Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Плаксін Сергій Вікторович

УДК 538.567:621.317.023

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ПОБУДОВИ

ШВИДКОДІЮЧИХ ІНФОРМАЦІЙНО-КЕРУЮЧИХ СИСТЕМ

НА БАЗІ ЕЛЕКТРИЧНО АКТИВНИХ НАПІВПРОВІДНИКІВ

01.04.01- фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті транспортних систем і технологій НАН України “Трансмаг”.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор

ПРОХОРОВ Едуард Дмитрович,

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна,

професор кафедри фізичної і біомедичної електроніки та

комплексних інформаційних технологій

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

ЛИТОВЧЕНКО Володимир Григорович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова

НАН України,

завідувач відділу фізичних основ інтегральної мікроелектроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор

ДРОБАХІН Олег Олегович,

Дніпропетровський національний університет,

завідувач кафедри прикладної та комп’ютерної радіофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор

КАРАСЬ Вячеслав Ігнатович,

Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення

ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України,

начальник теоретичної лабораторії, м. Харків.

Захист відбудеться 12 жовтня 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.051.02 Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. III-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного университету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розіслано 04 вересня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої ученої ради Ляховський А.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Управління сучасними технологічними процесами, транспортними потоками, діагностико-терапевтичними комплексами потребує здійснення аналізу і контролю численних параметрів складних багатокомпонентних систем в реальному масштабі часу. Сучасні керуючі системи, особливо такі нетрадиційні їх види як системи керування високошвидкісним наземним транспортом, системи авіоніки, у тому числі такі, що містять навігаційні комплекси і комплекси корекції функціонального стану виробничого персоналу, суттєво ускладнилися за останні десятиріччя, стали багатофункціональними, вимоги до них суттєво зросли (екологічна чистота, безпека, швидкодія, ефективність, інформативність). Тому визначаючу роль для надійного функціонування таких складних апаратно-програмних комплексів набувають їх інформаційно-керуючі системи (ІКС).

Вагомий внесок у розвиток методів побудови компонентів таких систем, а саме радіовимірювальних перетворювачів, зробили наукові школи Бокринської А.А., Бондаренка І.К., Булгакова Б.М., Володарського Е.Т., Вікуліна І.М., Водотовки В.І., Манойлова В.П., Ільченка М.Ю., Наритніка Т.Н., Петрова Е.Г., а також інші вітчизняні та закордонні науковці.

Основні технічні характеристики ІКС істотно залежать не тільки від параметрів окремих вимірювальних перетворювачів і компонентів каналу зв’язку, а й взагалі від способу побудови суцільної системи керування.

Побудова такої системи керування на базі добре відпрацьованих датчиків і зв'язуючих ланок, але виконаних на різнорідній елементній базі і в основу роботи яких встановлені різні фізичні явища, як правило, приводить до невиправданої громіздкості і до зниження надійності системи в цілому. Тому дослідження, націлене на рішення цієї назрілої проблеми забезпечення надійності і конфліктостійкості швидкодіючих, здатних до реконфігурації інформаційно-керуючих систем є вельми актуальним.

Високі вимоги до оперативності й ефективності керування швидкісними об'єктами (швидкопротікаючими процесами), рознесеність засобів керування, специфіка розв'язуваних завдань і багатоплановість кінцевих цілей у різних технічних застосуваннях визначили, по суті справи, виділення проблеми створення надійних швидкодіючих розподілених ІКС в окремий напрямок розвитку систем керування.

Зазначені вимоги обумовлюють необхідність у розробці спеціальної методології, створенні відповідних прийомів і засобів обробки й передачі інформації. Передумовами такої методології можуть служити багатофункційні можливості напівпровідникових пристроїв з міждолинним електронним перенесенням (МЕП), які проявляють негативну диференціальну провідність (НДП) в діапазоні надвисоких частот.

Виходячи з вимог практики і з урахуванням існуючих передумов, безсумнівно, актуальним представляється рішення з єдиних позицій назрілої науково-технічної проблеми: розробка методології забезпечення надійності і конфліктостійкості процесів керування шляхом побудови багатофункційних, здатних до реконфігурації інформаційно-керуючих систем, які б враховували специфіку великих високошвидкісних систем, були побудовані на однорідній елементній базі і були б перейняті внутрішньо несуперечливою логікою покладених у їх основу фізичних принципів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження зі створення інтегрованої системи керування проводяться на базі Інституту транспортних систем і технологій НАН України (“Трансмаг”) протягом останніх 15 років. Роботи почалися відповідно до постанови Президії національної академії наук України. Під час виконання цих робіт виникла необхідність у вирішенні низки невизначених питань у теорії та практиці побудови швидкодіючих, конфліктостійких, здатних до реконфігурації систем керування.

Напрямок досліджень виник і розвивається у зв'язку з необхідністю рішення практично важливих задач по створенню систем керування (у тому числі, передачі даних) для розподілених гібридних енергосистем, високошвидкісних транспортних систем, діагностико-терапевтичних комплексів, які відносяться до числа пріоритетних як в Україні, так і в низці інших технологічно розвинених країн світу.

