Министерство образования и науки Российской федерации

Томский государственный университет систем

управления и радиоэлектроники

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по УР

Л.А.Боков «»_2010г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

По дисциплине «Микроволновые приборы и устройства »

для специальности 210105 (200300) – «Электронные приборы и устройства»

Учебный план набора 2006г. и последующих лет Факультет – электронной техники (ФЭТ) Профилирующая кафедра : Электронные приборы (ЭП) Обеспечивающая кафедра: Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР) Курс Семестр Распределение времени:

Лекции - 48 часов (ауд) Лабораторные занятия – 16 часов (ауд) Всего аудиторных занятий – 64 часов Самостоятельная работа – 76 часов Общая трудоемкость 140 час Экзамен – 8 семестр

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. Рабочая программа составлена с учетом требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 200300 по специальности 210105 – «Электронные приборы и устройства», утвержденного 10.03.2001г. (рег. № 23 тех/дс).

2.Рабочая программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры СВЧ и КР, протокол № 1 от 30 августа 2010 г.

3. Разработчик, доц. каф. СВЧиКР Ж.М.Соколова Зав. обеспечивающей.каф. СВЧиКР, С.Н.Шарангович 4. Рабочая программа согласована с факультетом, профилирующей и выпускающей кафедрой специальности, соответствует действующему плану занятий Декан ФЭТ, доцент В.М.Герасимов Зав. каф. Электронные приборы, Профессор С.М. Шандаров Срок действия программы по 31. 12. 2013г.

1.Общие сведения о дисциплине «Микроволновые приборы и устройства»

1.1 Цели и задачи дисциплины.

Целью преподавания дисциплины « Микроволновые приборы и устройства» дать четкие представления о физических процессах, протекающих в различных микроволновых приборах и устройствах, о методах теоретического анализа процессов, о конструктивных особенностях приборов и устройств, о способах получения оптимальных параметров и характеристик, о возможностях использования приборов одного типа в разных режимах.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

изучение студентами - влияния пролетных явлений носителей заряда на быстродействие и конструкции приборов;

- возможности применения теории эквивалентных схем для анализа микроволновых приборов и устройств - методов модуляции плотности тока и условий отбора энергии от электронных потоков дискретными и широкополосными электродинамическими системами;

- особенностей конструктивного устройства микроволновых приборов, принципов действия, их параметров и характеристик, процессов перестройки частоты;

1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны -перечисленные выше теоретические вопросы, - выбрать для практических целей прибор СВЧ, обеспечить правильную его эксплуатацию и получить оптимальные выходные параметры;

- составить схемы для исследования параметров микроволновых приборов и устройств, понимать происходящие в них процессы.

1.3. Рекомендации по изучению дисциплины Дисциплина «Микроволновые приборы и устройства» при рассмотрении будет базироваться на некоторых фундаментальных положениях, полученных ранее в дисциплинах:

а) «Физика», « Высшая математика», «Электродинамика», «Основы теории цепей». Наиболее важными для успешного изучения дисциплины являются разделы:

«Физики», посвященные электрическим и магнитным полям и электромагнитным волнам;

«Математики» – элементы векторного анализа, теория функций Бесселя, уравнения в частных производных, интегрирование и методы оптимизации величин (нахождение максимальных значений при нескольких переменных );

«Электродинамики» - электромагнитные поля в замкнутых системах (резонаторах, замедляющих системах), уравнения поля и граничные условия ;

мощность взаимодействия полей и токов переноса, особенности передающих линий.

б) специальных:

« ТОЭ» - метод эквивалентных схем;

«Электронные и полупроводниковые приборы» - принцип электростатического управления электронным потоком, формирование электронных потоков, особенности работы триодов в диапазоне коротких волн, движение электронов в постоянных ЕН полях, основные статические характеристики полупроводниковых приборов;

«Технология ЭВП» - вопросы технологии при производстве микроволновых приборов.

