СВЧ-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1994 года по МПК H03K19/06 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных системах обработки СВЧ-сигнала, а также для создания элементов ЭВМ с частотным представлением информации.

Быстродействие и мощность ЭВМ определяются временем переключения и плотностью компоновки ее элементов, надежность работы которых повышается с увеличением их температурной и радиационной стойкости.

Известно, что вакуумные приборы СВЧ в отличие от полупроводниковых обладают существенно большой стойкостью к высоким температурным и ионизирующим излучениям. Поскольку в настоящее время размеры микромощных вакуумных приборов СВЧ принципиально могут быть доведены до размеров их полупроводниковых аналогов, при сравнимых временах переключения указанные преимущества в ряде случаев могут иметь решающее значение [1] .

Известны амплитудные радиоимпульсные СВЧ логические устройства на основе минитронов (миниатюрный отражательный клистрон) [2, 3] . Их быстродействие порядка 1 нс.

Недостатками таких устройств являются необходимость использования видеоимпульсов и ограниченное быстродействие, обусловленное относительно малой рабочей частотой (не выше 30 ГГц).

Известен частотный радиоимпульсный триггер [5] , содержащий две двухсекционные лампы обратной волны, делитель, сумматор и линии передачи СВЧ-энергии. Благодаря эффекту подавления генерации вторых секций при предварительной модуляции электронного пучка в первых в устройстве реализуется бистабильный режим генерации по частотам, в результате чего оно способно выполнять функцию запоминания частоты внешнего сигнала. Средняя рабочая частота может быть доведена до единиц террагерц, а быстродействие - до нескольких пикосекунд.

Недостатком устройства является ограниченность его функциональных возможностей операцией запоминания частоты.

Наиболее близким к предлагаемому устройству являются логические устройства на основе эффекта насыщения в лампе бегущей волны (ЛБВ) с поглощением [4] , способные в совокупности выполнять полный набор логических функций, в том числе И, ИЛИ. Эти устройства содержат также фильтры, сумматоры, делители и волноводные линии передачи СВЧ-энергии. Принцип их действия основан на управлении коэффициентом усиления несущего информационного сигнала при помощи подачи на вход ЛБВ дополнительного сигнала смещенной частоты. Информационный сигнал отсеивается от управляющего при помощи дополнительного фильтра. Предлагается также наличие дополнительных генераторов информационного и управляющего сигналов, поскольку предложенные элементы не являются автоколебательными системами, их рабочая частота может быть доведена до величины порядка 100 ГГц, а быстродействие составит порядка десятых долей наносекунды.

Недостатками подобных устройств являются ограниченная рабочая частота ЛБВ и связанное с этим относительно малое быстродействие.

Целью изобретения является увеличение быстродействия при реализации логических функций И, ИЛИ в частотном представлении информации.

Цель достигается тем, что вместо ЛБВ в известных устройствах [4] в предлагаемом использованы три двухсекционные лампы обратной волны (ЛОВ), а также три сумматора или линии передачи СВЧ-энергии. Причем выходы вторых секций первой и третьей ламп соединены через первый сумматор с входом первой секции второй, первый и второй входы устройства подключены к входам первых секций первой и третьей ламп соответственно, выход устройства соединен через второй сумматор с выходами первой и второй секций второй лампы, в котором первые секции первой и третьей ламп и вторая секция второй лампы имеют одно значение рабочей частоты, вторые секции первой и третьей ламп и первая секция второй - другое.

Признаки, сходные с заявляемыми, в известной литературе не встречаются, что позволяет сделать вывод о существенности отличий.

На фиг. 1 изображена схема устройства, включающая три двухсекционные ЛОВ, состоящие из электронной пушки 1, коллектора 2 и замедляющих систем, на секциях которых их порядковые номера 1,1-1,3 2.1-2.3 и рабочие частоты, сумматоры 3, 4, лежащие вне электронных потоков, и отрезки линий передачи СВЧ-энергии, соединяющие элементы схемы. Фокусирующие системы ЛОВ и источники питания опущены.

