I                                       Введення

Можливості сучасної обчислювальної техніки та програмного забезпечення дозволяють розробляти інтелектуальні системи автоматизованого проектування НВЧ пристроїв, що поєднують в собі формальні методи створення конкретних пристроїв з евристиками, що дають можливість здійснювати автоматизовану підтримку творчих елементів процесу проектування До таких інтелектуальним програм відноситься експертна система Filtex32, призначена для синтезу смугасто-проникних смужкових і мікрополоскових фільтрів [1] Для неї розроблений спеціальний метод оптимізації, що відрізняється від стандартних універсальних методів, застосовуваних у сучасних САПР, по-перше, використанням апріорної інформації про фізичні властивості кожного оптимизируемого параметра конструкції, а, по-друге, використанням векторних цільових функцій замість скалярних Ці відмінності дозволяють багаторазово прискорити процес оптимізації пристрою

Метод призначений для формування заданих характеристик смуги пропускання фільтра за допомогою корекції мінімальної кількості відібраних «підлаштування» параметрів конструкції, найбільш сильно впливають на АЧХ пристрою Тому метод не є методом глобальної оптимізації, проте в експертній системі Filtex32 така оптимізація можлива в режимі «дослідження», коли здатні коригуватися параметри конструкції, віднесені до «фіксованим»

II                              Основна частина

Формування заданої смуги пропускання фільтра на фізичному мові означає, по-перше, встановлення певної величини звязку резонаторів один з одним, а крайніх резонаторів ще й з лініями передачі, і, по-друге, настройку основної резонансної частоти кожного резонатора на центральну частоту смуги пропускання з урахуванням впливу всіх звязків Як відомо, смуга пропускання п-ланками фільтра характеризується п + 1 параметром, а значить таким же має бути мінімальне число оптимізуються конструктивних параметрів пристрою Як приклад, на рис

1 показані частотні залежності прямих L і зворотних R втрат налаштованого шестізвенного фільтра У ньому смуга пропускання характеризується своєю шириною за заданим рівнем Af, центральною частотою foH пятьма значеннями мінімумів зворотних втрат R1-R5, які в налаштованому пристрої повинні збігатися з також заданим мінімальним рівнем зворотних втрат Rmin, однозначно повязаним з максимальним значенням КСВ

Рис 1

Бєляєв Б А, Тюрнев В В Інститут фізики ім Л В Киренського СО РАН Академмістечко, Красноярськ, 660036, Росія тел: 3912-494591, e-mail: belyaev@iphkrasnru

Fig 1

В якості цільової функції введемо такий вектор D розмірністю п +1, компоненти якого D, є показниками відхилення певних характеристик поточної смуги пропускання від заданої [2] Для кожної компоненти Ь, необхідно побудувати

многопараметровой оператор корекції С,, який забезпечує прирощення значень деяким оптимизируемого параметрами в певних пропорціях з тим, щоб істотно зменшити за абсолютною величиною i-ю компоненту вектора D, майже не збільшуючи інші Іншими словами, оператори

корекції С,, повязані з компонентами вектора

D, повинні бути квазіортогональних

У цьому випадку процес оптимізації являє собою цікп, кожна ітерація якого включає розрахунок вектора D порівняння його з попереднім значенням з метою уточнення коефіцієнта чутливості X,, якщо ця ітерація не була першою знаходження максимальної за абсолютною величиною компоненти D, і, нарешті, корекцію оператором D, x, C, параметрів конструкції вимагають оптимізації Оптимізація завершується, коли всі компоненти Di звернуться в нуль з необхідною точністю

Для побудови вектора откпоненія і звязаних з його компонентами операторів розглянемо найпростішу симетричну конструкцію шестізвенного микрополосковой фільтра на регулярних резонаторах з кондуктивним подкпюченіем до ліній передачі (рис2) Очевидно, що власні частоти резонаторів визначаються в першу чергу довжиною їх смужкових провідників / 1, / 2 і / з, ширина ж смуги пропускання головним чином залежить від величини зазорів між резонаторами Si, Зги S3 А величина звязку крайніх резонаторів з зовнішніми лініями визначається відстанню від вузла напруги в резонаторі на центральній частоті до точки кондуктивного підключення ліній t