Дослідження проводилися відповідно до Державної програми розвитку техніки і технологій надвисоких частот на 2005 – 2009 роки, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України № 1372 від 15 жовтня 2004 року, що містить розділи “Сучасні технології телекомунікацій, надвисокочастотного зв'язку і телебачення” і “Елементна база надвисокочастотної техніки з використанням напівпровідникових і електровакуумних технологій”, а також відповідно до Координаційного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (п. 7 – “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку”) і до Постанови Президії НАН України від 24.12.03 № 308, передбачаючої розробку програми “Створення ефективних інтелектуальних інформаційних технологій, високопродуктивних ЕОМ і засобів захисту інформації (“Інтелект”)”, а також відповідно до планів держбюджетних НДР Інституту технічної механіки НАН України і Інституту транспортних систем і технологій Національної академії наук України “Трансмаг”, де виконувалися дисертаційні дослідження, у тому числі:

- НДР “Дослідження динаміки процесів в електрично неврівноважених середовищах для розробки багатофункціональних елементів систем керування і зв'язку”, 1985 (номер держреєстрації 80065056).

- НДР “Вирішення проблем створення перспективних транспортних систем і розробка пристроїв їх автономного енергозабезпечення”, 2000 р., в якій автор був відповідальним виконавцем розділу НДР – “Розробка систем керування і контролю руху транспортних систем нового покоління з використанням автономних джерел живлення” (номер держреєстрації 0196U001412);

- НДР “Дослідження і розробки в області створення магнітолевітуючих транспортних систем і модулів бортового енергозабезпечення”, 2005 р., в якій автор був керівником напрямку НДР – “Дослідження і розробка компонентів інформаційно-керуючої системи магнітолевітуючих транспортних засобів, включаючи джерела енергозабезпечення” (номер держреєстрації 0101U004480).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає у розробці методологічних основ побудови нового класу швидкодіючих, здатних до реконфігурації інформаційно-керуючих систем, що забезпечують надійність роботи, достовірність вимірюваних інформаційних даних і що підвищують якість керування в різних галузях промисловості. Досягнення цієї мети створює основи для виготовлення конкурентноздатних зразків відповідної продукції. Це обумовлює розв’язок таких задач:

· теоретичне дослідження розвитку електричної нестійкості в плазмі гарячих електронів в однорідних (без p-n переходів) напівпровідникових структурах при керуючому впливі НВЧ-полів;

· теоретичне обґрунтування комплексного методу синтезу конфліктостійких інформаційно-керуючих систем, що функціонують в масштабі реального часу;

· розробка методологічних основ побудови вимірювальних НВЧ-перетворювачів механічних і магнітних характеристик високошвидкісних об'єктів, а також синтез цілісних ІКС на їх основі;

· аналіз особливостей розподілених (просторово рознесених) ІКС, а також, з урахуванням цих особливостей, виготовлення і випробування лабораторних зразків пристроїв спеціалізованого каналу зв'язку між датчиками і центральним пунктом керування;

· розробка методів і принципів побудови інформаційно-керуючих систем для діагностики і корекції функціонального стану виробничо-технологічного персоналу з урахуванням суттєвого впливу людського чинника на забезпечення надійності великих людино-машинних систем керування.

Об’єктом дослідження в дисертації є процеси керування високошвидкісними технологічними операціями в різних галузях промисловості (транспорт, енергетика, авіоніка, медико-технічна та ін.), забезпечуючі конфліктостостійке і надійне функціонування великих людино-машинних інформаційно-керуючих систем,

Предметом дослідження є фізичні характеристики напівпровідникових об'ємних двохелектродних структур з “гарячими” електронами, що проявляють електричну активність в НВЧ-діапазоні, яка дозволяє використовування вказаних структур в якості функціональних елементів розподілених мультисенсорних ІКС, діючих в масштабі реального часу.

Методи досліджень. Дослідження взаємодії НВЧ-полів з плазмою “гарячих” електронів в напівпровідниках проведено на основі класичної теорії Рідлі-Уоткінса, Хілсума і Кремера. Аналіз характеристик спеціальних хвилеводних комунікаційних ліній передачі з періодичними щілинними отворами зв'язку проведено із застосуванням числових методів прикладної електродинаміки. Теоретичний аналіз впливу НВЧ полів на формування струмових нестійкостей в діодах Ганна, встановлених в спеціальні електродинамічні системи, проводився за допомогою класичної теорії електричних кіл. Експериментальні дослідження характеристик функціональних вузлів ІКС і керуючих НВЧ-пристроїв проводилися шляхом вимірювань вольтамперних, амплітудно-частотних характеристик на стандартній радіовимірювальній апаратурі, а також передавальних характеристик на стандартних панорамних вимірювачах. Концепція побудови ІКС в цілому створювалась на основі методів декомпозиції і системного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в теоретичному обґрунтуванні удосконалення інформаційно-керуючих систем і вирішенні проблеми інтеграції різнорідних компонентів багатопозиційних мультисенсорних радіофізичних систем спостереження і контролю технологічних процесів шляхом їх побудови на основі однорідних багатофункціональних напівпровідникових НВЧ-пристроїв з гарячими електронами, завдяки чому підвищується завадостійкість цих систем. В рамках цієї методології:

1. Обґрунтовано нову методологію синтезу швидкодіючих ІКС, що базується на комплексному використанні нелінійних явищ в плазмі гарячих електронів в напівпровідникових структурах з міждолинним електронним перенесенням, що знаходяться під впливом НВЧ-полів з регульованим співвідношенням величини живлячого постійного електричного поля і напруженості НВЧ-поля резонатора.

2. Визначено умови, при яких цілеспрямована дія НВЧ-полями на напівпровідникові структури, розміщені в спеціальних електродинамічних системах, дозволяє здійснити встановлення конвективної нестійкості у напівпровідниках з гарячими електронами.

