СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

April 4, 2012 by admin Комментировать »

Касьянов А. О., Обуховец В. А. Таганрогский государственный радиотехнический университет (ТРТУ) Некрасовский переулок, д.44, Таганрог – 347928, Россия Тел.: +7(863) 4393061; e-mail: vao@tsure.ru

Аннотация – Представлен пакет прикладных программ для анализа и синтеза микрополосковых отражательных антенных решеток (ОАР). Приведены алгоритмы анализа и синтеза. Описан интерфейс, приемы работы с пакетом программ. Данный пакет программ применим для решения широкого круга задач антенной техники.

I. Введение

Технология изготовления микрополосковых антенн с ее низкой стоимостью и высокой степенью интеграции с цепями питания, активными и управляющими элементами, фазовращателями находит все более широкое применение в области телекоммуникаций, спутниковой связи и т.д.

Круг коммерческих приложений, в которых используются микрополосковые антенны, весьма широк: сотовая телефония, пейджинговая связь, системы спутникового позиционирования, спутниковая связь, GSM, спутниковое телевидение, локальные беспроводные компьютерные сети и т.д. Для большинства этих приложений уровень продаж имеет порядок 10 ООО устройств в месяц. В 1994 в Тихоокеанском регионе имелось 11 млн. абонентов сотовой телефонной сети, в 2000 году число абонентов превысило 78 млн. Подобные уровни роста ожидаются для пейджинговой связи и GSM. Число устройств спутниковой связи во всем мире достигло 30 млн. в 2000г. В целом, рынок микрополосковых антенн, вырастает больше чем на 35% ежегодно с 1995 по 2000г., продажи увеличились с 400 млн. долларов США до 2 000 млн. в течение этого периода.

Для сокращения времени разработки конкретных конструкций антенн необходимо построить такие САПР, в основе которых лежат эффективные математические модели, позволяющие анализировать и синтезировать устройства с заданными характеристиками для широкого спектра радиотехнических устройств.

Среди подобных коммерческих программ, таких как, Sonnet (www.sonnetusa.com), Microwave Office (www.mwoffice.com), Ensemble (www.ansoft.com), XFDTD (www.remcom.com) этот пакет отличает то, что он позволяет анализировать не одиночные антенны, а антенные решетки (АР), что для многих приложений в области радиотехники является немаловажным фактором.

II.  Основная часть

Комплекс программ анализа отражательных антенных решеток. Программа задания топологии элементов АР написана на языке Паскаль с использованием Delphi 5.0 и предназначена для работы под управлением операционной системы Windows98, что позволяет полностью реализовать возможности программного комплекса для представления и анализа полученных результатов. Минимальные системные требования: Intel Pentium 2-300, 64 МБ ОЗУ, видео карта, поддерживающая стандарт акселерации OpenGI 1.2. Для анализа больших объемов данных рекомендуется увеличить ОЗУ до 128 МБ и процессор до Intel Pentium 3-600. Все расчетные модули написаны на языке Фортран 90, являющемся стандартным инструментом в области инженерных расчетов [1]. На рис 1. приведена блок-схема программного комплекса Microstrip Foundry.

Рис. 1. Состав САПР Microstrip Foundry.

Fig. 1. Content of CAD Microstrip Foundry

Программа MF Designer максимально проста в использовании и имеет дружественный интерфейс, рассчитанный на возможность эксплуатации программы даже неподготовленным пользователем. При работе с программой, можно использовать шаблоны, которыми являются конструкции, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе, и которые могут проиллюстрировать правильность работы расчетных алгоритмов программы. При создании новых конструкций для упрощения задания топологии элементов могут быть использованы такие примитивы как: линия, круг, квадрат, квадратное и круглое кольцо, крест, спираль и т.д. Предусмотрена возможность пространственного представления конструкций элементов решетки, расположенных в различных слоях.

Электродинамические характеристики (ЭДХ) мик- рополосковой антенной решетки (МАР) рассчитываются в программном модуле MF Runner. В этом модуле предусмотрено отображение времени и требуемого объема памяти, необходимых для расчета. Для ускорения расчета используется зеркальная симметрия электродинамической структуры и другие специфические особенности алгоритмизации решаемых при проектировании задач математической физики, а именно, блочно-клеточный вид матриц коэффициентов систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к которым сводится решения краевых задач. При этом вычисляются не все подряд, а только неповторяющиеся коэффициенты СЛАУ. Для решения задач оптимизации матрица коэффициентов кэшируется для повторного использования в расчетах, что позволяет существенно сократить время расчета по сравнению с другими программными комплексами. Механизм кэширования прозрачен и позволяет пользователю регулировать объем занимаемого дискового пространства.

