Электро- и радиотехнические модели технологии когерентной электроники
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Южный федеральный университет
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 110
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9275-2281-1
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
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