Структурно-параметрический синтез широкополосных согласующе-корректирующих цепей СВЧ устройств на основе морфологического и-или дерева и генетического алгоритма

В настоящее время во всем мире наблюдается быстрое развитие беспроводных систем передачи данных, систем сотовой и радиорелейной связи, радионавигации и радиолокации. Устойчивой тенденцией развития современных радиоэлектронных систем (РЭС) является освоение все более высокочастотных диапазонов и переход в область сверхвысоких частот (СВЧ), повышенные требования к чувствительности, мощности сигнала и ширине полосы рабочих частот. К важнейшим элементам СВЧ РЭС относятся такие радиоэлектронные устройства (РЭУ), как транзисторные усилители, умножители частоты, передающие устройства, во многом определяющие характеристики РЭС. Большинство подобных устройств в настоящее время реализуются в интегральном исполнении, отличаются небольшими габаритами, малым весом, пониженным энергопотреблением, устойчивостью к влиянию внешних помех, низкой себестоимостью и хорошей повторяемостью характеристик.

Важной составляющей проектирования указанных типов СВЧ РЭУ является решение задач широкополосного согласования, а также коррекции произвольной формы частотной характеристики (ЧХ). В общем случае требуется согласовать комплексные импедансы источника сигнала и нагрузки с целью максимизации передаваемой мощности в заданном диапазоне частот, что осуществляется с помощью согласующе-корректирующих цепей (СКЦ). В СВЧ диапазоне СКЦ могут выполняться как в сосредоточенном, так и распределенном элементных базисах, иначе говоря, содержать как сосредоточенные (сопротивления, емкости, индуктивности), так и распределенные (отрезки линии передачи — ЛП) элементы.

Задача проектирования (синтеза) СКЦ состоит в поиске структуры и значений элементов реактивной цепи, обеспечивающих необходимую форму ЧХ в заданном диапазоне частот при комплексных импедансах генератора и нагрузки. Эта задача имеет большую практическую значимость, так как обеспечивает оптимальное построение широкополосных приемопередающих трактов, что позволяет улучшить их характеристики и одновременно снизить трудоемкость его изготовления.

Методы синтеза СКЦ достаточно широко рассмотрены в работах Н. З. Шварца, В. М. Богачева, В. Б. Текшева, Г. Н. Девяткова, Л. И. Бабака, Г. Карлина, Б. Ярмана, Д. Меллора, П. Абри [2−4, 16−18, 81, 101−119, 125, 136, 175, 178] и др. Можно выделить следующие основные подходы к решению задачи широкополосного согласования:

1) Графоаналитические методики расчета реактивных СКЦ, а также транзисторных усилителей с СКЦ на основе использования круговой диаграммы Вольперта-Смита [102, 172].

2) Классические методы синтеза пассивных СКЦ, предполагающие решение задачи синтеза в два этапа — сначала аппроксимация частотных характеристик синтезируемой цепи, затем — реализация [82, 121, 125, 129, 137].

3) Численные методы синтеза пассивных СКЦ, а также активных РЭУ с СКЦ на основе метода «реальной частоты» и различных его модификаций [6, 16−18, 51, 81], случайного [132] и систематического [182] поиска.

4) Метод областей [109] и интерактивная процедура «визуального» проектирования СКЦ [11], при которых требования к цепям (или всего устройства) представляются в виде областей допустимых значений импеданса.

Основные недостатки рассмотренных методов применительно к синтезу широкополосных СКЦ следующие.

Графоаналитические и классические методы трудоемки, требуют высокой квалификации разработчика и исчерпываются решением ограниченного круга задач, кроме того, для классических методов, требуется представить генератор и нагрузку в виде эквивалентных RLC-цепей, что не всегда является тривиальной задачей в условиях широкополосного согласования. Часто используются только сосредоточенные элементы или только соразмерные отрезки ЛП.

Численные методы зачастую реализуются на основе алгоритмов нелинейной оптимизации, а значит, зависимы от выбора начального приближения (кроме методов случайного поиска), способа формирования целевых функций (ЦФ), ограничены возможностями современной вычислительной техники. Кроме того, существует сложность выбора оптимального численного алгоритма и значений его параметров, так как чем более алгоритм эффективен для решения какой-либо частной задачи, тем менее он будет эффективен для других (теорема «No Free Lunch» об эффективности оптимизационных алгоритмов [58]).

