 | Кафедра радіотехнічних систем |
[RE-44] Електронно-вакуумні прилади надвисоких частот
Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)
Реквізити навчальної дисципліни
| Рівень вищої освіти | Перший (бакалаврський) |
| Галузь знань | G - Інженерія, виробництво та будівництво |
| Спеціальність | G5 - Електроніка, електронні комунікації, приладобудування 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. 18 год, Практ. год, Лаб. 36 год, СРС. 66 год ) |
| Семестровий контроль/контрольні заходи | Залік |
| Розклад занять | https://schedule.kpi.ua |
| Мова викладання | Українська |
| Інформація про керівника курсу / викладачів | Лекц.: Турєєва О. В., Лаб.: Турєєва О. В., СРС.: Турєєва О. В. |
| Розміщення курсу | https://do.ipo.kpi.ua/course/view.php?id=801 |
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 та РЕБ, інформаційних 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 пристроїв НВЧ діапазону з точки зору дотримання умов безпеки життєдіяльності, енергоефективності та екологічності;
- здатності пояснити фізичні основи роботи електронно-вакуумних пристроїв НВЧ і принципи інженерно-конструкторської реалізації для роботи в НВЧ діапазоні;
- здатності здійснювати аналіз та вимірювання основних характеристик електронно-вакуумних пристроїв мікрохвильового діапазону з урахуванням сучасних тенденції розвитку вимірювального обладнання радіоелектронних систем;
Предмет вивчання дисципліни «Електронно-вакуумні прилади НВЧ» є фізичні основи роботи електронно-вакуумних приладів НВЧ; принципи інженерно-конструкторської реалізації в НВЧ діапазоні, особливості застосування в радіотехнічних системах.
У відповідності до освітніх програм 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 електронно-вакуумних приладів для роботи в НВЧ діапазоні.
уміння:
- аналізувати роботу, оцінювати та вимірювати основні характеристики електронно-вакуумних приладів НВЧ;
- вимірювати основні характеристики пристроїв на основі електронно-вакуумних приладів мікрохвильового діапазону;
- орієнтуватися в сучасній елементній базі РЕА, характеристиках і параметрах електронно-вакуумних та твердотільних приладів НВЧ діапазону, критеріях застосування приладів при побудові радіоелектронних систем різного призначення.
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 «Електронно-вакуумні прилади надвисоких частот» використовуються подалі при виконанні курсових та дипломних робіт, а також в практичній діяльності, що пов’язана з експлуатацією електронно-вакуумних приладів в сучасних радіотехнічних системах.
3. Зміст навчальної дисципліни
Розділ 1. Введення. Фізичні основи побудови електронних приладів НВЧ.
Тема 1.1 Введення. Особливості приладів НВЧ діапазонів. Області використання НВЧ ‑ електронно-вакуумних та напівпровідникових приладів.
Тема 1.2 Фізичні основи побудови електронно-вакуумних 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. 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. Вплив коефіцієнтів відбивання виходу підсилювача сигналів і навантаження на режим роботи лінії передачі (фідера) і потужність у навантаженні.
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 Умови взаємодії пучка електронів з полем біжучої хвилі. Групування електронів в полі біжучої хвилі. Сповільнюючі системи, поняття про просторові гармоніки. 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 генератора з розподіленим внутрішнім зворотним зв'язком. Електронне перестроювання частоти генерації. Вихідна потужність, К.К.Д. Застосування ЛЗХ.
Тема 3.3 Устрій та загальна характеристика ламп біжучої хвилі (ЛБХ) і області їх застосування.
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.
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",1974.248 с.
3. Шокало В.М., Правда В.І., Усін В.А., Вунтесмері В.С., Грецьких Д.В. Електродинаміка та поширення радіохвиль. Ч.1. Основи теорії електромагнітного поля: Підручник для студентів ВНЗ / За заг. ред. В.М. Шокало та В.І. Правди. Харків: ХНУРЕ; Колегіум, 2009. 286 с.
Допоміжна.
4. Афонін І.Л.,Бичков А.О., Саламатін В.В. “Електронні прилади НВЧ і квантові прилади”. Навчальний посібник. Севастополь 2002.