Лекционный курс дает необходимые сведения о принципе действия микроволнового прибора, методах анализа, характеристиках и параметрах, конструктивных особенностях;

лабораторные занятия позволяют освоить особенности схемы питания и принципы построения экспериментальных схем СВЧ трактов, условные обозначения приборов и элементов схемы, закрепить теоретический материал лекций, рассчитать по экспериментальным характеристикам параметры приборов и устройств;

Самостоятельная работа позволяет закреплять и расширять теоретический материал лекций;

проверять глубину усвоения материала путем применения его к рассмотрению журнальных статей по вопросам микроволновых приборов;

';

применять материал к решению задач;

отвечать правильно на контрольные вопросы и быстро делать лабораторные работы;

получать необходимые зависимости при изменении режимов работы и питания, и правильно оформлять отчеты.

1.4 Объем дисциплины и виды учебной работы Дисциплина изучается в 8-м семестре 1.5 Разделы дисциплины и виды занятий Введение. Микроволновый электронный прибор – преобразователь энергии Методы управления потоками заряженных Отбор энергии от потока заряженных частиц.

Электродинамические системы микроволновых приборов.

Микроволновый прибор как элемент схемы.

Понятие о компьютерном моделировании Клистроны пролетные - усилительные, генераторные, умножители частоты.

Перспективы развития.

Лампы бегущей и обратной волны типа -О в разных режимах работы.

Магнетрон – резонансный прибор типа – М с замкнутым электронным потоком.

Не резонансные приборы типа – М с разомкнутым и замкнутым электронным Полупроводниковые диоды с отрицательным динамическим сопротивлением Полупроводниковые диоды с положительным сопротивлением Биполярные и полевые транзисторы.

2. Содержание лекционного курса дисциплины -- 48 часов Определение микроволнового диапазона и задачи, стоящие перед дисциплиной. Основные особенности и классификация приборов по типам электродинамических систем, по режимам работы, по типам электромагнитных полей.

2.1.Общие физические процессы в микроволновых приборах -15 час 2.1.1. Микроволновый электронный прибор – преобразователь Основные уравнения, характеризующие взаимодействие заряженных частиц с электромагнитными полями. Пролетные явления как фактор, ограничивающий быстродействие твердотельных приборов и определяющий конструкцию электродинамической системы микроволновых приборов. Наведенные токи во внешней цепи при движении свободных зарядов. Возможность использования статических вольтамперных характеристик при анализе твердотельных приборов.

2.1.2.Электроннооптические системы формирования потоков заряженных Электронные пушки – системы, формирующие длинные электронные потоки, заданных форм поперечного сечения, плотности тока и скорости на выходе. Особенности пушек Пирса, Мюллера, Треневой, пушек короткой оптики для приборов М-типа. Фокусировки в электронных потоках.

2.1.3. Методы управления потоками заряженных частиц 2часа Метод электростатического (квазистатического) управления потоками заряженных частиц (триоды, полупроводниковые СВЧ диоды). Метод динамического управления. Скоростная модуляция в электронных потоках. Группировка носителей заряженных частиц. Преобразования в потоках. Спектральный состав конвекционного тока, позволяющий использовать для разных режимов работы один и тот же прибор.

2.1.4. Отбор энергии от потока заряженных частиц 2час.

Условия отбора энергии от потока заряженных частиц. Требования к параметрам электродинамических систем в приборах резонансного и не резонансного типов для наилучшей отдачи потоками энергии.

2.1.5. Электродинамические системы микроволновых приборов – 4час.

Резонаторы с зазорами и их модификации, резонаторы бегущих волн – основные типы колебательных систем резонансных микроволновых приборов.

Параметры резонаторов и их эквивалентные схемы.

Замедляющие системы (ЗС) электродинамические системы приборов с длительным взаимодействием. Параметры и характеристики ЗС, определяющие работу микроволнового прибора. Типы ЗС и их дисперсионные характеристики*. Возбуждение электродинамических систем потоками заряженных частиц.

2.1.6. Микроволновый прибор как элемент схемы 2час.

Эквивалентные схемы микроволновых приборов и их анализ. Баланс фаз и баланс амплитуд. Электронная проводимость и ее определяющая роль в работе прибора. Проводимость нагрузки и ее влияние на выходные параметры. Нагрузочные характеристики приборов и методы их экспериментального исследования. Особенности работы приборов не резонансного типа. Основные характеристики и параметры генераторов и усилителей.

2.1.7.Компьютерное моделирование и проектирование микроволновых Обзор методов, применяемых для моделирования на ПК микроволновых приборов. Расчет траекторий электронов, группировка их в нелинейном режиме. Оптимизация выходных параметров. Пример расчета на ПК микроволновых генераторов или усилителей*.

Методические указания В результате изучения этого раздела студенты должны усвоить:

- как в любом микроволновом приборе происходит преобразование энергии постоянного источника в энергию СВЧ колебаний;

- что для преобразования энергии требуется поток заряженных частиц (ПЗЧ), электродинамическая система, имеющая определенное сопротивление или проводимость, внешняя нагрузка;

- понятие и выражение наведенного тока, текущего во внешней цепи электродинамической системы и отстающего на определенный угол от переменного напряжения;

- что для отбора энергии у ПЗЧ необходимо тормозящее поле и сгруппированный поток носителей;

- научиться составлять эквивалентные схемы приборов и уметь проводить их анализ, получая оптимальные параметры прибора.

2.2. Микроволновые электронные приборы с динамическим 2.2.1. Клистроны - 6 час.

Особенности клистронов и их разновидности. Пролетные 2-х резонаторные клистроны: принцип действия, элементарная кинематическая теория, выходная мощность. Применение клистрона в качестве усилителя, умножителя частоты, генератора. Характеристики и параметры. Многорезонаторные пролетные клистроны: конструкции * и перспективы развития *.

Отражательные клистроны. Принцип действия, краткая теория, технические характеристики и параметры отражательного клистрона (КПД, зоны генерации, электронная настройка). Конструкции отражательных клистронов*.

2.2.2. Лампы бегущей волны обратной волны типа -О - 6 час.

Схема устройства ЛБВ и ЛОВ типа -О (ЛБВО и ЛОВО). Принцип действия. Линейная теория. Характеристики и параметры ЛБВО и ЛОВО. Коэффициент полезного действия и способы его повышения. Миниатюризация ламп.

Основные конструктивные особенности ЛБВ и ЛОВ типа -О *.

2.2.3. Магнетрон – резонансный прибор типа – М с замкнутым Классификация магнетронов. Виды колебаний в резонаторной системе магнетронов. Разделение видов колебаний Структура электромагнитного поля в пространстве взаимодействия и группировка ПЗЧ. Режимы работы и условия самовозбуждения магнетрона. Основные характеристики и параметры, их зависимость от конструкций прибора и режима питания. Коаксиальные, обращенные магнетроны и митроны, особенности конструкций.

2.2.4. Не резонансные приборы типа – М с разомкнутым и замкнутым Схема устройства ЛБВ и ЛОВ типа М. Принцип действия. Методы анализа, характеристики и параметры ЛБВМ и ЛОВМ. Основные конструкции и их особенности*. Каскадирование ЛБВМ и ЛОВМ.

Платинотроны – мощные приборы, работающие в режиме насыщения, с катодом в пространстве взаимодействия. Условия работы. Дисперсионная характеристика прибора в горячем режиме. Полоса рабочих частоты перестройка частоты напряжением.

Методические указания В результате изучения этого раздела студенты должны знать устройство микроволновых приборов и различать особенности принципов действия усилителей (платинотроны, ЛБВ) и генераторов (магнетроны, ЛОВ, клистроны). Понимать, как применяется в них принцип динамического управления электронными потоками, как осуществляется взаимодействие потоков с электромагнитными полями электродинамических систем. Научиться оценивать выходные параметры одного и того же прибора, работающего в разных режимах (усиление, генерация и умножение частоты), знать способы оптимизации параметров.

Этот раздел материала позволяет понять определяющую связь конструкции прибора и выходных параметров и видеть, например, за счет чего получаются высокие КПД и выходные мощности (Рвых) в приборах М типа; понимать возможности процессов модификации в микроволновых приборах с динамическим управлением.

2.3.Микроволновые приборы с квазистатическим управлением10час.

2.3.1.Полупроводниковые диоды с положительным и отрицательным Лавинно пролетные диоды в режиме генерации. Эквивалентные схемы диода и генератора. Наведенный и пусковой токи. Выходная мощность и способы ее повышения.

Генераторы на диодах Ганна. Условия возбуждения. Режимы работы, рабочая частота и выходная мощность.

Усилители на диодах, особенности схемы устройства и условий работы.