3. Розвинуто феноменологічну модель формування об'ємного заряду з керуючою дією надвисокочастотного сигналу в однорідних напівпровідникових структурах, що проявляють ефект негативного диференціального опору в сильних електричних полях. Визначені повна провідність вказаних напівпровідникових структур, діапазон зміни реактивної складової, що дозволяє використовувати вказані напівпровідникові структури в якості енергоміцної електрокерованої ємності.

4. Вперше доведено можливість оптимізації параметру n0L напівпровідникових структур з міждолинним електронним перенесенням по критерію максимальної потужності в режимах з виділенням вищих гармонік.

5. Виявлені функціональні можливості напівпровідникових структур з міждолинним електронним перенесенням, що проявляють негативну диференціальну провідність в НВЧ-діапазоні, використання сукупності яких вперше встановлено в основу радіохвильового методу побудови ІКС.

6. Вперше розроблена концепція побудови радіохвильової ІКС для високошвидкісного наземного транспорту з магнітним підвісом на основі магістральної маркерно-зв'язної хвилеводної лінії передачі з групами вхідних отворів, збуджуваних випромінюванням високостабільного напівпровідникового НВЧ-генератора, розміщуваного на рухомому екіпажі.

7. Розроблено принципи побудови стабільних джерел когерентних сигналів з магнітокерованим контуром перестройки частоти, на базі яких реалізовані і запатентовані стабільний НВЧ-генератор з високою фіксуючою здатністю і вузли, що забезпечують частотну і експлуатаційну стабільність.

8. Теоретично обґрунтовані і експериментально апробовані способи розробки вузлів завадостійкого енергоміцного каналу передачі даних про параметри рухомого об'єкту на центральний пункт керування і прийому у відповідь керуючих сигналів. Вказаний інформаційний канал включає розміщувані уподовж траєкторії руху високошвидкісного об'єкту трактові підсилювачі, активні змішувачі зсуву, пристрої корекції фазової довжини відрізків направленої лінії передачі, а також енергоміцні приймачі НВЧ-діапазону.

9. Вперше обґрунтована можливість побудови ІКС на основі інтеграції фазометричного радіонавігаційного НВЧ-датчика високошвидкісної наземної транспортної системи і розподіленої фотоелектричної системи енергозабезпечення лінійного двигуна магнітолевітуючого транспортного засобу і вузлів її приймально-передаючого тракту.

10. Вперше, з метою моніторингу і відповідної корекції функціонального стану персоналу високошвидкісних ІКС, розроблено принципи активної біодіагностики операторів великих людино-машинних систем з використанням НВЧ-випромінювання нетеплової інтенсивності. Це дозволило на основі вказаних принципів розробити і впровадити оригінальні терапевто-діагностичні пристрої з біо-технічним зворотним зв'язком, що працюють в автоматичному режимі.

Окремі результати роботи знайшли відбиток у лекційному курсі "Основи напівпровідникової НВЧ електроніки", що читався в Дніпропетровському державному університеті.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Одержані результати є науковим фундаментом для практичних рекомендацій, що стосуються побудови ІКС з урахуванням таких важливих вимог, як швидкодія, енергоміцність, завадостійкість.

2. На основі проведених досліджень і виявлених ефектів взаємодії НВЧ-полів і плазми гарячих електронів в напівпровідниках з негативним диференційним опором визначено нові можливості керування характеристиками пристроїв сантиметрового і мм-діапазонів, а також побудови здатних до реконфігурації інтегрованих ІКС на їх основі.

3. Створено випробувальні стенди для діагностики і тестування пристроїв і функційних вузлів ІКС для систем керування високошвидкісними технологічними процесами, які є продуктивними інструментальними засобами контролю, діагностики і наладки компонентів інформаційно-вимірювальних систем.

4. Розроблено і реалізовано у вигляді експериментальних зразків швидкодіючі безконтактні НВЧ-датчики просторового положення екіпажа на магнітному підвісі і автогенераторні датчики магнітного поля, створюваного тягово-левітаційною системою.

5. Цінне для практики значення одержаних результатів полягає у застосуванні (див., наприклад, Додаток Б, Акти впровадження) запропонованих в дисертації нових підходів до розробки нового класу інформаційно-керуючих систем медико-технічного профілю, де необхідне оперативне керування ходом діагностико-терапевтичних процесів з підвищеними вимогами до швидкості обробки інформації і швидкості формування керуючих дій.

6. Результати досліджень застосовні в навчальному процесі (див., наприклад, Додаток Б, Акт впровадження Дніпропетровського національного університету) для підготовки фахівців – розробників систем керування високошвидкісними технологічними процесами для різних галузей промисловості.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, наведені в дисертації, належать автору. У роботах, що опубліковані в співавторстві, особистий внесок С.В. Плаксіна полягає в наступному:

