CC BY
12
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕДИНИЧНОГО ОБЪЕМА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА СВЧ
1 2 3
© Астахов Л.Д. , Волощенко П.Ю. , Примакова О.В.
Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, г. Таганрог
Проведено исследование входного импеданса одномерной электронной цепи, замещающей электрическую структуру единичного объема композиционного материала СВЧ с учетом явлений нелинейной дифракции и интерференции электромагнитных волн в нем.
Ключевые слова композиционный материал СВЧ, когерентная электроника, кластер, электрическая структура.
В настоящее время существует тенденция разработки изделий микро- и наноэлектроники как электрической структуры своеобразного композиционного или «умного» материала, функционирующего в электромагнитном (ЭМ) поле СВЧ. Дело в том, что они содержат «электрически негерметичное» множество когерентно взаимодействующих диодов, транзисторов и соединений, выполненных из веществ с отличающимся электрическим сопротивлением: металла, диэлектрика и полупроводника (МДП). Такой искусственный материал предназначен для создания электронной компонентной базы устройств управления в реальном масштабе времени роботами наземного и морского, воздушного и космического базирования. Однако знание только статических и средних параметров электронно-дырочных переходов и контактов недостаточно для расчета динамического равновесия многослойной конструкции, синтезированной по технологии когерентной электроники. Поэтому для минимизации ее энергопотребления необходимо последовательно осуществить символьный анализ мгновенных процессов и электрически оптимизировать по топологии и номиналу гальванические и полевые внутренние и внешние связи как фрагментов, так и всей конструктивной единицы, изготовленной из традиционных материалов электронной техники СВЧ.
Графические и аналитические операторы современных математических моделей таких изделий, имеющих различную форму и размеры, построены методом эквивалентных схем на основе сосредоточенных элементов цепей Кирхгофа, булевых выражений и т.п. В то же время полупроводниковые приборы (ПП) связаны друг с другом в ЭМ поле отрезками металлических
1 Студент кафедры Радиотехнической электроники.
2 Доцент кафедры Радиотехнической электроники, кандидат технических наук.
3 Студент кафедры Конструирования электронных средств.
питающих линий и совместно образуют кластер, контролируемым образом меняющий свой импеданс в ответ на воздействие суммы сигналов. Он обладает одновременно волновыми и нелинейными, активными и пассивными свойствами. Однако учет дифракции ЭМ волн, распространяющихся в пространстве диэлектрика, окружающего проводники, не производится. Вместе с тем, сопутствующее ей явление интерференции обуславливает мгновенную вариацию геометрии кондуктивных и беспроводных соединений ПП СВЧ, модифицирует их способность когерентно преобразовывать энергию источника питания. Вследствие этого на практике не удается добиться минимизации токопотребления сверхскоростной аналогово-цифровой аппаратурой, хотя в суперкомпьютерах и роботизированных комплексах, стараются обеспечить условие согласования входного импеданса и передаточных характеристик логических элементов по постоянному и переменному току [1, 2].
На рис. 1 изображен общий вид фрагмента планарного изделия когерентной электроники, предназначенного для верификации математического моделирования дифракционных и интерференционных явлений в единичном объеме искусственного материала. При данных обстоятельствах два соседних дискретных ПП в совокупности с проводниками рассматриваем как конструктивную единицу в волновом масштабе, замещаемую одномерной электронной цепью (рис. 2). Пути циркуляции конвекционного и наведенного тока в ней моделируем отрезком однородной фидерной линии произвольной длины х, l без распределенных потерь и дисперсии, шунтированным на конце двухполюсными Y1(U1, ro),Y2(U2, ю) резистивно-негатронны-ми нелинейными элементами (НЭ). Наблюдение за инерционной и нелинейной монохроматической реакцией фрагмента осуществляем на его входе 1-1' и выходе 2-2', соответствующих «виртуальным» границам конструкции (рис. 1). НЭ, замещающий электронный участок цепи, является активным двухполюсником с недетерминированным внутренним сопротивлением, отдающий ЭМ энергию в неограниченном или заданном частотном диапазоне. Он может являться как первичным, так и вторичным источником сигнала в одномерной электрической цепи. Негатроны характеризуют регенерацию и частичную компенсацию потерь энергии ПП, обратную передачу
Рис. 1
Рис. 2
колебательной мощности между ними на произвольной частоте ю переменного тока.
При изучении механизма наложения однотоновых сигналов друг на друга в композиционном материале воспользуемся методами эквивалентных синусоид, комплексных амплитуд и двух узлов, колебательных характеристик и гармонической линеаризации параметров 1111 [2]. Тогда для анализа перераспределения энергии ЭМ поля кластера в окружающей среде (рис. 1) изучаем соотношение только первых гармоник напряжения и тока НЭ. Такой подход обусловлен отсутствием аналитических решений дифференциальных уравнений, описывающих сверхбыстрые периодические ЭМ процессы и взаимосвязанные характеристики электронных неоднородно-стей. В открытой МДП структуре невозможно однозначно задать мгновенные амплитудно-зависимые начальные и нестационарные граничные условия на концах линии, нагруженных ПП, определяющих пределы и постоянные интегрирования. Для данных обстоятельств компоненты нормированной комплексной входной проводимостиуехг(и2, а) = У<х(и2, а) / 70, / = 1, 2 «длинной» ветви схемы замещения с резистивно-негатронным НЭ или волнового НЭ (ВНЭ), имеют вид:
Выражения (1), (2) моделируют интерференционную связь импеданс-ных условий увх(у2), у2(и2) = я2(и2) + у'Ь 2(и2) НЭ на «виртуальных» границах базового элемента, синтезированного по технологии когерентной электроники. В соотношениях (1), (2) использованы следующие обозначения: и1,и2 -модули комплексных амплитуд напряжения и1 на входе кластера и и2 НЭ; а -частота вынужденных колебаний; р = а / Уф - коэффициент фазы, Уф - фазовая скорость волн между ПП; Y0,6 = р1 - волновая проводимость и электрическая длина отрезка эквивалентной однородной линии, у2(и2) = У2(и2, а) / У0 = = ун2 + уе2(и2) - суммарная нормированная проводимость резистора «полезной» нагрузки и негатрона. Из формул (1), (2) видно, что наличие электронных неоднородностей на границах единичного объема композиционного материала, коррелированно преобразующих и запасающих ЭМ энергию, обуславливает зависимость импеданса кластера от интенсивности и12, и22 сигналов. В частности, знак действительной компоненты £ет(и2, а) = ввх(и2, а) / У0 входной проводимости одномерной цепи определяется только результирующей величиной g2(U2, а) НЭ. Однако ее мнимая составляющая Ьет(и2,ю) является функцией как знака проводимости й2(и2,ю) (емкостной либо ин-
(и2
ёг^Ц 2)(1 + tg О)
(1)
Ьх (и 2,а)
(2)
дуктивной) НЭ, так и квадрата модуля у22(и2) = g22(U2) + Ь22(и2) и параметра ^в относительно единицы, соответствующей нормированной волновой проводимости соединения. В то же время инерционный процесс обмена колебательной энергией линией передачи и первичным источником гармонического сигнала, другими ее участками определяется параметром и22 реакции когерентной структуры. Более того «оптимизация» СВЧ характеристик ВНЭ возможна в только интервалах, совместно определяемых амплитудой и2 отклика и величинами У0, в длинного соединения.
На рис. 3 показаны зависимости действительной geх(y, в) (рис.За) и мнимой Ьвх(у, в) (рис. 3б) составляющих комплексной частотной характеристики отрезка линии, нагруженного суммарной нелинейной активной проводимостью g2(U22) > 0 и gн2 = 2, при изменении электрической длины в, квадрата амплитуды и1 однотонового сигнала. Преобразование входной функции Ует(У в) ВНЭ кластера, учитывающей (с помощью аналитических выражений, приведенных в [1, 2]) передачу им напряжения, на рис. 3 отмечено поперечными (для фиксированных значений в в волновом масштабе) линиями и регулировке у = уИ12 воздействия. В этом случае использована аппроксимация амплитудной зависимости активной проводимости g2(U22) = gн2 - ge2(1 - уИ22) электрически управляемого двухполюсного НЭ, где ge02 - малосигнальная проводимость негатрона, а параметр нелинейности V < 0 1111. Кроме того считаем, что компонента Ь2 не зависит от величины переменной и2.
Результирующая динамическая проводимость g2(U22) = gн2 - ge2(U22) НЭ, шунтирующего линию по постоянному току, при воздействии сигнала произвольной интенсивности, может быть как меньше, так и больше ее нормированной волновой проводимости вследствие вариации малосигнальных параметров ПП СВЧ. В первом случае фазы напряжений падающей и отраженных волн на выходе схемы замещения изделия (рис. 1, 2) совпадают, вследствие чего токи этих волн в сосредоточенном НЭ оказываются противофазными. Как следствие, при дифракции ЭМ поля происходит нелинейное повышение амплитуды и2 на двухполюснике и уменьшение тока в нем. Явления, возникающие во втором случае, соответствуют расположению узла стоячей волны напряжения в правом конце ВНЭ. Импедансные условия увх(и12, в) в начале линии, нагруженной электрически управляемым НЭ меняются периодически при регулировке в. Поэтому совокупность даже двух 1111 обладает множеством собственных резонансных а>„(и1) частот колебаний, кратных в = яи(и1) / 2, при которых реактивная проводимость Ьас(и1) = 0. Причем соответствующие коэффициенты фазы р„=а„ / Уф волн ВНЭ образуют бесконечную последовательность, где „ - индекс продольной моды колебаний электрического поля вдоль кластера. В точке в= тт / 2 наблюдается как «резкое» при нормированной интенсивности у ^ 0, так и «плавное» для уровня сигнала у ^ 1 (рис. 3а,б) изменение значений величин gac(y), dgeх(y) / ёв,
Ъет(у), ёЪет(у) / ёв входной функции исследуемого участка одномерной электронной цепи. В случае параметра ge02 = 1,8 НЭ, импедансная составляющая gJ(У) < 1 при в&тт, а вблизи в = тт / 2 она принимает значения gac(y) > 1 (рис. 3а); реактивная проводимость Ъх(у) > 0 в интервале вот 0 до тт / 2 (т.е. ВНЭ запасает преимущественно электрическую энергию) и, наоборот, компонента Ъет(и12) < 0, когда тт / 2 < в < тт, что соответствует накоплению им магнитной энергии (рис. 3б). Вследствие этого в когерентной структуре пла-нарной конструкции наблюдается амплитудно-зависимая интерференция, вызывающая изменение входной характеристики ее участков, положения областей концентрации колебательной энергии кластера, электрической длины гальванического соединения и времени задержки сигнала. Кроме того реализуется поворот фазы «падающих» и «отраженных» волн напряжения и тока на концах линии, соответствующий «короткозамкнутой» g2(U22) > 1 или «разомкнутой» g2(U22) < 1 результирующей динамической проводимости НЭ.
Рис. 3а
Рис. 3б
ь
0
У
Таким образом, устойчивое энергетическое состояние любой пары инерционно взаимодействующих ПП СВЧ изделия, отвечающее ее динамическому равновесию, будет принимать дискретные значения (т.е. «квантоваться») в соответствии с резонансными свойствами соседних электронных неоднородностей и линий связи МДП структуры. При регулировке интенсивности входного сигнала (соответствующей, например, логическому нулю и единице) один и тот же единичный объем исследуемого композиционного материала в ЭМ поле имеет отличающиеся по топологии и номиналу идеализированных элементов сосредоточенные графические модели пути циркуляции переменного тока. В этом случае изучаемый фрагмент конструкции замещается параллельным, последовательным или смешанным соединением источника воздействия и ВНЭ, резистора и негатрона, емкости либо индуктивности. Поэтому, мгновенные процессы в каждом кластере будут описываться разными нелинейными дифференциальными уравнениями, а постоянные интегрирования задаваться амплитудой и фазой интерферирующих волн. По мнению авторов, для снижения энергопотребления роботов различного функционального назначения, условия «согласования» соедине-
ний и ПП, расположенных в узле или пучности общего ЭМ поля, должны когерентно меняться в реальном масштабе времени и определяться видом зависимости колебаний потенциала и заряда на электродах транзисторов и диодов аналоговых и цифровых устройств дистанционного управления ими.
Список литературы
1. Волощенко П.Ю., Волощенко Ю.П. Методология математического моделирования нелинейных волновых и колебательных электрических процессов в изделиях когерентной радио-, микро- и наноэлектроники. - Таганрог. Изд-во ЮФУ 2013. - 110 с.
2. Voloshchenko P.Yu., Voloshchenko Yu.P., Vavilov VG., Chernobrovy VS. Symbolic analysis of electric structure of material for analog and digital coherent electronics products // Abstracts and Schedule of the 2015 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (PHENMA 2015). - Azov, Russia, May 19-22, 2015, Southern Federal University Press: Rostov-on-Don, 2015. - P. 259-260. - http://phenma2015.math.sfedu.ru.
ОБНАРУЖЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНЫХ ОТРАЖЕНИЙ
© Битаев Е.С.1
Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского, г. Смоленск
В настоящей работе рассмотрен один из подходов к решению проблемы обнаружения мини- и микро- беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с малым значением ЭПР.
Исследуется задача обнаружения беспилотных летательных аппаратов радиотехническими средствами.
Предлагается способ измерения отражающих свойств БЛА с помощью сверхширокополосных сигналов. Проведены экспериментальные исследования резонансных отражений от малогабаритного БЛА российского производства. На основе полученных результатов разработан способ повышения дальности обнаружения малозаметных БЛА, а также предложена модель РЛС разведки БЛА с перестройкой частоты (в системе MathLAB) для доказательства работоспособности предлагаемого способа.
Ключевые слова: БЛА, СШП сигнал, резонансные отражения, адаптивная перестройка частоты.
1 Преподаватель 11 кафедры (специальных радиотехнических систем), кандидат технических наук.
