № 557 Ф. - Институт физики. Красноярск, 1989, 19 с.

42. Библиотека математических расчетов NAG Fortran РС50 Library for IBM Personal Computers.

43. Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Трехзвенный микрополосковый СВЧ фильтр. - Препринт № 710 Ф. - Институт физики. Красноярск, 1992, 60 с.

44 Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Трехзвенный микрополосковый фильтр на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью. Материалы 1-ой Крымской конференции "СВЧ-техника и спутниковый прием", 1991.

45. Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Физические аспекты оптимальной настройки микрополосковых фильтров. - Препринт № 768 Ф. - Институт физики. Красноярск, 1996, 41 с.

46. Б.А. Беляев, М.И. Никитина, В.В. Тюрнев. Влияние длины области связи микрополосковых резонаторов на избирательность полосно-пропускающих фильтров. - Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 1993, вып. 5-6, с. 11-15.

47 Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Экспертная система FILTEX для синтеза микрополосковых фильтров. Труды межд. научно-техн. конф. Спутниковые системы связи и навигации, 1997, Красноярск, Т. 1, с. 241-249.

48. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Экспертная система FILTEX для синтеза микрополосковых фильтров. Труды ИИЭР - Российской конференции: "1997 Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение", Новосибирск, 1997, с. 110-115.

49. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Экспертная система FILTEX для синтеза микрополосковых фильтров. Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 1998, Вып. 2 (472), с.

50. Ноженкова Л.Ф. Решение задач интерпретации данных в системах искусственного интеллекта. Красноярск, 1994, 285 с. -Деп. в ВИНИТИ 18.04.95, № 1072-В95.

51. M. Kirschning, R.H. Jansen. Accurate model for effective dielectric constant of microstrip with validity up to millimeter-wave frequencies. Electronics Letters. 1982, Vol. 18, No. 6. p. 272-273.

52. Беляев Б.A., Казаков A.B., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Физические аспекты оптимальной настройки микрополосковых фильтров. - Препринт № 768 Ф, ИФ СО РАН, Красноярск, 1996, 41 с.

53. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Синтез микрополосковых фильтров по заданной полосе пропускания. — Препринт № 760 Ф, ИФ СО РАН, Красноярск, 1995, 27 с.

54. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Эффективный метод оптимизации микрополосковых фильтров. - Труды ИИЭР -Российской конференции: 1997 Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение. ИИП-МЭ'97. Новосибирск, 23-25 сентября, 1997 г., стр. 104-109.

55. Беляев Б.А., Никитина М.И., Тюрнев В.В. Новый метод оптимизации конструктивных параметров СВЧ фильтров. - Труды международной научно-технической конференции "Спутниковые системы связи и навигации". 30 сентября - 3 октября. Красноярск, 1997. Т. 1, стр. 241-249.