-

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Основні положення і висновки дисертації доповідалися й обговорювалися на 28 міжнародних, всесоюзних і республіканських конференціях, симпозіумах і семінарах. В тому числі на VI Всесоюзній нараді по дослідженню арсеніду галію (Томськ, 1987); Всесоюзній науково-технічній конференції “Інтегральна електроніка НВЧ” (Красноярськ: Красноярський політехнічний інститут, 1988); VІІ Всесоюзному симпозіумі “Плазма і нестійкості в напівпровідниках” (Паланга, 1989. - Інститут фізики напівпровідників АН ЛитРСР, Вільнюс); ХІІ Всесоюзній науково-технічній конференції по твердотільній електроніці НВЧ (Київ: Київський політехнічний інститут, 1990); 17th International Conference on Magnetically Levitated Systems and Linear Drives MAGLEV’2002 (Lausanne, Switzerland, 2002); 14 – 16 кримських міжнародних конференціях “НВЧ техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, 2004 – 2006); VI International Conference “Modern problems radio engineering, telecommunications and computer science”, TCSET’2004 (Lviv-Slavsko, Ukraine); 5-ій і 6-ій Міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні інформаційні і електронні технології”, СІЕТ-2004, 2005 (Одеса, 2004, 2005); 5 International Kharkov Simposium “Physics and Engineering millimeter and submillimeter waves MSMW’2004” (Kharkov: IRE NASU, Ukraine, 2004); XXVІ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки” (Київ, НТУУ “КПІ”, 2006); Другому Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні, вимірювальні і управляючі системи", ІВУС-2005 (Самара, Російська Федерація, 2005); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції "Сенсорна електроніка і мікросистемні технології", СЕМСТ-2 (Одеса, 2006); XIII Санкт-петербурзькій міжнародній конференції з інтегрованих навігаційних систем (Санкт-Петербург, Росія, 2006); Міжнародній конференції “Актуальні проблеми радіоелектроніки-2006”, АПР-80 (Томськ, 2006).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 74 наукових роботах (основні 54 приведені в списку), а саме: в 2 монографіях, 1 навчальному посібнику, 37 статтях, опублікованих у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України (з них 9 статей – без співавторів), в 4-х патентах України і 1-му авторському свідоцтві СРСР; а також в матеріалах зарубіжних і вітчизняних зазначених вище конференцій та симпозіумів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків і додатків. Об'єм дисертації – 359 сторінок, вона містить 121 ілюстрацію, 4 таблиці, 2 додатка на 8 сторінках, список використаних джерел з 271 найменування на 29 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі відбиті актуальність обраної теми, її зв'язок з науковими програмами, а також обговорюється коло прикладних задач, на пошук ефективних рішень яких спрямовані дисертаційні дослідження. Сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, описані форми апробації основних результатів роботи.

У першому розділі „Аналіз сучасного стану розробок в галузі високошвидкісних інформаційно-керуючих систем для різних галузей промисловості” наведено огляд існуючих теоретичних підходів до проблеми синтезу конфліктостійких багатопозиційних мультисенсорних радіофізичних систем моніторингу та контролю високошвидкісних об’єктів і технологічних процесів. Виявлені спільні риси і невирішені проблеми, які стосуються багаторівневих систем керування розподіленими енергосистемами, діагностико-терапевтичними комплексами, космічними апаратами і т. п.

Показано, що одним з перспективних напрямків розв’язку проблеми синтезу методології побудови високопродуктивних ІКС є використання ефектів зміни кінетики електронних процесів в чутливих напівпровідникових елементах під впливом зовнішніх чинників, які призводять до зміни реактивних властивостей і величини негативного диференціального опору цих елементів. Тим самим забезпечується перетворювання різних фізичних величин в радіосигнал, що відкриває можливості як для виготовлення радіовимірювальних перетворювачів за мікроелектронною технологією, так і для передачі інформації від цих перетворювачів на необхідну відстань.

Розглянуто варіанти технічної реалізації ІКС для високошвидкісних технологічних процесів на прикладі систем керування високошвидкісним наземним транспортом з магнітною левітацією (МАГЛЕВ).

В другому розділі „Теоретичне дослідження розвитку електричної нестійкості в напівпровідниковій плазмі гарячих електронів в однорідних (без р-п переходів) структурах при керуючих впливах НВЧ полів” показано, що подальший розвиток чи якісний стрибок у теорії синтезу конфліктостійких здатних до реконфігурації ІКС має ґрунтуватися на поглибленому розумінні сутності електронних процесів у швидкодіючих напівпровідникових пристроях, чия багатофункціональність зумовлена формуванням НВЧ-струмових нестійкостей в умовах розігріву носіїв заряду.

Для визначення характеру нестійкості в середовищі з НДП використано дисперсійне рівняння: , яке пов'язує частоту з хвильовим вектором (тут – електричний заряд електрона, – концентрація електронів, – коефіцієнт дифузії електронів, – діелектрична проникність матеріалу, – електрична стала).

З цього дисперсійного рівняння виходить, що збудження просторового заряду і електричного поля зносяться з дрейфовою швидкістю і при цьому наростають або затухають в часі залежно від знака .

Визначаючи відповідно до критерію стійкості Найквіста положення точки відгалуження функції і кривої, відповідної хоча б одному з рішень досліджуваного дисперсійного рівняння, знаходимо, що система буде конвективно нестійкою при виконанні умови і абсолютно нестійкою при (тут – колова частота діелектричної релаксації).

Теоретично показано, що для розвитку електричної нестійкості, що приводить до формування доменів, необхідно, щоб, відповідно до критерію стійкості Найквіста, крива залежності імпедансу зовнішнього контуру від частоти , де , – активна і реактивна частини імпедансу відповідно, охоплювала початок координат (крива 1 на рис. 1).

Рис. 1. Якісні діаграми повного опору: 1 – режим генерації; 2 – режим стабілізації діода активним навантаженням; 3 – режим стабілізації діода реактивним опором

Проаналізовано електронні процеси, які супроводжують формування високочастотних нестійкостей у сумарному полі живлення Е0 і електромагнітної хвилі G1. Визначено умови, за яких цілеспрямований вплив НВЧ-полями на напівпровідникові структури, розміщені в спеціальних електродинамічних системах, дозволяє здійснити встановлення конвективної нестійкості у напівпровідниках з гарячими електронами.

