Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Электро- и радиотехнические модели технологии когерентной электроники

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 698473.01.99
Доступ онлайн
183 ₽
В корзину
В монографии изложены алгоритмы формализации энергетических процессов в открытой структуре РЭА и ЭВА гига- и терагерцевого диапазона, конформной несущей платформе различного назначения. Они учитывают амплитудно-зависимую композицию сигналов и явление интерференции в системе ее волноведущих каналов без информационной избыточности. Рассмотрены этапы идентификации и диагностики совокупности инвариантных графических и аналитических макромоделей интеграции дискретных электронных приборов СВЧ с минимальной вычислительной сложностью. Такие феноменологические операторы, синтезированные методом неавтономных блоков на основе детерминированного и кластерного подхода, совокупности электро- и радиотехнических моделей, используются в технологии когерентной электроники.
Волощенко, П. Ю. Электро- и радиотехнические модели технологии когерентной электроники: Монография / Волощенко П.Ю. - Таганрог:Южный федеральный университет, 2016. - 110 с.: ISBN 978-5-9275-2281-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/996118 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное

автономное образовательное учреждение

высшего образования

“Южный федеральный университет”
Инженерно-технологическая академия 

П.Ю. Волощенко
Ю.П. Волощенко

Электро- и радиотехнические модели 
технологии когерентной электроники

Таганрог 

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 621.3.01:621.3.029.6
ББК 31.21

В686

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета

Рецензенты:

заместитель генерального директора по качеству ОАО 

«ТНИИС» (г. Таганрог), кандидат технических наук, старший научный 

сотрудник А.Ф. Гришков;

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры 

информационных измерительных технологий и систем Института 

нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ И.И. Турулин.

Волощенко, П.Ю.

Электрои 
радиотехнические 
модели 
технологии 

когерентной электроники : монография / Волощенко П.Ю. 
Волощенко Ю.П.
; Южный федеральный университет.
–

Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2016. – 110 с.

ISBN 978-5-9275-2281-1

В 
монографии 
изложены 
алгоритмы 
формализации 

энергетических процессов в открытой структуре РЭА и ЭВА гига- и 
терагерцевого диапазона, конформной несущей платформе различного 
назначения. Они
учитывают амплитудно-зависимую композицию 

сигналов и явление интерференции в системе ее волноведущих 
каналов без информационной избыточности. Рассмотрены этапы 
идентификации 
и 
диагностики 
совокупности 
инвариантных 

графических и аналитических макромоделей интеграции дискретных 
электронных 
приборов
СВЧ 
с 
минимальной 
вычислительной 

сложностью. Такие феноменологические операторы, синтезированные 
методом неавтономных блоков на основе детерминированного и 
кластерного подхода, совокупности электро- и радиотехнических 
моделей, используются в технологии когерентной электроники. 

ISBN 978-5-9275-2281-1

УДК 621.3.01:621.3.029.6

ББК 31.21

© Южный федеральный университет, 2016
© Волощенко П.Ю., Волощенко Ю.П., 2016

В686

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что открытую или «электрически негерметичную» 

радиотехническую и электронно-вычислительную аппаратуру (РЭА и 
ЭВА) гига- и терагерцевого диапазонов, имеющую различные области 
применения, 
следует 
изучать 
как 
автоколебательную 
систему 

сверхбыстродействующих 
электронных 
компонентов, 
используя 

междисциплинарный теоретический подход в рамках науки об 
электричестве. Ее конформное пространственно-временное строение
(т.е. определяемое формой несущей платформы) в окружающей среде
надлежит проектировать по технологии когерентной электроники в 
виде 
семейства 
кластеров 
разного 
уровня, 
используя 
метод 

неавтономных 
блоков. 
Вдобавок 
надо 
принять 
во 
внимание 

существующее 
конструктивно-технологическое 
(КТ) 
исполнение 

(например, реализацию подачи питания, заземления теплоотводящих 
электродов и т.п.), возможность производства аналоговых СВЧ и 
цифровых сверхскоростных изделий электронной техники, в том числе 
для навигационной аппаратуры в России [1 – 22]. В качестве
типичного примера подобных технических объектов следует привести 
устройства «гибкой» электроники, активные частотно-селективные 
поверхности, гибридные и монолитные интегральные схемы (ИС) [21
– 22]. Кроме того, можно упомянуть новые «интеллектуальные»
материалы 
СВЧ 
с 
малой 
диэлектрической 
проницаемостью, 

содержащие 
электронные 
включения 
(неоднородности) 
и 

металлические соединения постоянного тока, исполняющие роль 
держателей и радиаторов, разделенные между собой изолирующим 
веществом [18-20]. 