Рис. 2. Блок-схема генетического алгоритма. Fig. 2. Genetic algorithm

Удобную форму представления рассчитанных ЭДХ обеспечивают специально разработанные программы визуализации численных данных. Они позволяют наблюдать и документировать, не только первичные параметры проектируемых МАР (распределения токов на конструкционных элементах решеток), но и получать широкий спектр вторичных параметров, а именно: диаграммы направленности и характеристики рассеяния. Для более глубокого понимания волновых процессов, происходящих при возбуждении МАР, предусмотрена возможность анимации полученных характеристик в зависимости от изменения того или иного входного параметра (например, частоты — f или углов падения электромагнитной волны (ЭМВ) — 0 или ф ).

Рис. 3. Схема сопоставления элемента антенны и его хромосомы.

Fig. 3. Scheme of comparison of antenna element and its chromosome

Конструктивный синтез микрополосковых отражательных антенных решеток. В основу работы модуля конструктивного синтеза положен генетический алгоритм [2]. Генетические Алгоритмы (ГА) — это адаптивные методы поиска, часто применяемые в последнее время для решения задач функциональной оптимизации. Они основаны на генетических процессах биологических организмов: биологические популяции развиваются в течение нескольких поколений, подчиняясь законам естественного отбора и по принципу "выживает наиболее приспособленный" (survival of the fittest), открытому Чарльзом Дарвином. Отличительной чертой генетических алгоритмов является то, что они:1) работают не с параметрами, а с закодированным множеством параметров; 2) осуществляют поиск из популяции точек, а не из единственной точки; 3) используют целевую функцию, а не ее различные приращения для оценки информации; 4) используют не детерминированные, а вероятностные правила.

Блок-схема работы простого генетического алгоритма показана на рис.2. На первом этапе конструируется начальная популяция структур. Популяция есть набор решений (хромосом). Хромосома в нашем случае представляет собой бинарный код, состоящий из нулей и единиц в соответствие которому ставится конфигурация микрополоскового излучателя ОАР (рис. 3), где "темным" подсекциям разбиения элемента решетки, например, соответствуют металлические участки излучателя, а "светлым" — излучающие щели. На следующем шаге происходит вычисление приспособленности хромосом популяции. В качестве меры приспособленности выступает fitness-функция /(,). Значения fitness-функции определяются по правилу: f(i) = mir^S^ ri), где fl — количество точек расчета функции Spq{^), в качестве которой может выступать частотная ( £ = f) или угловая (£, = б’или <р) зависимость любого из коэффициентов Spq поляризационной матрицы рассеяния ОАР (рис/ — номера ортов поляризационного базиса). Затем находим среднюю приспособленность популяции, как отноше-

/ п

ние: Ps (z) = f (О/ J] /(0 > гДе инДекс S означает —

7=1

"выбор" (selection).

На следующем этапе репродукции происходит отбор (с замещением) всех п особей для дальнейшей генетической обработки, согласно величине Ps(i)-

Простейший пропорциональный отбор — рулетка — отбирает особи с помощью п "запусков" рулетки. Колесо рулетки содержит по одному сектору для каждого члена популяции. Размер \ – го сектора пропорционален соответствующей величине Ps(i). Такой алгоритм отбора обеспечивает большую вероятность выбора тех членов популяции, которые имеют более высокую приспособленность.

Рис. 4. Схема двойного кроссинговера: а) до кроссинговера; б) во время кроссинговера; в) после кроссинговера.

Fig. 4. Double crossing over scheme:

a) before crossing over; b) during crossing over; c) after crossing over

После отбора, П выбранных особей подвергаются кроссинговеру (иногда называемому рекомбинацией) с заданной вероятностью Рс. При этом П

строк случайным образом разбиваются на п)2 пары. Для каждой пары с вероятность Рс может применяться кроссинговер. Кроссинговер работает следующим образом. Сначала, случайным образом выбираются точки разрыва. Под точкой разрыва понимается участок между соседними битами в строке. Обе родительские структуры разрываются на сегменты по этим точкам. Затем, соответствующие сегменты различных родителей склеиваются и получаются два генотипа потомков (рис. 4).

