ПРОГРАММА СИНТЕЗА СОГЛАСУЮЩИХ ЦЕПЕЙ НА ОСНОВЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА

February 15, 2013 by admin Комментировать »

Бабак Л. Вьюшков В. А.^ ^Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) ^НПФ «Микран» пр. Ленина, 40, г. Томск, 634050, Россия тел.: +7(3822) 414-717, e-mail: leonid.babak@rambler.ru

Аннотация – Описывается программа синтеза согласующих цепей на сосредоточенных элементах GENESYN, основанная на использовании генетического алгоритма. Благодаря полному контролю структуры и значений элементов программа позволяет получить практически реализуемые и удобные для использования цепи. Приведен пример синтеза межкаскадной согласующей цепи транзисторного СВЧ усилителя.

I.                                       Введение

Одной из важных задач при проектировании полупроводниковых устройств ВЧ и СВЧ диапазона является синтез согласующих цепей (СЦ). Существующие кпассические и численные методы синтеза СЦ имеют различные ограничения. В последнее время для структурного синтеза различных технических устройств используется перспективный подход – генетические алгоритмы (ГА) [1]. ГА – это класс алгоритмов, имитирующих эволюционные процессы в природе на основе механизмов генетического наследования и естественного отбора.

В настоящем докладе представлена программа автоматизированного синтеза СЦ на основе ГА.

II.                              Основная часть

Задача состоит в синтезе четырехполюсной цепи, реализующей требуемую частотную характеристику передачи мощности G (ω) от генератора в нагрузку, причем сопротивления генератора и нагрузки в общем случае полагаются комплексными и частотнозависимыми.

Синтезируемые СЦ ограничены классом лестничных структур на сосредоточенных элементах. При этом СЦ может быть представлена в виде каскадного соединения звеньев, каждое из которых содержит одну последовательную или параллельную ветвь. Ветвь может включать пассивный сосредоточенный элемент {R, С, L), последовательный либо параллельный резонансный контур (рис.1).

Рис. 1. Типы звеньев лестничной цепи.

Fig. 1. Section types of ladder network

Для осуществления структурного синтеза на основе ГА следует представить информацию о схеме СЦ в виде двоичного кода – хромосомы (особи). При этом двоичными числами определенной длины кодируются способы вкпючения, типы и значения элементов в СЦ. В качестве примера на рис. 2 показан вариант двоичного представления СЦ. Одному звену соответствует 3 16-разрядных двоичных числа, первое определяет тип звена, второе и третье – параметры (номиналы) его элементов. Номер типа звена находится как остаток от деления кода звена на число допустимых типов.

Рис. 2. Пример кодирования цепи.

Fig. 2. Network coding example

Каждому варианту СЦ (хромосоме) соответствует некоторое значение целевой функции, в терминологии ГА – функции оценки или приспособленности. ГА обычно оперируют с совокупностью особей, которую называют популяцией. В нашем случае популяция – это фактически множество цепей, различающихся структурой и элементами. В процессе работы ГА популяция особей постепенно от шага к шагу обновляется. Для обновления популяции она дополняется новыми особями, в образовании которых участвуют члены текущего поколения. Генерация новых особей осуществляется путем имитации основных механизмов генетики, наблюдаемых в природе – кроссовера (скрещивания) и мутации.

Для поиска наилучших решений в ГА используется также заимствованный у природы механизм естественного отбора – селекция. Он реализуется таким образом, что хромосомы, имеющие лучшую функцию оценки, получают большую возможность участвовать в репродукции, чем «слабые» хромосомы. При отборе особей производится декодирование хромосомного набора и вычисление оценочной функции соответствующей цепи на основе моделирования ее электрических характеристик. В результате в процессе эволюции приспособленность особей от поколения к поколению будет возрастать, а значит, будут появляться все лучшие варианты.

Процесс синтеза цепи на основе ГА вкпючает следующие этапы.

1)          Задание числа элементов цепи, ограничений на структуру и параметры элементов.

2)          Генерация случайным образом начального поколения особей.

3)          Изменение популяции, в процессе которого образуются новые особи с лучшими значениями оценочных функций, а старые отбрасываются («умирают»).

