Кафедра радіотехнічних систем

[RE-44] Електронні та квантові прилади надвисоких частот

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти	Перший (бакалаврський)
Галузь знань	17 - Електроніка, автоматизація та електронні комунікації
Спеціальність	172 - Електронні комунікації та радіотехніка
Освітня програма	Всі ОП
Статус дисципліни	Вибіркова (Ф-каталог)
Форма здобуття вищої освіти	Очна
Рік підготовки, семестр	Доступно для вибору починаючи з 3-го курсу, осінній семестр
Обсяг дисципліни	4 кред. (Лекц. 6 год, Практ. год, Лаб. 6 год, СРС. 108 год )
Семестровий контроль/контрольні заходи	Залік
Розклад занять	https://rozklad.kpi.ua
Мова викладання	Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів	Лекц.: Турєєва О. В., Лаб.: Турєєва О. В., СРС.: Турєєва О. В.
Розміщення курсу

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Сучасний розвиток радіотехнічних систем спеціального призначення, а саме радіолокаційних станцій, систем радіопротидії, супутникових систем що працюють в діапазоні частот від 1 до 300 ГГц, потребують потужних генераторів та підсилювачів (від одиниць кВт і вище). Реалізувати генераторну і підсилювальну функцію в таких системах можна тільки із застосуванням електронно-вакуумних приладів: клістронів, магнетронів, ламп прямої і зворотної хвилі.

Метою навчальної дисципліни є формування у студентів компетентностей:

здатність оцінювати конструкторсько-технологічні, інженерні та науково-технічні рішення і враховувати особливості роботи електронних приладів НВЧ діапазону з точки зору дотримання умов безпеки життєдіяльності, енергоефективності та екологічності;
здатності пояснити фізичні основи роботи електронних та квантових приладів НВЧ і принципи інженерно-конструкторської реалізації електронно-вакуумних та квантових приладів для роботи в НВЧ діапазоні;
здатності здійснювати аналіз та вимірювання основних характеристик електронних та квантових приладів мікрохвильового діапазону з урахуванням сучасних тенденції розвитку радіоелектронних систем;

Предмет вивчання дисципліни «Електронні та квантові прилади НВЧ» є фізичні основи роботи електронних та квантових приладів НВЧ; принципи інженерно-конструкторської реалізації електронно-вакуумних та квантових приладів для роботи в НВЧ діапазоні.

У відповідності до освітньої програми програмні результати навчання:

знання:

принципів дії та особливостей побудови приладів НВЧ типу "О" із зосередженою за розподіленою взаємодією електронного потоку з електромагнітним полем;
фізичних основ роботи та особливостей побудови приладів НВЧ із схрещеними полями типу "М";
принципів інженерно-конструкторської реалізації електронних та квантових приладів для роботи в НВЧ та оптичному діапазоні.

уміння:

аналізувати роботу, оцінювати та вимірювати основні характеристики електровакуумних приладів НВЧ;
вимірювати основні характеристики електронних та квантових приладів мікрохвильового діапазону;
орієнтуватися в сучасній елементній базі РЕА, характеристиках і параметрах електронних та квантових приладів НВЧ діапазону, критеріях застосування приладів при побудові радіоелектронних систем.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Міждисциплінарні зв’язки: забезпечується вивченням таких дисциплін як «Загальна фізика», «Вища математика», «Основи теорії кіл», «Електродинамiка та поширення радіохвиль».

Одержані знання та навички після вивчення дисципліни «Електронні та квантові прилади НВЧ» використовуються подалі в дисциплінах «Трансівери сучасних радіотехнічних систем», «Основи радіоелектронних систем», «Системи радіопротидії», «Радіонавігаційні системи», при виконанні курсових та дипломних робіт.

3. Зміст навчальної дисципліни

Розділ 1. Введення. Фізичні основи побудови електронних приладів НВЧ.

Тема 1.1 Введення. Особливості приладів НВЧ та оптичного діапазонів. Області використання НВЧ‑електронних та квантових приладів.

