Теория энергетических процессов СВЧ в электронной волновой цепи

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

ТЕОРИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВЧ 

В ЭЛЕКТРОННОЙ ВОЛНОВОЙ ЦЕПИ

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог 

Издательство Южного федерального университета

2017

УДК 621.382
ББК 32.852

В686

Печатается по решению экспертной группы комитета по инженерному 
направлению науки и образования при Ученом совете Южного федераль
ного университета (протокол №11 от 28 октября 2017 г.)

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 информацион
ных измерительных технологий и систем Института нанотехнологий, 

электроники и приборостроения ЮФУ И. И. Турулин 

Волощенко, П. Ю.

В686   Теория энергетических процессов СВЧ в электронной волновой 

цепи : монография / П. Ю. Волощенко, Ю. П. Волощенко ; Южный 
федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2017. – 98 с.

ISBN 978-5-9275-2672-7
В монографии рассмотрена концепция минимизации энергопотребления от
крытой системы электронных приборов СВЧ, функционирующих в свободном 
пространстве, путем схемотехнической оптимизации её электрической структуры методами эквивалентных схем и неавтономных блоков. Она базируется на 
совмещенном электро- и радиотехническом подходе, феноменологическом и детерминированном инженерном способе макромоделирования композиции когерентных сигналов в электронной волновой цепи без использования принципа суперпозиции. Алгоритмы теории нелинейной дифракции и интерференции волн 
напряжения и тока с энергетической точки зрения разработаны с помощью символьного анализа и аналитического расчета взаимодействия свободных зарядов и 
электрического поля как единого множества электростатически управляемых источников ограниченной мощности СВЧ. Описаны процедура корректного формирования графических и аналитических операторов кластерных моделей подобных изделий когерентной электроники и наноэлектроники, порядок расчета и 
этапы модернизации энергоэффективной конформной радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры гига- и терагерцового диапазона на их 
основе.

УДК 621.382

ББК 32.852

ISBN 978-5-9275-2672-7

© Южный федеральный университет, 2017
© Волощенко П. Ю., Волощенко Ю. П., 2017
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ 
ПРИБОРОВ В ОБЩЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЧ ………4

1.1. Концептуальное моделирование когерентного взаимодействия
электронных потоков и электромагнитных волн......................................7
1.2. Анализ современного состояния формализации энергетики
электронных процессов СВЧ ....................................................................20
1.3. Принципы энергетического моделирования изделий
когерентной электроники ..........................................................................31
1.4. Результаты и выводы ...........................................................................44

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ
В ИЗДЕЛИЯХ КОГЕРЕНТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.................................48

2.1. Моделирование обмена колебательной энергией
управляемыми первичным и вторичным источниками
ограниченной мощности............................................................................51
2.2.Моделирование внешней характеристики зависимых
источников СВЧ-сигнала...........................................................................56
2.3. Моделирование внутреннего сопротивления зависимых
источников колебательной энергии ..........................................................60
2.4. Инварианты вынужденного колебательного режима 
электронной волновой цепи .......................................................................67
2.5. Операторы теории амплитудно-зависимой дифракции волн
тока и напряжения в эквивалентной длинной линии .............................74
2.6. Результаты и выводы ...........................................................................80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................................................................82
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................86

1. МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ

ПРИБОРОВ В ОБЩЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЧ

Теоретическое исследование нелинейных процессов различной приро
ды в открытой (или «электрически негерметичной») системе электронных 
приборов (ЭП) с электростатическим управлением осуществляем сочетанием детерминированного и феноменологического способов. Они составляют 
основу математического моделирования энергетических эффектов в радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры гига- и терагерцевого (РЭА и ЭВА ГГц и ТГц) диапазонов, имеющей разнообразное предназначение [1–15]. В этом случае обеспечивается наглядность и устраняется 
многозначность задачи конструктивного синтеза конформных изделий
микроволновой электронной техники на основе технологий производства, 
существующих в России и других странах. Его целью являются схемотехническая рационализация пространственно-временного строения совокупности ЭП в электромагнитном (ЭМ) поле с учетом когерентных и резонансных свойств, ее целостности и автономности, базирующаяся на законах сохранения энергии и заряда. В качестве типичных образцов подобных 
технических объектов отметим гибкие сверхскоростные интегральные схемы (ИС) и «интеллектуальные» композиционные искусственные материалы, дифракционные активные фазированные антенные решетки (АФАР) и 
устройства суммирования и вычитания микроволновой мощности радиолокационных станций (РЛС), необходимые для модернизации противоракетной обороны (ПРО) РФ [16–70]. 

Проблема корректного моделирования энергопотребления открытых 

одно-, двух- и трехмерных систем ЭП СВЧ решается с использованием
концепции коллективно взаимодействующих электронных потоков в общем ЭМ-поле СВЧ, исследуемых совмещенным электро- и радиотехническим подходом. Каждый ЭП, имеющий произвольную вольт-амперную 
характеристику (ВАХ), в отдельности, во-первых, создает направленное и 
равноускоренное перемещение заряженных элементарных частиц при подаче напряжения питания на его контакты. Во-вторых, реализует условие 
коллинеарности векторов их скорости и напряженности мгновенного электрического поля, необходимое для эффективного преобразования и обмена 
колебательной энергией между ними. Наряду с этим, вводы питания ЭП, 
изготавливаемые из проводящих веществ, обладают способностью концентрировать и транспортировать колебательную энергию вдоль себя, излу

1. Моделирования систем дискретных электромагнитных приборов…

5

чать и передавать её по окружающему диэлектрику. Они сообща образуют 
конструктивную единицу, содержащую одни или множество соединительных каналов и локальных областей, в которых «связанно и непрерывно» 
распространяются электронные волны, когерентно возмущающие непрерывно распределенное ЭМ-поле, модулирующее их амплитуду в реальном 
масштабе времени. При данных обстоятельствах потоки электронов оказывают инерционное прямое и обратное кратковременное влияние друг на 
друга, вследствие чего наблюдается нелинейная композиция электрических 
сил в разных точках изучаемого технического объекта. Тем самым междуэлектродные емкости областей пролета свободных зарядов и индуктивности металлических контактов совместно создают электростатически переключаемую электрическую структуру технического объекта в постоянном 
и переменном электрическом поле. В свою очередь она формирует разветвленный путь протекания токов проводимости, смещения и переноса в когерентном множестве электронных и ЭМ-волн. Минимальная энергия коммутации стационарных и переходных состояний многомодовой системы 
ЭП, соединенных проводами питания, определяется работой, совершаемой 
каждым сигналом, за время изменения суммарного пространственного и 
индуцируемого заряда при резонансе дискретных межэлектродных областей. По этим причинам именно топология пространственно-временного 
строения РЭА и ЭВА как единого целого и конструктивной единицы обусловливает непрерывный или скачкообразный мгновенный характер регенерации и рекуперации колебательной мощности в ней. Устойчивость её 
электрических режимов задается, в том числе, интенсивностью воздействия 
и характеристическим сопротивлением окружающего пространства, входным импедансом теплоотводящих держателей и вводов других деталей 
конструкции. Пределы электростатической управляемости дифракции ЭМполя ЭП, точечно расположенными на несущей платформе заданной конфигурации, зависят от конфигурации областей пролета, контактных площадок и межсоединений, выполненных из алюминиевой или медной либо 
золотой проволоки, волноведущих труб цилиндрического или прямоугольного сечения и т.д. 

Целью монографии является математическое моделирование энерге
тических процессов в когерентном множестве ЭП СВЧ, замещаемой электронной волновой цепью (ЭВЦ). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Моделирования систем дискретных электромагнитных приборов…

6

– разработать основы инженерной теории конформных изделий мик
роволновой электронной техники различного назначения с энергетической 
точки зрения;

– идентифицировать графические и аналитические операторы, описы
вающие суммирование нелинейных воздействий и откликов в неоднородной среде с электронными включениями, имеющих ВАХ произвольного 
вида;

– теоретически исследовать явления дифракции и интерференции не
линейных волн и колебаний, задержки и композиции сигналов, не используя принцип суперпозиции путем совмещения классических электро- и 
радиотехнических подходов;

– рассчитать коэффициент мощности и КПД интеграции ЭП символи
ческими методами на основе положений теории нелинейных цепей;

– получить наглядные буквенно-цифровые формулы целевых функций 

энергосбережения 
в 
кластерах, 
адекватных 
конструктивно
технологическому исполнению (КТИ) и современной науке об электричестве в интересах технологии когерентной электроники;

– выявить верификационные маркеры теории управляемой интерфе
ренции, оптимизации коллективных воздействий, характеризующих  амплитудно-зависимые краевые условия в системе ЭП с учетом конструкции 
его несущей платформы;

– сформулировать алгоритмы схемотехнического синтеза и оптимиза
ции пространственно-временного строения конформной РЭА и ЭВА ГГц- и 
ТГц-диапазонов методом неавтономных блоков, феноменологическим и 
детерминированным способом;

–
осуществить обоснованное применение теорем, традиционных 

электро- и радиотехники понятий: «оптимальная» и «комплексно-сопряженная» нагрузка, коэффициент мощности и степень регенерации, и т.д.;

– проанализировать преобразование и обмен энергией сигналами в со
вокупности электронных потоков при минимизации ее уровня без информационной избыточности и утраты целостности изучаемого технического 
объекта в общем ЭМ-поле.

1.1. Концептуальное моделирование когерентного взаимодействия …

7

1.1. Концептуальное моделирование когерентного взаимодействия

электронных потоков и электромагнитных волн

Инженерное моделирование электрических флюктуаций в виде коге
рентных волн и колебаний при расчете КПД по постоянному и переменному току «электрически негерметичных» изделий радио-, микро- и наноэлектроники опирается на общепринятые гипотезы науки об электричестве, 
том числе: 

1) классическую электро- и радиотехническую модель особого вида 

материи, образованной подвижными элементарными зарядами и их ЭМполем, представляющих собой единое целое [71]. Тогда для феноменологического и детерминированного макромоделирования КПД взаимодействующих ЭП можно пользоваться электротехнической и электродинамической 
концепцией характеризовать вещество осредненными параметрами и называть его средой [71–74];

2) 
предположение 
об 
ЭМ
происхождении 
массы 
электрона 

~9,1×10–31 кг, имеющего классический радиус ~2,8 или 1,4·10-15 м [74–77]. 
Его малая масса позволяет производить всегда почти мгновенное следование изменения тока за вариацией напряжения на электродах, находящихся 
внутри (и вне) единого множества ЭП с электростатическим управлением
[78,79], рассматриваемого как неоднородная среда [72] или автоколебательная многомодовая резонансная система СВЧ [74,80,81] либо микроэлектронный прибор с развитой периферией [26,52,61]. 

В свою очередь понятие «энергия» трактуется как единая количе
ственная мера различных форм движения материи. В частности, одной из 
них является ионизация электрически нейтральных атомов и молекул в 
веществе на положительно и отрицательно заряженные частицы и их рекомбинация [82]. С другой стороны, в полупроводниках существуют коллективные колебания атомов и электронов, образующих кристаллическую 
решетку. В результате такого движения появляются дискретные интервалы 
стационарных состояний электронов, определяемых влиянием ковалентной 
связи [83,84]. Одновременно наблюдается индивидуальное перемещение 
донорных или акцепторных микрочастиц в них. Подобные среды обычно 
иллюстрируются локальными примесными уровнями в запрещенной зоне 
диаграмм, описывающих внутреннюю или потенциальную энергию основных и неосновных носителей заряда в них [83,84]. Однако упомянутые 

1. Моделирования систем дискретных электромагнитных приборов…

8

операторы принципиально не учитывают кинетическую энергию поступательного движения донорных и акцепторных микрочастиц. Вместе с тем
энергия ионизации в кремнии пятивалентной примеси (фосфор, мышьяк, 
сурьма) составляет 0,049–0,039 эВ. В то же время при введении в него 
трехвалентного вещества (бор, алюминий, галлий), она меняется в интервале 0,065–0,045 эВ [84]. Этот параметр единичного объема полупроводника 
определяет величину наименьшей работы сил суммарного электрического 
поля, необходимой для переноса носителей материальных свойств в нем. В 
то же время современная теоретически обоснованная оценка минимальной 
энергии переключения логического вентиля дает 5 фДж ≈ 3,1·104 эВ 
(1 Дж ≈ 6,24151·1018 эВ) [85]. Она значительно превышает указанные выше 
минимальные значения и свидетельствует о необходимости поиска новых 
решений проблемы энергосбережения ИС. Напомним, что работа является 
мерой изменения энергии сигнала при перемещении элементарных частиц 
в ЭП, пропорциональная разности потенциалов между его электродами. 

Поэтому для формулировки энергетической концепции нелинейной 

дифракции ЭМ-поля любое объединение областей взаимодействия элементарных зарядов и волноведущих каналов между ними, рассматривается как 
множество электронных неоднородностей, расположенных, например, в 
линейной диэлектрической среде с волновым сопротивлением 377 Ом [3]. 
В этом случае металлические и беспроводные связи совместно с ЭП классифицируются, например, как негатронная сеть или адаптивный композиционный наноматериал, созданный на основе искусственного вещества, 
позволяющего мгновенно управлять режимами регенерации и задержки 
сигналов [86,87]. Его электростатически управляемая структура в общем 
ЭМ-поле формируется встречно- и однонаправленными потоками электронов и колебательной мощности в пространстве, окружающем проводники 
питания. 

Создание вышеперечисленных концептуальных макромоделей изде
лий когерентной электроники необходимо для рационализации коллективного поведения дискретных ЭП СВЧ при снижении неконтролируемого 
преобразования электрической энергии ГГц- и ТГц-диапазонов в тепло (т.е. 
ЭМ-поле инфракрасного диапазона) конструктивной единицей. Актуальность подобной междисциплинарной идентификации обусловлена, в частности, потребностью наглядного моделирования многовариантного электрического строения нового противорадиолокационного наноматериала 

1.1. Концептуальное моделирование когерентного взаимодействия …

9

СВЧ и последующего оригинального использования «интеллектуальной» 
электронной компонентной базы (ЭКБ), изготовленной на его основе [9]. 
Вариация электрических свойств каждого его единичного материального 
объема обусловлена инерционностью влияния движущихся и стационарных, поверхностных и объемных зарядов, явлением интерференции в системе электронных волн или конвекционных токов. Особенностью композиционного материала, изготовленного из такого вещества, является способность контролируемым образом регулировать свои проводящие и энергоёмкие СВЧ-характеристики в ответ на флюктуации зондирующего воздействия в реальном масштабе времени [9,12–23]. Однако при его разработке необходимо прогнозировать самовозбуждение участков с разными 
носителями материальных свойств. 

Между тем пролетные конденсаторные области свободных микроча
стиц, создающие и электростатически переключающие пути циркуляции 
обобщенного тока, перманентно контактируют между собой гальваническим и ЭМ-способом. В результате месторасположение дискретных ЭП и 
участков передачи сигналов заметно сказывается на энергетических затратах при фиксированной геометрии проводников и коммутации топологии 
беспроводных связей в «электрически негерметичных» неавтономных блоках. Как следствие сложившейся ситуации, теоретическое исследование 
механизма взаимодействия совокупности потоков носителей заряда основным методом теории цепей – эквивалентных схем постоянного и переменного тока – выходит на первый план в рамках науки об электричестве для 
проектирования микроволновых изделий по технологии когерентной электроники [8,24]. 

Поэтому конформные технические объекты требуется настраивать как 

множество движущихся в такт зарядов в изотропной среде и ЭМ-поле. В 
этом случае они замещаются «смешанной» комбинацией ветвей одномерной электронной волновой цепи (ЭВЦ) внутри и снаружи конформной РЭА 
и ЭВА ГГц- и ТГц-диапазонов при решении задачи энергосбережения в 
ней. Её теория базируются на математических формулах, идеализированных чертежах и эквивалентных схемах «электрически негерметичных» 
фрагментов, новых понятиях–сосредоточенного резистивно-негатронного 
нелинейного элемента (НЭ), управляемого первичного и вторичного источников ЭДС (ПИ и ВИ) ограниченной мощности СВЧ, кластера и волнового НЭ (ВНЭ), без применения теоремы суперпозиции, выделения зажимов линейного и нелинейного участков многоконтурной цепи. 

1. Моделирования систем дискретных электромагнитных приборов…

10

В системах электронных и ЭМ-волн корректным является только ана
литический расчет «рабочих» точек на статических, динамических и колебательных характеристиках сети резисторов и негатронов методом неавтономных блоков, разработанным на кафедрах радиотехнической электроники (РТЭ) и электротехники и мехатроники (ЭиМ) Южного федерального 
университета (ЮФУ). Он позволяет найти критерии управления краевыми 
условиями конкретной области окружающего пространства в волновом 
масштабе, не утратив целостности изучаемого объекта. В этом случае расчет опирается на все законы науки об электричестве: Кулона и Джоуля–
Ленца, электростатической и ЭМ-индукции, Ома и Кирхгофа, теоремы 
Телледжена, Тевенена и Нортона, точные решения уравнений Максвелла и 
Лоренца, теорему Шокли–Рамо о наведенном токе (и т.д.). Предлагаемый 
междисциплинарный подход постулирует неадекватность алгоритма эвристического задания амплитудно-зависимых начальных и фиксации краевых 
условий в интеграции ЭП СВЧ, «положительные» и «отрицательные» обратные связи между ними [1–8,71–84,88–94]. 

В подобных изделиях микроволновой техники можно знать лишь цир
куляцию постоянного тока, задаваемую существующим конструктивнотехнологическим исполнением (КТИ) и номинальным тепловым режимом 
ЭКБ, точечно расположенной на несущей платформе заданной конфигурации. Рационализация амплитудных и импедансных параметров каждого 
зависимого источника колебаний и волн для его устойчивой и одновременно энергоэффективной работы в режиме «большого» или «малого» сигнала 
и «оптимальной нагрузки» реализуем с помощью импедансных неравенств 
Пирса и Котельникова [95–97]. Упомянутые обобщенные и наглядные математические выражения справедливы при любых ВАХ диодов, транзисторов и т.п. в резонансном стационарном и неустойчивом энергетическом 
состоянии конформного технического объекта, находящегося в СВЧ-поле. 
Они иллюстрируют специфику отражения и переизлучения сигналов, торможение и ускорение дрейфующих микрочастиц, непропорциональный 
результат наложения воздействий и реакций электронных неоднородностей 
в фидерных каналах. Нормировку переменных кластерных макромоделей 
одно-, двух- или трехмерной топологии связей ЭП осуществляем в виде 
отношение тока и напряжения, трактуемых как входное сопротивление или 
проводимость и коэффициент передачи её ветвей и контуров. Эти интегральные параметры обеспечивают адекватный переход к теоремам