На основе указанного алгоритма реализована программа автоматизированного проектирования СЦ

GENESYN. Программа разрешает синтезировать цепи любой сложности на сосредоточенных элементах. Может быть указана произвольная форма частотной характеристики (ЧХ) коэффициента передачи мощности цепи G (ω), при этом требования к ЧХ задаются в виде ограничений на значения G на фиксированных частотах. Генератор и нагрузка могут быть представлены численными значениями импедансов либо эквивалентными цепочками.

Важным преимуществом используемого в программе алгоритма по сравнению с существующими методами является возможность полного контроля пользователем структуры и значений элементов СЦ. Контроль значений элементов осуществляется путем указания минимальной и максимальной границ этих значений. Для контроля структуры цепи предусмотрена возможность задания допустимых типов ветвей (последовательная, параллельная) в каждом звене и допустимых типов элементов (контуров) в каждой ветви. Таким образом, программа GENESYN позволяет синтезировать практически реализуемые цепи, удобные также с точки зрения подачи напряжения питания на активный элемент и т. д.

Результатом работы программы является некоторое множество схем СЦ, удовлетворяющих ограничениям задачи. Выбор окончательного решения из этого множества осуществляет разработчик с учетом своего опыта и неформальных критериев. Информация о полученных схемах СЦ может быть сохранена в виде файлов формата Touchstone, а также автоматически передана в программу моделирования Microwave Office [2].

Рис. 3. Интерфейс программы GENESYN.

Fig. 3. GENESYN interface

Опыт применения программы GENESYN подтвердил ее эффективность при решении задач синтеза СЦ.

Приведем пример синтеза СЦ с помощью программы GENESYN. Задача состоит в проектировании межкаскадной СЦ двухкаскадного усилителя диапазона 4-6 ГГц на полевых СВЧ транзисторах. Цепь должна согласовать выходной импеданс первого транзистора со входным импедансом второго транзистора на верхней частоте рабочего диапазона, а также скомпенсировать спад коэффициента усиления транзисторов с ростом частоты. При синтезе были заданы ограничения на структуру цепи, позволяющие осуществить раздельное питание каскадов по постоянному току. Результат проектирования (синтезированная СЦ и ее частотная характеристика) представлен на рис. 3.

III.                                  Заключение

Программа GENESYN позволяет автоматизировать процесс синтеза СЦ. Благодаря контролю структуры и значений элементов возможно получить практически реализуемые и удобные для использования цепи.

IV.                          Список литературы

[1] в. в. Емельянов, В. М. Курейчик, В. В. Курейчик. Теория и практика эволюционного моделирования. М.: Физмат- лит, 2003.

[2] Ф. И. Шеерман, А. С. Барышников, М. В. Нехорошее,

В.       А. Вьюшков, Л. И. Бабак. Интеграция программы синтеза согласующих цепей в среду проектирования СВЧ устройств Microwave Office. – В наст, сборнике.

А CAD TOOL FOR SYNTHESIS OF MATCHING NETWORKS BASED ON GENETIC ALGORITHM

BabakL. 1.^ Vjushkov V. A.^

^ Toms/c State University of Control Systems and Radioelectronics (TUCSR)

^Micran Co.

40, Lenin av., Tomsk, 634050, Russia Ph.: +7(3822) 414717, e-mail: leonid.babak@rambler.Ru

Abstract – A CAD tool, GENESYN is presented that allows the synthesis of lumped-element matching networks based on genetic algorithm (GA). Due to overall control over network configuration and element values, it generates practical and convenient networks. An example of designing interstage matching network for microwave transistor amplifier is demonstrated.

Gurrently-available analytical and numerical matching network synthesis techniques have numerous limitations. Now, prospective genetic algorithms are often used for the structural synthesis of different technical systems. In this paper, a GA- based GAD tool for matching network synthesis is presented.

The problem is to synthesize two-port network between complex-impedance source and the load providing prescribed transducer power gain (TPG) response over the passband. Network configurations are limited by lumped-element ladder-type circuits that can be represented as a connection of sections (series- or parallel-connected R-, 0- and L-elements or resonant contours).

In the paper, main steps of GA are described. Network configuration and elements are coded by binary string (chromosome). In this code, section type (series- or parallel), element type (R, 0 or L) and element value are represented by binary numbers of some length. GA imitates an evolution of living organisms in nature based on chromosome crossover, mutation and selection.

Using GA, a GAD tool GENESYN for the synthesis of lumped-element matching networks is implemented. The advantage of GA-based procedure over existing synthesis techniques is the user control of network configuration and element values. GENESYN allows the generation of a set of matching network configurations.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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