С появлением гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ диапазона машинное проектирование стало неотъемлемым этапом разработки СВЧ устройств. Процесс разработки таких устройств существенно усложнился из-за появления большого числа разнообразных пассивных и активных СВЧ элементов, а одним из наиболее важных вопросов разработки является обеспечение высокой точности расчетов усилителей, входящих в ГИС.

В работе описывается комплекс программ, предназначенных для синтеза транзисторного усилителя СВЧ с заданным коэффициентом усиления. Комплекс состоит из трех частей: пакета программ моделирования полевого СВЧ транзистора Шотки (пакет MESFET); пакета программ для синтеза и оптимизации согласующих цепей широкополосного СВЧ усилителя (пакет BBVHFA); графического интерфейса синтеза согласующих цепей узкополосного СВЧ усилителя (пакет VHFA).

Точный расчет диапазонного усилителя требует вычисления характеристик устройства на большом числе частотных точек. Модель активного элемента - транзистора обычно представляют эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами [1]. Достоверность результатов расчета усилителя, полученных с помощью эквивалентной схемы, зависит от точности определения элементов, входящих в схему, а также адекватности отображения этой схемой реальных физических процессов, происходящих в транзисторе. Современная техника не позволяет точно измерять параметры элементов эквивалентных схем. Для их аналитического расчета необходимо знать геометрию транзистора и профиль легирования полупроводниковой структуры, а эти сведения, как правило, неизвестны разработчику усилителей. Таким образом, расчет усилителей с использованием эквивалентных схем транзисторов является скорее качественным, чем количественным. Использование бесструктурного описания транзисторов с помощью экспериментальных S-параметров позволяет избежать этих трудностей. Такие модели точны, так как S-параметры измеряются в рабочем диапазоне частот транзистора и автоматически учитывают в нем все взаимосвязи. Для расчета диапазонного усилителя необходимо провести большое число измерений S-параметров транзистора в различных точках частотного диапазона, что на практике довольно затруднительно.

Для расчета усилителя используем структурную модель транзистора. Величины элементов, входящих в нее, определим следующим образом.

Рассчитаем S-параметры транзистора по его структурной модели при некоторых произвольных значениях элементов эквивалентной схемы в нескольких частотных точках. Сравним полученные значения S-параметров с измеренными S-параметрами на тех же частотах. Естественно предположить, что если эквивалентная схема адекватно описывает физические процессы в транзисторе, то значения S-параметров, рассчитанных и измеренных совпадут. Используя поисковый метод, добьемся максимального совпадения S-параметров. Критерии ошибок определим как отклонения модулей и фаз рассчитанных комплексных S-параметров в трех частотных точках от их измеренных значений на этих же частотах

Синтез усилителя осуществляется в два этапа. На первом этапе программой VHFA [3] определяются согласующие цепи узкополосного усилителя на максимальной частоте рабочего диапазона усилителя. На втором этапе решается задача параметрической оптимизации согласующих цепей широкополосного СВЧ усилителя по критерию максимальной равномерности АЧХ в рабочем диапазоне частот. Равномерность АЧХ достигается за счет некоторого уменьшения коэффициента усиления на частоте согласования. Для синтеза диапазонных усилителей обычно используют многозвенные согласующие цепи с заданным затуханием. Такие цепи занимают значительную площадь кристалла микросхемы и не обеспечивают максимальных характеристик усилителя. Методы параметрической оптимизации позволяют использовать простейшие согласующие цепи с оптимальными параметрами. Процедура синтеза осуществляется программой BBVHFA.

Рис. 1

Рис. 2

Пример использования пакетов программ. Синтезируем СВЧ усилитель на полевом транзисторе АП326А-2, имеющий в полосе частот 10-14 ГГц максимально возможный коэффициент усиления при неравномерности АЧХ +0.5 дБ. Для моделирования эквивалентной схемы используем S-параметры транзистора, измеренные на частотах 10, 12, 14 Ггц. На рис.1 изображена рассчитанная пакетом MESFET кривая частотной зависимости модуля, а на рис.2 кривая изменения фазы S21. На тех же рисунках, для сравнения, приведены экспериментальные значения S-параметров на разных частотах. Среднее отклонение значений модулей рассчитанных параметров бесструктурной модели транзистора от измеренных значений не превышает 6%, фаз - 5%. Максимальное отклонение имеет фаза S12 - 13%. Точность расчета модели транзистора можно оценить по частотным зависимостям инвариантного коэффициента устойчивости и коэффициента усиления усилителя. Частотные зависимости экспериментальных и рассчитанных коэффициентов приведены на рис.3,4.

Рис. 3

Рис. 4

В работе [2] приведены результаты моделирования ПТШ по экспериментальным частотным зависимостям Y- параметров транзистора. Пакет MESFET обеспечивает примерно такую же точность моделирования, но более перспективен для использования по частотной области применения.

Рис. 5

Узкополосный усилитель, синтезированный пакетом VHFA, имеет АЧХ, отображенную кривой 1 на рис.5. В результате использования пакета BBVHFA получен широкополосный усилитель с требуемым коэффициентом усиления в диапазоне частот 10-14 ГГц (кривая 2 на рис.5).

Пакет MESFET реализован в операционной среде UNIX, что позволяет использовать для расчетов ресурсы как локальных, так и удаленных UNIX - серверов, снизить требования предъявляемые к производительности рабочих станции и обеспечить доступ к программному продукту удаленным пользователям. Из-за известных затруднений с созданием дружественных графических интерфейсов, пакеты BBVHFA и VHFA, осуществляющие непосредственный диалог с пользователем, функционируют в ОС MS-DOS. Взаимодействие между программами комплекса осуществляется посредством локальной сети. Использование программно-сетевого комплекса сокращает общее время, затрачиваемое на разработку усилителя за счет использования высокопроизводительных ресурсов удаленных машин и возможности параллельных вычислений