Графоаналитические и визуальные методики лучше всего годятся для узкополосного согласования. Основные недостатки описанного подхода заключаются в следующем: применение визуальной интерактивной методики синтеза для СКЦ с числом элементов более 4−5 затруднено, требуется определенная квалификация и опыт пользователя для успешного решения задач синтеза.

Основной недостаток существующих методов — они не учитывают в полной мере дополнительные требования на структуру и значения элементов синтезируемых цепей, накладываемые при решении практических задач (например, реализуемость элементов и цепи при определенной технологии изготовления, необходимость подачи питания на транзистор и др.). В результате полученные цепи неудобно, а иногда и невозможно реализовать на практике.

Автоматизация процедуры синтеза СВЧ РЭУ является актуальной задачей, позволяющей упростить процесс проектирования и улучшить качественные характеристик синтезированных устройств. На рынке программного обеспечения существует ряд продуктов, решающих задачу синтеза СКЦ: MultiMatch Impedance Matching Wizard (фирма Ampsa PTY Ltd., США), Filter Design Guide, Smith (Agilent Technologies, США), ZMatch (Nu-hertz, США), Smith (Berne University of Applied Sciences, Швейцария) [5, 35, 62, 165]. Наиболее развитой программой, позволяющей эффективно решать задачу синтеза широкополосных СКЦ, является MultiMatch, основанная на методе систематического поиска. К сожалению, программа не обеспечивает полного контроля структуры синтезируемых цепей, не позволяет задавать требования к произвольной форме ЧХ (поддерживаются только прямые и наклонные формы), не учитывает дополнительные ограничения на импеданс цепей за полосой согласования, что значительно сужает область ее применения на практике.

Все остальные программы несут недостатки используемых в них методов: не позволяют выполнять широкополосное согласование (Smith), требуют аппроксимации сопротивлений генератора и нагрузки эквивалентными RLC-цепями (Filter Design Guide), не обеспечивают возможности контроля значений элементов и структуры цепей при синтезе (Filter Design Guide, ZMatch), требуют высокого уровня подготовки пользователя (Filter Design Guide), содержат процедуры нелинейного программирования (ZMatch, MultiMatch).

На практике до сих пор наиболее распространенным методом проектирования СКЦ остается эвристический подход, при котором сначала выбирается структура СКЦ на основе упрощенных методов расчета, диаграммы Вольперта-Смита или опыта проектировщика, а затем выполняется параметрическая оптимизация. Такой подход трудоемок и накладывает высокие требования к квалификации проектировщика, при этом, зачастую не обеспечивая оптимальные решения.

Таким образом, процесс проектирования широкополосных СКЦ, широко применяемых в СВЧ технике, с учетом требований к структуре и параметрам синтезируемой цепи, форме ЧХ, частотнозависимым импедансам нагрузки и генератора, до сих пор остается сложной задачей, занимает много времени и требует высокой квалификации разработчика.

В последние десять лет были предложены новые подходы к решению общей задачи структурно-параметрического синтеза технических объектов (в том числе аналоговых РЭУ), базирующиеся на современных достижениях в области искусственного интеллекта. Одним из таких перспективных подходов считается использование генетических алгоритмов (ГА) [43, 48, 52, 131 и др.], имитирующих эволюционные процессы в природе.

— механизмы генетического наследования, мутации, скрещивания и естественного отбора.

ГА обеспечивают поиск в дискретно-непрерывных пространствах, а также позволяют находить «приемлемые решения» за «приемлемое время» даже там, где других способов решения не существует или они трудоемки. Одним из преимуществ использования ГА является также то, что результатом является сразу набор различных решений и проектировщик может выбрать наиболее подходящее с его точки зрения.

ГА уже успешно используются для решения задач на графах (задача коммивояжера, раскраска, нахождение паросочетаний), размещения и компоновки, распознавания изображений, оптимизации функций и запросов в базах данных, настройки и обучения искусственной нейронной сети, составления расписаний, игровых стратегий, искусственной жизни, улучшения изображений и многих других [131, 152, 155, 173].

