На правах рукописиВолощенко Юрий ПетровичАЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ С АКТИВНЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ДВУХПОЛЮСНИКАМИ 05.09.05 – "Теоретическая электротехника"Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукНовочеркасск 2009 г. Работа выполнена на кафедре электротехники и мехатроники Технологического института федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г.Таганроге.Научный руководитель кандидат технических наук,доцент Негоденко О.Н.Официальные оппоненты доктор технических наук,доцент Некрасов С.А.кандидат технических наук,доцент Гаврилов А.М.Ведущая организация ОАО «Научно-производственное предприятие космического приборостроения «Квант»», г. Ростов-на-ДонуЗащита состоится 30 июня 2009 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 309 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.Автореферат разослан «___» мая 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Колпахчьян П.Г.^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Прогресс в области создания современных мощных высокочастотных интегральных схем (ИС) и других устройств электронной техники связан с усовершенствованием 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 (ПП), 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 ПП 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 результатов и определением элементного базиса синтеза ИС. Эти алгоритмы не могут быть применены для решения задач, поставленных в данной работе, поскольку не позволяют рассмотреть вопрос о совместной работе нескольких активных нелинейных двухполюсных приборов, размещенных 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 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 друг от друга. Рассмотрение совместной работы двух активных НЭ в длинной линии позволит создавать микроэлектронные устройства, в которых все элементы 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 ПП. 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 XLIII научно-технической конференции профессорского -преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2008, 2003г.г.), международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, 2007г.), международной научно-технической конференции «Излучений и рассеяние ЭМВ» ИРЭМВ (Таганрог, 2005, 2003г.г.), первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2005г.), 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» (Москва, 2000г.).Основные положения, выносимые на защиту: Алгоритмы исследования в волновом масштабе методами теории нелинейных электрических цепей с помощью схем замещения длинной линии, содержащей активные двухполюсники, связанных с реальными ГИС. Методология анализа коллективного воздействия и импедансные условия применения четвертьволновой моды колебаний в электрической и электронной цепи с учетом параметров соседних негатронов. Результаты схемотехнического анализа негатронной модели электрической цепи с распределенными параметрами, расчета и конструктивного синтеза ее элементов. Методика конструктивного синтеза полосковых усилителей и генераторов с активными двухполюсными ПП, учитывающая взаимное влияние электронных и волновых участков нелинейной электрической цепи. 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 и измерение нелинейных характеристик экспериментальных макетов, предложил методику изучения и тестирования амплитудных, частотных и фазовых свойств электрической и электронной цепи, осуществил обработку и анализ 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.^ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫПервый раздел посвящен вопросам проектирования и моделирования межсоединений монолитных и гибридных ИС, указаны области применения устройств на их основе. Приведены типовые примеры конфигурации планарной и объемной топологии электрических цепей с электронными участками, описаны особенности математических моделей процессов функционирования ИС, ее эквивалентные схемы в разных диапазонах частот колебаний. Показано, что дальнейшее улучшение характеристик ИС возможно только при условии, что соединения между электронными приборами спроектированы с учетом всех проблем, возникающих при передаче колебательной энергии по длинным линиям. Из обзора следует, что большинство вопросов, затронутых в диссертации, ранее практически не рассматривались. На основании полученных данных ставятся задачи диссертации. Во втором разделе разработана аналитическая математическая