Для кожного з перерахованих параметрів задамо свої нормовані оператори корекції / ,

і f, які будуть забезпечувати однакове відносне збільшення відповідним параметрам Дослідження дії операторів на зміну мінімумів зворотних втрат в налаштованому

фільтрі (рис 1) у {i) = Ri-Rmin показують, що призводить до непарних спотворень у (/) щодо осі, проведеної через центр смуги пропускання, а

оператори та i – до парних

Рис 2

Fig 2

У результаті, крім двох перших компонент вектора откпоненія Di та Ог, які, очевидно, мають характеризувати відносні расстройки центральної частоти та ширини смуги пропускання, вектор D буде мати компоненти, що характеризують парні і непарні відхилення мінімумів R, від необхідного значення Rmin-Конкретний вид виразів

для всіх С, і Di залежить тільки від числа резонаторів у фільтрі Для шестізвенной конструкції ці вирази представлені в табл 1 Перші дві компоненти зручно виражати у відсотках, а решта – в децибелах

Таблиця 1

Table 1

Вплив операторів корекції продемонстровано на рис 3, де наведені діаграми зміщення мінімумів зворотних втрат, і в табл 2, де наведені значення компонент вектора відхилення D, після впливу одного з операторів с, на що оптимізуються параметри фільтра Вихідним значенням параметрів відповідав вектор D з нульовими компонентами Видно, що компонента D,, відповідна оператору с,, по модулю значно перевершує всі інші компоненти D {L * i) Виняток має місце лише для оператора Для нього компонента D4оказивается сумірною з компонентою Оз Це означає, що після кожної корекції, виробленої оператором С3, буде вимагатися наступна корекція оператором Тому, щоб уникнути зайвої корекції параметрів, оператор С3 бажано перевизначити в розглянутому прикладі наступним чином Сз = t-aC ^, де коефіцієнт а = 3,35 / 3,78

Рис 3 Fig 3

Таблиця 2 Table 2

Обчисливши для кожного оператора С, відповідні йому компоненти D, і припускаючи лінійну звязок між ними, можна перейти до нормованим операторам х, з,, які забезпечують одиничне прирощення компоненті D, Очевидно, що коефіцієнти X, є безперервними обмеженими функціями оптимізуються параметрів

Перед початком оптимізації фільтра коефіцієнтам X, присвоюються початкові значення, які одного разу були обчислені при значеннях конструктивних параметрів, оптимальних для якого технічного завдання В якості початкових значень параметрів / *, s * і t слід вибрати параметри якого-небудь синтезованого раніше фільтра Ця вимога обумовлена ​​необхідністю забезпечити існування всіх мінімумів зворотних втрат Я, на самому початку процесу оптимізації

Процес оптимізації, як уже зазначалося, являє собою ряд ітерацій, спрямованих на обнулення компонент вектора відхилення D Кожна ітерація включає наступні лоследовательние дії: розрахунок АЧХ поблизу лолоси лролусканія, обчислення комлонент вектора D, лоіск комлоненти Di, модуль якої максимальний, завершення олтімізаціі, якщо все | D, | менше заданого долуска, уточнення коефіцієнта х, ло підсумками лредидущей корекції комлоненти D,, якщо лоследняя була ви-лолнена, корекція лараметров олератором D, x, C,, лереход на нову ітерацію

III                                    Висновок

Олисать слеціальний метод олтімізаціі локазал високу ефективність у екслертной системі Filtex32, лредназначенной для автоматизованого лроектірованія лолосно-лролускающіх лолоскових і мікрололоскових фільтрів Ефективність методу ще більше зростає, коли в ньому ламається ал-ріорних знань іслользуются і алостеріорние знання До них можна віднести лолученние нами аллрок-сімаціі залежностей початкових значень конструктивних лараметров k, SkV \ t, а також коефіцієнтів чутливості Хк від конкретного технічного завдання Це лозволяет в автоматичному режимі системі самої задавати початкові значення всіх конструктивних лараметров пристрою

IV                           Список літератури

[1] Бєляєв Б А, Бутаков СВ, Лалетин Н В, лексика А А, Тюрнев В В Експертна система Filtex32 для автоматизованого проектування полоснопропускающіх мікрополоскових фільтрів – В кн: 15-я Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо2005 Матеріали конф [Севастополь, 12-16 сент 2005 р] – Севастополь: Вебер, 2005, с 504-505