Показано, що у разі контактів з обмеженою інжекцією електронів, які найбільш часто використовуються в реальних напівпровідникових НВЧ-пристроях, режим стійкої негативної провідності може бути реалізований при виконанні умов:

; і ,

де – площа поперечного перетину напівпровідника, – імпеданс зовнішнього навантаження, – диференціальна провідність, – довжина структури, . Причому перша умова визначається параметрами напівпровідникової структури з негативною диференційною провідністю, а друга умова – зовнішньою схемою.

Виведені вказані умови з моделі, яка описує суперпозицію постійного (гріючого) та НВЧ-полів (див. рис. 2), вплив на об’ємний заряд їх співвіднесених напруженостей, а також величини навантаження і повної провідності напівпровідникових структур. Цей аналіз проведено за допомогою кусочно-лінійної апроксимації вольтамперної характеристики напівпровідникової структури в умовах міждолинного перенесення електронів, яка на рис. 2 представлена залежністю дрейфової швидкості носіїв заряду від електричного поля .

Рис. 2. Кусочно-лінійна вольтамперна характеристика МЕП-структури

Показано, що МЕП-діод із стабілізованою доменною нестійкістю, може бути використаний як елемент з електрично змінним імпедансом, так що задача керування параметрами сигналу в ІКС, наприклад, отримання фазового зсуву, зведеться до електричного керування фазою коефіцієнта відбиття або пропускання хвилеводної структури зі встановленим в ній МЕП-діодом.

Для початкової фази зростання об'ємного заряду, коли , напруга на діоді (тут L – довжина діода, – відстань від катода, де знаходиться шар накопичення, – поле між катодом і шаром накопичення (однорідне); – поле між шаром накопичення і анодом).

. (1)

З рис. 2. видно, що фаза , коли ; фаза , коли . При .

Отже, коли ,

. (2)

Значення в (2) представляє нижню межу НВЧ поля на напівпровіднику, при якій накопичення об'ємного заряду стає величиною, контрольованою вхідним сигналом.

З аналізу густини струму в напівпровідниковій структурі за умов керуючого впливу зовнішнього НВЧ-сигналу одержано вирази для активної

, (3)

і реактивної (4)

провідностей, де: –

провідність напівпровідникової структури в слабкому полі,

- рухливість в слабкому полі.

Як випливає з виразів (3) і (4), і активна, і реактивна складові провідності залежать від рівня потужності НВЧ сигналу, оскільки , від взаємного розташування керуючої напруги і НВЧ-напруги на площині вольтамперної характеристики через параметри , і від параметра – максвеллівського часу релаксації об'ємного заряду, що є функцією постійної напруги .

Результати цього аналізу зручно представити графічно (рис. 3, 4) при наступних значеннях параметрів моделі: 1 = 6000 см2В-1с-1; 2 = 2000 см2В-1с-1; Е0 = 10 кВ/см; ЕТ = 3,25 кВ/см; n0 = 0,91015 см-3; fL = 7,7109 Гц.

Видно, що при величині НВЧ поля 1,2 кВ/см розрахункова зміна реактивної частини провідності складає величину порядку 300 % при п'ятикратній зміні керуючої напруги. При цьому адмітанс в напівпровідниковій структурі в широкому діапазоні керуючих напруг залишається негативним. Тобто, досягається прийнятний фазовий зсув при допустимих втратах вхідного сигналу.

Таким чином, цілеспрямована дія НВЧ-полями з регульованим співвідношенням величини постійного електричного поля, що живить напівпровідникову структуру, і напруженості НВЧ-поля резонатора дозволяє керувати типом нестійкості в напівпровідникових структурах. Від абсолютної нестійкості вдається перейти до конвективної нестійкості. Це дає можливість на однакових напівпровідникових структурах реалізувати генераторні пристрої, стабільні підсилювачі різного типу, а також перетворювальні, фазокоригуючі пристрої, електрокеровані атенюатори, тощо. Зазначена можливість є основою безконфліктної роботи швидкодіючих багатофункціональних інформаційно-керуючих систем.

Рис. 3. Залежність активної провідності від поля зміщення при різних значеннях напруженості електричної компоненти надвисокочастотного поля

Рис. 4. Залежність реактивної провідності від поля зміщення при різних значеннях напруженості електричної компоненти надвисокочастотного поля

У третьому розділі „Методологічні основи і принципи побудови НВЧ-датчиків (на прикладі системи моніторингу параметрів руху високошвидкісного екіпажа на магнітному підвісі)” досліджуються фізичні принципи побудови і апаратурна реалізація експериментальних зразків вимірювальних НВЧ-перетворювачів в радіосигнал магнітних і механічних величин (параметрів руху високошвидкісних об’єктів: місцезнаходження, швидкість, прискорення, малі зазори від направляючих площин). Розробка цих датчиків цілеспрямовано велася для побудови системи керування полігонною моделлю магнітолевітуючого екіпажа (див. рис. 5).

Зокрема, запропоновано концепцію побудови мікрохвильового датчика визначення координати магнітолевітуючого транспортного засобу (МТЗ) на електродинамічному підвішуванні для інформаційно-керуючої системи, що базується на радіохвильових принципах.