модель процессов и явлений в нелинейной электрической цепи с распределенными параметрами, содержащей один или два негатронных двухполюсника и межсоединение, на основе законов Кирхгофа. На основе известных результатов моделирования ГИС и длинных линий с активными элементами, составлена конструктивно- технологическая (КТ) модель и схема замещения электрической цепи с двумя негатронами, включенными в линию передачи (рис. 1); нелинейности активных элементов аппроксимируются в одночастотном приближении на основе метода квазигармонической линеаризации. Здесь Yn=Yen+Yнn - суммарные проводимости двухполюсных элементов в сечениях 1-1, 2-2 (n=1,2) схемы, Yen=Gen+jBen - комплексные нелинейные проводимости первого и второго двухполюсников, зависящие от амплитуды An напряжения, Yнn=Gнn+jBнn - комплексные линейные проводимости внешних частотно-зависимых нагрузок, E1 - амплитуда напряжения источника, A1,I1- амплитуды переменного напряжения и тока на входе линии, A2, -амплитуда напряжения на втором двухполюснике, l12 - длина отрезка однородной линии передачи, заключенного между негатронами, Y0i,i - волновая проводимость и постоянная распространения волны в i-том отрезке эквивалентной линии передачи. Такая эквивалентная схема цепи учитывает количество электронных ветвей, наличие волноведущего участка – линии связи, позволяет исследовать ее диссипативный и активный режимы. Нормированная амплитудно-зависимая входная проводимость отрезка линии передачи в сечении 1-1, на противоположных концах которого расположены НЭ, характеризуется формулой: где =+j постоянная распространения волны, -постоянная затухания, -фазовая постоянная, l – длина линии, A1, A2 – амплитуды на концах линии передачи, y1(A1)=Y1(A1)/Y0,y2(A2)=Y2(A2)/Y0 – проводимости двухполюсников на концах линии передачи, Y0 – волновая проводимость линии. Выделяя в этом соотношении действительную и мнимую части, получаем выражения для активной и реактивной составляющих входной проводимости:При этом амплитуда A2 связана с амплитудой A1 с помощью соотношения. Полученная на основе математической модели комплексная схема замещения с сосредоточенными параметрами справедлива только для того сечения длинной линии, в котором осуществлялось преобразование. Однако, в дальнейшем, она позволяет применить условие Пирса и метод добавочных колебаний для исследования устойчивости электрического равновесия в нелинейной цепи с распределенными параметрами. На рис.2.а приведено распределение амплитуды, а на рис.2. б – фазы напряжения вдоль линии при малосигнальной проводимости двухполюсника ge02=1,8 и изменении амплитуды входного сигнала от 0 до 1. На рис.2.в-г показаны зависимости действительной ge(A12,) и мнимой be(A12,) составляющих входной проводимости двух ветвей схемы цепи при проводимости нагрузки gн2=2 и изменении параметров , y для значения малосигнальной проводимости двухполюсника ge02=1,8 и реактивной проводимости первого двухполюсника b1=0,01. Из условия b11=0 находим основные собственные резонансные частоты 1 и 2 цепи При величинах b1=b2=0 и (1)==1/2 существует полуволновой режим колебаний в линии; а при (2)=/2=2/4 – четвертьволновой режим колебаний. При импедансном подходе рассмотрения процессов, устойчивость стационарных автоколебаний в нелинейной многомодовой электрической цепи оцениваем: а) воспользовавшись условием Пирса:, где Ge и Be– суммарная проводимость первого и второго негатрона в сечении 1-1; б) методом добавочных колебаний, из которого следует: стационарные колебания, например, на частоте 1 неустойчивы и возбуждаются колебания частоты 2, если выполняются соотношения:,, . Из полученных теоретических результатов следует, что появление отраженной волны, усиленной одним из негатронов, распространяющейся вдоль соединительной линии, моделируется вторичным зависимым источником колебательной энергии в цепи. Наличие двух встречных потоков активной энергии в отрезке длинной линии, переносимой падающими и отраженными волнами, приводит к изменению ее электрических свойств. Следовательно, в электронных участках цепи нельзя произвольно задавать импедансные условия. Кроме того, в данной главе найдены аналитические выражения амплитудной зависимости коэффициента передачи по напряжению нелинейной цепи с распределенными параметрами; установлены в явном замкнутом виде функции комплексной частотной характеристики (КЧХ) ветвей с негатронами, исследованы амплитудные и частотные производные суммарной нелинейной входной проводимости линии