5. David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 2011.
Навчальний контент
5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)
Планується проведення лабораторних робіт з метою ознайомлення із зразками електронно-вакуумних приладів НВЧ, дослідження характеристик пристроїв, що будуються на їх основі, з використанням радіовимірювальної НВЧ апаратури. Лабораторні роботи виконуються за наступними темами:
- дослідження режимів роботи та характеристик генератора на клістроні відбивного типу.
- дослідження характеристик генератора на основі лампи зворотної хвилі О-типу (ЛЗХ- О)
- дослідження характеристик магнетронного генератора
- дослідження характеристик потужного підсилювача на основі лампи біжучої хвилі О-типу (ЛБХ - О).
Індивідуальні завдання: ДКР - домашня контрольна роботи.
Мета домашньої контрольної роботи – більш глибоке засвоєння матеріалів теоретичного курсу, закріплення навиків самостійного використання набутих знань. Робота проводиться за всіма розділами лекційного матеріалу.
Приклад завдань для ДКР:
Варіант № 1. Дослідити залежність коефіцієнту підсилення підсилювача на дворезонаторному пролітному клістроні від колекторної напруги і еквівалентного опору навантаження . Для цього побудувати графіки, скориставшись формулою для коефіцієнта підсилення (лекція №4). Початкові значення змінних: . Зв'язок між колекторною напругою і струмом відповідає закону Ленгмюра . Діапазон зміни колекторної напруги . Параметр змінювати відносно наведеного в лекції №4 на . Пояснити зміст всіх змінних, що входять до формули для коефіцієнту підсилення. Зробити висновки.
Варіант № 2. Використовуючи формули, наведені в лекції №5, розрахувати відстань S між резонатором і відбивачем (в припущенні, що обидва електроди є пласкими), яка забезпечить генерацію приблизно на частоті 15 ГГц при значеннях напруги на резонаторі і відбивачі: . Дослідити графічно приблизну зміну частоти при зміні в межах від заданої. Оцінити максимальний діапазон перестроювання частоти в цих умовах. Зобразити ескіз конструкції генератора на відбивному клістроні з позначенням знайденого значення відстані S і відповідних напруг.
Варіант №3. Використовуючи формули для визначення крутизни перестроювання частоти генератора на відбивному клістроні (лекція №6, формула (14) побудувати графічно залежність крутизни перестроювання Se від значення навантаженої добротності резонатора . Дослідити (графічно) зміну крутизни перестроювання для трьох зон генерації (n=0,1,2). Вихідні дані для розрахунку: період коливань в резонаторі T=1/f0 (f0=12 ГГц); напруга на резонаторі . Напруги на відбивачі для 0-ї, 1-ї та 2-ї зон генерації становлять Межі змінювання навантаженої добротності прийняти від 400 до 1600. Пояснити отримані результати
6. Самостійна робота здобувача
На самостійну роботу студентів відводиться 66 годин. Вона складається з:
- опрацювання матеріалу лекцій – 8 год.;
- підготовки до лабораторних робіт – 20 год.;
- підготовка до модульної контрольної роботи – 10 год.;
- виконання домашньої контрольної роботи - 12
- підготовка до заліку – 16 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 5; Штрафні бали можуть виставлятися за: невиконання або невчасне виконання завдань. Кількість штрафних балів не більше 5.