1. МЕТОД НЕАВТОНОМНЫХ БЛОКОВ 

В ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ВОЛНОВОЙ ЦЕПИ

1.1. Кластерное моделирование 

системы электронных приборов СВЧ

В 
настоящее 
время 
формализация
(или 
математическое 

описание)
любой
электродинамической
системы
реализуется

декомпозицией ее на автономные блоки или расчленением на более 
простые элементы, допускающие независимый анализ и описание [23,

24].
С другой стороны,
интеграция
ЭП
СВЧ,
в частности, 

сверхскоростных цифровых ИС осуществляется аналогично методу 
графов в теории цепей
[25,
26], т.е. без решения уравнений 

непрерывности, Максвелла и Лоренца, формул электростатической и 
электромагнитной индукции, законов сохранения заряда и энергии, 
Кирхгофа, Кулона и Ома. В этом случае алгоритмизация (создание 
алгоритмов) расчета логических схем и их структуры, содержащей 
стандартные усилители, заключается в исследовании
диодов и 

транзисторов, как вентилей, переключающих источники питания 
постоянного тока на основе двузначной Булевой алгебры. Ее главным 
достоинством считается достижение результатов, применимых к 
элементам различной природы, лишь бы они удовлетворяли ряду
гипотез
[27,
28]. Такой формальный математический аппарат 

постулируется как «удобный» для создания любого микропроцессора 
вне всякого рассмотрения стационарного электрического состояния и 
его устойчивости, в процессе трансформации уровня потенциальной и 
кинетической энергии электронов. Одновременно допускается, что,
например,
в 
многоядерных 
вычислительных 
системах

электромагнитные (ЭМ) и электронные процессы не зависят друг от 
друга, но отмечается интенсивное использование общих ресурсов и 
обмен информацией между ними. В то же время без всякого 
доказательства 
декларируется
«параллельность» 
их 

функционирования, трактуемая как «одновременность» обработки 
данных во времени, вопреки известной формулировке этого термина 
теории 
цепей
[25,
26,
29,
30]. 
Однако 
тактовая 
частота 

суперкомпьютеров определяется минимальной скоростью изменения
энергетического 
состояния 
каждого 
отдельного 
транзистора,

находящегося в общем ЭМ-поле, или мощностью такого источника 
сигнала. 

Вместе с тем таблицы истинности и карты Карно, базирующиеся 

на 
задании 
направления 
передачи,
принципе
суперпозиции 

воздействия и реакции (что является недопустимым в нелинейных 
электрических цепях), не конкретизируют эффект преобразования
интенсивности сигналов потоками зарядов, не разделяют автономный 
и вынужденный колебательный режим работы электронных приборов 
(ЭП). При действии переменных напряжений на электродах лампы или 
транзистора через межэлектродные емкости начинают течь токи
смещения, меняющие их работу, так как создают утечку и без того 

слабого сигнала в управляющей цепи (сетки, базы либо канала). При 
этом анализ изменений направлений передачи мощности СВЧ в 
результате композиции бегущих волн напряжения и тока, мгновенно 
регулирующих импедансные условия на «виртуальных» границах 
одно-, двухи трехмерной электрической структуры с учетом 

конечной энергии источников (генераторов) сигналов не проводится. 

Одновременно об ограничениях, накладываемых конфигурацией 

несущей платформы, технологией изготовления комплектующих 
деталей и возможностях реального производства конформных ИС 
гигаи терагерцевого (ГГц и ТГц) диапазонов, кластерных 

макромоделях и методе неавтономных блоков в нынешней трактовке 
электронных цепей даже не упоминается [31, 32]. По существу
подразумевается, что наведенный ток не выходит за пределы областей 
с потоками электронов, а заземление любого из электродов ЭП не 
оказывает 
никакого 
влияния 
на 
СВЧ-параметры 
управляемых 

генераторов или усилителей сигналов как при использовании полых 
резонаторов. В то же время электронный поток предполагается как 
имеющий бесконечное поперечное сечение [33]. В этом случае задача 
расчета конвекционного тока приводится
к одномерной, когда 

переменная составляющая электрического поля имеет только осевую 
составляющую, условно совпадающую с направлением движения 
зарядов. В них не используются термины: фазовая и групповая 
скорость волн, когерентность и дифракция, интерференция и 
амплитудные соотношения между сигналами, а «длинное» и 
«короткое» межсоединения, классифицируются как имеющие разную 
длительность 
транспортировки 
поля 
за 
единицу 
характерного 

временного 
интервала. 
При 
таких 
обстоятельствах
известные

макромодели 
логических 
элементов 
достоверно 
и
априорно

идентифицируют
начальные
и 
граничные
условия
в 
таком 

техническом объекте только по постоянному току. С другой стороны,
интерференционные 
явления 
приводят 
к 
неконтролируемому 

изменению уровня колебательной энергии и «пробою» волноведущих
(фидерных)
трактов. При этом из-за взаимного влияния ЭП 

поступательное движение зарядов в них квантуется и происходит 
«самопроизвольное» перераспределение обобщенного и полного тока 
в конформной структуре сверхскоростной РЭА и ЭВА. Следовательно, 
современные 
способы теоретического исследования коллективных 

характеристик
электронных 
участков 
ИС
не 
отражают 

пространственно-временные нелинейные и квантовые, инерционные и 
мощностные 
свойства 
сверхбыстрого 
переключения 
вентилей.

Поэтому упомянутые математические модели открытой совокупности 
дискретных ЭП
не пригодны
для оптимизации КПД
как по 

постоянному, так и переменному току, повышению надежности и 
снижению температуры нагрева при заданной ее КТ реализации. Они 
не обеспечивают получение аналитического выражения целевой 
функции (индикатора эффективности) наименьшей вычислительной 
сложности в задаче синхронной минимизации или максимизации 
нескольких критериев качества сверхскоростной РЭА и ЭВА.
Эффективность понимается в самом общем виде как отношение 
значимости 
полученного 
результата 
макромоделирования 

взаимодействия и энергопотребления системы ЭП к количеству 
усилий, потраченных на его достижение. В результате, например, 
синтез топологии одно- и двунаправленных шин, связывающих 
транзисторы, оптимизация архитектуры соединений сверхскоростных 
ИС с помощью теорем Булевой алгебры, карт Карно и технологии 
резервирования, применяемой с целью улучшения аппаратурных 
функций, уменьшения отказов и стоимости изделий электронной 
техники, 
являются 
не 
достоверными 
в 
подобных 

электроэнергетических сетях. 

В свою очередь классическая постановка основных задач теорий 

электро- и радиотехнических цепей априори предполагает фиксацию 
пути сигналов, идентичные свойства сверхбыстродействующих ЭП в 
ИС, хотя они, интегрированы друг с другом как «отрицательной», так 
и «положительной» обратной связью, и, следовательно, могут быть 
нелинейными элементами (НЭ), отдающими и потребляющими 
колебательную 
энергию. 
Одновременно 
пренебрегается 
ролью

электронных 
комплектующих 
как 
элементов 
коммутации, 

варьирующих количество пассивных и активных ветвей, параметры 
или 
способ 
соединения 
контуров, 
влиянием 
металлических 

соединений, вводов и выводов ее конструктивных единиц, считая их, 
не имеющими сопротивления, емкости или индуктивности. Более того 
традиционная электронная компонентная база, выпускаемая в России 
и за рубежом, не позволяет создавать конформное изделие 
микроволновой техники как единое целое в ЭМ-поле, внешняя форма 
которого 
определяется 
его
основным 
назначением.
В 
ходе 

проектирования таких технических объектов необходимо знать не 

только импеданс вводов и металлических соединений, деталей 
теплоотвода и узлов корпусов, но и перманентную разницу ЭДС
зависимых источников волн напряжения и тока, соотношение 
«рабочих» точек статических и динамических вольт-амперных 
характеристик (ВАХ) НЭ. В то же время надо иметь информацию о 
направлениях распространения энергии флюктуаций
в
каждом 

кластере как едином целом. Для этого применяем алгоритм 
одновременного и последовательного решения прямой и обратной 
задач нелинейной теории дифракции волн, в которых проблема 
физической и технической реализуемости ее ветвей и контуров 
отпадает автоматически.

Тогда 
первоначально 
рассмотрим 
концептуальную 

энергетическую модель
совокупности
дискретных ЭП СВЧ с

электростатическим управлением, в которой время транспортировки
возмущения соизмеримо или больше длительности воздействия и 
реакции. Она представляет собой комплекс взаимосвязанных понятий
технологии когерентной электроники, перечень положений метода 
неавтономных блоков и законов теории электронной волновой цепи 
(ЭВЦ), отражающих важнейшие свойства подобных технических
объектов при сохранении их целостности в общем ЭМ-поле. После
чего конкретизируем математический аппарат
в
рамках теории 

одномерной 
нелинейной 
электрической 
цепи, 
обеспечивающий 

наглядность 
вычисления 
начальных 
и 
граничных 
условий 
в 

пространственной структуре сверхскоростной РЭА и ЭВА
для 

дальнейшего документированного описания инерционной передачи и 
композиции сигналов в ней [1 – 22]. Предлагаемый инженерный
подход направлен на минимизацию информационной избыточности 
целевой функции и адекватную
идентификацию
энергетических 

процессов.
Например, 
предварительную 
констатацию
причин 

перераспределения 
и 
существенных 
особенностей 
обмена 

колебательной 
мощностью
ЭП. 
В 
этом 
случае 
появляется

возможность:

аналитически изучать циркуляцию полного и обобщенного 

тока по ЭВЦ с учетом положения «рабочих» точек ВАХ НЭ;

прогнозировать 
перманентную
вариацию
интенсивности 

сигналов из-за явления интерференции;

найти инвариантные операторы распределенных участков 

между ЭП, по которым можно корректно судить об амплитуднозависимом наложении ЭМ-волн;

исследовать 
многомодовые
состояния
устойчивого 

электрического равновесия интеграции электронных компонентов 
СВЧ 
не 
рассматривая 
соответствующие
дифференциальные

уравнения. 

Однако порядок решения прямой и обратной задач теории 

дифракции нелинейных волн напряжения и тока в ЭВЦ на разных 
стадиях моделирования изделий когерентной электроники требует 
дополнительной проработки. Дело в том, что каждый предыдущий 
оптимизируемый фрагмент любой системы ЭП СВЧ является базовой 
и неотъемлемой частью последующей конструктивной единицы (или 
наоборот) при ее де- или рекомпозиции. При таких обстоятельствах
она 
замещается 
комплектом 
принципиальных, 
структурных 
и 

функциональных 
схем, 
в 
виде 
элементарного 
и 
составного, 

сосредоточенного и волнового НЭ, например, одно- и двухстороннего 
невзаимного многополюсника с распределенными параметрами и т.п., 
замещающих неавтономные блоки [1 – 22]. 

Поэтому предмет теории ЭВЦ составляет формулировка:
1) этапов построения сверхскоростной РЭА и ЭВА, основанных

на 
совместном 
электрои 
радиотехническом 
представлении

волноведущих и электронных участков; 2) методик физической и 
технической реализации оптимального пространственно-временного 
строения семейства кластеров разного уровня в ЭМ-поле. Кроме того,
корректный
инженерный
математический
аппарат минимальной 

вычислительной 
сложности 
необходим 
для 
диагностики 

кондуктивных и беспроводных путей переменного тока, определения
конфигурации электродов в областях дрейфа
электронов. Он 

обеспечивает получение целевой функции и критериев эффективного 
использования колебательной мощности сигналов, связывающих в 
явном виде оптимизируемый амплитудно-зависимый параметр с 
управляемыми переменными в макромоделях открытых
изделий 

когерентной электроники. В то же время алгоритмы аналитического 
расчета КПД преобразования энергии источников питания ЭП 
постоянным током в инфракрасное и СВЧ-излучение до сих пор 
разработаны недостаточно. 

Упомянем, 
что 
главной 
научно-технической 
проблемой 

когерентной 
электроники, 
как 
и 
других 
разделов 
науки 
об 

электричестве, 
является
получение 
и 
транспортировка, 

преобразование и эффективное использование колебательной энергии 
при формировании периодической или неэквидистантной структуры 
кластера по аналогии с концепцией метаматериалов СВЧ и активных 
диэлектриков квантовых приборов [1, 2]. Целевые функции теории 
ЭВЦ имеют двойное назначение, с одной стороны, они отражают
нелинейные и волновые свойства множества взаимодействующих 
дискретных ЭП СВЧ, а, с другой стороны, представляют собой 
показатель 
наглядности, 
результативности 
и 
корректности 