Исследованием способов применения ГА к синтезу РЭУ занимается эволюционная электроника, которая в настоящий момент активно развивается. Тем не менее, существующие подходы к синтезу РЭУ на основе ГА, описанные в работах [4, 8, 14, 20, 27.

— 29, 42, 44, 45, 50, 57, 65, 67, 74 — 55, 94, 99, 130, 131, 134, 135, 152−155, 173, 180] не позволяют гибко учитывать требования к структуре РЭУ, а также задавать требования на произвольную форму ЧХ.

В зарубежных источниках [4, 29, 67, 54, 55] уже описаны подходы к решению задач синтеза СКЦ (и даже усилителей) с использованием ГА. Наиболее значительные достижения в области автоматического синтеза СКЦ были получены Абри и Плезисом (Abrie, Plessis) [4, 29]. В этих работах ими был использован гибридный ГА, в котором классический ГА был дополнен методом наискорейшего спуска для осуществления локальной параметрической оптимизации. В качестве существенных недостатков данной работы можно отметить отсутствие возможности задавать произвольную форму характеристики коэффициента передачи по мощности, а также управлять структурой СКЦ лестничного типа посредством наложения ограничений на каждую из звеньев, использовать колебательные контуры. Перечисленные ограничения не позволяют применить его для решения большинства практических задач.

Отсутствие в этой области значимых с точки зрения практики результатов подтверждает тот факт, что в настоящее время отсутствуют коммерческие программные средства структурно-параметрического синтеза РЭУ на основе ГА.

Подводя итог выполненному обзору методов и программного обеспечения, можно констатировать, что процесс проектирования СКЦ с учетом требований к структуре синтезируемой цепи, форме ЧХ, произвольных нагрузок и генератора до сих пор остается сложной задачей, занимает достаточно много времени и требует высокой квалификации разработчика. До сих пор не существует методов, применимых для решения всего диапазона задач структурно-параметрического синтеза широкополосных СКЦ. В тех же случаях, в которых эти методы могут применяться, зачастую не учитываются требования, накладываемые с точки зрения практического использования результатов синтеза.

В Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ЛИКС ТУСУР), с участием автора был создан комплекс экспериментальных программ, предназначенных для автоматизированного синтеза СВЧ РЭУ и получивших высокую оценку ряда зарубежных и отечественных организаций [8, 99, 130, 153]. Данный комплекс включает, среди прочих, программы синтеза СКЦ GeneSyn [8, 99, 130] и усилителей GeneAmp [153], основанных на использовании ГА.

Однако эти программы практически не имеют общей базы, не позволяют использовать распределенные элементы в составе синтезируемых цепей, а жестко заданная внутренняя структура не позволяет расширять их возможности, кроме того, они были реализованы с использованием устаревших технологий программирования. В связи с этим, их применение, поддержка и развитие, а так же проведение новых исследований в этой области были значительно затруднены. Для устранения этих недостатков было решено разработать программную систему INDESYS (аббревиатура от «Intelligent Design System» — интеллектуальная система проектирования), которая должна стать основой для реализации различных прикладных модулей в области СВЧ РЭУ. Одним из методов, реализованных на основе программной системы INDESYS должен быть метод синтеза СКЦ на основе ГА, реализованный в виде программного модуля INDESYS-MATCH.

Основным недостатком существующих подходов к синтезу РЭУ является отсутствие контроля структуры синтезируемого объекта, что приводит к нереализуемым на практике решениям. Перспективным подходом, позволяющим преодолеть указанную трудность, является морфологический подход (МП) [83, 160, 161, 92], предложенный Ф. Цвикки. К задаче структурно-параметрического синтеза РЭУ МП рассмотрел C.B. Акимов [93, 94], предложив использовать И-ИЛИ деревья для описания структуры РЭУ. Данный подход позволяет выполнять синтез различными методами (в том числе ГА) с возможностью полного контроля структуры и параметров получаемых решений. Это является важным фактором при синтезе технических объектов, используемых на практике, так как на их структуру и параметры, как правило, накладывается большое количество ограничений со стороны внешней среды и технологии изготовления.