Особи, не подвергшиеся кроссинговеру, остаются неизменными, при этом полученные потомки заменяют собой родителей и переходят на стадию мутации. В каждой строке, которая подвергается мутации,

каждый бит с вероятностью Рм изменяется на противоположный. Популяция, полученная после мутации, записывается поверх старой и на этом цикл одного поколения завершается. Последующие поколения обрабатываются таким же образом: отбор, кроссинговер и мутация. Критерием остановки ГА является, либо выполнение условия синтеза структуры, то есть нахождение конфигурации элементов ОАР, обеспечивающих необходимый вид угловой или частотной зависимости выбранного параметра электродинамической структуры, либо превышение количества поколений ГА.

В отличие от других методов синтеза ГА, как правило, анализируют различные области пространства решений одновременно и более приспособлены к нахождению новых областей с лучшими значениями целевой функции за счет объединения квазиопти- мальных решений из разных популяций.

Численный пример. В качестве примера рассмотрим результаты конструктивного синтеза плоского зонного фазокорректирующего рефлектора (ФКР), выполненного в виде микрополосковой ОАР. Фазовая коррекция предназначена для фокусировки поля антенны-облучателя, что достигается приданием плоскому рефлектору электродинамических свойств параболического зеркала. Синтезируемый рефлектор состоит из системы концентрических зон, имеющих различную проводимость и одинаковую ширину равную длине ЭМВ. В каждой из зон действует 3 дискретных фазовращателя (ФВ), корректирующих фазу отраженной ЭМВ. Отражательные ФВ представляют собой периодические решетки микро- полосковых элементов (МПЭ). Фазовый сдвиг управляется изменением размеров и формы МПЭ от зоны к зоне.

Необходимо синтезировать рефлектор, фокусирующий поле полуволнового вибратора таким образом, чтобы диаграмма направленности зеркальной антенны, состоящей из вибраторного облучателя и плоского зеркала, имела ширину луча по нулям равную 20° и уровень боковых лепестков не выше -20 дБ. На рис. 5 приведена топология синтезированной с помощью программного комплекса микрополосковой ОАР, выполняющей функции ФКР с указанными характеристиками. На основе результатов, изложенных выше, разработан, изготовлен и экспериментально испытан лабораторный макет. Результаты эксперимента находятся в хорошем соответствии с расчетом [3].

Puc. 5. Топология синтезированного печатного ФКР. Fig. 5. Developed topology of focusing printed RAA

III. Заключение

Описан комплекс программ, предназначенный для анализа и синтеза антенных решеток отражательного типа. Программный комплекс является достаточно универсальным и открывает широкие возможности в численном исследовании микрополоско- вых ОАР. Приведены алгоритмы анализа и синтеза. Описан интерфейс, приемы работы с пакетом программ. Полученные численные результаты подтверждены экспериментально.

IV. Список литературы

[1]  Бартеньев О. В. Фортран для студентов. — М.: "Диалог- МИФИ", 1999.—400 с

[2]  Курейчик В. М., Обуховец В. А. Особенности применения генетических алгоритмов к решению задач синтеза антенных систем// Труды 55-й научной сессии, посвященной Дню Радио. — М., 2000. — С. 64.

[3]  Касьянов А. О., Обуховец В. А. Конструктивный синтез зеркальной антенны с рефлектором в виде плоской решетки печатных излучателей// Сборник статей "Антенны", №2(43), 1999. — М.: ИПРЖР. — С. 10-17.

REFLECTARRAYS DESIGN BASED ON CAD

Kasyanov A. O., Obukhovets V. A.

Taganrog State University of Radio Engineering 44, Nekrasovsky avenue, Taganrog – 347928, Russia phone: (863) 4393061 e-mail: vao@tsure.ru

Abstract – The package of applied programs for analysis and synthesis of microstrip reflective type antenna arrays (RAA) is presented. Algorithms of analysis and synthesis are given. Interface and operation methods are described. This software package is applicable for decision of the broad class of microwave antenna engineering problems.