[2] Бєляєв Б А, Нікітіна М І, Тюрнев В В Синтез мікрополоскових фільтрів по заданій смузі пропускання методом оптимальної корекції Препринт № 760Ф, Інститут фізики СО РАН, Красноярськ, 1995, 27 с

THE METHOD FOR MICROSTRIP FILTERS PARAMETRIC SYNTHESIS

Belyaev B A, Tyurnev V V

Institute of Physics AI<ademgorodol<, Krasnoyarsl<, 660036, Russia Ph: 3912-494591, e-mail: belyaev@iphkrasnru

Abstract – Original high-performance parametric optimization method for computer-aided design of bandpass microstrip filters to be used in the expert system Filtex32 is presented

I                                       Introduction

Expert system Filtex32 [1], intended for bandpass strip and microstrip filters CAD is the subject of artificial intelligence due to priori and posteriori knowledge application This knowledge underlies a special optimization method of the system This method differs from standard optimization methods by using of priori information about physical properties of every optimizable structural parameter and by using of vector objective function instead of scalar one These differences allow carrying out multiply accelerating device optimization process

The method is meant to form specified characteristics of filter passband by means of changing minimum quantity of selected «trimming» device parameters, which influence deeply on device frequency response Therefore the method is not a global optimization method However, global optimization in the expert system Filtex32 is possible in the «investigation» mode, where «fixed» parameters may be adjusted

II                                        Main Part

Forming of a specified filter passband from the physical point of view means firstly assignment of proper coupling value between resonators and between input/output resonator and transmission line, and secondly adjustment of basic resonance frequency to the passband center for every resonator taking into account all coupling effects As is well known the passband of f-section filter is characterized by л + 1 parameters So the same number must be minimum number of device optimizable parameters As example in Fig 1 frequency dependences of insertion loss L and return loss R in adjusted six-section filter are shown Here the passband is characterized by bandwidth Af, center frequency foand five return loss minima R1-R5, which must coincide with the specified return loss minimum Rm,„, unambiguously bound with maximum VSWR value

As an objective function we shall introduce a vector D of Л +1 dimensionality, whose components D, characterize the value of current passband deflection from the specified one [2] It is necessary for every component D, to introduce a proper

multi-parameter correction operator C, , which makes certain increments for optimizable parameters in order to decrease absolute value of D„ not increasing considerably absolute values of

other components In other words, correction operators C,, conjugated with components D„ must be quasi-orthogonal

In this case optimization process represents a cycle, whose iterations include calculation of the current vector D value, comparing it with previous value in order to make sensitivity coefficient X, more accurate, if the iteration was not first, finding a component Di with maximum absolute value, and finally correcting structural parameters using operator D,x,C, The optimization is

finished, when all components D, vanish with required accuracy

In order to build deflection vector components and conjugate correction operators we shall consider the simplest symmetric structure of a six-section microstrip filter (Fig 2) It is obvious, that resonator frequencies are formed most of all by their strip conductor lengths /1, h, /3, and the bandwidth depends mainly on the spacings Si, S2, S3 between resonators The coupling of input/output resonator with external transmission line is formed by distance t between the tapping point and voltage node on the resonator at the center frequency

For listed parameters we shall define their normalized oneparameter correction operators /^, s^and t, which shall provide equal relative increments for corresponding structural parameters Then desired deflection vector components and conjugate correction operators can be defined using the formulae listed in Table 1

The results of multi-parameter correction operator effects are presented in Fig 3 and Table 2 The diagram in Fig 3 shows the shifts of return loss minima R, after correction operator influence on optimizable parameters Initial deflection vector D had zero components It is seen from Table 2, that redefinition C3 = i -aC^, where a = 335/378, will improve optimization process

III                                       Conclusion

Special optimization method presented reveals high efficiency in the expert system Filtex32, intended for bandpass strip and microstrip filters CAD Efficiency of this method still more increases, when posteriori knowledge is used in addition to priori knowledge Approximation dependences obtained for the structural parameters /*, S* and t as well as sensitivity coefficients x* versus concrete requirements specification can be regarded as posteriori knowledge That allows the system to assign starting values for all device structural parameters in automatic mode

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р