Рис. 5. Експериментальні екіпаж і полігон ІТСТ НАНУ “Трансмаг”

В основу цієї ІКС покладено застосування розміщеної уздовж активної шляхової структури магістральної маркерно-зв'язної комунікаційної лінії з групами вхідних отворів зв'язку. Збудження комунікаційної лінії здійснюється модульованими сигналами, що несуть інформацію про просторове положення МТЗ, які створюються високостабільним НВЧ-генератором, розміщеним на МТЗ. При конструюванні зазначеного генераторного модуля (рис. 6) запатентовано деякі його особливості (зокрема, вузол кріплення напівпровідникового діода), які використовуються для підвищення його завадостійкості.

Рис. 6. Загальний вигляд високостабільного генераторного модуля сантиметрового діапазону

З метою підвищення експлуатаційних характеристик таких генераторних модулів в широкому діапазоні температур розроблено реверсивну схему з однополярним живленням для їх активної термостабілізації з використанням в якості активного елемента термоелектричних мікроохолоджувачів. Її використання дозволяє досягти значення температурного коефіцієнта частоти близько 10-7 1/°C.

Експериментально вивчено вплив фазової відстані до площини навантаження на стабільність рівня вихідної потужності генератора (див. рис. 7).

Рис. 7. Залежність коефіцієнту амплітудної модуляції НВЧ сигналу від фазової відстані до площини навантаження при різних значеннях коефіцієнта стоячої хвилі

Розвинуто концепцію й побудовано конкретні конструкції напівпровідникових автогенераторних вимірників магнітних полів НВЧ діапазону на основі розробленого широкодіапазонного автогенератора з магнітною перестройкою, частота сигналу якого лінійно пов'язана з величиною магнітного поля (рис.8).

Рис. 8. Залежність частоти сигналу лабораторної моделі вимірника магнітних полів від струму електромагніта

В рамках цієї концепції проведено синтез радіовимірювального контуру, який містить генератор на МЕП-діоді і сферу із залізо-ітрієвого граната, що керує частотою його генерації, розміщену в схрещених витках. Проведено також розробку і лабораторні випробування вимірника магнітних полів на базі магнітокерованого напівпровідникового НВЧ автогенератора хвилеводної конструкції (рис. 9) при розміщенні магніточутливого елемента резонансного контуру (феритової пластинки) автогенератора в об'ємі хвилеводного призматичного резонатора.

Рис. 9. Залежності частоти f вихідного сигналу вимірника і потужності P інформаційного сигналу при торцевому (а) і боковому (б) розміщенні магнітокерованого елемента у призматичнім хвилеводнім резонаторі

Розроблено фізичні основи побудови датчика малих девіацій відстаней (зазорів) на базі використання явища затягування частоти напівпровідникового НВЧ-автогенератора, встановлюваного на корпусі рухомого транспортного засобу, розузгодженим НВЧ-навантаженням, в якості якого виступає в даному конкретному випадку шляхова структура.

Одержано аналітичний вираз, що пов'язує зміну частоти генерації, що є інформативною, при варіаціях положення навантаження: , де , – аргумент коефіцієнта відбиття, – зовнішня добротність резонатора.

Розвиток цього підходу дозволив реалізувати двоконтурний автогенераторний датчик малих переміщень в двох взаємно перпендикулярних площинах (рис.10) на основі напівпровідникових структур з міждолинним перенесенням електронів. В цьому випадку генераторний діод включено одночасно в два зв'язаних між собою контури (рис.11): НВЧ контур – об'ємний резонатор, настроєний на частоту, яка залежить від часу прольоту, і контур, що складається з розподілених індуктивності і ємності радіочастотного кабеля , а також опору навантаження , що включає в себе внутрішній опір джерела живлення і опір напівпровідникової структури в слабкому полі.

Рис. 10. Датчик малих змін вертикальних і горизонтальних зазорів

Рис. 11. Схема включення МЕП-діода у двоконтурній схемі ( – навантаження споживача, – блокувальна ємність)

Показано, що існує інтервал зміщуючих напруг U0, в якому середнє значення струму зменшується зі зростанням U0 через зміну частоти генерації. При подальшому зростанні напруги (вище UV на рис. 12) середнє значення струму почне збільшуватися внаслідок лавинних процесів у домені, і на усередненій ВАХ з'явиться ділянка з позитивним опором.

Верхнє значення напруги обмежується напругою лавиноутворення . Високовольтна напруга перемикається в низьковольтну через точку перетину ВАХ і лінії навантаження .

Рис. 12. Вольтамперна характеристика МЕП-діода з лініями навантажень U01 і U02 (а) і відповідна до неї динаміка низькочастотних коливань (б)

Рис. 13. Вплив регулювання високочастотного контуру на форму низькочастотних коливань

Поблизу цієї точки зарядний струм невеликий і змінюється мало, тому відбувається значна затримка в зміні напруги – "сходинка" з подальшим переходом на лінію навантаження (рис. 12 б), яка спостерігалася експериментально (рис. 13 а, б, в).

Послідовність осцилограм, представлена на рис. 13, відображає зміну форми ВЧ сигналу в міру збільшення відстані між вимірником і площиною, що відбиває, від “а” до “г”, тобто із зростанням хвильового опору контуру. Це дає можливість реалізувати безконтактне вимірювання малих переміщень за допомогою малогабаритних напівпровідникових генераторів надвисокочастотного діапазону, зміни параметрів яких (амплітуди і частоти) є функцією фазової відстані між МТЗ і шляховою структурою і виступають як інформаційні.

Такий двоконтурний датчик за наявності двох хвилеводних входів дозволяє за допомогою НВЧ-перемикача здійснювати почерговий контроль вертикального або горизонтального зазорів, при цьому частота "запиту" може регулюватися залежно від характеру руху транспортного засобу – початковий (розгін), стаціонарний або кінцевий (гальмування).

Розділ 4 „Експериментальна верифікація методу синтезу розподілених ІКС” присвячений задачі аналізу можливості побудови основних вузлів каналу зв’язку розподіленої інформаційно-керуючої системи на основі однотипної елементної бази з використанням різних режимів роботи діодів Ганна.

Для забезпечення нормального функціонування радіохвильової інформаційної системи при пересуванні МТЗ на великі відстані необхідні пристрої компенсації втрат електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону, що поширююються уподовж направленої лінії зв'язку. З цією метою розроблено два типи підсилювальних модулів. Перший з них – регенеративний підсилювач на МЕП-діоді, типова амплітудна характеристика якого при перевищенні деякого критичного значення вхідної потужності , показана на рис. 14. Вихідний сигнал підсилювача перевищує вхідний на 40-50 дБ, при цьому відмінність по частоті не перевищувала частки відсотка.

Рис. 14. Типова амплітудна характеристика підсилювача при рівності частоти вхідного сигналу і пролітної частоти

Відмінність в поведінці МЕП-діода при різних співвідношеннях власної (пролітної) частоти МЕП-діода і сигнальної частоти, спостережувана експериментально (див. рис. 15), вписується в модель про відмінність механізмів формування і динаміки доменів сильного електричного поля в режимі затримки і в режимі пригнічення доменів.

Рис. 15. Залежність максимального рознесення частот від відносної відмінності рівнів вхідного і вихідного сигналів (= 9 мВт)

Окрім вказаної галузі використання розглянутий пристрій може бути використаний як конвертор частоти в ретрансляційних лініях, де щоб уникнути збудження ретранслятора потрібно змінити частоту вхідного сигналу.

Другий тип підсилювального модуля – це підсилювач відбивного типу, де в якості активного елемента використані суперкритично леговані GaAs-структури з параметром (1-2)·1012 см-2, які, як було встановлено раніше, стабілізуються при подачі на них напруги зміщення, що у декілька разів перевищує порогову для міждолинного перенесення електронів в арсеніді галію, і мають стійку негативну провідність. Особливістю запропонованого пристрою є те, що в якості утримувача активного елемента і погоджуючого чотириполюсника використовується модифікований подвійний Т-міст, у якого симетричні розв'язані плечі згорнуті і сполучені між собою короткозамкнутою лінією. Стабілізований МЕП-діод розміщується в здвоєному фланці, розташованому між мостом і короткозамкнутою лінією.

Одержані експериментально частотна і амплітудна характеристики пристрою, представлені на рис. 16 і 17, вказують на перспективність використання стабілізованого МЕП-діода в розглянутій схемі широкосмугового відбивного підсилювача НВЧ-потужності.

Рис. 16. Частотна характеристика відбивного підсилювача

Рис. 17. Амплітудна характеристика відбивного підсилювача

Обґрунтовано можливість побудови фазових коректорів на напівпровідникових структурах вказаного типу, що працюють в номінальному, тобто генераційному режимі.

Представлено результати розробки і експериментального дослідження фазових коректорів на синхронізованому автогенераторі в режимі примусової синхронізації, побудованому по двоконтурній схемі.

Одержано експериментальну залежність фазового зсуву від частотної розстройки (рис. 18) при використанні електрично керованого автогенератора на серійних діодах Ганна (типу 3А728В).

Рис. 18. Залежність фазових зсувів від розстройки частоти

Представлено також результати теоретичного і експериментального дослідження фазового коректора прохідного типу, фазовий зсув якого ілюструється на рис. 19. Рис. 19. Залежність фазового зсуву від прикладеної до МЕП-діода напруги

Таким чином, розроблено достатній набір варіантів фазових коректорів як компонентів радіохвильової інформаційно-керуючої системи.

Представлено результати теоретичного аналізу і лабораторних випробувань адаптованого до специфічних вимог високошвидкісного наземного транспорту високочутливого НВЧ-приймача автодинного типу на МЕП-діодах, в якому значний коефіцієнт підсилення по потужності Kп (порядка 60 дБ, див. рис. 20) досягається за рахунок використання ефектів модуляції-демодуляції НВЧ-сигналу, при цьому амплітудно-частотна модуляція випромінювання МЕП-діода здійснюється сигналом проміжної частоти.

Рис. 20. Експериментальна залежність коефіцієнта підсилення від рівня вхідного сигналу при смузі посилення проміжної частоти 5 МГц

Продемонстрована висока ефективність перетворення НВЧ випромінювання високої потужності в постійний струм або струм промислової частоти за рахунок використання об'ємних напівпровідникових структур, що проявляють зовнішній негативний опір в сильних електричних полях.

Розділ 5 „Концепція побудови прецизійної радіонавігаційної ІКС на базі фазометричного методу” присвячений обґрунтуванню концепції побудови фазометричної радіонавігаційної системи для керування високошвидкісними об'єктами.

Визначені вимоги до стабільності частоти опорного і рухомого НВЧ-генератора, встановлюваного на платформі МТЗ. Встановлено, що в разі здійснення синхронізації генераторів за допомогою супутникової радіонавігаційної системи, вдається вводити в синхронізм генератори з результуючою нестабільністю частоти до 10-14. Досягнутий добовий стандартний набіг фази генераторів, що синхронізуються, складає 15-30 нс, унаслідок чого обумовлена несинхронізмом генераторів похибка визначення місцеположення магнітоплана на перегоні не перевищуватиме 5-10 см.