Главной идеей настоящей диссертации является объединение преимуществ МП и ГА с целью получения эффективного инструмента для решения прикладных задач синтеза широкополосных СКЦ. Благодаря рассмотрению задачи с общих позиций ряд результатов диссертации может быть распространен на более широкий класс аналоговых РЭУ, например, СВЧ транзисторных усилителей и др.

Актуальность работы обусловлена устойчивой тенденцией освоения все более высокочастотных диапазонов при проектировании РЭС, содержащих в своем составе СКЦ, и отсутствием эффективных методов и программного обеспечения, позволяющих выполнять структурно-параметрический синтез широкополосных СКЦ с высокими техническими характеристиками, удовлетворяющих требованиям практической реализации.

Цель работы — разработка подхода для автоматизированного структурно-параметрического синтеза широкополосных согласующе-корректирующих цепей СВЧ радиоэлектронных устройств в сосредоточенном и распределенном элементных базисах на основе морфологических И-ИЛИ деревьев и генетических алгоритмов с учетом практической реализуемостипроектирование на этой базе согласующе-корректирующих цепей для СВЧ транзисторных усилителей.

Цель работы достигается решением следующих основных задач:

1) анализ предметной области и существующих подходов к синтезу СКЦ;

2) разработка морфологического И-ИЛИ дерева, описывающих структурно-параметрическую модель СКЦ, а также способов его кодирования и варьирования;

3) разработка быстродействующего способа математического моделирования;

4) разработка способа задания требований к СКЦ, оценки проектных решений;

5) реализация разработанного подхода к синтезу в виде программы, исследование его эффективности;

6) решение практических задач синтеза СКЦ.

Научная новизна работы:

1) Впервые разработан подход к структурно-параметрическому синтезу широкополосных согласующе-корректирующих цепей в сосредоточенном и распределенном базисах на основе генетического алгоритма и морфологических И-ИЛИ деревьев, с возможностью расширения на другие классы устройств.

2) Впервые предложен способ математического моделирования линейных радиоэлектронных устройств на основе сопоставления И-ИЛИ дереву иерархически вложенных аналитических моделей компонентов, специально ориентированный на применение в задачах динамической генерации структуры устройств.

3) Предложен набор эвристических правил, учитывающих особенности проектирования лестничных цепей и позволяющих повысить практическую эффективность синтеза согласующе-корректирующих цепей на основе генетического алгоритма.

При проведении исследований, изложенных в данной работе, были использованы следующие теории: оптимизации, структурно-параметрического синтеза (с использованием МП), численных методов (в частности, ГА), R-функций, СВЧ цепей. Также были использованы методы анализа электрических цепей с помощью матриц. При проектировании программного комплекса была использована методология Rational Unified Process, основанная на объектно-ориентированном подходе.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Разработанный на основе И-ИЛИ деревьев способ формирования морфологических моделей РЭУ позволяет контролировать структуру и параметры элементов РЭУ, что позволяет синтезировать удобные для практической реализации цепи.

2) Использование ГА позволяет одновременно получать группу различных схемных решений. Это дает возможность проектировщику выбрать схемное решение на основе не только значений характеристик, но и особенностей практической реализации (например, обусловленных технологией изготовления).

3) Использование эвристических правил обеспечивает генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращает время синтеза.

4) Разработанная программа INDESYS-MATCH обеспечивает решение широкого круга задач синтеза широкополосных СКЦ как на сосредоточенных, так и распределенных элементах, при произвольных частотнозависимых комплексных импедансах генератора и нагрузки и при произвольной форме ЧХ коэффициента передачи по мощности. По сравнению с другими программами синтеза, INDESYS-MATCH позволяет расширить класс решаемых задач, полностью автоматизировать решение задачи структурно-параметрического синтеза СКЦ, получать реализуемые на практике схемы с высокими техническими характеристиками, сократить время и трудоемкость синтеза СКЦ (типичное время синтеза СКЦ составляет несколько секунд), снизить требования к уровню квалификации и опыту проектировщика.