Тема 1.2 Фізичні основи побудови електронних приладів НВЧ. Рівняння руху електрона в змінному електричному полі. Обмін енергією між електроном та змінним електричним полем. Час та кут прольоту електронів.

Розділ 2. Прилади з короткочасною взаємодією з полем

Тема 2.1 Принцип дії приладів з короткочасною взаємодією електронів з полем. Групування пучка електронів по швидкості та щільності в дворезонаторному пролітному клістроні, просторово-часова діаграма. Параметр групування. Залежність струму конвекції від параметра групування. Дворезонаторний клістрон як помножувач частоти. Генератор на основі дворезонаторного пролітного клістрона.

Тема 2.2 Багаторезонаторні клістрони. Устрій і схема вмикання. Частотно-фазові характеристики, потужність, к.к.д. Обмеження в зростанні вихідної потужності при збільшенні анодної напруги, струму пучка електронів.

Застосування пролітного клістрона в якості підсилювача сигналів з
амплітудною і кутовою модуляцією. Вплив коефіцієнтів відбивання виходу підсилювача сигналів і навантаження на режим роботи лінії передачі (фідера) і потужність у навантаженні. Схема телевізійного передавача з підсумовуванням потужностей двох клістронних підсилювачів.

Тема 2.3 Відбивний клістрон. Групування електронів, просторово-часова діаграма. Зони генерації, потужність, к.к.д. Електронне та механічне перестроювання частоти. Конструкції, області використання.

Розділ 3. Прилади з тривалою взаємодією електронів з полем

Тема 3.1 Устрій та загальна характеристика ламп біжучої хвилі (ЛБХ) і області їх застосування. Сповільнюючі системи, поняття про просторові гармоніки, дисперсійні характеристики сповільнюючих систем. Групування електронів в полі біжучої хвилі. Умови взаємодії пучка електронів з полем біжучої хвилі. Умови фазового синхронізму потоку електронних згустків з полем робочої просторової гармоніки біжучої хвилі.

Тема 3.2 Лампи зворотної хвилі (ЛЗХ) типу "О". Устрій та принцип роботи. ЛЗХ як генератор з розподіленим внутрішнім зворотним зв'язком. Електронне перестроювання частоти генерації. Вихідна потужність, к.к.д. Застосування ЛЗХ.

Розділ 4. Прилади НВЧ із схрещеними полями

Тема 4.1 Фізичні основи роботи приладів НВЧ із схрещеними полями типу "М". Вплив сили Лоренца на траєкторію електрона, що рухається в постійному магнітному полі. Циклотронна частота. Циліндричний діод в постійному магнітному поля, поняття про критичну величину магнітної індукції.

Тема 4.2 Рух електронів в схрещених електричному та магнітному полях. Групування електронів в приладах типу "М". Особливості передачі енергії від потоку електронів високочастотному полю в приладах типу "М". Принцип фазового синхронізму для приладів типу "М".

Тема 4.3 Класифікація приладів НВЧ типу "М" у відповідності з типом сповільнюючої системи та електронного потоку. Магнетрон як прилад типу "М" з замкнутим електронним потоком. Особливості формування електронного потоку і передачі його енергії високочастотному полю в магнетроні. Робочій тип коливань. Робочі характеристики. Потужність, к.к.д. Області використання.

Тема 4.4 Магнетрон, що керується напругою – мітрон. Характеристики, область використання. Динамічні властивості, достоїнства та недоліки амплітрону. Характеристики, область використання. Особливості, характеристики. ЛБХ та ЛЗХ типу "М". Основні характеристики. Особливості конструкцій, області використання.

Розділ 5. Основи побудови квантових приладів.

Тема 5.1 Фізичні основи дії квантових приладів мікрохвильового та оптичного діапазонів. Енергетичні рівні, нормальна та інверсна заселеність рівнів, спонтанні та індуковані переходи між рівнями. Принцип дії трьохрівневого мазера. Устрій та характеристики мазерів відбивного та прохідного типів. Роль квантових парамагнітних підсилювачів в освоєнні космосу.

