Введение

В этом небольшом разделе излагаются некоторые общие соображения о целесообразности, логичности, непротиворечивости и закономерности перехода в проектировании и конструировании СВЧ модулей РЭА на объемные интегральные схемы (ОИС). Предварительно рассматриваются основные тенденции развития современной радиоэлектроники, и на этом фоне определяется роль и место ОИС СВЧ в РЭА. Дается определение ОИС СВЧ. Вводится важное понятие о принципе конструкционного соответствия. Приводится классификация регулярных линий передачи, находящих использование в ОИС. Описывается гипотетическая схема РЭА СВЧ на ОИС.

§ В.1. Интегральные структуры ВЧ и перспективы миниатюризации РЭА

1. Основные тенденции развития современной радиоэлектроники.

Интегральные схемы в радиоэлектронике возникли в результате прогресса большого числа смежных наук (физики, химии, математики и др.) и явились своеобразной реакцией на неумолимые требования практики по сипжеишо массогабаритных параметров РЭА, повышению надежности и информационной емкости радиоканала. Интересно посмотреть на роль и место ИС в общем ходе исторического развития радиоэлектроники. К настоящему времени сформировались и могут быть, разумеется, в значительной степени условно выделены основные тенденции РЭ. Эта условность понимается авторами, как некоторая «расплывчатость» границ между отдельными тенденциями; на самом деле, они представляют некоторые главные результаты эволгоционного развития РЭ, во многих аспектах «перекрываются» друг с другом, дополняют друг друга, способствуя тем самым общему развитию идей и принципов радиоэлектроники. Ниже мы коротко перечислим эти основные тенденции.

Изучение и техническое освоение новых, все более коротковолновых диапазонов электромагнитных (а в последние годы также акустических и магнитостатических) волн. Большие успехи последних двух десятилетий — освоение коротковолновой части сантиметрового диапазона, а также миллиметровых, субмиллиметровых и оптических диапазонов — свидетельствуют о стабильности данного направления РЭ. Определенный интерес представляет также освоение диапазона сверхдлинных электромагнитых воли. Эти два направления

являют картпну диалектического единства развития как РЭ, так и науки в целом.

Укорочение длины волны связано, прежде всего, с необходимостью резкого увеличения скорости передачи информации (емкости канала связи). Известно, что скорость передачи информации пропорциональна полосе частот радиосигнала. Обычным требованием к радиоканалу является малость отношения полосы А со к некоторой средней частоте радиосигнала: Оно основано на обеспечении минимального влияния дисперсии канала связи на радиосигнал, увеличении разрешающей способности РЭА, ее избирательных свойств и др. Повышение разрешающей способности радиолокационных, радиоастрономических и т. п. систем определяется шириной диаграммы направленности антенны, которая пропорциональна отношению где длина волны, размер апертуры антенны. Таким образом, уменьшение длины рабочей волны ведет к повышению разрешающей способности РЭА.

Интересным примером использования коротких длин волн для передачи больших объемов информации являются волокоииоопти-ческие линии связи (см., например, В настоящее время эксплуатируются линии протяженностью в несколько сот километров (при длине переприемного участка в Потери составляют величину порядка нескольких децибел на километр. Кроме передачи радиосигналов на большие расстояния, волоконные световоды находят самое широкое применение в системах так называемой внутрпобъектной связи (производство, самолеты, корабли, медицинская аппаратура и т. п.), способствуя существенному увеличению пропускной способности канала связи, снижению массы и стоимости линий связи, экономии металла и многому другому. Не исключено, что линии световоднои связп найдут широкое применение в вычислительной техпике.

Другими приложениями РЭ коротких волн являются исследование свойств вещества, оцепки влияния электромагнитных излучений на ход химических и биологических реакций др.

Повышение уровня мощности излучения. Эта тенденция современной РЭ хорошо просматривается, хотя и не является очевидной и, может быть, необходимой. В самом деле, увеличение дальности радиотрасс в радиосвязи, радиолокации, навигации и т. п. действительно требует, на первый взгляд, непрерывного увеличения мощности радиопередающих устройств. Еще в большей степени представляется обоснованной необходимость увеличения мощности в промышленных аппаратах, предназначенных для высокочастотного (или СВЧ) нагрева, сушки, плавления, сварки, резки и т. д. В последнее время появляются сведения о грандиозных программах по космической энергетике, термоядерному синтезу и др. [8], в которых предполагается использовать чрезвычайно большие мощности СВЧ [9].