Фиг. 2 представляет результаты расчета переходных процессов в устройстве. А_вх.1. А_вх2 - амплитуды сигналов на входах: "-" - частоты, f₂, "-" - частоты f₁: А_вых - амплитуда колебаний на выходе. Отношение рабочего потока к стартовому 0,5 для первых и 1,5 для вторых секций ЛОВ. Отношение частот f₂/f₁ = 2/3. Безразмерное время τ нормировано на время пролета электронами второй секции первой ЛОВ.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питающих токов и напряжений на электронные пушки 1, коллекторы 2 и секции замедляющих систем 1.1-1.3, 2.1-2.3 в секциях 2.1 и 2.3 возбуждаются колебания частоты f₂, подаваемые на выход устройства через секцию 1.2 сумматоры и линии передачи СВЧ-энергии. Генерация колебаний частоты f₁ в секции 2.2 подавлена за счет предварительной модуляции пучка в секции 1.2 на частоте f₂. Подача сигнала частоты f₁ на оба входа устройства срывает колебания частоты f₂ в секциях 2.1, 2.3, что приводит к возбуждению собственных колебаний частоты f₁ в секции 2.2, которые подаются на выход устройства. После снятия входных сигналов устройство возвращается к прежнему состоянию генерации частоты f₂. Подача сигналов частоты f₂ на входы устройства не изменяет его состояния, поскольку секции 1.1 и 2.1 избирательно реагируют лишь на частоту f₁. При подаче на один вход сигнала частоты f₁, а на другой сигнала частоты f₂ происходит срыв колебаний частоты f₂ лишь в одной из секций 2.1 и 2.3. Амплитуда колебаний частоты f₂ на выходе устройства лишь несколько уменьшается, а собственные колебания частоты f₁ остаются подавленными.

Результаты теоретических расчетов переходных процессов представлены на фиг. 2. Расчеты проводились в предположении наличия на входе вторых секций ЛОВ малого сигнала на частотах собственной генерации, синхронизирующего собственные колебания и стимулирующего их развитие. Такое предложение моделирует вполне реальную ситуацию, обусловленную наличием паразитных связей внутри схем, в которых может работать устройство. По данной причине на выходе устройства всегда имеется паразитный сигнал, малый по сравнению с полезным. Если влияние паразитных связей принебрежимо мало, а специальная подача синхронизирующего сигнала не предусмотрена, то самовозбуждение происходит от уровня шумов электронного потока. Время переходных процессов в этом случае может увеличиться в несколько раз. Время переключения по данным расчета может быть доведено до сотен периодов СВЧ-колебаний или десятков пикосекунд при средней частоте порядка единиц террагерц, а быстродействие на порядок превосходит быстродействие устройств на ЛБВ.

Конкретная функция, выполняемая устройством, зависит от принятой кодировки, скажем 0-f₁, 1-f₂. При сохранении кодировки функция устройства меняется изменением рабочих частот секций f₁ на f₂ и f₂ на f₁, что может быть достигнуто изменением их потенциалов. Согласно табл. 1 устройство изображенное на фиг. 1 выполняет функцию ИЛИ при кодировке 0-f₁, 1-f₂.

При замене рабочих частот секций f₁ на f₂, f₂ на f₁ (см. фиг. 1) устройство выполняет функцию И, что иллюстрируется табл. 2. (56) 1. The first Internastional Vacuum Microelectronics Conference Technical Program - Williamsburg. : Virginia, USA, June 13-15, 1988, р. 105.

2. Авторское свидетельство СССР N 477461, кл. G 11 C 11/26, 16.05.73.

3. Баранцева О. Д. , Топалова А. Н. Быстродействующие логические элементы для современных ЭЦВМ: Обзоры по электронной технике. М. : ЦНИИ Электроника, 1978. с. 63 (Сер. 1 Электроника СВЧ, вып. 8(535)).

4. Авторское свидетельство СССР N 1522992, кл. Н 01 J 25/34, 08.12.87.

5. Володин Е. Б. Использование ламп с бегущей волной и волноводной техники для построения быстродействующих цифровых элементов. Цифровая техника и вычислительные устройства. Сб. 3 АН СССР. М. , 1962.

Логическое устройство относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специальных системах обработки СВЧ - сигнала. Устройство содержит три двухсекционные лампы обратной волны и два сумматора. Они соединены так, что выходы вторых секций первой и третьей ламп соединены через первый сумматор с входом первой секции второй, первый и второй входы устройства подключены к входам первых секций первой и третьей ламп соответственно, выход устройства соединен через второй сумматор с выходами первой и второй секций второй лампы, а первый секции первой и третьей ламп и вторая секция второй лампы имеют одно значение рабочей частоты, вторые секции первой и третьей ламп и первая секция второй - другое. 2 табл. , 2 ил.

СВЧ-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее СВЧ-электронные лампы, сумматоры и линии передачи СВЧ-энергии, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия реализации логических функций И, ИЛИ при частотном представлении информации, оно содержит три двухсекционные лампы обратной волны и два сумматора, причем первые секции ламп имеют длину меньше стартовой, вторые - больше, их геометрические размеры и потенциалы обеспечивают различие и некратность рабочих частот секций каждой лампы, входы вторых секций первой и третьей ламп соединены через первый сумматор с входом первой секции второй, первый и второй входы устройства подключены к входам первых секций первой и третьей ламп соответственно, выход устройства соединен через второй сумматор с выходом первой и второй секций второй лампы, в котором первые секции первой и третьей ламп и вторая секция второй лампы имеют одно значение рабочей частоты, вторые секции первой и третьей ламп и первая секция второй - другое.