Коэффициент усиления и его оптимизация.

Полупроводниковые диоды с положительным сопротивлением Особенности схем применения и характеристики.

2.3.2. Биполярные и полевые транзисторы2 час.

Устройство и эквивалентные схемы транзисторов СВЧ. Микроволновые схемы и основные характеристики приборов на транзисторах. Перспективы развития и применения.

Методические указания При изучении материала этого раздела студенты будут иметь представление о генераторах и усилителях на полупроводниковых приборах с квазистатическим управлением носителями зарядов. Знать требования к размерам и электрическим параметрам диодов, и применять их для оценки работоспособности в разных режимах генерации и на разных частотах. Будут иметь понятие о расчете выходных параметров активных устройств на диодах, о конструктивных особенностях транзисторов СВЧ и некоторых схемах микроволновых устройств их использующих; о полупроводниковых диодах с положительным сопротивлением, особенностях их работы и схемах применения.

3. Лабораторные работы- 16 часов 3.1. Исследование отражательного клистрона 4 часа.

Исследование генератора на диоде Ганна 4часа.

4. Самостоятельная работа - 76 часов.

Самостоятельная работа студентов предполагает углубленное изучение разделов дисциплины, которые связаны с выполнением лабораторных работ, выполнением домашних индивидуальных заданий и самостоятельного освоения ряда вопросов при подготовке к сдаче экзамена.

Наименование видов самостоятельных работ Подготовка к лабораторным работам и 10 Рейтинг.

Изучение вопросов теории, отданных на 7 Рейтинг-контроль.

самостоятельную проработку (отмечены Экзамен.

значком * в разделе 2 настоящей программы), внесены в домашние контр. задания Выполнение домашних индивидуальных 35 Рейтинг. Решения заданий, упражнений и составление тес- и ответы в письтовых вопросов на заданную тему. менной форме.

Всего часов по самостоятельной работе по дисциплине На самостоятельную проработку выносятся следующие вопросы лекционного курса:

а) Типы ЗС и их дисперсионные характеристики*. - 2 часа.

б) Пример расчета на ПК микроволновых генераторов или усилителей*.

в) Многорезонаторные пролетные клистроны: конструкции*.Конструкции отражательных клистронов*. -1 час.

г) Основные конструктивные особенности ЛБВ и ЛОВ типа -О *– 1 час.

д) Коаксиальные, обращенные магнетроны и митроны - особенности конструкций – 1 час е) Основные конструкции и их особенности ЛБВ и ЛОВ типа -М *– 1 час

5 МЕТОДИКА ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСВОЕНИЯ

ДИСЦИПЛИНЫ

Осуществляется в соответствии с Положением о порядке использования рейтинговой системы для оценки успеваемости студентов (приказ ректора 25.02.2010 № 1902) и основана на бально - рейтинговой системы оценки успеваемости, действующей с 2009 г., которая включает текущий контроль выполнения элементов дисциплины по элементам контроля с подведением текущего рейтинга (раздел 6) и итоговый контроль.

Правила формирования пятибалльных оценок за каждую контрольную точку (КТ1, КТ2) осуществляется путем округления величины, рассчитанной по формуле:

Итоговый контроль освоения дисциплины осуществляется на экзамене по традиционной пятибалльной шкале. Обязательным условием перед сдачей экзамена является выполнение студентом необходимых по рабочей программе для дисциплины видов занятий: выполнение и защита результатов лабораторных работ, сдача контрольных работ.

Формирование итоговой суммы баллов осуществляется путем суммирования семестровой (до 70 баллов) и экзаменационной составляющих (до баллов).

6 ПРИМЕНЕНИЕ БАЛЬНО-РЕЙТИНГОВОЙ СИСТЕМЫ

Выполнение контрольных работ (дом.) Выполнение лабораторных работ Выполнение индивидуальных и расчетных заданий работ Выполнение индивидуальных заданий домашних индивидуальных заданий:

1. Общие вопросы микроволновых при- Каждому студ. 6-я неделя боров - контрольная дом, работа 2. Клистроны (генераторы, умножители выдается 8-я неделя частоты, усилители) 4. Магнетроны, приборы типа М вопрос и задачу 14-я неделя 5. Полупроводниковые СВЧ приборы для домашней 16-я неделя Темы контрольных работ:

ров типа О Примечание При желании выполнение 2-х домашних индивидуальных заданий может быть заменено выполнением одной темы сквозной расчетной работы, из предложенных ниже. Студент сам составляет график работ по выбранной теме, согласовывает с преподавателем сроки готовности различных этапов работы и сроки контроля, но они должны быть приближены к срокам сдачи домашних индивидуальных заданий.

