Projekt Eureka! E!5071 (MWAVE_CAD) - Szybkie wspomagane komputerem projektowanie filtrów i multiplekserów mikrofalowych

Projekt Eureka! E!5071 prowadzony jest przez Politechnike Gdańską w kooperacji z firmą Mician GmbH w okresie od 2010-05-13 do 2014-05-12. Całkowity koszt realizacji projektu wynosi 1.431.750 zł, z czego 60% kosztów dofinansowane jest ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Wprowadzenie

Celem projektu jest stworzenie oprogramowania wspomagającego automatyzację projektowania filtrów mikrofalowych oraz układów multiplekserów używanych w nowoczesnych systemach komunikacji bezprzewodowej i satelitarnej. Układy te są wykorzystywane we wszystkich systemach cywilnej łączności bezprzewodowej, systemach dystrybucji sygnałów TV drogą kablową oraz np. w astrofizyce. Filtry i multipleksery są jednymi z kluczowych elementów nowoczesnych systemów łączności i pozwalają na separację sygnałów różnych systemów działających na tym samym obszarze. Obecnie wykorzystywane systemy wymuszają stosowanie złożonych układów filtrujących pracujących na wysokich częstotliwościach. Projektowanie układów tego typu nie jest łatwe, gdyż wymaga znajomości technik projektowania układów o stałych rozłożonych, a przy tym konieczne jest uwzględnienie efektów pasożytniczych występująych na wysokich częstotliwościach (np. dyspersja, straty). To powoduje, że analiza złożonych układów filtrujących wymaga używania złożonych narzędzi komputerowych, takich jak pełnofalowe symulatory elektromagnetyczne. Oprogramowanie takie pozwala na analizę układów trójwymiarowych symulując rzeczywiste warunki pracy układu poprzez rozwiązywanie problemów fizycznych opisywanych przez równiania Maxwella i odpowiednie warunki brzegowe. Stopień złożoności tak sformułowanego problemu jest jednak bardzo wysoki, co powoduje, że czas trwania pojedynczej analizy układu może trwać kilka godzin lub dni. W praktyce bardzo utrudnia lub wręcz uniemożliwia to bezpośrednią optymalizację tak złożonych układów jak filtry czy multipleksery mikrofalowe.

Cele projektu jest opracowanie i wdrożenie do komercjalizacji:

  • Modułu optymalizacji filtrów o dowolnej konfiguracji rezonatorów.
  • Modułu wspomagającego projektowanie filtrów międzypalczastych.
  • Modułu automatycznego projektowania wybranych układów o dużym stopniu złożoności np. diplekserów/multiplekserów/fitlrów dwurodzajowych.

Moduł optymalizacji filtrów o dowolnej konfiguracji rezonatorów

Opracowany moduł współpracuje ściśle z pakietem Microwave Wizard firmy Mician i umożliwia szybką optymalizację filtrów wykorzystującą symulator pełnofalowy, będący częścią pakietu. Moduł ten korzysta z metody optymalizacji, minimalizującej liczbę symulacji pełnofalowych, tym samym redukując znacząco czas optymalizacji. Działanie modułu opiera się na założeniu, że użytkownik definiuje w programie Microwave Wizard strukturę filtru, jednocześnie zapewniając, że wymiary struktury, które mają być optymalizowane są oznaczone jako zmienne. Ponieważ to użytkownik buduje strukturę filtru, to może mieć ona dowolną konfigurację rezonatorów, która jednak musi zapewniać realizację poszukiwanej odpowiedzi filtru (założoną liczbę biegunów i zer funkcji przenoszenia, poziom dopasowania w paśmie itp.).

Graficzny interfejs użytkownika, stworzony został przy wykorzystaniu biblioteki WPF, która jest składnikiem platformy .NET. Biblioteka ta pozwala tworzyć dowolnie złożone interfejsy użytkownika dając twórcom ogromną swobodę. Projekt głównego okna aplikacji został oparty o formularz z kilkoma zakładkami. Każda z zakładek grupuje pewne funkcjonalności, czyniąc interfejs przejrzystym.

Rysunek 1: Widok okna modułu optymalizacji filtrów o dowolnej konfiguracji rezonatorów.