I.  Introduction

The field of commercial applications of microstrip antennas is wide enough. It includes cellular telephony, paging communication, systems of satellite positioning, satellite communication, GSM, satellite TV, local wireless computer networks, etc. For the most of these applications the break-even sales level has the order of 10000 devices/month. In 1994 in Pacific region there was 11 million subscribers of cellular telephone systems, in the year 2000 the number of subscribers has exceeded 78 million. Similar levels of growth are expected for paging communication and GSM. The number of devices of satellite communication has achieved 30 million in the year 2000 all over the world. The market of microstrip antennas grows more than on 35 % annually with 1995 on 2000; the sales have increased 400

million USD up to 2 billion during this period.

In order to reduce duration of antennas design it is necessary to build such CAD, which is based on effective mathematical models and enable to analyze and synthesize devices with the required characteristics for a wide spectrum of radio engineering applications.

II.  Main part

The developed CAD is maximum simple in use and has the friendly interface designed for an opportunity of operation of the software even by the unprepared user. It is possible to use templates, which have been published in the scientific and engineering literature. These templates can be applied for check correctness of computer’s algorithms correctness. The opportunity of spatial representation of RAA element designs located in various layers is stipulated. The software of printed elements topology preparation for RAA is written using algorithmic language Pascal.

The mathematical model is based both on the periodical structures conception and solution of integral equation system. The generalized scattering matrix method was used for simulation of multi-layered printed RAA. All calculation modules are written in the language Fortran 90 being the standard tool in the field of engineering calculations. The convenient form of designed characteristics representation is provided with specially developed software of the numerical data.

III.  Conclusion

The CAD intended for the analysis and synthesis of printed RAA is developed. This CAD can be used to develop antennas with optimum parameters.

МОДЕЛИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ ПЛАНАРНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ GaAs

Шелковников Б. Н., Бондарь Д. Б., Глубокое А. А. Национальный технический университет Украины «КПИ» 4020, пр.Победы, 37, Киев, 03056, Украина факс: 380(44)241-7623, e-mail: shelk@ukr.net, bondpost@rambler.ru

Аннотация – Приводятся результаты моделирования микрополосковых трансформаторов в технологии GaAs. Предложен алгоритм автоматического представления конструкций трансформаторов через имена переменных. Проводится анализ индуктивностей обмоток трансформатора и S-параметров в зависимости от конструктивнотехнологических параметров.

I.  Введение

Монолитные планарные трансформаторы нашли широкое применение в современной микроэлектронике. Так, их использование в блоках радиочастоты (РЧ), усилителях мощности и смесителях позволяет заметно улучшить их качественные показатели. Они выполняют функции согласующих устройств, обеспечивают преобразование импеданса и развязку по постоянной составляющей. Как показано в [11] и [12] более целесообразным является использование низковольтных трансформаторов. Это связано с тем, что увеличение питающих напряжений приводит к увеличению вероятности электрического пробоя, большему влиянию паразитных реактивностей и большей рассеиваемой мощности. Кроме того, величины токов и напряжений ограничены возможностью технологической реализации.

Наиболее широко конструкции трансформаторов и их характеристики представлены в силиконовых технологиях CMOS, BiCMOS [2], [8] и [9].

В технологии GaAs в основном исследовались индуктивности [14] и [15].

Описание монолитных планарных трансформаторов дано в [1] – [4], [7]. Схемы усилителей и смесителей с использованием таких трансформаторов рассматривались в [8] – [10].

Технология LTCC ограничивает конструктивное исполнение трансформатора. Она не допускает применение плавных согласующих переходов в микрополоске. Это приводит к дополнительным потерям энергии на изгибах. Кроме того по требованиям LTCC площадь подложки должна быть довольно большой.

Учитывая сказанное выше, а также возрастающие требования к размерам планарной структуры, для проектирования была выбрана технология GaAs. Она позволяет уменьшить площадь подложки до 0,6 мм2.

В данной статье представлены результаты моделирования двух планарных трансформаторов, выполненных на подложке из арсенида галлия. Приводятся их конструкции и результаты моделирования. Также проводится анализ индуктивностей первичной и вторичной обмоток. Описан процесс определения их параметров: величины индуктивностей и границ рабочих участков.

Puc. 1. Переменные в конструкции трансформатора. Fig. 1. Variable data in transformer design

В статье рассматривается зависимость между конструкцией трансформатора и его характеристиками, в частности между количеством витков первичной и вторичной обмоток и S-параметрами.