Темы сквозных расчетных работ:

1.Расчет резонатора и электронных пара- Любая тема п. Контроль:

метров для конкретного микроэлектрон- 1 - 7 может вы- 7-я неделя ного прибора по заданным электрическим полняться сту- 9-я неделя параметрам (любого прибора, рассматри- дентом в те- 16-я неделя 2.Расчет геометрии и параметров замед- т.к. представ- и защита раляющей системы и электронных характе- ляет боты на предристик для конкретного прибора из рабо- полностью последней нечей программы. рассчитанный деле семестра 3.Расчет клистрона (любого) по заданным до параметрам 4. Расчет ЛБВ типа О или ЛОВ типа О по устройства, 5. Расчет магнетрона или любого прибора ходные характеристики типа М (ЛБВМ,ЛОВМ, платинотрона) 6. Расчет генератора на диоде Ганна или диоде ЛПД, или устройства на рin диодах, детекторных диодах.

7. Особенности приборов мм и субмм диапазонов волн 8. Самостоятельно выбранная тема работы, представить в виде реферата 7. Учебно-методические материалы по дисциплине 1. Бобровский Ю.Л., ред.Федоров Н.Д. [и др.]. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов /. – М.: Радио и связь, 2002.-560с. (51 экз).

2. Соколова Ж.М. Микроволновые приборы и устройства: учебное пособие /. Томск: Изд.- ТМЦДО, ТУСУР, 2009.-272с. (3экз.) Дополнительная литература 3 Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, т.т., II. Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы», - М.: «Высш. Шк.»1972-376с.(69 экз) 4. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов : Учебник для Вузов по спец. «Электронные приборы» -М.: Высшая школа, 1983-383с. (23экз) 5.Электронные приборы СВЧ: Учебное пособие для вузов, спец. «Электронные приборы» /Березин В.М.; Буряк В.С.; Гутцайт Э.М.; Марин В.П..-М.:

Высшая школа. 1985-296с. (23экз) 6. Згуровский М.З., Ильченко А.М., Кравчук Н.М. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем. т.1, т.2.- Киев: 2003.

7. Электронные приборы СВЧ/ Под Ра. В.И.Шевчика и М.А.Григорьева.

–Изд-во Саратовского унив. 1980.

8. Техника субмиллиметровых волн. Коллектив авторов под ред.

Р.А.Валитова. Изд-во «Советское радио» -М.: 1969.-480с.

9. Миллиметровые и субмиллиметровые волны/ сб. статей под ред.

Р.Г.Мириманова. -М.: Изд-во «Иностранная литература». 1959г.

10..Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы.- М.: Радио и связь; 1981с. (11экз) 11. Батушев В.А. Электронные приборы - М.: Высшая школа, 1980 – 241с.

12. Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И. Оптоэлектронные и СВЧ приборы и устройства. - Томск: Изд.-во ТУСУР, 2003.-452с. (15экз.) 13. Итоги науки и техники, серия Электроника, т.17. М: ВИНИТИ, 1985с 14. Полупроводниковые приборы. СВЧ диоды. Справочник. Наливайко Б.А. и др.- Томск: 1992.-222.

15. Коваленко В.Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот.-М.:

«Советское радио», 1955.—343с.

16. Соколова Ж.М., Падусова Е.В. К расчету резонаторов СВЧ. Метод.

указания по курсовому проектированию. /–Томск: ТИАСУР, 1994.-111с.

17.Шалимова К.В. Физика полупроводниковых приборов. -М.: «Энергия», 1976.

18 СВЧ генераторы и усилители./Под редакцией Лебедева И.В. сб. статей.-М.:

19. Руководство к лабораторным работам по дисциплине «Приборы СВЧ»/ Под редакцией Соколовой Ж.М. каф. СВЧиКР, Ротапринт ТУСУРа, 2002г.(20экз)