Zakładka pierwsza (Rysunek 1) pozwala zdefiniować użytkownikowi parametry odpowiedzi filtru, takie jak częstotliwości graniczne, rząd odpowiedzi oraz dopasowanie w paśmie. Ponieważ optymalizowany filtr ma odpowiedź w postaci uogólnionej charakterystyki Czebyszewa, można również zdefiniować zbiór zer transmisyjnych podając ich częstotliwości. Ponadto użytkownik ustawić może standardowe parametry optymalizacji tj. maksymalną liczbę iteracji optymalizacji, jak i maksymalny dopuszczalny błąd rozwiązania. Po wypełnieniu wszystkich należy wcisnąć przycisk „Next” aby przejść do następnej zakładki.

Druga zakładka służy do przeglądu zmiennych wewnętrznych pakietu Microwave Wizard, które będą zmieniane w ramach optymalizacji. Jak wspomniano wcześniej, zmienne te muszą być zdefiniowane przez użytkownika, jednak ich zakresy i wartości mogą być również modyfikowane z poziomu interfejsu zbudowanego modułu. Wciśnięcie przycisku „Optimize” spowoduje uruchomienie optymalizacji i przejście do trzeciej zakładki, która zawiera podgląd procesu optymalizacji, z wykresem aktualnej odpowiedzi filtru jak i historią błędu funkcji celu. W zależności od wybranej automatycznie strategii, optymalizacja korzysta z metody gradientowej bądźmetody roju cząstek w celu znalezienia wartości zmiennych (wymiarów geometrycznych struktury) dających poszukiwaną odpowiedź filtru. Cała optymalizacja przebiega w sposób automatyczny i z reguły nie wymaga interwencji użytkownika. Niemniej zalecane jest, aby użytkownik kontrolował wartości zmiennych podczas optymalizacji, tak aby uniknąć sytuacji, w której jedna lub więcej zmiennych nie osiągnęła wartości minimalnej lub maksymalnej przed osiągnięciem rozwiązania. W takim przypadku należy przerwać optymalizację i zmienić zakresy zmiennych.

Moduł wspomagający projektowanie filtrów międzypalczastych

Moduł ten wspomaga projektowanie filtrów międzypalczastych (zintegrowany z pakietem Microwave Wizard) i ma nieco odmienny charakter od modułu opisanego powyżej, gdzie możliwa jest optymalizacja dowolnej klasy filtru. W tym przypadku klasa filtrów jest ograniczona do filtrów międzypalczastych (oraz grzebieniowych), pozwalając tym samym na wykorzystanie specyficznych cech tego typu układów i tym samym na jeszcze większy stopień automatyzacji procesu projektowania. Użytkownik nie jest zmuszony budować struktury filtru, gdyż jest ona budowana automatycznie na podstawie szeregu definiowanych przez niego parametrów. Zastosowana została również o wiele wydajniejsza technika optymalizacji, niż ta oparta za zerach i biegunach wymiernej postaci odpowiedzi układu. W zastosowanym rozwiązaniu funkcja celu zbudowana jest w oparciu o tzw. macierz sprzężeń zapewniająca lepszą zbieżność.

Podobnie jak w przypadku modułu optymalizacji filtrów o dowolnej konfiguracji rezonatorów, interfejs graficzny zbudowany został w oparciu o serię zakładek (Rysunek 2). W każdej z nich użytkownik dokonuje wyboru parametrów a ostatnia pozwala kontrolować i monitorować przebieg optymalizacji.

Rysunek 2: Widok okna modułu optymalizacji filtrów międzypalczastych.

Moduł automatycznego projektowania wybranych układów o dużym stopniu złożoności np. diplekserów/multiplekserów/fitlrów dwurodzajowych

Moduł automatycznego projektowania diplekserów mikrofalowych opartych na filtrach grzebieniowych (Rysunek 3). Zasada działania tego modułu jest zbliżona do zasady działania modułu projektowania filtrów międzypalczastych i korzysta z części procedur opracowanych dla niego. Jednak stopień złożoności projektowania diplekserów mikrofalowych znacząco przewyższa złożoność problemu projektowania pojedynczego filtru. Jedną z metod projektowania takich układów, wykorzystaną w opracowanym module, jest synteza zmodyfikowanych filtrów kanałowych, uwzględniających wpływ połączenia ich w całość razem z drugim kanałem oraz złączem. Taka synteza pozwala na uzyskanie znakomitego punktu startowego do pełnofalowej optymalizacji układu całego dipleksera.

Rysunek 3: Widok okna modułu optymalizacji diplekserów.