5) С использованием программы 1Ж) Е8У8-МАТСН решен ряд практических задач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей: первых в России копланарных гетероструктурных усилителей мм-диапазона волн на основе 0,13 мкм ваАБ гетероструктурной шНЕМТ технологии Института СВЧ полупроводниковой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН) — трехкаскадного малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 27−31 ГГц с фильтрующими свойствами для системы космической связи, выполненного по монолитной 0,1 мкм ОаАэ тНЕМТ технологии 001МН фирмы ОММ1С для французского космического агентства СИЕ8- трехкаскадного МШУ диапазона частот 7−13 ГГц для НПФ «Микран».

Положения, выносимые на защиту:

1) Комбинирование с применением генетического алгоритма радиоэлектронных компонентов, входящих в обобщенную морфологическую модель в виде И-ИЛИ дерева, позволяет осуществить одновременно структурный и параметрический синтез широкополосных согласующе-корректирующих цепей, обеспечивающих заданную форму частотной характеристики.

2) Обход морфологического И-ИЛИ дерева и сопоставление аналитических моделей компонентам дерева позволяет вычислить частотные характеристики динамически сгенерированных согласующе-корректирующих цепей с меньшими временными затратами, чем с использованием алгоритмов универсального моделирования.

3) Использование в генетическом алгоритме эвристических правил, учитывающих особенности проектирования согласующе-корректирующих цепей, позволяет повысить эффективность синтеза: запрет генерации ряда однотипно включенных сосредоточенных элементов позволяет получать корректные с точки зрения схемотехники цепи лестничного типаисключение следующего после колебательного контура звена лестничной цепи позволяет фиксировать порядок лестничной цепизамена в генетическом алгоритме цепей с повторяющейся структурой на случайно сгенерированные обеспечивает постоянный структурный поиск.

Апробация результатов. Представленная работа совпадает с тематикой исследований на Кафедре компьютерных систем в управлении и проектировании Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (КСУП ТУСУР) и выполнялась как составная часть научно-исследовательской работы ЛИКС. Некоторые теоретические сведения и практические результаты, полученные в рамках выполнения этой работы, легли в качестве примеров в основу курсов лекций по дисциплинам «Тгометрическое моделирование в САПР», «Объектно-ориентированное программирование», «Технологии разработки программного обеспечения» которые читались автором работы в ТУСУРе, а также курса «Разработка ?еЬ-приложений» в.

Центре инноваций Microsoft при Национальном исследовательском Томском политехническом университете (ТПУ).

По тематике исследований создан проект группового обучения на каф. КСУП № 1015 «Интеллектуальные системы синтеза СВЧ РЭУ», а также индивидуальная программа обучения студентов. Данный проект занял второе место в конкурсе проектов группового обучения ТУ СУР в 2010 г.

Работа была поддержана следующими грантами:

1) «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), проводимый в рамках IV международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». Тема проекта «Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе ГА» (номер гос. контракта 01/08 от ООО «Комресурс»),.

2) «Бизнес-Старт с Microsoft» от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Тема проекта «Разработка системы автоматизированного проектирования INDESYS и основных функциональных модулей» (номер проекта 8424).

3) Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ № 09−07−99 020). Тема проекта «Методы, алгоритмы и интеллектуальное программное обеспечение для структурного синтеза СВЧ монолитных интегральных устройств на основе гетероструктурных нанотехнологий».

4) INTAS (совместно с Лиможским университетом XLIM, Франция, Французским космическим агентством CNES, Франция, Голландским астрономическим центром ASTRON, Нидерланды). Тема проекта «Automatized synthesis of microwave monolithic integrated circuits with spatial and astronomy applications» (№ 06−1 000 024−9199).

5) Открытый конкурс на выполнение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы. Тема проекта «Решение научных задач характеризации, моделирования и проектирования GaAs монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе наногетероструктурных рНЕМТ и тНЕМТ технологий» (НК-129П, номер гос. контракта П1418).

6) Открытый конкурс на выполнение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы. Тема проекта «Разработка методов и программ автоматизированного проектирования, моделей элементов и комплекта GaAs монолитных усилителей мощностью миллиметрового диапазона волн на отечественных наногетероструктурных рНЕМТ и тНЕМТ технологий» (НК-217П, номер гос. контракта П1492).

7) Открытый конкурс на проведение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук» на 2009;2013 гг. Тема проекта «Разработка методов, алгоритмов и интеллектуального программного обеспечения для синтеза микроэлектронных СВЧ устройств с использованием точных моделей интегральных элементов» (НК-713П, номер гос. контракта П669).

8) Прикладные научно-исследовательские работы. Тема проекта «Разработка библиотеки моделей и программного обеспечения для проектирования и поддержки производства в Томске СВЧ монолитных интегральных схем на основе арсенид-галлиевой гетероструктурной технологии» (гос. контракт № 354/1).

9) Открытый конкурс «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области микроэлектроники». Тема проекта «Комплекс исследований, направленных на решение научных задач характеризации, моделирования, проектирования и опытного производства наногетероструктурных монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе материалов СаАз, 1пР и СаИ» (гос. контракт № 14.740.11.0135).

10) Открытый конкурс «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук в области „микроэлектроника“». Тема проекта «Решение научных задач характеризации, моделирования и опытного производства наногетероструктурных монолитных интегральных схем СВЧ диапазона на основе СаАя» (гос. контракт № 16.740.11.0092).

По результатам научно-исследовательской деятельности опубликовано 32 работы по теме диссертации [84−89, 91, 105−108, 110−117, 123, 139−150]. Публикации включают 5 статей в ведущих рецензируемых журналах «Информационные Технологии», «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», «Известия Томского политехнического университета». В общее число публикаций входит 9 опубликованных в трудах международных научных конференций:

1) «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2008 г.

2) «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», Томск, 2007, 2010 гг.

3) «Современные техника и технологии», Томск, 2010 г.

4) «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2010 г. и 17, опубликованных в трудах Всероссийских научных конференций:

1) «Научная сессия ТУСУР», Томск, 2007;2010 гг.

2) «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2008;2009 г.

3) «Ползуновские гранты молодым ученым», Барнаул, 2008 г.

4) «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», Томск, 20 092 010 гг.

5) Научно-технический семинар «Научно-технические проблемы в промышленности: интегрированные системы автоматизированного проектирования нового поколения для разработки инновационной радиоэлектронной продукции, аппаратуры и систем», Санкт-Петербург, 2010 г.

Полученные результаты вошли также в 4 учебно-методических пособия:

1) Дорофеев С. Ю., Поляков А. Ю., Геометрическое моделирование в системах автоматизированного проектирования: учебно-методическое пособие — Томск: Из-во ТУСУР, -2007.

2) Дорофеев С. Ю., Песков М. А., Рекомендации по повышению качества программного кода для участников проектных групп ГПО: учебно-методическое пособие — Томск: Из-во ТУСУР, — 2007.

3) Дорофеев С. Ю., Песков М. А., Объектно-ориентированное программирование. Методические указания к выполнению курсовых работ: учебно-методическое пособиеТомск: Из-во ТУСУР, — 2007.

4) Дорофеев С. Ю., Зайцева М. А., Стручков С. М., Технологии разработки программного обеспечения: учебно-методическое пособие к выполнению курсового проекта, Томск — 2010.

В процессе выполнения данной работы были получены следующие дипломы и почетные грамоты:

1) по результатам первого тура Всероссийского открытого конкурса дипломных проектов награжден грамотой за лучшую научную работу, по теме «Синтез согласующих цепей на основе генетического алгоритма», 2007 г.

2) по результатам Всероссийского конкурса «Ползуновские гранты молодым ученым» награжден дипломом лауреата и денежной премией, тема «Среда интеллектуального проектирования СВЧ-устройств INDESYS», 2008 г.,.

3) по результатам Всероссийского молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К. награжден дипломом I степени, тема «Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма»,.

4) по результатам VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» награжден дипломом I степени за доклад в секции «Системы автоматизированного проектирования»,.

5) по результатам VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» награжден дипломом I степени за доклад в секции «Интеллектуальные системы и технологии»,.

6) по результатам конкурса «Microsoft Imagine Cup 2010 — Сибирь и Дальний Восток» награжден дипломом II степени за доклад «Интеллектуальная система автоматизированного проектирования СВЧ устройств INDESYS»,.

7) присужден статус «Лауреат Томской области в сфере науки среди молодых ученых 2010 за высокие достижения в сфере образования и науки, способствующие укреплению престижа Томского научно-образовательного комплекса в стране и во всем мире».

Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Интеллектуальная среда проектирования радиоэлектронных устройств «Intelligent Design System»" № 2 008 612 128 от 29 апреля 2008 г. (прил. В).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в НПФ «Микран» (г. Томск), Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» при ТУСУРе (г. Томск), Институте СВЧ полупроводниковой электроники РАН (г. Москва). Созданная программа внедрена в НИИ Полупроводниковых приборов (г. Томск), в Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (XLIM, г. Лимож, Франция), во Французское космическое агентство (CNES, г. Тулуза, Франция), а также в учебном процессе каф. КСУП ТУ СУ Р.

В приложении Б содержатся акты использования результатов данной диссертационной работы.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор развил идею использования МП совместно с ГА для решения задачи структурно-параметрического синтеза СВЧ РЭУ, предложил и реализовал подход к быстродействующему математическому моделированию СВЧ РЭУ, предложил идею создания программной системы INDESYS, разработал программу INDESYS-MATCH обеспечивающую синтез широкополосных СКЦ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 229 страниц. Основная часть включает 192 страницы, в том числе 108 рисунков и 31 таблицу.

Список используемых источников

содержит 183 наименования.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1) Разработан общий подход, основанный на ГА в сочетании с морфологическими И-ИЛИ деревьями, обеспечивающий автоматизированный синтез СКЦ (с возможностью расширения и на другие классы устройств) и позволяющий полностью контролировать структуру и значения элементов, а так же получать одновременно несколько различных решений. Это позволяет учесть требования, накладываемые со стороны практической реализации.

2) Поддерживается возможность задания требований к произвольной форме ЧХ в виде диапазонов на каждой из частотных точек.

3) Разработано объектное представление РЭУ на базе морфологических деревьев с использованием принципов объектно-ориентированного программирования, а также разработан новый быстродействующий подход к моделированию линейных РЭУ, позволяющий динамически формировать и вычислять математические модели вариантов решений в процессе структурно-параметрического синтеза.

4) Разработана модификация ГА, отличающаяся от известных набором оригинальных эвристических правил, учитывающих особенности предметной области, позволяющая получать более качественные технические характеристики синтезируемых РЭУ (в частности, СКЦ) за меньшее время.

5) Разработана структура организации программной системы 1Ж) Е8У8, предназначенной для реализации на его основе модулей, решающих различные прикладные задачи в области СВЧ РЭУ.

6) На основе программной системы Г№}Е8У8 разработан программный модуль ГКОЕ8У8-МАТСН, предназначенный для автоматизированного синтеза СКЦ, обеспечивающих широкополосное согласование импедансов генератора и нагрузки с использованием сосредоточенных и распределенных элементов. Возможность задания требований к произвольной форме коэффициента передачи по мощности позволяет синтезировать СКЦ с фильтрующими свойствами, а также межкаскадные СКЦ, компенсирующие спад усиления транзистора.

7) Разработанные в результате выполнения данной работы подходы к структурно-параметрическому синтезу и реализованные на их основе программные инструменты позволяют снизить как трудоемкость синтеза СКЦ, так и требования к уровню квалификации и опыту проектировщика. Результаты тестирования показывают, что время синтеза всех решений составляет от несколько секунд до нескольких минут, при этом одновременно получаются несколько различных схемных решений.

6) С использованием программного модуля ШБЕВУБ-МАТСН был разработан ряд монолитных СВЧ усилителей с СКЦ как для отечественных организаций (Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН, НИИ Полупроводниковых приборов, НПФ «Микран»), так и зарубежных (Исследовательский институт систем СВЧ и оптической связи ХЫМ, Французское космическое агентство СЫЕ8), в частности — для трехкаскадного ваАБ шНЕМТ МШУ диапазона 27−31 ГГц, копланарного однокаскадного ваАэ тНЕМТ усилителя 34−38 ГГц, копланарного двухкаскадного ваАз тНЕМТ усилителя 34−37,5 ГГц.

В дальнейшем планируется распространить описанные подходы на другие виды устройств (например, СВЧ усилители), реализовать возможность синтеза с использованием моделей элементов с учетом потерь, повысить быстродействие системы моделирования за счет использования параллельных вычислений и графической карты, реализовать ЕЧОЕЗУБ-МАТСН в виде облачного сервиса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.