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;
- виконання ДКР;
- відповідь на заліку;
Штрафні та заохочувальні бали:
- не допуск до лабораторної роботи у зв’язку з неправильною
відповіддю на експрес-контролі мінус 1 бал
- активна участь на заняттях плюс 2 бали
Система рейтингових балів та критерії оцінювання в семестрі
- В семестрі виконується 4 ЛР. За кожну ЛР нараховуються бали:
Експрес-контроль з лабораторних занять
- повна відповідь 8 балів
- повна відповідь з неістотними помилками 5 балів
- неправильна відповідь 0 балів
Захист лабораторних робіт (ЛР)
- повна відповідь при захисті ЛР 8 балів
- неповна відповідь при захисті ЛР 5 балів
- незадовільна відповідь при захисті ЛР 0 балів
Максимальна сума балів за ЛР 8х4+8х4=64 бали
- Модульний контроль МКР :
- повна відповідь 12 балів
- відповідь має неістотні неточності 6 балів
- відповідь неповна, є істотні помилки 3 бали
- незадовільна відповідь, немає відповіді 0 балів
Максимальна сума балів за МКР 12 балів
- Домашня контрольна робота (ДКР)
- правильний розрахунок з детальним описом
- і приведеною програмою і висновки 24 бали
- неповний розрахунок з неістотними помилками 12 балів
- розрахунок неправильний 0 балів
Максимальна сума балів за ДКР 24 балів
Розрахунок шкали рейтингу
Сума максимально можливих балів контрольних заходів (поз.1-3) протягом семестру складає:
Rсем = 64 + 12 + 24 = 100 балів
Залікова оцінка шкали RD дорівнює 100% Rсем і становить 100 балів.
Умовою допуску до заліку є сума балів не менше 0,6* Rсем тобто > 60 балів, відсутність заборгованостей з лабораторних робіт та виконання ДКР. Студентам, які мають Rсем менше 60 балів, протягом останнього тижня семестру надається можливість підвищити Rсем та отримати допуск до семестрового заліку. Студенти, які виконали всі умови допуску до заліку та мають рейтингову оцінку 60 і більше балів, отримують відповідну до набраного рейтингу оцінку. Для тих, хто бажає підвищити свою рейтингову оцінку, на останньому за розкладом занятті проводиться контрольна робота.
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)
Дистанційний курс навчальної дисципліни - https://do.ipo.kpi.ua/course/view.php?id=3270
Приблизний перелік питань для МКР.
- Поясніть, завдяки якому фізичному явищу збуджуються коливання в другому резонаторі дворезонаторного клістрона.
- Що таке параметр групування ? Від яких величин і чому він залежить ?
- Пояснити за допомогою просторово-часової діаграми процес формування згустків в пролітному проміжку дворезонаторного клістрона?
- Дворезонаторний клістрон часто використовується як помножувач частоти. Чому це можливо? Що треба зробити із елементами його конструкції щоб підвищити вихідну потужність на бажаній гармоніці?
- Як пов’язані величини конвекційного струму і наведеного їм струму між двома з’єднаними пластинами, проміжок між якими збуджується цим струмом ?
- Чим пояснюється низький реальний ККД дворезонаторного клістрона?
- Завдяки чому підвищується коефіцієнт підсилення потужності і електронний ККД у багаторезонаторних клістронах ?
- Які негативні явища виникають в підсилювачі на вакуумному тріоді при збільшенні частоти вхідного сигналу?
- Чому в генераторі на відбивному клістроні є багато зон генерації?
- Що таке рівень однодецибельної компресії підсилення клістронного підсилювача?
- Пояснити принцип роботи магнетрона на прикладі конструкції 8-резонаторного приладу.
- Що таке групова і фазова швидкості електромагнітної хвилі? Які швидкості однакові, а які відрізняються для просторових гармонік?
- Поясніть процес перестроювання частоти генерації у генераторі на лампі зворотної хвилі.
- Чому принципово коефіцієнт корисної дії ЛБХ не може бути високим?
- Завдяки чому у магнетронному генераторі сповільнюється електромагнітна хвиля?
- Який тип хвилі використовується у сповільнюючий системі лампи зворотної хвилі?
- Чому найчастіше використовуваним типом коливань резонаторного блоку багаторезонаторного магнетрона є π-тип коливань (π-мода)?
- Яка з компонент змінного електричного поля хвилі відповідає за групування електронів в багаторезонаторному магнетроні?
Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни
Метою виконання лабораторних робіт є ознайомлення із зразками електронно-вакуумних приладів НВЧ, дослідження їх характеристик з використанням вимірювальної апаратури НВЧ.
Лабораторна робота №1- Дослідження режимів роботи та характеристик генератора на клістроні відбивного типу.
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 генератора на основі 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, підсилювач 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 потужного підсилювача на основі 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), Я2М-66, 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 № 06/2026 від 22.06.2026 )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № 06/2026 від 24.06.2026 )