Vystuplenie1

1.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Структурно-параметрический синтез схем и топологий
неотражающих частотно-селективных устройств
Паспорт научной специальности 2.2.14. «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»:
п 9. Разработка методов автоматизированного проектирования и оптимизации
антенных систем и микроволновых устройств широкого применения.
Докладчик: Киселева Анастасия Алексеевна, аспирант каф. СВЧиКР
Научный руководитель: Жечев Евгений, к.т.н., доцент каф. СВЧиКР
Томск 2026

2.

2
Актуальность
Рост требований к компактности и эффективности радиотехнических систем требует
создания частотно-селективных устройств с минимальными отражениями.
Неотражающие частотно-селективные устройства позволят:
Обеспечить максимальную эффективность передачи сигнала
Устранить стоячие волны
Повысить избирательность и помехозащищенность
Увеличить надежность и срок службы оборудования
Автоматизация синтеза таких схем и топологий сократит время проектирования
и повысит точность характеристик, относительно ручного проектирования

3.

3
Неотражающие фильтры
Неотражающие фильтры (НФ) — это устройства в радиоэлектронике, которые поглощают часть
нежелательного частотного спектра сигнала, поступающего на вход, вместо того, чтобы отражать его
обратно к источнику.
ТИПЫ НЕОТРАЖАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
по типу элементов
•Активные
•Пассивные
•Комбинированные
•На сосредоточенных
RLC-элементах
•На распределенных
элементах
•Комбинированные
по функциональному
назначению
по виду АЧХ
по способу
поглощения энергии
по технологии
изготовления
•ППФ
• ПЗФ
•ФНЧ
• ФВЧ
•ФНЧ-ППФ
•ФВЧ-ППФ
•Фильтр Баттерворта
•Фильтр Чебышева
•Фильтр Бесселя
•Эллиптический фильтр
•За счет шунтирующих
резисторов
•За счет подложки
с высокими потерями
•Печатные платы
•Интегральные схемы
•Гибридные многослойные
структуры
•Объемные резонаторы

4.

Влияние электромагнитных помех на работу НФ
4
В спектре реальных систем присутствуют посторонние сигналы и шумы. Одним
из преимуществ неотражающих фильтров считается повышенная помехозащищённость системы
– внеполосные сигналы не отражаются назад к источнику помех, а поглощаются фильтром.
*Лощилов А. Г. Уменьшение возвратных потерь и подавление внеполосных колебаний в межкаскадных соединениях систем связи с помощью неотражающих частотно-селективных цепей СВЧ / А. Г.
Лощилов, Н. Д. Малютин, Чинь То Тхань, Г. А. Малютин // Системы управления, связи и безопасности. – 2024. – №. 4. – С. 72–94
**Арутюнян А.А., Малютин Н.Д. Моделирование и экспериментальное исследование неотражающего полоскового фильтра на основе трехпроводной меандровой связанной линии. // Журнал
радиоэлектроники. – 2026. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.1.6

5.

Влияние окружающей среды на работу НФ
Влияние окружающей среды (температурных изменений, влажности) на характеристики СВЧ-фильтра обычно
проявляется через изменение диэлектрических и проводящих свойств материалов. В неотражающих фильтрах
дополнительный резистивный элемент может быть более чувствителен к нагреву, чем традиционный
высокодобротный резонатор.
Концепция дизайна интегрированных метаповерхностей*
Характеристики поглощения микроволн интегрированными
композитами: (а) КО при температуре от 25 °C до 1000 °C, (d) КО после
первых 50 циклов термического удара*
Полный процесс изготовления нагревателя, включающий выравнивание частиц
(нанесение рисунка), нанесение безэлектродного покрытия и защитное покрытие**
*Liu H. et al. Metasurface-based multifunctional composites with ultra-robust broadband microwave absorption up to 1000℃. – 2025.
**Yoon, D., Park, CO., Kim, JH. et al. Design and fabrication of frequency selective surface-based heating elements for radome applications using particle alignment technology. Sci Rep 15, 10473 (2025).
5

6.

НФ
6
Ключевые параметры:
Диапазон частот и ширина полосы
Коэффициенты передачи и затухания
Добротность
Селективность
Импедансные характеристики
Температурный диапазон
Устойчивость к углу падения и
поляризации (для ЧСП)
Адаптивность
Робастность
Габариты и масса устройства
На сегодняшний день существуют множество схем неотражающих фильтров, имеющих различный
набор свойств. Обеспечение высокой селективности при одновременном согласовании как на входе, так и на
выходе, является важной задачей. Анализ публикаций подтверждает, что комбинированные топологии
перспективны для исследований по созданию «идеальных» неотражающих фильтров. Таким образом,
обилие типов устройств и влияние внешних факторов прямо указывают на проблему их синтеза.
Необходимо разрабатывать методы, учитывающие широкий набор параметров и ограничений.
*Morgan M. A. Reflectionless filters. – Artech House, 2017.
*Малютин Н.Д., Чинь Т.Т., Малютин Г.А. Неотражающие фильтры CВЧ (обзор). // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 4.

7.

Базовая классификация синтеза СВЧ-устройств
7
Синтез — это процесс создания устройств и систем, обладающих заданными свойствами.
СИНТЕЗ
Параметрический
Структурный
Вычисляет номиналы элементов, Определяет схему и топологию устройства,
формируемого на основе выбранной
входящих в состав устройства.
библиотеки базовых элементов.
Позволяет точно выполнить требования
по АЧХ, ФЧХ, КСВН, ослаблению и т. д.
Результат
всегда
технологичен
и реализуем.
Учитывает технологические допуски
и электромагнитное моделирование.
Поддерживается всеми современными
САПР (HFSS, CST, ADS).
Часто требует больших вычислительных
ресурсов.
Требует от инженера глубокого опыта
для выбора правильной начальной
топологии, так как не способен
исправить ошибочный выбор структуры.
Не даёт точных электрических характеристик.
Вычислительно очень сложен и ресурсоёмок.
Не учитывает технологические ограничения
и разбросы параметров.
Результаты часто нуждаются в последующей
интерпретации и доработке для производства.
Структурно-параметрический
Определяет схему и топологию построения
устройства и вычисляет номиналы элементов,
входящих в состав устройства.
Оптимальное сочетание гибкости структурного
подхода и точности параметрического.
Учитывает взаимосвязь схемных, топологических
и параметрических факторов.
Позволяет
находить
нетривиальные
и высокоэффективные решения.
Наиболее распространённый и практичный подход
в современном промышленном проектировании.
Позволяет
значительно
увеличивать
количество
вариантов
схемотехнического
построения устройств.
Не требует от инженера предварительного
выбора схемы, алгоритм делает это сам.
Идеален для задач, где оптимальная
топология заранее неизвестна.
Более сложный в настройке процесс, требующий
двухэтапного моделирования.
Требует
создания
корректной
иерархической
модели (связи между схемой и геометрией).

8.

Существующие методы синтеза СВЧ-устройств
8
Аналитический и декомпозиционный синтез
Аналитический метод синтеза подразумевает то, что существует
готовый алгоритм или набор формул, который преобразует
требование в единственную, теоретически идеальную схему
с рассчитанными номиналами элементов.
Плюсы: Быстро, точно, результат предсказуем и физически понятен.
Минусы: Работает только для простых, стандартных задач.
Декомпозиционный метод синтеза обеспечивает общий подход
к проектированию линейных и нелинейных СВЧ устройств, которые
могут быть представлены в виде соединения активных элементов
(полупроводниковых
приборов)
и
пассивных
цепей
–
компенсирующих, согласующих, цепей обратной связи и т. д. Сначала
решается задача синтеза для каждого блока в отдельности (часто
аналитически), а затем решения объединяются.
Плюсы: Позволяет справляться со сложными устройствами, сводя их
к комбинации простых, решаемых задач. Повышает понятность
процесса.
Минусы: Оптимальность конечного устройства может быть ниже
теоретического предела, так как взаимодействие между блоками
учитывается не полностью.
Пример декомпозиции активной цепи

9.

Существующие методы синтеза СВЧ-устройств
9
Синтез методом оптимизации
Создается параметрическая модель устройства. Определяется целевая функция — численная мера отклонения
моделируемых характеристик от заданных. Специальный алгоритм ищет значения параметров, минимизирующие эту
функцию.
Глобальная (эвристическая) оптимизация.
Использует стратегии, не требующие градиента, часто основанные на
случайности и коллективном интеллекте.
Включает в себя:
Генетические алгоритмы. Решение кодируется «хромосомой».
Популяция решений скрещивается, мутирует, и лучшие особи
отбираются в следующее поколение.
Алгоритмы роя частиц. Каждое решение — «частица», летящая
в пространстве параметров. Частицы корректируют свой курс,
ориентируясь на личный лучший опыт и лучший опыт всего роя.
Дифференциальную эволюцию. Метод основан на операциях
мутации, основанной на разности векторов параметров, и
рекомбинации.
Плюсы: Способны «перескакивать» локальные минимумы, исследуя
все пространство. Не требуют начального приближения.
Минусы: Крайне высокая вычислительная стоимость (требуют тысяч
и десятков тысяч оценок целевой функции). Требуют тонкой
настройки параметров алгоритма (размер популяции,
коэффициенты).
Локальная (градиентная) оптимизация.
Использует информацию о производных (градиенте) целевой
функции по параметрам. Алгоритм (например, BFGS, метод
сопряженных
градиентов)
определяет
направление
наискорейшего спуска и делает шаг. Итеративно движется к
ближайшему локальному минимуму.
Плюсы: Очень эффективен и быстр в окрестности минимума.
Требует меньше вычислений целевой функции.
Минусы: Сильно зависит от начального приближения.
Застревает в локальных минимумах.
Блок-схема генетического алгоритма

10.

Существующие методы синтеза СВЧ-устройств
10
Синтез с использованием методов ИИ/Машинного обучения
Создается модель (глубокая нейронная сеть), которая обучается отображать одни пространства
в другие.
Прямой синтез
Нейросеть обучается на наборе данных вида. После обучения,
чтобы синтезировать новое устройство, на вход сети подается
желаемая характеристика, а на выходе получается предсказанная
геометрия.
Суррогатное моделирование
Нейросеть обучается на наборе данных, заменяя собой
медленный EM-решатель. Эта быстрая «замена» (суррогат) затем
используется внутри цикла классической оптимизации, что ускоряет
ее на порядки.
Генеративное моделирование
Использование генеративно-состязательных сетей (GAN) или
вариационных автоэнкодеров (VAE) для создания новых,
реализуемых топологий устройств, обладающих заданными
свойствами.
Достоинства: После этапа обучения синтез происходит мгновенно.
Позволяет работать со сложными, неаналитическими зависимостями.
Недостатки: Требует огромных и качественных наборов данных для
обучения. Не гарантирует физическую реализуемость без специальных
ограничений.

11.

Существующие методы синтеза СВЧ-устройств
11
Синтез на основе пространственных изображений (Space Mapping)
Используются две модели одного устройства:
Грубая модель (Coarse Model),которая быстрая, но
неточная (например, эквивалентная схема, модель на
идеальных линиях).
Точная модель (Fine Model) – медленная, но точная (3D
EM-моделирование.
Как правило, алгоритмы оптимизации на основе SM
состоят из четырех этапов:
1) Точное моделирование модели (проверка).
2) Извлечение параметров грубой модели.
3) Обновление грубой модели.
4) Повторная оптимизация грубой модели.
Связь грубых и точных моделей с помощью картографирования
Достоинства: Ускоряет финальную EM-оптимизацию в 10100 раз, сокращая число дорогостоящих EM-симуляций.
Недостатки: Сложность реализации. Требует создания двух
моделей и выбора типа отображения. Может расходиться,
если модели слишком разные.
Алгоритм оптимизации

12. Определение параметров фильтров-прототипов НЧ

12
Величины элементов прототипов нормируются так, чтобы и . Переход от нормированных фильтровпрототипов к другому уровню сопротивлений и измеренной шкале частот осуществляется с помощью
преобразований элементов цепи: