Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы в России и за рубежом особенно интенсивно ведутся работы по созданию надежных, высокоэффективных, малогабаритных и устойчивых в работе систем сверхбыстрой обработки информации на сверхвысоких частотах (СВЧ). Особая потребность в таких системах возникает в связи с решением глобальных задач аэрокосмической техники, радиоуправления, навигации, связи и многих других. проблем обеспечения современного состояния технического уровня (!|.
Усложнение информационных потоков определяет необходимость постоянного совершенствования и поиск новых схемных решений устройств логической обработки сигналов СВЧ диапазона. Последние достижения в цифровой обработке электромагнитных сигналов СВЧ обусловлены использованием новых физических эффектов и усложнением программного обеспечения этого процесса. Наряду с ростом плотности упаковки интегральных схем (ИС), увеличением скорости срабатывания электронных вентилей имеется тенденция к использованию разнообразных форм сигналов и методов их обработки.
При выполнении теоретических исследований полей в элементах объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ методами топологической электродинамики появилась и была всесторонне обоснована теория топологической импульсной модуляции (ТИМ), основная идея которой заключается в записи дискретной информации в особую пространственную структуру электромагнитного поля импульса - топологическую схему. Под нею понимается схема фазового пространства системы дифференциальных уравнений силовых линий, состоящая из положений равновесия поля, сепаратрис, поверхностей разрыва полей. Для обработки таких сигналов достаточным оказалось использование пассивных структур, позволяющих осуществить пространственное разделение импульсов с различной топологией поля. В последнее время на основе этой теории предложен ряд подобных устройств на ОИС СВЧ, которые получили название "топологические переключатели (ключи)" [2, 3].
В настоящее время постоянное повышение быстродействия полупроводниковых приборов практически прекратилось. Это связано, в основном, с достижением таких его значений (около десяти пикосекунд для вентиля), когда уже сказывается инерционность движения носителей заряда в полупроводниках. Развитие полупроводниковой технологии и устройств на ее основе подошло к своим теоретическим пределам.
Оценивая по общепринятому энергетическому фактору - произведению рассеиваемой мощности на время задержки сигнала - современные ИС, можно сделать зывод о близкой подходе к теоретическому пределу, которым является значение порядка 1 фДж. На рис. I представлены абсолютные физические ограничения н значения энергетического фактора для полупроводниковых приборов современных технологий (ЭСЛ, К МОП, МеПиИ*Л>.
10"
Р, Вт
10м 10"1 10" 102 Т.пс
Рис. 1. Временные и энергетические характеристики полупроводниковых и топологических ключей (ТК); штриховая линия - физический предел полупроводниковых ключей, сплошные линии * фундаментальные ограничений.
Поэтому для современной радиоэлектроники остро необходима разработка сверхбыстродействующих устройств обработки цифровой информации в СВЧ диапазоне. С помощью топологических ключей имеется возможность преодоления некоторых ограничений, накладываемых свойствами полупроводников. Это связано с тем, что топологические ключи потенциально имеют лучшие характеристики по быстродействию из-за отсутствия полупроводниковых материалов. Благодаря этому удается достичь пикосекундньїх и субшікосекундньїх скоростей срабатывания .в некоторых конструкциях топологических
переключателей, что на один-два порядка лучше существующих аналогичных полупроводниковых устройств (рис, I),
Теория ТИМ впервые была разработана в нашей стране, устройства, реализующие принцип пространственного разделения сипіалов, не имеют аналогов в мире. В связи с этим, очень актуальны задачи, решаемые в диссертационной работе: разработка подобных устройств и их физический ' анализ, исследование частотных и временных характеристик, а также оценка технологических и энергетических характеристик топологических ключей на ОИС СВЧ.
Целью работы является разработка топологического переключателя с пикосекундпыи быстродействием на основе объемных интегральных ' схем СВЧ. Для этого последовательно решались следующие основные , задачи:
разработка физико-математической модели топологического ключа;
разработка пакета программ для исследования временных характеристик топологических переключателей;
разработка макета топологического ключа по гибридной технологии, и получение экспериментальных подтверждений пространственного разделения топологически модулированных сипіалов;
разработка конструкции топологачесхого переключателя, учитывающая требования к быстродействию устройств обработки информации.
Научная новизна диссертационной работы заключается в - -
следующем:
-
разработана фнзихо-иатематическая модель топологического ключа для случая плоской волны в неоднородностях лолосковых линиях передачи;
-
предложена конструкция топологического ключа резнстнвного типа, реализующего пикосекундные времена переключения сигналов;
-
проведены теоретические исследования временных хяракгеристях топологаческих переключателей с резистивными . элементами согласования;
-
экспериментально подтверждеп эффект пространственного разделения топологически модулированных сигналов на макете, выполненном по гибридной технологии;
-
разработаны устройства попки гибридного типа И/ИЛИ, предоставляющие возможность перестройки логической функции без изменения схемы.
Практическая ценность. Разработанные топологические ключи являются основой принципиально новой конструктивной элементной базы для сверхбыстродействующих систем обработки СВЧ информации, устройст» квазинейронной логики и датчиков измерения параметров окружающей среды. Полученные результаты могут быть использованы при создании специализированной цифровой аппаратуры, отвечающей современным требованиям к быстродейсгвню.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе конструкция, модель, алгоритмы и программные средства использовались при выполнении научно-исследовательских работ на .кафедре "Лазерные и микроволновые информационные системы" Московского государственного института электроники и математики, в научно-исследовательской лаборатории НИИ МЭИИТ.
Основные результаты работы внедрены на предприятии АО "ЭРТ", а также в учебный процесс Московского государственного инсти.ута электроники и математики.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на конференции-выставке "СВЧ-техннка и спутниковый прием", Севастополь, 1993 г.; на научно-техническом конференции-конкурсе студентов, аспирантов и молодых специалистов, Москва, МГИЭМ, 1994 г. (II место); на научных семинарах МГИЭМ. На Всероссийском открытом конкурсе работ молодых ученых присуждена медаль Государственного Комитета Российской Федерации по высшему образованию, 1994 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7.научных статьях, имеется положительное решение по заявке на патент Российской Федерации (заявка 93-010082/09-009663). Материалы вошли в 6 отчетов по НИР, в том числе по гранту Российского Фонда Фундаментальных Исследований 94-0204979-А (1994 г.).
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Физико-математическая модель топологического ключа, использующая приближение квазн-Т-волны.
-
Конструкция топологического переключателя резистивного типа с непосредственным гальваническим включением сосредоточенных активных сопротивлений, основанного на Т-соединенни входных
связанных полосковых и выходных двухпроводной н полосковой линий
передачи.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований временных и частотных характеристик топологических ключей.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков. Список литературы включает в себя 81 наименований.
Консультации по работе осуществлялись к.ф.-м.и. Кузаевьш Г.А.