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 амплитудным представлением информации.

Быстродействие и мощность ЭВМ определяются временем переключения и плотностью компановки ее элементов, надежность работы которых повышается с увеличением их температурной и радиационной стойкости. Известно, что вакуумные приборы СВЧ, в отличие от полупроводниковых, обладают существенно большей стойкостью к высоким температурам 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.

Недостатком таких устройств является 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 по частотам режим генерации, в результате чего оно способно выполнять функцию запоминания частоты внешнего сигнала. Средняя рабочая частота может быть доведена до единиц терагец, а быстродействие до нескольких пикосекунд. Недостатком устройства является ограниченность его функциональных возможностей операцией запоминания частоты.

Наиболее близким к предлагаемому устройству являются амплитудные радиоимпульсные устройства на основе эффекта насыщения в ЛБВ с поглотителем [4] . Подобные устройства помимо ЛБВ содержат также делители, сумматоры, фильтры и линии передачи СВЧ-энергии. Их принцип действия связан с управлением коэффициентом усиления полезного сигнала в ЛБВ при помощи подачи на ее вход дополнительного управляющего сигнала смещенной частоты. При достаточном уровне управляющего сигнала происходит резкое падение амплитуды полезного сигнала на выходе ЛБВ, а управляющий сигнал подавляется при помощи частотного фильтра. Таким образом работает простейшее устройство - клапан, а более сложные устройства, в том числе и И-ИЛИ, строятся как комбинации простейших. Их рабочая частота может быть доведена до величины порядка 100 ГГц, а быстродействие составит порядка десятых долей наносекунды. Недостатком подобных устройств является относительно низкое быстродействие, обусловленное ограниченной рабочей частотой и большой задержкой сигнала в замедляющей системе.

Целью данного изобретения является увеличение быстродействия реализации логических функций И, ИЛИ при амплитудном радиоимпульсном представлении информации.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем три двухсекционные ЛОВ, в котором выход вторых секций первой и третьей ламп соединены через сумматор со входом первой секции второй, первый и второй входы устройства подключены к входам первых секций первой и третьей ламп соответственно, выход устройства соединен с выходом второй лампы, причем первые секции первой и третьей ламп и вторая секция второй лампы имеют одно значение рабочей частоты, вторые секции первой и третьей ламп и первая второй - другое, некратное первому, что обеспечивается выбором размеров и потенциалов секций.

Признаки, сходные с указанными в отличительной части признаками, отличающими данное изобретение от прототипа, в известной авторам патентной и научно-технической литературе не указаны, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлена схема устройства, включающая три двухкаскадные ЛОВ, каждая из которых содержит электронную пушку 1, коллектор 2 и две секции замедляющих систем: 11-12, 21-22, 31-32, соответственно. На каждой секции указана также ее рабочая частота, сумматор 3 и линии передачи СВЧ-энергии 4 соединяют элементы схемы.

На фиг. 2 изображены результаты расчета переходных процессов. А_вх1., А_вх2 - амплитуды входных сигналов, А_вых - выходного. Отношение частот f₁/f₂ = 2/3, отношение рабочего тока к стартовому 0,5 для первых и 1,5 для вторых секций. Безразмерное время τ нормировано на время пролета электронами секции 12.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питающих токов и напряжений на электронные пушки 1 коллекторы 2 и секции замедляющих систем 11-32 возбуждаются собственные колебания частоты f₂ в секциях 12 и 32. Сигнал частоты f₂, попадая через линии передачи СВЧ-энергии 4 и сумматор 3 на вход секции 21, модулирует электронный пучок и препятствует возбуждению собственных колебаний в секции 22. Выходной сигнал отсутствует.

Подача сигнала частоты f₁ на оба входа вызывает модуляцию пучка в секциях 11 и 31, в результате чего колебания частоты f₂ в секциях 12 и 32 срываются. Так как модуляция пучка в секции 21 прекращается, происходит возбуждение колебаний частоты f₁, в секции 22, с выхода которой сигнал подается на выход устройства.

Подача сигнала частоты f₁ лишь на один вход устройства не обеспечивает полного подавления колебаний частоты f₂, поэтому возбуждения колебаний частоты f₁ в секции 22 не происходит и сигнал на выходе устройства отсутствует.

В кодировке: 1 - наличие сигнала частоты f₁, 0 - отсутствие. Устройство, таким образом, выполняет логическую функцию И (см. таблицу). При изменении кодировки на противоположную, устройство выполняет функцию ИЛИ
Переходные процессы в устройстве, рассчитанные с помощью численного решения нестационарных уравнений ЛОВ, представлены на фиг. 2. Расчеты проводились в предположении наличия на входе генераторных секций 12, 22, 32 малого сигнала на частоте собственных колебаний, синхронизирующего и стимулирующего их развитие. Такое предложение модулирует вполне реальную ситуацию, обусловленную наличием паразитных связей внутри схем, в составе которых может работать устройство. По данной причине на выходе устройства имеется паразитный сигнал, малый по сравнению с полезным. Достижимое время переключения устройства составит сотни периодов СВЧ-колебаний или десятки пикосекунд при средней рабочей частоте порядка нескольких терагенц, что обеспечивает быстродействие на порядок выше, чем у прототипа. (56) 1. The First International Vacuum Nicroelectronics Conference Technical Program - Milliamsburg; Virginia, USA, June 13-15, 1988, р. 105.

2. Авторское свидетельство СССР N 477461, кл. G 11 C 11/26, 1973.

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 522992, кл. Н 01 J 25/34, 1987.

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.

Использование: устройство может быть использовано в специализированных системах обработки СВЧ - сигнала, а также для создания элементов ЭВМ с амплитудным представлением информации. Сущность изобретения: устройство содержит три двухсекционные лампы обратной волны, каждая из которых состоит из электронной пушки, одного коллектора и двух секций замедляющей системы соответственно для каждой лампы, одного сумматора и двух линий передачи СВЧ - энергии. 2 ил.

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