Главная » 2014 » Август » 27 » Скачать Алгоритмы анализа волновых процессов в длинной линии с активными нелинейными двухполюсниками. Волощенко, Юрий Петрович бесплатно
09:30
Скачать Алгоритмы анализа волновых процессов в длинной линии с активными нелинейными двухполюсниками. Волощенко, Юрий Петрович бесплатно
Алгоритмы анализа волновых процессов в длинной линии с активными нелинейными двухполюсниками
Диссертация
Автор: Волощенко, Юрий Петрович
Название: Алгоритмы анализа волновых процессов в длинной линии с активными нелинейными двухполюсниками
Справка: Волощенко, Юрий Петрович. Алгоритмы анализа волновых процессов в длинной линии с активными нелинейными двухполюсниками : диссертация кандидата технических наук : 05.09.05 / Волощенко Юрий Петрович; [Место защиты: Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (Новочеркас. политехн. ин-т)] - Новочеркасск, 2009 - Количество страниц: 219 с. ил. Новочеркасск, 2009 219 c. :
Объем: 219 стр.
Информация: Новочеркасск, 2009
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЙ СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ И ФРАГМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
11 Теория и модели фрагментов ИС
12 Постановка задач диссертации
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ С АКТИВНЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ДВУХПОЛЮСНИКАМИ
21 Конструктивно-технологическая модель электрической цепи фрагментов ИС
22 Математическая модель длинной линии с двухполюсными НЭ
23 Комплексная частотная характеристика ветви нелинейной цепи
24 Исследование однонегатронной модели электрической цепи
25 Коэффициент передачи напряжения линии с негатроном
26 Входная проводимость длинной линии с активным НЭ
27 Исследование составной негатронной двухполюсной модели нелинейной цепи
28 Резонансные параметры двухнегатронной модели цепи
29 Исследование амплитудных резонансных свойств отрезка длинной линии с НЭ
Выводы
3 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ С АКТИВНЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
31 Исследование диссипативного и усилительного режимов нелинейной электрической цепи
32 Анализ условий возбуждения автоколебаний в четвертьволновом режиме линии с активными НЭ
33 Анализ уравнений аналитической модели составного негатрона в автоколебательном режиме
34 Диапазонные параметры модели составного негатрона
35 Резонансные параметры составного негатрона эквивалентного генератора
36 Исследование частотной и амплитудной производных резонансной проводимости составного негатрона
37 Мощность и частота автоколебаний генератора на составном негатроне
Выводы
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИС
41 Конструктивно-технологические модели элементов цепи ГИС
42 Эквивалентная схема линии с реальным НЭ
43 КЧХ составной длинной линии
44 Влияние сосредоточенной емкости цепи связи линии передачи и НЭ
45 Исследование коэффициента фильтрации составной линии
46 Исследование трансформирующих свойств корпуса диода
Выводы:
5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИННЫХ ЛИНИЙ С АКТИВНЫМИ НЭ
51 Конструктивный синтез активных НЭ и экспериментальное исследование макетов усилителей проходного и отражательного типа
52 Исследование двухдиодных макетов в автоколебательном режиме
53 Исследование межсоединения ЭМ типа и излучающих свойств ГИС 169 Выводы
Введение:
Актуальность темы. Прогресс в области создания современных мощных высокочастотных интегральных схем- (ИС) и других устройств электронной техники связан с совершенствованием методов и алгоритмов анализа электрических цепей с распределенными параметрами, содержащими активные и пассивные нелинейные элементы (НЭ). Дело в том, что такие микроэлектронные устройства состоят из множества полупроводниковых приборов (1111), соединенных проводниками, размеры которых соизмеримы с длиной волны колебаний электромагнитного (ЭМ) поля. При проектировании открытой конструкции ИС необходимо учитывать время переноса энергии ЭМ поля и непрерывное изменение потенциала и заряда в результате воздействия друг на друга источников и приемников электрической цепи. Поэтому запаздывание колебаний в одних точках пространства по отношению к другим составляет существенную долю характерного временного интервала, в качестве которого выбирают период гармонических колебаний, соответствующий определяющей части спектра. Перечисленные явления усложняют настройку как фрагментов, так и всей ИС по уровню колебательной и рассеиваемой мощности.
Возможные механизмы взаимодействия электронных элементов в электрической цепи многочисленны. Прежде всего, это гальваническая и электромагнитная (ЭМ) связь, осуществляемая токами проводимости и смещения, взаимное проникновение волновых функций от одного прибора к другому и т.д. Композиция волн в проводниках и диэлектрике, явление нелинейной электрической проводимости в полупроводнике, амплитудно-зависимая реакция 1111 затрудняют проектирование ИС.
Существующие на сегодня алгоритмы рассмотрения подобных конструкций обладают рядом существенных недостатков. Одни предназначены для моделирования процессов в ИС только с одним НЭ, другие предполагают применение принципа суперпозиции в нелинейной цепи. Кроме того, известные методики пренебрегают взаимозависимостью параметров активных двухполюсников и предлагают только громоздкие численные методы решения дифференциальных уравнений при анализе электронных устройств в волновом масштабе. Поэтому при традиционном подходе возникает очередная проблема, связанная с аппроксимацией полученных численных результатов и определением элементного базиса синтеза ИС. Эти алгоритмы не могут быть применены дляг решения задач, поставленных в данной работе, поскольку не позволяют рассмотреть вопрос о совместной работе нескольких активных нелинейных двухполюсных приборов, размещенных друг от друга на расстоянии не кратном половине длины волны колебаний в линии передачи.
Поскольку доминирующую роль в ИС играют гальванические и ЭМ связи между соседними элементами, необходимо в первую очередь исследовать поведение двух взаимодействующих друг с другом ПП, интегрированных в неоднородном, электрическом поле. Схемотехническое г проектирование такого варианта конструкции, направленное на совместную оптимизацию параметров ПП и' межсоединения, позволит без лишних цепей связи повысить плотностью компоновки и КПД устройств. Поэтому математическое моделирование волновых процессов и исследование взаимодействия активных нелинейных двухполюсников, связанных длинной линией, имеет большое практическое значение.
В диссертационной работе методами теории электрических цепей на основе законов Кирхгофа моделируются процессы в длинной линии, нагруженной двумя нелинейными пассивным и активным двухполюсниками на ее входе и выходе. Они образованы параллельным соединением по постоянному току резистивного линейного элемента нагрузки и негатрона с амплитудно-зависимыми параметрами. Поскольку проводимости элементов зависят от амплитуды напряжения в том сечении линии, где они включены, то существует взаимная зависимость параметров двухполюсников. Рассмотрение совместной работы двух активных НЭ в длинной линии позволит создавать микроэлектронные устройства, в которых все элементы электрической цепи интегрированы с учетом токов проводимости и ЭМ связей, возникающих между ними в ИС.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование волновых процессов в длинной линии с активными нелинейными двухполюсниками, разработка алгоритмов анализа и конструктивного синтеза нелинейной электрической цепи с распределенными параметрами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: математическое моделирование нелинейной цепи, учитывающее совместное воздействие и взаимное влияние двух сосредоточенных активного и пассивного элементов; получение аналитических выражений входных и передаточных функций электронных участков, необходимых для схемотехнического и конструктивного синтеза при макетировании активных элементов нелинейной цепи; анализ" регенеративного и автоколебательного режимов, устойчивости электрического равновесия длинной линии с нелинейными двухполюсниками на основе ее одно и двухнегатронных моделей; расчет амплитудных, частотных и резонансных импедансных характеристик электронных ветвей и параметров колебательных контуров с негатронами в стационарном режиме нелинейной электрической цепи; экспериментальное моделирование вынужденных колебаний и автоколебаний в нелинейной электрической цепи, выполненной в виде гибридной ИС (ГИС) на одном и двух диодах с отрицательным сопротивлением.
Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем: создана методология анализа нелинейных волновых и колебательных процессов в длинной линии с активными двухполюсниками в волновом масштабе; найдены в аналитическом виде импедансные условия устойчивости, синхронизма и фазировки колебаний потенциала и обобщенного тока в длинной линии, соединяющей негатроны; рассчитан диапазон трансформации амплитуды напряжения и входной проводимости разветвленной электрической цепи с распределенными параметрами на основе ее одно и двухнегатронной модели; получены условия применения- четвертьволновой моды колебаний в нелинейной электрической и электронной' цепи с учетом коллективного воздействия' и параметров соседних негатронов; определена в общем виде связь амплитудно-зависимых параметров схем замещения длинной линии, нагруженной двумя пассивными и активными двухполюсниками, с характеристиками реальных конструкций ГИС; предложены новые алгоритмы теоретического и экспериментального исследования регенеративного и автоколебательного режимов многомодовых электрических цепей, содержащих ПП с отрицательным сопротивлением.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
• предложены новые алгоритмы и ряд теоретических положений, которые необходимы для анализа энергетических процессов и конструктивного синтеза электрической цепи активных ГИС, содержащей негатронные^элементы;
• осуществлен синтез конструкций макетов, позволяющих моделировать нелинейные волновые и- колебательные процессы в электрической цепи с распределенными параметрами,
• показана возможность увеличения выходной мощности И' плотности компоновки ПП в ГИС, созданных на основе аналитической модели, предложенной в работе,
• реализованы макеты, предназначенные для усиления и генерации ЭМ поля микроволнового диапазона, в том числе и защищенные патентом на изобретение.
Методы исследований.
Использован метод квазигармонической линеаризации характеристик 1111. Применен импедансный подход, методы двух узлов и комплексных амплитуд, эквивалентных схем и синусоид, теории линейных и нелинейных электрических и электронных цепей с распределенными параметрами для анализа свойств длинной линии, содержащей активные двухполюсники. Расчеты микроволновых макетов ГИС основаны на результатах электродинамического моделирования резонансных и фильтрующих цепей, заземляющих и излучающих элементов, питающих постоянным током и теплоотводящих узлов, выполненных из отрезков составных полосковых линий. Тестирование результатов теории, моделей и расчетов базируется на экспериментальном исследовании энергетических процессов в генераторах и усилителях на лавинно-пролетных диодах (ЛПД).
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на LIII и XLI1I научно-технической конференции профессорского преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2008, 2003 г.г.), международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Излучений и рассеяние ЭМВ» ИРЭМВ (Таганрог, 2005, 2003 г.г.), первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2005 г.), восьмой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002 г.), 9-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика 2002» (Москва, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 107-й годовщине Дня радио (Красноярск, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности «КомТех-2001»» (Таганрог, 2001 г.), шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехники и энергетика» (Москва4, 2000 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы, исследования в волновом масштабе методами теории нелинейных электрических цепей с помощью < схем замещения длинной линии, содержащей активные двухполюсники, связанных с реальными ГИС.
2. Методология анализа коллективного воздействия и импедансные условия применения четвертьволновой? моды колебаний'в электрической и-электронной цепи с учетом параметров соседних негатронов.
3-. Результаты схемотехнического- анализа негатронной модели », электрической цепи с распределенными параметрами, расчета - и конструктивного синтеза ее элементов.
4. Методика конструктивного синтеза полосковых усилителей и генераторов с активными двухполюсными 1111, учитывающая взаимное влияние электронных и волновых участков нелинейной электрической цепи.
5: Результаты теоретического и экспериментального моделирования энергетических процессов и тестирования одно и двухдиодных ГИС.
Личный вклад автора. В работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве; при этом автор синтезировал большинство схем замещения и конструкций- ГИС, провел компьютерное моделирование механизма волновых процессов ю измерение нелинейных характеристик экспериментальных макетов, предложил методику изучения и тестирования амплитудных, частотных и фазовых свойств электрической и электронной цепи, осуществил обработку, анализ и обобщение теоретических и экспериментальных исследований.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе 7 статей и 24 тезиса докладов. Получен патент РФ «Генератор СВЧ».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы из 140 наименований, четырех приложений. Общий объем диссертации 194 страницы, включая 61 рисунок, 158 формул.