Вместе с тем известно, что если относительно малые уровни мощности СВЧ излучения не представляют опасности или даже

оказывают благотворное влияние на живые организмы (медицинская РЭА: «УВЧ-нагрев», лечение опухолей и др.), то большие уровни мощности излучения являются вредными. Естественно возникает вопрос: «правомерна» ли с самых общих позиций тенденция к увеличению СВЧ мощности? Очевидно, что однозначно ответить на этот вопрос пока затруднительно, ибо далеко еще не все аспекты проблемы нашли свое решение. Наряду с этим природа дает примеры чрезвычайно рационального использования малых и сверхмалых (по нашим сегодняшним представлениям) уровней мощности для передачи больших объемов информации. Даже те умеренные и вполне допустимые (по теперешним нормам) уровни СВЧ облучения, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, на много порядков превышают уровень мощности, на которых обмениваются информацией живые организмы. Вероятно, уже в не очень отдаленном будущем взаимодействие РЭ и бионики откроет путь человечеству для использования новых принципов и каналов передачи информации.

Установление фундаментальных пределов (ФП) радиоэлектроники. Как это ни покажется, может быть, странным, но, несмотря на то, что со дня открытия радио великим русским ученым А. С. Поповым прошло 90 лет, только в самые последние годы РЭ становится наукой в строгом смысле этого слова. Этому способствует установление ФП для большинства разделов РЭ. ФП определяют предельно достижимые (в некоторых случаях допустимые) параметры РЭА, каналов связи, распространения радиоволн, радиосигналов, управляющих (модулирующих) сигналов, теории кодирования и т. д. (см., например, [11]). Одним из наиболее ранних, по-видимому, примеров установления ФП является теория потенциальной помехоустойчивости, развитая В. А. Котельниковым [12].

Установление ФП знаменует переход к качественно новому уровню РЭ, позволяющему, наряду со всем прочим, составить отчетливое представление и попимание того, что может дать народному хозяйству современная РЭ, ее элементная база, теория информации, антенные устройства, учение об электромагнитной совместимости, оптическая связь и многое другое.

Важно отметить, что с общеметодологической точки зрения установление ФП радиоэлектроники, как, впрочем, и любой другой области знаний, требует самого широкого привлечения всего

комплекса знаний современной науки. При этом используются общие физические законы, не являющиеся прерогативой РЭ (например, законы сохранения, экономические, социальные, экологические и т.д.).

В этом плане объемные интегральные структуры (и, в частности, ОИС СВЧ) также устанавливают некие локальные ФП по минимально возможным объемам РЭА, ЦВМ, АВМ и т. д. Использование новых принципов обработки информации (например, устройств на акустических и (или) магиитостатических волнах) расширяет возможности РЭА, т. е. происходит «переоценка» локальных Так, например, переход к магнитостатическим колебаниям позволяет на несколько порядков уменьшить размеры базового элемента. Однако такой переход целесообразен, когда большинство базовых элементов РЭА смогут функционировать на этом принципе. В противном случае потребуется большое число преобразователей электромагнитных колебаний в магнитостатические и наоборот.

Переход к интегральной технологии. Прикладные аспекты РЭ, повышение надежности РЭА, ЦВМ, экономические, производственные и ряд других соображений выдвигают и обусловливают ряд требований к РЭ - минимальные габариты и масса, максимальная падежпость, предельно возможный k. (в самом широком смысле этого понятия), минимальные экономические затраты и т. д. Даже такое поверхностное перечисление показывает, что эти требования являются в принципе противоречивыми. По-видимому, наиболее рациональным (во всяком случае, в настоящее время) является переход к интегральной технологии производства РЭА.

При рассмотрении данного круга вопросов важно отметить, что переход к интегральной технологии и ИС явился не только отображением практических потребностей, по целиком и полностью соответствует диалектической концепции развития РЭ. В самом деле, первые радиоаппараты имели «естественный» плоскостной монтаж и были в основном устройствами стационарного типа. Но уже первые попытки размещения радиоустройств на движущихся объектах (конные экипажи, автомобили, пароходы и т. д.) потребовали решения задач экономии объема, уменьшения массы РЭА, источников питания и пр. Еще большие и жесткие требования на надежность, массогабаритные параметры РЭА выдвинула авиационная, а затем и ракетно-космическая техника. Аналогичные изменения, правда значительно позднее, претерпела и техника ЦВМ и АВМ. Действительно, проблемы повышения быстродействия и надежности ЦВМ привели к настоятельной необходимости избавиться от чрезмерно большого числа соединительных проводников. Примерно та же задача стоит и в самолетостроении: заменить кабели РЭА и систем управления, например, на волокопнооптические линии. Это дает заметную экономию массы, габаритов, а также повышает надежность (скажем, за счет резервирования) и т. д.

Усилия, направленные на реализацию минимальных массогабаритных параметров РЭА и ЦВМ, привели к созданию низкочастотных

(НЧ) микросхем (в основном на кремнии). Они позволили на несколько порядков увеличить быстродействие ЦВМ, их ресурсы, надежность и т. п. Создание нескольких поколений ЭВМ привело к существенным изменениям в системе учета, распределения, управления производством и обществом. Эти успехи в свою очередь стимулировали работы по улучшению и совершенствованию ЭВМ, привели к созданию их комплексов, в которых используются одновременно и ЦВМ и АВМ.

Диалектика развития ЭВМ проявляется еще в одном интересном плане. Дело в том, что скорости переключения современных элементов микросхем НЧ достигают порядка В самом недалеком будущем планируются скорости порядка оценки показывают, что это — не предел и возможны существенно большие скорости: и даже А это уже миллиметровый диапазон! И таким образом, мы снова возвращаемся к «бедам» ИС СВЧ: минимальные габариты БЭ ограничены величинами порядка длины волны. Необходимы новые идеи физического и конструктивно-технологического планов, которые позволили бы реализовать дальнейшее уменьшение габаритов и массы РЭА и ЭВМ.

В области идей физического плана сейчас интенсивно разрабатываются устройства на поверхностных акустических волнах (с предельными частотами порядка 1 ГГц) и устройства на магнитостатических волнах (частоты свыше 1 ГГц). В § 1.6 мы очень коротко коснемся структур с магнитостатическимн волнами (колебаниями).

В плане конструктивном была выдвинута и интенсивно развивается идея технической реализации ОИС СВЧ. Первоначальным итогам этих исследований посвящена наша книга.

Автоматизированное - проектирование (АП) РЭА. Переход к нп-тегральной технологии и ИС НЧ и СВЧ потребовал прежде всего разработки и реализации новых принципов проектирования РЭА. На первый план выдвинулась необходимость самого широкого использования ЭВМ и, главное, гибридных комплексов ЭВМ: ЦВМ и АВМ. Оказалось, что только мощные гибридные комплексы в состоянии решать современные задачи проектирования ИС. Так родилась и теперь бурно развивается область научно-технического прогресса — автоматизированное проектирование РЭА. Нужно отметить, что автоматизированное (или машинное, как его иногда называют) проектирование в последние годы широко применяется и в других областях науки и техники. Обстоятельные исследования проводятся в области автоматизации физического эксперимента, отдельные стороны которого иногда поддаются формализации и могут проводиться по наперед заданной программе. Устраивая обратную связь, можно автоматически проводить измерения и достаточно оперативно влиять на ход эксперимента. Аналогичными устройствами снабжаются и РЭА различного назначения. Например, подбор оптимального режима электронных приборов большой мощности, их перестройка по диапазону при наиболее выгодных энергетических

показателях и многое другое осуществляются автоматизированными системами контроля и управления.

Переход к автоматизированному проектированию РЭА потребовал пересмотра и создания адекватных моделей БЭ, из которых компонуется данный РЭА. При этом на первый план выдвигается требование адекватности модели реальному БЭ. Если раньше удовлетворительной считалась погрешность 10—20% (и даже хуже), что в значительной степени определялось возможностью механической подстройки некоторых элементов РЭА и подгонки их под необходимые параметры, то ИС (и тем более ОИС) по существу не позволяют этого делать (за исключением, может быть, некоторых активных элементов, расположенных, как правило, на выносной панелп). В силу сказанного обстоятельства резко повышаются требования к точности моделп БЭ, которая возросла на 1—2 порядка. Последнее обусловливает переход к моделям на электродинамическом уровне строгости. В особенности это сказывается на БЭ, предназначенных для РЭА в высокочастотной частп сантиметрового диапазона более коротковолновых участках электромагнитного спектра. Из потребностей практики появилось новое научное направление — электродипампческие осповы автоматизированного проектирования ИС и ОИС [1, 2]. В свою очередь для эффективного решения задач автоматизированного проектирования ОИС СВЧ требуют парка ЦЭВМ и АЭВМ с существенно большими ресурсами, создания новых вычислительных методов и алгоритмов гибридных (ЦЭВЛ + АЭВМ) вычислительных комплексов.

В этом процессе наглядно проявляется диалектическое единство метода объекта исследования: для более точного описания модели необходимо использование эффективных вычислительных алгоритмов, а их создание в свою очередь требует глубокого знания физической стороны дела. На основе четкой физической картины явления можно построить более эффективный вычислительный алгоритм.

Переход к системам цифровой обработки информации. Техническая база современной радиоэлектроники позволяет в принципе спроектировать и построить РЭА с любыми паперед заданными характеристиками (не выходящими, разумеется, за рамки фундаментальных пределов радиоэлектроники). Однако при этом зачастую не удается удовлетворить многим требованиям по массогабаритным параметрам, технологическим, конструктивным и экономическим показателям и многое другое. Обычно создание уникальной РЭА требует применения прецизионной и дорогой элементной базы, разработки новых технологических и конструктивных припципов, что экономически далеко не всегда оправдано. Это обстоятельство представляется тем более важным, что в современной теории системного подхода к автоматизированному проектированию доказано, что «система, состоящая из оптимальных частей, в целом не оптимальпа» [13]. Поэтому возник интерес к проблеме получения качественно новых характеристик РЭА с применением «старой» элементной базы. Выход был найден в переходе к радиосистемам с цифровой

обработкой информации, когда РЭА оперирует не с аналоговым (непрерывным) управляющим сигналом, а с его «изображением» в виде некоторых импульсов. При этом возможно кодирование исходного сигнала по уровню, длительности импульса или комбинированное кодирование (по уровню и длительности). Большинство РЭА в настоящее время функционирует по аналоговому принципу. Однако по оценкам зарубежных экспертов в ближайшие 5—10 лет ожидается перевод примерно 90% РЭА на цифровой принцип обработки информации. Очевидно, что будущее за органичным сочетанием аналоговых и дискретных подходов к обработке все возрастающих объемов информации.

Особое значение придается поиску и применению радиосигналов с наперед заданными законом дискретпой пространственно-временной модуляции и адекватных способов их пространственно-временной обработки с применением гибридных комплексов ЦЭВМ и АЭВМ. Одним из эффективных способов оптимального описания дискретных управляющих сигпалов является использование -функций и алгебры логики. В ближайшем будущем на этом пути можно ожидать интересных результатов в теории цифровой обработки сигналов, распознавании образов и др.

Проникновение идей и методов радиоэлектроники в самые разнообразные отрасли человеческой жизни и деятельности. В наше время трудно представить себе какую-нибудь область науки или техники, в которых с непременным успехом не использовались бы идеи и методы РЭ. Наиболее заметпые открытия последних десятилетий в астрономии, химии, биологии, медицине и многих других отраслях связаны с применением радиоэлектроники. В свою очередь потребности развития этих наук ставят перед РЭ новые задачи и проблемы, способствуя тем самым дальнейшему прогрессу РЭ.

Рассмотренные основные тенденции современной радиоэлектроники отражают взгляд авторов, и, возможно, изложенный материал может быть дополнен и расширен. Нам хотелось показать роль и место ОИС СВЧ в общих проблемах современной радиоэлектроники — пауке больших возможностей и перспектив.