Тема 5.2 Оптичні квантові генератори (лазери). Умови самозбудження. Різновиди лазерів по типу активного середовища, способам накачки, режиму роботи. Оптичні резонатори. Устрій імпульсного лазера на рубіні. Характеристики. Області використання.

Тема 5.3 Гетероструктурні польові транзистори з високою рухливістю електронів або НЕМТ-транзистори (High Electron Mobility Transistor). Особливості побудови, конструкції, характеристики, області застосування

4. Навчальні матеріали та ресурси

Основна література.

1. Панфілов І.П., Флейта Ю.В. Електронні та квантові прилади НВЧ: Навч. посібник для вузів. Модуль 1. – Одеса: ОНАЗ ім. О. С. Попова, 2010. – 120 стор.

2. Тараненко В.П."Електронні та квантові прилади НВЧ", Київ, "Вища школа", 1974

Допоміжна.

1. David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 2011.

2. Афонін І.Л.,Бичков А.О., Саламатін В.В. “Електронні прилади НВЧ і квантові прилади”. Навчальний посібник. Севастополь 2002.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Планується проведення лабораторних робіт з метою ознайомлення із зразками електронних приладів НВЧ, дослідження їх характеристик з використанням радіовимірювальної НВЧ апаратури. Лабораторні роботи виконуються за темами:

дослідження характеристик магнетронного генератора;
дослідження характеристик лампи зворотної хвилі типу О;
дослідження режимів роботи та характеристик відбивного клістрону;
дослідження характеристик лампи біжучої хвилі О-типу.

Індивідуальні завдання:

розрахунково-графічна робота (РГР).

Мета РГР – більш глибоке засвоєння матеріалів теоретичного курсу, закріплення навиків самостійного використання набутих знань. Робота проводиться за всіма розділами лекційного матеріалу.

6. Самостійна робота студента

На самостійну роботу студентів відводиться 108 годин. Вона складається з:

опрацювання матеріалу лекцій – 42 год.;
підготовки до лабораторних робіт, проведення необхідних розрахунків та оформлення протоколів лабораторних робіт, підготовка до захисту лабораторних робіт – 14 год.;
підготовка до модульної контрольної роботи – 8 год.;
виконання РГР - 22
підготовка до екзамену – 22 год.;

Політика та контроль

7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Рекомендовані методи навчання:

метод проблемного навчання: проблемний виклад на окремих лекціях, і дослідницький метод при виконанні лабораторних робіт;
особистісно-орієнтований - у вигляді навчальних дебатів під час виконання лабораторних робіт;
застосування комп'ютерних засобів при виконанні домашньої контрольної роботи.

Правила відвідування занять. Відвідування лекцій та лабораторних занять є обов’язковою, оскільки на них викладається теоретичний матеріал та розвиваються навички, необхідні для виконання семестрових контрольних заходів. Система оцінювання орієнтована на отримання балів за своєчасність і якість виконання лабораторних робіт, а також виконання домашньої контрольної роботи.

Призначення заохочувальних та штрафних балів. Заохочувальні бали виставляються за: активну участь на лекціях і лабораторних заняттях, Кількість заохочуваних балів не більше 10; Штрафні бали можуть виставлятися за: невиконання або невчасне виконання завдань. Кількість штрафних балів не більше 10.

Академічна доброчесність Політика та принципи академічної доброчесності визначені у розділі 3 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code.

Норми етичної поведінки Норми етичної поведінки студентів і працівників визначені у розділі 2 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code.

Навчання іноземною мовою Навчальна дисципліна «Електронні та квантові прилади НВЧ» передбачає її вивчення українською мовою. У процесі викладання навчальної дисципліни використовуються матеріали та джерела українською та англійською мовою.