Также приводится алгоритм автоматического изменения параметров трансформатора. Это позволяет существенно сократить время и упростить процесс создания монолитной структуры, обладающей требуемыми характеристиками.

II.    Конструкции и анализ трансформаторов

В настоящее время для проведения электромагнитного анализа широко применяются программные продукты HFSS, Sonnet, ADS, CST, MWO и др.

Для автоматизации процесса исследования различных конструкций предполагается представление их размеров через переменные. Элементы конструкции связываются с параметрами, что позволяет изменять их в соответствии с изменением переменных.

Для введения параметров в конструкцию трансформатора вначале определяем необходимые величины как локальные переменные. Затем создаем структуру, присваивая числовые значения ее размерам. Далее в разделе «свойства проекта» задаем имена переменных вместо их значений, которые заносим в соответствующую колонку таблицы параметров (табл. 1).

Таблица 1.

Table 1.

Имя

Зна

че-

ние

Описание

Раз

мер

ность

w

40

Ширина микрополоски

мкм

L

50

Расстояние между выводами

мкм

Ri

350

Внутренний радиус

мкм

s

8

Расстояние между витками

мкм

Координаты характерных точек микрополосковой конструкции (рис. 1) выражаются через заданные переменные. Так, координаты вершин четырехугольника ABCD имеют вид:

Рассматривались две конструкции трансформаторов со средним выводом во вторичной обмотке Tr3X3-L2-GaAs и Tr4X4-L2-GaAs (рис. 2 а, б).

Рис. За. Зависимости S-параметров первичной обмотки трансформатора Tr3X3-L2-GaAs от частоты.

Fig. За. S-parameters of primary winding of Tr3X3-L2-GaAs transformer against frequency

Трансформаторы имеют два слоя, т.е. индуктивные связи реализованы в вертикальной плоскости. Использование многослойной структуры вносит некоторую асимметрию в конструкцию, зато позволяет уменьшить занимаемую площадь подложки.

Различаются трансформаторы количеством витков первичной и вторичной обмоток. В первом случае обмотки состоят из трех витков, во втором – из четырех.

Рис. 36. Зависимости S-параметров первичной обмотки трансформатора Tr4X4-L2-GaAs от частоты.

Fig. 3b. S-parameters of primary winding of Tr4X4-L2-GaAs transformer against frequency

В обоих случаях микрополоски выполнены из алюминия и помещены в слой полиамида с £ = 2,8.

Iwo constructions of transformers I r3X3-L2-UaAs and Tr4X4-L2-GaAs (fig. 2 a and, b) were considered. The transformers have two layers, i.e. magnetic couplings are implemented in a vertical plane.

First of all we’ll show the results of simulation of primary and secondary windings. Their S – parameters are submitted in a fig. 3 a, b. The inductance having four coils is of more low frequency. Its working range begins with 2,3 GHz. The minimum operating frequency of inductance having three coils exceeds 3,5 GHz.

Magnitude of windings self inductance is important parameter of the transformer.

The frequency performances of primary inductances of transformers Tr3X3-L2-GaAs and Tr4X4-L2-GaAs are shown in a fig. 4 a, b. Parasitic capacities can be defined as follows:

where f0 – frequency of a self-resonance. Knowing the magnitude of C, it is possible to eliminate it on a particular frequency fK by inserting inductance:

The simulated planar transformers are used in the microstrip mixers and power amplifiers.

For simulation the following sizes were taken: the substrate 800 X 800 X 120 microns; microstrip width 40 microns., thickness of metal 2 microns., distance between coils 8 microns. Simulation results are submitted in a fig. 5 a, b. The transformers performances behave just as the performances of the corresponding inductances, i.e. operation frequency bands are similar.

The increased number of coils of the transformer results in the lowering of operation frequency band. The same effect can be achieved by increasing of interior radius of windings R1 or width of microstrip w. But in the latter case wave resistance diminishes, that can reduce the transmission. Therefore it is necessary to achieve the compromise.

The compromise can be achieved by using the offered algorithm of the automatic changing of construction’s parameters through the names of variables.

III.  Conclusion

In this paper the constructions and results of simulation of planar transformers are presented. The method of definition of inductances of primary and secondary windings is described. The algorithm of evaluation of parasitic capacitances is offered. The algorithm of automatic changing of construction’s parameters is offered. Such algorithm allows to automate the process of exploration of qualitative showings and to optimize the design under the given requirements.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты