Моделирование электронных схем в среде GENESYS

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

Б. В. Гусев, Е. В. Лагунов, В. А. Чечёткин 

МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 
В СРЕДЕ GENESYS

Уч е бн о - ме т од и ч еско е по со бие

 
Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета для студентов вуза, 
обучающихся по направлению 11.03.01 — Радиотехника 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2020 

УДК 004.94:621.38(075.8)
ББК 30в6я73+32.965-01я73
          Г96

Ре ц е н з е н ты :
М. С. Мухамедзянов, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики, те-
лемеханики и связи на железнодорожном транспорте УрГУПС; 
кафедра ОПД-ТС Уральского технического института связи и инфор-
матики (филиал) «Сибирский государственный университет теле-
коммуникаций и информатики» (завкафедрой канд. техн. наук, доц. 
Н. В. Будылдина) 

Н ауч н ы й  ред а к т о р  — д-р техн. наук, проф. С. Н. Шабунин 

Изображение на обложку предоставлено компанией Keysight Technologies

Г96
Гусев, Б. В.
Моделирование электронных схем в среде GENESYS : учебно-
методическое пособие / Б. В. Гусев, Е. В. Лагунов, В. А. Чечёткин ;  
Мин-во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург :  
Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 104 с.

ISBN 978-5-7996-3010-2

Учебно-методическое пособие содержит основные сведения по моделированию 
электронных схем с использованием САПР Genesys компании Keysight Technologies. 
Приведено краткое ознакомление с программой и описаны основные этапы проек-
тирования фильтров, автогенератора, умножителя частоты и возбудителя частоты.
Библиогр. 8. Табл. 2. Рис. 120. Прил. 4.
УДК 004.94:621.38(075.8)
ББК 30в6я73+32.965-01я73

ISBN 978-5-7996-3010-2
© Уральский федеральный 
     университет, 2020

Оглавление

Предисловие ..........................................................................................5

1. Изучение среды Genesys ....................................................................7
1.1. Ознакомление с программой (на примере разработки  
дисплексера) ....................................................................................9
1.2. Создание схемы фильтра нижних частот  ..............................11
1.3. Анализ схемы фильтра нижних частот ...................................16
1.4. Создание и анализ схемы фильтра  
верхних частот ................................................................................20
1.5. Создание и анализ диплексера ...............................................22
1.6. Оптимизация схемы диплексера ............................................24
1.6. Контрольные вопросы ............................................................33

2. Разработка автогенератора .............................................................34
2.1. Определение параметров транзистора ...................................35
2.2. Расчет автогенератора по постоянному току .........................42
2.3. Расчет автогенератора по переменному току .........................48
2.4. Энергетический расчет автогенератора ..................................53
2.5. Анализ схемы автогенератора .................................................55
2.6. Контрольные вопросы ............................................................64

3. Разработка умножителя частоты .....................................................65
3.1. Определение входных данных умножителя ...........................66
3.2. Расчет коллекторной цепи умножителя .................................68
3.3. Расчет входной цепи умножителя ..........................................72
3.4. Создание схемы умножителя ..................................................73

Оглавление

3.5. Анализ схемы умножителя ......................................................75
3.6. Контрольные вопросы ............................................................77

4. Проектирование возбудителя частоты ............................................78
4.1. Разработка схемы возбудителя частоты .................................79
4.2. Разработка полосового фильтра .............................................80
4.3. Разработка печатной платы возбудителя ...............................86
4.4. Контрольные вопросы ............................................................90

Список библиографических ссылок ....................................................91

Словарь ...............................................................................................92

Приложение 1. Варианты данных для расчета  
и содержание отчетов исследования .................................................95

Приложение 2. Пример выражений расчетов автогенератора ..........98

Приложение 3. Извлечение данных входного сигнала  
умножителя ...................................................................................... 100

Приложение 4. Пример выражений расчетов удвоителя ................ 101

Предисловие

О

дним из популярных программных продуктов, используе-
мых для проектирования радиочастотных устройств, являет-
ся проприетарная система автоматизированного проектиро-
вания Genesys компании Keysight Technologies [1]. Она представляет 
собой высокопроизводительное средство проектирования, предназна-
ченное для разработчиков ВЧ и СВЧ плат и модулей.
Среда компьютерного моделирования Genesys позволяет создавать 
схемы, состоящие из сосредоточенных и распределенных элементов 
радиоэлектронных схем. При создании схем могут использоваться 
встроенные мастера для фильтров, смесителей, генераторов и др. Про-
грамма позволяет исследовать проектируемое устройство различны-
ми методами и вывести результат в нескольких графических формах.
Большими достоинствами САПР являются ее относительно низкая 
цена и наличие русскоязычного интерфейса. Используя встроенный 
язык программирования можно автоматически пересчитывать элемен-
ты разрабатываемых устройств и оценивать получаемые изменения.
Загрузить последнюю версию программы можно с сайта разработ-
чика [1]. Программа платная, есть демонстрационная версия и специ-
альная лицензия для образовательных учреждений. Торговое назва-
ние последней версии: PathWave RF Synthesis. Типовые требования 
для установки: Windows 7…10 (64-bit), 10 ГБ на жестком диске, 6 ГБ 
оперативной памяти.
Пособие предназначено для ознакомления с методами автомати-
зированного проектирования высокочастотных устройств, а также 
для формирования начальных приемов работы с программой на при-
мере разработки автогенератора, умножителя частоты и возбудителя 
частоты.

Предисловие

В первой главе пособия рассмотрены общие вопросы подготовки 
к работе с инструментальным средством Genesys, в частности:
• создание схемы простого диплексера;
• линейный анализ схемы;
• оптимизация номиналов элементов для достижения требуемых 
характеристик.
Во второй главе рассмотрен расчет и анализ кварцевого автогене-
ратора. Исследуется влияние изменения режима работы на качество 
формируемого сигнала.
В третьей главе рассмотрен расчет и методика проектирования ум-
ножителя частоты. Особое внимание уделено вопросам согласования 
с нагрузкой.
В четвертой главе рассмотрено создание возбудителя частоты, филь-
трация нежелательных гармоник и разработка его конструкции.
При значительных изменениях в новых версиях программы будет 
подготовлено новое издание пособия.
В рамках обучения студенты Уральского федерального универси-
тета выполняют учебные работы, в ходе которых осуществляют раз-
работку автогенератора, умножителя частоты и создание возбудителя 
частоты. Данные для выбора и справочные параметры транзисторов 
представлены в Приложении 1.

1. Изучение среды Genesys

З

апустим Genesys двойным щелчком на пиктограмме 
 либо 
щелчком по соответствующей строке программы в стартовом 
меню Windows. После запуска открывается главное окно сре-
ды Genesys, показанное на рис. 1.1, где помещены инструменты про-
ектирования радиоэлектронных схем, предоставляемые этой средой 
проектирования.

При запуске на экране могут отображаться окна приветствия 
и выбора действий, которые нужно закрыть.

 
Рис. 1.1. Главное окно Genesys в режиме русского меню 

1. Изучение среды Genesys

На рис. 1.1 приведено окно в режиме русского меню. Некоторые 
элементы существующей версии  не переведены, поэтому для единоо-
бразия описания в дальнейшем будем использовать программу в стан-
дартном режиме (c английским меню), как показано на рис. 1.2. Пе-
ревод необходимых терминов приведен в словаре, расположенном 
в заключительной части пособия (см. с. 92).

 

Рис. 1.2. Главное окно Genesys (английское меню) 

Главное окно среды проектирования Genesys по вертикали разделе-
но на три части. В левой части содержатся средства управления — де-
рево рабочей области. Центральную часть окна Genesys занимает ра-
бочее поле. Под ним расположены поля сообщений и ошибок, ввода 
команд управления. Правую сторону окна занимает панель селектора 
компонентов.
В верхней части окна расположены главное меню и панели инструментов. 
Многие функции и команды меню также доступны через панели 
инструментов и/или дерева рабочей области. Вид и состав меню 
и панели инструментов динамически изменяются в зависимости от открытого 
активного окна. Чтобы узнать команду, с которой связан значок 
на панели инструментов, установим курсор мышки на этот значок 
и подождем несколько секунд. Появится небольшая подсказка для 
значка во всплывающем поле.

1.1. Ознакомление с программой  (на примере разработки дисплексера)

1.1. Ознакомление с программой  
(на примере разработки дисплексера)

Для ознакомления с программой разработаем простое устройство — 
диплексер. В соответствии с [2, с. 15] для суммирования в общей нагрузке 
сигналов нескольких источников (генераторов), работающих 
в неперекрывающихся частотных диапазонах, используются мультиплексоры. 
В частности, для суммирования сигналов двух источников 
используются диплексеры. Взаимной задачей по отношению к зада-
че суммирования является задача частотного разделения сигналов (ка-
налов). То есть, корректно рассчитанный диплексер может использо-
ваться и для суммирования, и для разделения каналов. Схема такого 
устройства приведена на рис. 1.3. Диплексер состоит из двух филь-
тров (Ф1 и Ф2), нагруженных каждый на свою нагрузку. Входы филь-
тров, имеющие входные проводимости Yвх1 и Yвх2 соответственно, па-
раллельно соединены и подключены к источнику входного сигнала E, 
формируя общую входную проводимость Yвх.

Ф1

Ф2

Yвх1

Yвх2

E

Yвх

Рис. 1.3. Структурная схема диплексера 

При этом должен выполняться ряд требований:
• устранение взаимного влияния каналов (развязка), 
• отсутствие потерь мощности при суммировании/разделении, 
• обеспечение согласования для каждого источника и нагрузки.
При расчете частотных характеристик диплексеров на параллельно 
соединенных фильтрах следует учитывать, что входы (выходы) филь-
тров взаимно шунтируют друг друга, поэтому частотные характери-
стики каждого из каналов будут отличаться от характеристик филь-
тров, работающих по отдельности.

1. Изучение среды Genesys

Разработаем диплексер для систем кабельного телевидения. В со-
ответствии с ГОСТ 52023–2003 в кабельных сетях «полоса частот 
от 40 до 1000 МГц предназначена для распределения радиосигналов 
в прямом направлении, полоса частот от 5 до 30 МГц — для передачи ра-
диосигналов в обратном направлении» [3, с. 1]. В связи с этим для филь-
тра нижних частот (ФНЧ) требуется частота среза 30 МГц, а для филь-
тра верхних частот (ФВЧ) — 40 МГц. По рекомендациям О. В. Алексеева, 
Г. А. Грошева, Г. Г. Чавка [2, с. 15] сделаем частоту среза одинаковой для 
ФНЧ и ФВЧ и среднегеометрической между 30 и 40 МГц, равной 35 МГц.
Сопротивления нагрузки «для линейной сети, выполненной на ко-
аксиальном кабеле, должны иметь несимметричные входы и выходы 
номинальным сопротивлением 75 Ом» [3, с. 24].
Для нашего случая, когда фильтры включаются параллельно, пер-
вое звено фильтров должно быть последовательным. Поэтому исполь-
зуем Т-образные ФВЧ и ФНЧ Баттерворта, объединив их так, как по-
казано на рис. 1.4.

α1ФВЧ

α2ФВЧ

α3ФВЧ

α1ФНЧ

α2ФНЧ

α3ФНЧ

Рис. 1.4. Схема диплексера: 
α1 ФВЧ, α2 ФВЧ, α3 ФВЧ — нормированные значения элементов ФВЧ;  
α1 ФНЧ, α2 ФНЧ, α3 ФНЧ — нормированные значения элементов ФНЧ 

Нормированные значения элементов фильтров αi (рассчитанные 
для единичных угловой частоты и сопротивления) возьмем из [4, с. 35, 
табл. П. 1.1]. Для фильтра третьего порядка эти значения следующие:

 

a
a
a

a
a
a

1
2
3

1
2
3

1 0
0 5
1 0

1 0
2 0
1

ФВЧ
ФВЧ
ФВЧ

ФНЧ
ФНЧ
ФНЧ

=
=
=

=
=
=

, ,
, ,
, ,

, ,
, ,
,0. 

Рассчитаем денормированные значения индуктивностей Ci и емко-
стей Li для требуемых частоты и нагрузки по формулам:

1.2. Создание схемы фильтра нижних частот 

 
C
R
L
R

i
i
i
i
=
=
a
w
a
w
СР
СР

;
, 

где ai  — нормированное значение элемента;
  wСР  — частота среза фильтра, w
p
СР
СР
= 2 f
;
  R — сопротивление нагрузки фильтра.
Для частоты 35 МГц и нагрузки 75 Ом получаем следующие значения:
C1 ФВЧ = 61 пФ, L2 ФВЧ = 171 нГн, C3 ФВЧ = 61 пФ, 
L1 ФНЧ = 341 нГн, C2 ФНЧ = 121 пФ, L3 ФНЧ = 341 нГ н.
Чтобы лучше изучить возможности программы в области модели-
рования составных схем, создадим отдельные схемы для ФНЧ и ФВЧ, 
а затем объединим их вместе.

1.2. Создание схемы фильтра нижних частот 

Создание схем начнем с ФНЧ. Переименуем автоматически соз-
данную схему Sch1 в LF, вызвав правой клавишей мыши на строке 
Sch1 в дереве рабочей области всплывающее меню (рис. 1.5) и щел-
кнув по строке Rename.

 
Рис. 1.5. Всплывающее меню дерева рабочей области