с одним и двумя активными элементами при вынужденных и собственных колебаниях; сопоставлены амплитудные, частотные и фазовые характеристики одно и двухнегатронных моделей цепи; теоретически обоснована возможность использования четвертьволнового колебательного режима (на частоте 2) в отрезке длинной линии, нагруженной ПП с отрицательным сопротивлением. В третьем разделе рассмотрено электрическое состояние нелинейной цепи в случае композиции волн в линии связи при изменении уровня воздействия на НЭ. Получены амплитудные и фазовые зависимости комплексных амплитуд напряжений в линии передачи с нагрузкой gн2, шунтированной негатроном ge2, в диссипативном, усилительном и автоколебательном режимах. При возбуждении колебаний в схеме от независимого источника ЭДС с амплитудой A1, расположенного в сечении 1-1 линии связи (рис 1), считаем, что выполняются условия g2(A2)>0, ge2(A2) f(y)=(ge022sin2)x3+[2(gн2-ge02)ge02sin2]x2+[(gн2-ge02)2sin2+(cos-b2sin)2]x-y=0, где x=A22, y=A12, ge02 – малосигнальнаяпроводимость НЭ. Это уравнение позволяет исследовать входной амплитудный годограф, АЧХ и ФЧХ схемы участка цепи в режиме «на проход». На рис.3 показаны зависимости активной и реактивной входной проводимости и коэффициента усиления K негатронной цепи от параметра линии. В автоколебательном режиме при =/4 уравнение электрического равновесия цепи с двумя активными двухполюсниками имеет вид: где a4=; a3=3(gн1-ge01); a2=3ge01(gн1-ge01)2; a1=(gн1-ge01)3-cge01;. Данные выражения, совместно с условием Пирса, позволяют исследовать устойчивость стационарных автоколебаний в двухнегатронной цепи. На графике рис. 4 показаны (отмечены цифрами) области значений проводимостей gн1-ge01, ge02-gн2 двухполюсников, необходимые для устойчивой генерации колебаний. При выборе значений проводимости gн1-ge01, ge02-gн2 двухполюсников: 1) в областях №2 и №3 осуществляется «мягкое» самовозбуждение колебаний в схеме на частоте 2; 2) в области № 4 происходит «жесткое» возбуждение колебаний частоты 2; 3) в области № 1 выполняется условие устойчивости для частоты 1. Генерируемую мощность Рн, максимальную выходную мощность одно Рнм1 и двухдиодной Рнм цепи, оптимальную проводимость нагрузки gн1опт в области 2 (рис.4) вычисляем по формулам:; ; . На рис.5 представлены графики зависимостей мощности Рн при изменении проводимости нагрузки Gн1 (рис.4) и параметрах i>0 (и i Исследования, проведенные в данном разделе, позволяют сделать вывод, что, для увеличения степени интеграции элементов при сохранении работоспособности ГИС, электрическую цепь следует формировать из активных ПП двух типов, размещенных как в максимумах, так и минимумах стоячей волны напряжения в линии. При этом волновая проводимость соединения должна быть больше или меньше квадрата модуля проводимости нагрузки при любых амплитудах напряжения на двухполюсниках. В четвертом разделе проведен конструктивный синтез нескольких вариантов элементов ГИС, позволяющих реализовать эффект фильтрации гармоник тока в электронной цепи с помощью составной полосковой линии. Они необходимы при экспериментальном исследовании процессов в нелинейной электрической цепи с распределенными параметрами и тестировании суммирования колебательной мощности в ГИС. Конструкция с бескорпусным ЛПД и микрополосковым резонатором, приведена на рис. 7а. Основу таких макетов составляют отрезки открытых и экранированных с одной или нескольких сторон проводников в виде тонких слоев металла, нанесенных на диэлектрик и полупроводник. Минимальная толщина подложки определяется длиной области взаимодействия ПП и слоев, обеспечивающих омические свойства контактов. Контактные соединения активных и пассивных элементов цепи выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводника. Исходными данными для конструктивного синтеза являются используемая меза-технология производства ЛПД и геометрические размеры элементов цепи. Другой вариант полосковых соединений в диодной конструкции, приведен на рис.7б, где: 1 – корпусной ЛПД; 2 – ленточный проводник; 3 – основание конструкции (теплоотвод), 4 – цепь питания. Минимальная длина верхнего горизонтального участка воздушно - полосковой линии 1 определяется диаметром «шляпки» ЛПД. Поэтому ленточный проводник шириной d имеет форму прямоугольника, он состоит из трех, расположенных перпендикулярно друг другу, отрезков линии. Нижний конец центрального микрополоскового проводника 2 резонатора разомкнут, а верхний подключен к верхней крышке диода 1. ЛПД закреплен