разработанных 
алгоритмов.
Дифракция 
рассматривается 
как 

совокупность явлений, происходящих в ходе распространения волн в 
неоднородной среде, импедансные свойства единичного объема 
которой 
отличаются 
вдоль 
координат 
конструкции 
несущей 

платформы [34]. Флюктуация трактуется как любое периодическое 
изменение или случайное отклонение от среднего значения величины. 
Термин «когерентность» отражает согласованное протекание во
времени и пространстве «электрически негерметичного» технического 
объекта 
дифракционных
эффектов 
и 
электронных 
процессов, 

сопровождающих их, одинаковой частоты. Кластером считается 
открытое объединение ЭМ-поля, ЭП и межсоединений, беспроводных 
вводов и выводов блоков, работающих как одно целое, которое 
является 
конструктивной 
единицей. 
Он 
обладает 
новыми 

(синергетическими, фрактальными, квантовыми и т.п.) свойствами, 
отсутствующими у составляющих ее электронных компонентов СВЧ, 
держателей и проводников питания, других деталей и узлов РЭА и 
ЭВА. «Виртуальные» границы ее неавтономных блоков
(или 

кластеров 
разного 
уровня) 
определяются 
расположением 

взаимодействующих 
областей 
пролета 
электронов 
и 

электрофизическими параметрами окружающей среды, используемой
модой и длиной стоячей волны собственных колебаний отрезков
фидерных трактов. В любой конструктивной единице одновременно 
существуют нелинейные однои двунаправленные ЭМ-волны,

имеющие различную интенсивность и всевозможные фазовые сдвиги. 
В результате огибающая суммарного переменного напряжения и тока 
вдоль проводников и между ними меняет свою
амплитуду и 

начальную фазу от точки к точке, т.е. наблюдается управляемая 
интерференция. Она сопровождается целенаправленной вариацией 
диаграмм излучения и рассеяния, ограничением экстремальных 

значений передачи мощности сигнала нелинейностью импеданса ЭП.

Понятие «диагностика» применяется в ходе модернизации 

несущих платформ различных изделий, изготавливаемых в России, по 
данным расчета и измерений напряжения, тока и мощности. Она 
заключается 
в 
верификации 
и 
определении 
неэффективно 

функционирующих сверхбыстродействующих ЭП и энергетически 
неоптимизированных фрагментов несущей платформы в ЭМ-поле. В
этом случае часть параметров аналоговых и цифровых устройств 
берется 
из 
экспериментов, 
например, 
размеры 
и 
материал 

межэлектродных областей и их соединений, значения коэффициентов 
бегущей и стоячей волн, отражения и нелинейности, амплитудно- и 
фазочастотные 
характеристики 
активных 
компонентов 
и 
т.п. 

Процедуры идентификации и диагностики связаны между собой и 
потому эти термины при последующем построении ЭВЦ методом 
неавтономных блоков используются одновременно. 

Инерционность энергетических процессов в конструктивной 

единице 
наблюдается 
из-за 
транспортировки 
сигнала 
вдоль 

проводников и окружающем диэлектрике,  накопления и обмена СВЧ 
мощностью в пространствах дрейфа и реактивных элементах: 
индуктивных катушках и конденсаторах, ограниченности мощности 
ЭП 
источников 
и 
задержки 
пролета 
электронов 
[35-37]. 

Трансформация его интенсивности происходит в результате явления
интерференции, эффектов регенерации и рекуперации колебательной 
мощности ЭП, ее отбора резонаторами и наличия резистивных потерь 
в деталях крепления и других узлах несущей платформы.

Промежуточная и конечная цель моделирования микроволновых 

изделий электронной техники с помощью теории ЭВЦ заключаются, 
во-первых, в формульном отображении существенных положений 
нелинейной теории конформной РЭА и ЭВА при минимизации 
избыточности информации. Во-вторых, в наглядной графической
интерпретации когерентного взаимодействия множества электронных 
потоков, «полезного» использования вышеупомянутых управляемых 
волновых явлений и эффектов электромагнетизма. Отличительным 
моментом инженерного подхода к алгоритмизации прямой и обратной 
задач теории дифракции волн и метода неавтономных блоков является 
стремление к специализации, а не общепринятая универсальность 
математической 
модели, 
которая 
охватывает 
целые 
классы 

технических объектов. Только в этом случае он может быть 

Доступ онлайн
183 ₽
В корзину