Показано, що система забезпечує високу точність визначення місцезнаходження високошвидкісного об'єкту (порядку 10-20 сантиметрів при швидкостях руху до 500 км/год), достатню для керування лінійним двигуном; дозволяє обробляти поступаючу від датчиків вимірювальну інформацію і видавати керуючі команди на виконавські (тягові) елементи в режимі реального часу. Запропонована концепція дозволяє в рамках єдиного комплексу вирішити також задачу безперебійного енергозабезпечення цих виконавських елементів з почерговим включенням тягових секцій в конкретно визначені короткі інтервали часу відповідно до принципів дії високошвидкісного наземного транспорту.

Оригінальною особливістю розробленої радіонавігаційної системи є її інтегрованість з системою керування лінійного двигуна, енергозабезпечення якого здійснюється екологічно чистою, автономною від регіональних мереж загального користування, розподіленою фотоелектричною енергосистемою.

У розділі 6 „Концепція побудови ІКС для корекції функціонального стану персоналу великих людино-машинних систем керування” обґрунтовується методологія створення додаткового контура підвищення надійності швидкодійних людино-машинних ІКС шляхом моніторингу і корекції функціонального стану персоналу, в зв’язку з тим, що людський фактор є невід’ємним і дуже важливим компонентом цих систем. Показано, що засоби, які дозволяють в автоматичному режимі здійснювати діагностику і корекцію функціонального стану персоналу, слід розглядати як невід'ємну складову частину ІКС. Вперше обґрунтовано метод активної біодіагностики, що дозволяє створювати терапевто-діагностичну КВЧ-апаратуру на основі використовування власних випромінювань біооб'єктів, стимульованих зовнішнім зондуючим сигналом.

Розроблено основні принципи апаратурної реалізації вказаного методу, які знайшли своє втілення в лабораторних випробуваннях експериментального зразка діагностичного пристрою (див. рис. 21).

Рис. 21. Передавальна характеристика вимірювального вузла діагностичного пристрою зі смугою по проміжній частоті 0,2 МГц

Розвитком цього методу стала методика створення ІКС для корекції функціонального стану персоналу на основі мікрохвильового диагностико-терапевтичного комплексу з біотехнічним зворотним зв'язком. В загальному вигляді контур керування при дії КВЧ електромагнітного поля на біооб'єкт показано на рис. 22.

Рис. 22. Контур керування КВЧ-дією на біооб'єкт

Згідно з цим підходом реалізовано пристрій для регуляції функціонального стану з широкодіапазонною механічною і електронною перестройкою частоти, керованої відповідно до об'єктивних реакцій організму людини на фізіотерапевтичний вплив. В якості об'єктивної відповідної реакції використано явище зміни в-ритму на б-Д-ритм, яка контролюється за допомогою стандартного електроенцефалографа, а також зміни частоти серцевих скорочень, які фіксувалися за допомогою електронно-оптичного плетизмографа.

Розроблено також і запатентовано багаточинний терапевтичний пристрій на основі когерентного джерела випромінювання міліметрового діапазону, який забезпечує біологічні ефекти на багатьох ієрархічних рівнях організму, що дозволяє підвищити ефективність способу терапії і виключити побічні ефекти. Досягається це за рахунок сумісної дії в одній терапевтичній процедурі синхронізованих з основним фізіологічним біоритмом електромагнітних, магнітних, електричних полів і біорезонансної механостимуляції. Оскільки вказана комплексна дія базується на активізації власних ресурсів організму, то її корегуючий вплив на персонал високошвидкісних систем керування є оптимальним. Введення до складу ІКС таких апаратних комплексів дозволяє підвищити ефективність і якість керування, а, отже, забезпечити стійкість і надійність швидкодіючих багаторівневих систем.

У закінченні наведені основні результати та висновки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У роботі вирішено проблему синтезу безінерційних конфліктостійких інформаційно-куруючих систем на новій методологічній основі, здатній враховувати специфіку великих високошвидкісних систем, побудованих на однорідній елементній базі і пройнятих внутрішньо несуперечливою логікою встановлених в основу фізичних принципів. В основі цієї методології лежить поєднання нелінійних властивостей напівпровідникових структур з міждолинним електронним перенесенням, обумовлених ефектами “гарячих електронів”, і керуючого впливу НВЧ-полів на формування і розвиток в цих структурах високочастотних струмових нестійкостей.

1. Обґрунтована нова методологія синтезу конфліктостійких ІКС, сутність якої полягає в модифікації електронних процесів в плазмі напівпровідників з міждолинним електронним перенесенням при керуючому впливі НВЧ-полів, що дозволяє реалізувати різні функційні можливості. Досягається це за рахунок спеціально сформованих зовнішніх керуючих дій у вигляді суперпозиції постійних і високочастотних електромагнітних полів, а також за рахунок спеціально сконструйованих електродинамічних систем, куди поміщаються активні керуючі елементи. Запропонований в роботі метод дозволяє керувати характеристиками пристроїв, при цьому в якості цих активних елементів можуть використовуватися і серійні напівпровідникові структури, освоєні вітчизняною електронною промисловістю як на рівні матеріалознавства, так і на рівні технології виготовлення приладів.

2. Вперше продемонстрована можливість побудови основних вимірювальних перетворювачів (датчиків) ІКС (із забезпеченням їх енергоміцності)