Введение. 
Основы теории одномерной нелинейной электрической и электронной волновой цепи

В настоящее время перспективным направлением теории и техники СВЧ является разработка радиоэлектронной и электронновычислительной аппаратуры (РЭА и ЭВА) гигаи терагерцсвого (ГГц и ТГц) диапазонов без кардинального изменения открытой «электрически негсрмстичной» конструкции. Она является несущей платформой конформной электрической структуры, т. е. соответствующей исходному внешнему облику модернизируемого технического объекта в общем электромагнитном (ЭМ) поле, конфигурация и геометрические размеры которой задаются его основным назначением [1, 2]. Чувствительными элементами подобных изделий служат дискретные электронные приборы (ЭП), на объемные и подвижные заряды которых действует сила Лоренца. Если составляющие этой силы совершают работу, то ЭМ-полю когерентно отдается или отбирается от него некоторая доля колебательной энергии. Заметить эти процессы — значит обнаружить существование поля (особой формы материи) в данной области пространства [31. Возможность использовать ЭП для сверхбыстрого регулирования тока и преобразования СВЧ-мощности определяется малой массой, а следовательно, и незначительной инерцией электронов, которая позволяет производить всегда почти синхронное следование их количества за изменением потенциала электродов. Поэтому можно говорить об одном или сразу нескольких ЭП, «сильно» влияющих друг на друга, как о пробных телах или датчиках, служащих источниками сигнала и «полезной» нагрузкой при индикации строения изучаемой электроэнергетической сети постоянного и переменного тока.

Тематика этих работ обусловлена планами Российского фонда перспективных исследований (ФПИ) и Агентства передовых оборонных исследовательских проектов DARPA США (Defense Advanced Research Projects Agency), в частности по созданию суперкомпьютеров, обладающих минимальным энергопотреблением и устойчивостью к несанкционированному внешнему воздействию. С другой стороны, техническим заданием программы «Защитник будущего» по адаптивной маскировке человека и техники воздушного и космического, морского и наземного базирования в соответствии с окружающим фоном. В таком случае устраняется возможность обнаружения, наведения и сопровождения целей радиолокационными станциями (РЛС) или, наоборот, повышается эффективность применения спасательного и навигационного оборудования [4 — 7]. Кроме того, требованиями проекта «More than Moore — За пределами закона Мура», направленного на увеличение КПД микропроцессоров при тактовых частотах свыше ЗГГц. При этом «неделимую» совокупность сверхбыстродействующих транзисторов сверхскоростной интегральной схемы (ИС) необходимо рассматривать как макромодель искусственной неоднородной среды и электропрочного композиционного материала, разветвленной нелинейной электрической и многоконтурной электронной волновой цепи (ЭВЦ) [8 — 13]. Напомним, что однородной называют среду, которая во всех элементах объема обладает одинаковыми физическими свойствами [14]. В качестве дополнительной иллюстрации следует упомянуть конформные дифракционные активные фазированные антенные решетки (АФАР) с регенерацией и рекуперацией зондирующего ГГц и ТГц сигнала, устройства суммирования и вычитания отдаваемой и потребляемой мощности СВЧ переизлучающих твердотельных модулей, работающих на свободное пространство. Особенность их внутреннего устройства проявляется в целостности, системном и когерентном характере вариации зарядов и потенциала в разных точках ЭМ-поля, дополненных учетом времени пролета электронов, распространения волн тока и напряжения по проводящим линиям, питающим ЭП, и диэлектрику между ними. Это означает, что любой единичный объем, или конструктивная единица, либо блок вышеупомянутой аппаратуры функционирует не независимо от других ее фрагментов. В свою очередь циркуляция конвекционных и наведенных токов в совокупности ЭП СВЧ сопровождается возбуждением единого множества сигналов, композицией прямых и обратных воздействий, явлением нелинейной интерференции ЭМ-волн в соединениях между ними. Ее электрическая структура находится в самом непосредственном отношении с возможностями коллективной организации всех дискретных диодов, транзисторов и т. п. В ходе перераспределения объемной плотности колебательной энергии поля технического объекта, кондуктивная и беспроводная связь между электронными компонентами мгновенно варьируется нс произвольным, а заданным образом. Такие свойства изучаемой интеграции микроволновых ЭП приводят к тому, что даже существенное возмущение ЭМ-поля может не оказать сколько-нибудь заметного влияния на ее устойчивое электрическое равновесие. Правда, также существует вероятность того, что незначительное обстоятельство или причина флюктуации постоянного тока питания определит конечный результат инерционных и нелинейных процессов в нем. Многочисленные ЭП и проводники «неразъемно-связаны» между собой ЭМ — полем не только прямо, но и опосредованно, через многослойную конструкцию объекта в целом. Совместное действие электрических сил, движущих носители тока, либо другого фактора в каждом из них определяется общим энергетическим состоянием волноведущей структуры и ее суммарными динамическими параметрами. В этом случае концепция адекватного математического моделирования сверхбыстрых процессов основывается на методологии составления суммарно-разностных инвариантов, применяемых на разных этапах расчета инерционных и нелинейных, дифракционных и интерференционных явлений в каждом блоке и всей гигаи терагерцевой РЭА и ЭВА. Графические и аналитические операторы должны корректно отражать амплитудно-зависимое токорасиределение в каналах связи при сохранении номинального электрического и теплового режима отдельных взаимодействующих ЭП, имеющих два, три или большее число электродов.

Приоритетной целью теоретического исследования считается усовершенствование уже существующей микроволновой электронной компонентной базы, производимой по доступным технологиям в России, за счет модернизации методологии проектирования деталей и узлов РЭА и ЭВА. Она охватывает различные классы вакуумных и полупроводниковых приборов с электростатическим управлением, осуществляющих регистрацию и усиление, поглощение и рассеяние колебательной мощности, в том числе интеграцию микроламп СВЧ без герметично закрытого стеклянного, керамического или металлического баллона, обеспечивающую беспроводное управление различными роботами в условиях космоса. Такой сенсор неуязвим для радиации и излучения РЛС, поражающего действия ЭМ-импульса, возникающего при ядерном взрыве, устойчив к электрическим перенапряжениям и пробоям, обусловленным наведением токов. Кроме того, в вышеупомянутом исполнении устройство СВЧ, коррелированно генерирующее и преобразующее электрическую энергию постоянного и переменного тока, допустимо располагать не внутри, а за бортом в безвоздушном пространстве (т.е. в обшивке несущей платформы или на внешней стороне ее корпуса). При этом появляются новые функциональные возможности конформной РЭА и ЭВА, увеличивается полезный объем летальных аппаратов и улучшаются условия обитания экипажа. Одновременно применение ЭП, не имеющих вакуум-плотной оболочки, приводит к уменьшению габаритов и массы деталей и узлов конструкции пилотируемых кораблей и межпланетных станций. В то же время, например, при синтезе аналоговых и цифровых ламповых или транзисторных бескорпусных микросхем не только устраняется ряд трудоемких операций и удешевляется их производство, но оптимизируется процесс совместной настройки («согласования») активной и пассивной частей подобного изделия электронной техники, что особенно важно в СВЧ-диапазоне. Подобные научноисследовательские и опытно-конструкторские разработки соответствуют тематике ФПИ по технологии создания элементов микроэлектроники на основе вакуумной наноэлектроники для систем обработки и передачи информации в реальном масштабе времени, способных к устойчивому функционированию в экстремальных режимах охлаждения без естественной конвекции.