теплоотводящим электродом в основании 3. Расстояние h между верхним горизонтальным участком воздушно - полосковой линии, длина вертикального участка (стойки) полоскового проводника 2, соединяющего верхнюю и нижнюю его части и перпендикулярного им, равны высоте корпуса диода. Отрезок линии 2 расположен параллельно заземленному основанию и изолирован от него диэлектрической прокладкой толщиной S Для приведенных конструкций составлена схема замещения, что позволило исследовать свойства предложенных ГИС различных конфигураций; проанализировать влияние внешней формы и геометрических размеров этих конструкций на электрические характеристики диодных устройств. Найдены теоретические условия реализации максимального коэффициента фильтрации гармоник тока НЭ участками цепи. Установлено, что в микроволновых макетах необходимо рационально применять свойства составных межсоединений разного типа. При соответствующем проектировании они позволяют оптимизировать характеристики цепи. Совместно «короткие» (в волновом масштабе) контактные проводники, соединяющие ПП, образуют «длинные» межсоединения и формируют всю электрическую цепь ГИС. В пятом разделе описаны результаты экспериментального исследования процессов в микроволновых ГИС, сопоставления и проверки математической модели процессов и явлений в нелинейной электрической цепи, содержащей один или два негатронных двухполюсника и межсоединение. Сконструированы макеты усилительных ГИС проходного и отражающего типа на базе ЛПД трехсантиметрового диапазона длин волн. Внешний вид макетов №1, №2 и №3 (с внешним источником) открытой конструкции усилительной ГИС с полосковым резонатором, представлен на рис. 8.а,б,в где: 1 - корпусной ЛПД; 2 - отрезок полосковой линии длиной l; 3 - основание конструкции; 4 - пленочный конденсатор; 5 - конденсатор связи; 6 - полосковая линия связи с нагрузкой. На рис.9 показаны: 1 - теоретическая, 2 - экспериментальная амплитудно- частотные характеристики усилительной диодной ГИС в отражательном режиме. АЧХ негатронного усилителя измерялись при входной мощности 0,1 мВт сигнала. Экспериментальные амплитудно-частотные (а) и амплитудные (б) зависимости усилительной ГИС на ЛПД 2А706 представлены на рис.10. Графики 1,3 характеризуют работу схемы в режиме «на отражение», кривые 2,4-в режиме «на проход». Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилительной ГИС, функционирующей в режиме «на отражение» (кривая 1), даны при уровне мощности 5 мВт сигнала, а для проходной схемы (кривая 2) –при входной мощности 1 мВт. Из графиков видно, что величина коэффициента усиления негатронной цепи отражающего типа (кривая 3) в большой мере зависит от интенсивности входных сигналов, для схемы проходного типа эта зависимость менее выражена. Таким образом, отражающая схема по своим характеристикам ближе к усилителям напряжения, а схема проходного типа - к усилителям мощности. Для рассматриваемых режимов работы наибольший коэффициент усиления в режиме «на отражение» составил Km=12дБ, ширина полосы усиления по уровню 0,5Km равна dFп=400МГц, площадь усиления – П=dFп=1,6ГГц; в режиме «на проход» соответствующие параметры составили: Km=6дБ, dFп=600МГц, П=1,2ГГц. На рис.11.а,б показан общий вид двух вариантов конструкции ГИС на корпусных ЛПД (макеты №№4-5), функционирующих в диапазоне частот 8,5 – 11 ГГц, т.е. в области существования отрицательной дифференциальной проводимости ЛПД 2А706, 3А730. Макет №4 двухдиодной схемы состоит из ЛПД (1,2), включенных в схему при помощи полоскового межсоединения (3,4), выполненного на ступенчато-нерегулярных разомкнутых линиях передачи. Геометрические размеры несимметричных воздушно-полоскового и микрополоскового участков ленточного центрального проводника с разным волновым сопротивлением выбирались из условия равенства их электрических длин на заданной частоте рабочего диапазона с учетом емкости диодов и боковой емкости вертикальной стойки при помощи аналитических соотношений раздела 4. Каждый диод непосредственно подключен к линии (3,4). ПП соединен отрезком воздушно-полосковой линии 5 длиной l, с другим ЛПД без дополнительных сосредоточенных реактивных элементов, регулирующих связь между ними. К нижнему концу вертикальной стойки присоединены вводы фильтров нижних частот 6 схемы питания ЛПД, а развязка цепей постоянного тока обоих диодов обеспечивается конструктивным плоским конденсатором большой емкости 7. Настройка необходимого режима работы, фильтрация гармоник тока НЭ и оптимизация уровня мощности устройства осуществляется выбором волновой проводимости отрезка линии 5, включенной между ЛПД 1,2, параметров ПП, а также величиной емкости конденсатора связи, установленного последовательно в линии нагрузки. В макете №5 отсутствует отрезок 5 линии передачи между диодами, а вывод энергии в общую нагрузку осуществляется от каждого диода в отдельности, т.е. без гальванической связи между ними. На рис.12 приведены зависимости выходной мощности и частоты колебаний макетов №4 и №5 при изменении тока питания второго диода (для макета №4 – мощность: теор. – 1, эксп. – 2; частота: теор. – 5, эксп. – 6; для макета №5 – мощность: теор. – 3, эксп. – 4; частота: эксп. – 7). На рис.13 приведены зависимости выходной мощности и частоты колебаний макета №4 при изменении расстояния между диодами (мощность: эксп. – 1; частота: теор. – 5, эксп. – 3); и зависимости выходной мощности и частоты макета №4 для случая настройки в резонанс на рабочую частоту четвертьволнового режима (2) и оптимизации цепи нагрузки в диапазоне перестройки (мощность: эксп. –2; частота: теор. –6, эксп. –4). Видно, что при совместном включении диодов возникает генерация, а частота колебаний зависит от длины линии передачи, включенной между ПП, и величины проводимости трансформированной нагрузки. В макете №4 реализуется «мягкий» режим возбуждения колебаний (рис. 12 –кривая 2). При длине межсоединения l=/4 наибольшая мощность в нагрузке составляет 110% от суммарной мощности двух диодов. С другой стороны, рассматривая двухполюсник в сечении 1-1 (рис. 1) как усилитель, можно установить, что при длине межсоединения диодов l=/4 коэффициент регенерации меньше. Он ограничивается необходимостью выполнения условий устойчивости стационарных колебаний на второй частоте 2 колебательного контура с распределенными параметрами. Проведенное исследование четвертьволнового режима работы двухнегатронной модели нелинейной цепи делает возможной оптимизацию параметров соединений и конструкции микроволновой ГИС по степени интеграции и максимуму ее выходной мощности. Предложенные макеты позволяют создать диодные схемы с гальваническими цепями связи и без них с расширенной полосой и диапазоном рабочих частот и увеличенным коэффициентом усиления. Они эффективно совместно работают в регенеративном режиме без развязывающих внешних невзаимных ферритовых устройств. Такой конструктивный синтез элементов электрической цепи ГИС позволяет улучшить ее массо-габаритные и энергетические параметры. В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.Основные результаты работы.В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных свойств длинной линии, содержащей активные двухполюсники, в волновом масштабе. В результате предложены одно и двухнегатронная модели, новые алгоритмы анализа и синтеза электрической цепи фрагментов конструкции ИС, функционирующих в диссипативном, регенеративном и автоколебательном режиме. Разработанная методология моделирования энергетических процессов позволяет при проектировании ИС учитывать композицию волн вдоль межсоединений, а также проводить оптимизацию колебательных характеристик негатронных элементов цепи с целью увеличения выходной мощности и плотности компоновки ПП.Рассмотрен режим вынужденных колебаний отрезка длинной линии с НЭ. Установлено, что нелинейная электрическая цепь с распределенными параметрами работает как фазовращатель и трансформатор напряжения и тока при регулировке интенсивности воздействия. Она позволяет получить другой вид амплитудно-фазовой зависимости между переменными током и напряжением в разных сечениях линии по сравнению с исходной нелинейностью негатрона. В этом случае, меняются импедансные условия в ПП, расположенных на конструктивных границах фрагмента ИС, и электрическое состояние нелинейной цепи, положение узлов и пучностей напряжения и тока вдоль соединения. Сочетание сосредоточенных нелинейных негатронных двухполюсников на входе и выходе линии передачи позволяет схемотехнически синтезировать новый (суммарный) активный или пассивный двух или четырехполюсный элемент цепи с оригинальными амплитудными и частотными характеристиками 3. Исследовано коррелированное поведение двух взаимодействующих друг с другом ПП, интегрированных в неоднородном электрическом поле длинной линии, при фильтрации гармоник тока НЭ. На основе импедансного подхода и негатронной модели фрагмента ИС предложено в автоколебательном режиме использовать четвертьволновый вид (моду) колебаний в линии с