8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтингова оцінка з дисципліни RD (тобто екзаменаційна оцінка за семестр) формується як сума балів поточної успішності навчання та екзаменаційних балів. RD розраховується за 100-бальною шкалою. Рейтинг студента складається з балів, які він отримує за:

експрес-контроль з лабораторних занять. Контроль проводиться у вигляді індивідуального опитування за темою лабораторного заняття;
виконання та захист лабораторних робіт;
модульну контрольну роботу;
домашню контрольну роботу;
відповідь на екзамені;

Штрафні та заохочувальні бали:

не допуск до лабораторної роботи у зв’язку з неправильною

відповіддю на експрес-контролі мінус 2 бали

відсутність на лекції, лабораторному занятті

без поважних причин мінус 2бали

активна участь у лабораторних заняттях плюс 2 бали

Система рейтингових балів та критерії оцінювання в семестрі

1. Експрес-контроль з лабораторних занять

повна відповідь 2 бали
повна відповідь з неістотними помилками 1 бал
неправильна відповідь 0 балів

Максимальна сума балів за експрес-контроль 8 балів

2. Захист лабораторних робіт (ЛР)

В семестрі виконується 4 ЛР

За кожну ЛР нараховуються бали:

повна відповідь при захисті ЛР 5 балів
неповна відповідь при захисті ЛР 2 бали
незадовільна відповідь при захисті ЛР 0 балів

Максимальна сума балів за ЛР 20 балів

3. Модульний контроль МКР :

повна відповідь 12 балів
відповідь має неістотні неточності 8 балів
відповідь неповна, є істотні помилки 5 балів
незадовільна відповідь, немає відповіді 0 балів

Максимальна сума балів за МКР 12 балів

4. РГР :

правильне виконання 16 балів
має неістотні неточності 10 балів
є істотні помилки 6 балів
незадовільна відповідь, немає відповіді 0 балів

Максимальна сума балів за РГР 16 балів

Розрахунок шкали рейтингу

Сума максимально можливих балів контрольних заходів (поз.1-3) протягом семестру складає:

R_сем= 8+20 + 12+16 = 56 балів

Екзаменаційна оцінка шкали RD дорівнює 44% і становить 44 балів:

RD= R_сем + R_екз = 56 + 44= 100 балів

Умовою допуску до заліку є сума балів не менше 0,5* R_сем тобто > 28 балів та відсутність заборгованостей з лабораторних робіт.

Студентам, які мають R_сем менше 28 балів, протягом останнього тижня семестру надається можливість підвищити R_семта отримати допуск до семестрового заліку.

Без додаткового опитування (автоматом) студент може отримати тільки оцінки «дуже добре» та «добре». При цьому, стартовий рейтинг студента повинен бути не менше ніж 0,9*R_сем тобто > 50 балів. Рейтингові оцінки з дисципліни для виставлення їх до екзаменаційної відомості та залікової книжки трансформуються до таблиці відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою:

Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою

Кількість балів	Оцінка
100-95	Відмінно
94-85	Дуже добре
84-75	Добре
74-65	Задовільно
64-60	Достатньо
Менше 60	Незадовільно
Не виконані умови допуску	Не допущено

9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

Орієнтовний перелік питань, які виносяться на семестровий контроль.

Яка умова підсилення електромагнітної хвилі хвилею просторового зряду електронів у лампах із тривалою взаємодією?
Поясніть, чому введення в електродинамічну систему неоднорідностей є одним із ефективних засобів сповільнення хвиль?
Навіщо робити сповільнюючі системи в приладах з тривалою взаємодією електромагнітних хвиль і електронних потоків?
При розгляді яких структур ефективне застосування теореми Флоке? В чому вона полягає?
Що характерне для систем з аномальною дисперсією? Чи є звичайний хвилевід системою з аномальною дисперсією?
Чому групова швидкість всіх просторових гармонік в періодичній системі однакова?
Припустимо, що ми будуємо лампу зворотної хвилі, в якій робочою просторовою гармонікою є мінус перша. Формальний розгляд згідно з теоремою Флоке показує, що в будь-якій періодичній системі ця просторова гармоніка буде присутня. Чи означає це, що вибір конкретної топології періодичної системи не має значення? То ж на що він впливає?
Що характерне для хвиль з додатною дисперсією? З від’ємною дисперсією?
Що таке дисперсійна характеристика електродинамічної системи?
Що таке коефіцієнт сповільнення?
Збільшення струму в лампі зворотної хвилі звичайно призводить до збільшення генерованої потужності, але до певних меж – в подальшому потужність зменшується, що призводить до швидкого падіння коефіцієнта корисної дії. Чому?
Для збільшення вихідної потужності лампи біжучої хвилі у якості сповільнюючої системи часто відмовляються від використання спіралі – використовують гребінку, діафрагми особливої форми, тощо. На вашу думку, до чого негативного це призводить і чому?
У формулі для розрахунку коефіцієнта підсилення Ku по електричному полю Ez з’являється коефіцієнт “1/3”. Чому це відповідає?
Відомо, що динамічний діапазон підсилювача на ЛБХ обмежений зверху – вихідна потужність з ростом вхідної починає падати. Які конструктивні міри приймаються для «подовження» лінійної характеристики?
Як відомо, для зменшення вірогідності самозбудження підсилювача на ЛБХ всередині лампи розташовується поглинач електромагнітних хвиль, який вносить загасання 12-16 дБ. Де по-вашому він має бути розташований: ближче до входу, до виходу, або посередині сповільнюючої системи?
Чому принципово коефіцієнт корисної дії ЛБХ не може бути високим?
Відомо, що у схрещених електричному і магнітному полях траєкторія електрона, що починає рух із нульовою початковою швидкістю, – це циклоїда. А якою буде траєкторія цього електрона, якщо електричне і магнітне поле спрямовані однаково?
Завдяки чому у магнетронному генераторі сповільнюється електромагнітна хвиля?
Який тип хвилі використовується у сповільнюючій системі лампи зворотної хвилі?
Чому найчастіше використовуваним типом коливань резонаторного блоку багаторезонаторного магнетрона є π-тип коливань (π-мода)?
Очевидно, що у багаторезонаторному магнетроні, коливальна система якого замкнена сама на себе, можуть розповсюджуватися дві хвилі – одна за годинниковою стрілкою, інша – проти. Чому ж тоді ми на лекції розглядали взаємодію лише з однією хвилею, яка, врешті-решт, призвела до формування спиць просторового заряду, які обертаються разом з нею?
Яка з компонент змінного електричного поля хвилі відповідає за групування електронів в багаторезонаторному магнетроні?
Назвіть мінімум дві причини великого значення коефіцієнта корисної дії магнетрона порівняно з лампою біжучої хвилі.
Чому при зміні навантаження змінюється частота генерації магнетронного генератора?
Що таке коефіцієнт затягування частоти у магнетронному генераторі?
Чому кількість резонаторів у багаторезонаторному магнетроні, як правило, є парною?
Чому часто в конструкціях потужних магнетронів безперервної дії (наприклад, у магнетронах, призначених для НВЧ-нагріву) відсутній нагрівач катоду?
Назвіть три-чотири причини інтенсивного освоєння діапазонів надвисоких частот (вище приблизно 3 ГГц).
Припустимо, що вакуумний тріод використовується на частоті, дещо більшій за критичну. Що відбувається з електронами, що вилітають з катоду?
Які шляхи підвищення критичної частоти роботи вакуумного тріода? Які конструктивні фактори впливають на максимальну робочу частоту тріода?
Поясніть принцип роботи підсилювального дворезонаторного клістрона. В чому полягає принцип динамічного керування електронним потоком, що лежить в основі його роботи?
Чому згруповані електрони гарантовано віддають енергію у другому резонаторі підсилювального клістрона, якщо він налаштований на частоту вхідного сигналу?
Підсилювальний клістрон може бути використаний як ефективний помножувач частоти. Що для цього треба зробити?
Як відомо, теоретичний ККД підсилювального клістрона досягає лише 58%. В чому фізична причина цього?
Як відомо, реальний коефіцієнт підсилення потужності дворезонаторного підсилювального клістрону не перевищує 10÷12 дБ. В чому причина такого малого підсилення?
Поясніть, навіщо будують багаторезонаторні клістрони і яким чином мета цієї побудови в них досягається?
Поясніть фізичну причину виникнення коливань у генераторі на відбивному клістроні.
Чому відстань між резонаторами у підсилювачі на відбивному клістроні має бути точно встановленою і стабільною?
За рахунок чого значно зростає ККД підсилювача на багаторезонаторному клістроні порівняно з дворезонаторним?
Що і чому буде відбуватися у підсилювачі на дворезонаторному клістроні, якщо значно змінити прискорюючу напругу?
Яка основна фізична причина частотного обмеження роботи підсилювальних вакуумних тріодів?
Чому для телекомунікаційних супутникових технологій використовується НВЧ діапазон?
Які припущення були зроблені при виводі співвідношення для швидкості електронів на виході першого резонатора підсилювального клістрона?
Чому відстань між резонаторами у підсилювальному дворезонаторному клістроні має бути фіксованою і сталою?

Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

Метою виконання лабораторних робіт є ознайомлення із зразками електронних приладів НВЧ, дослідження їх характеристик з використанням радіовимірювальної НВЧ апаратури.

Лабораторна робота №1- Дослідження режимів роботи та характеристик відбивного клістрону

Обладнання: досліджуваний генератор на відбивному клістроні 4-см діапазону, стабілізований блок живлення типу 3-490 М, генератор пилкоподібної напруги, осцилограф, вимірювач потужності МЗ-10 (М4-2), частотомір Ч3-68, хвилеводний тракт, коаксіально-хвилевідний перехід, детекторна секція, змінний атенюатор ножового типу, спрямований відгалужувач. 2 стенди, 6 робочих місць.

Лабораторна робота №2- Дослідження характеристик лампи зворотної хвилі О-типу (ЛЗХ- О)

Обладнання: досліджуваний генератор на лампі зворотної хвилі О-типу 3-см діапазону ОВ-19, блок живлення, частотомір 42-30, підсилювачем У2-1 А осцилограф, вимірювач потужності Я2М-66, частотомір Ч3-66, хвилеводний тракт, хвилеводний перемикач, коаксіально-хвилевідний перехід, детекторна секція, атенюатор, вентиль, спрямований відгалужувач. 1 стенд, 4 робочих місця.

Лабораторна робота №3- Дослідження характеристик магнетронного генератора

Обладнання: досліджуваний магнетронний блок на основі пакетованного магнетрону безперервної дії, блок живлення, вимірювач потужності МЗ-10 (М4-2), хвилемір візуальний ВВ-1, хвилеводний тракт, трансформатор повних опорів, коаксіально-хвилевідний перехід, детекторна секція, атенюатор, вентиль, спрямований відгалужувач. 1 стенд, 4 робочих місця.

Лабораторна робота №4- Дослідження характеристик лампи біжучої хвилі О-типу (ЛБХ - О).

Обладнання: досліджуваний підсилювач на лампі біжучої хвилі О-типу (ЛБХ - О) 3-см діапазону, генератор НВЧ сигналів Г4-32А , блок живлення, вимірювачі потужності МЗ-10 (М4-2), хвилеводний тракт, коаксіально-хвилевідний перехід, детекторна секція, атенюатор, вентиль, спрямований відгалужувач. 1 стенд, 4 робочих місця.

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Турєєва О. В.;
Ухвалено кафедрою РТС (протокол № № 06/23 від 22.06. 2023 р. )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № 06-2023 від 29.06.2023 )