Кафедра радіотехнічних систем

[RE-74] Гібридні та монолітні інтегральні пристрої мікрохвильового діапазону

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти	Другий (магістерський)
Галузь знань	G - Інженерія, виробництво та будівництво
Спеціальність	G5 - Електроніка, електронні комунікації, приладобудування та радіотехніка
Освітня програма	172Мп РТС - Радіотехнічні інформаційні технології (ЄДЕБО id: 8562)172Мп РКС - Радіотехнічні комп'ютеризовані системи (ЄДЕБО id: 49258)172Мн РКС - Радіотехнічні комп'ютеризовані системи (ЄДЕБО id: 49259)172Мп РТКС+ - Радіотехнічні комп'ютеризовані системи (ЄДЕБО id: 57922)G5Мп РТКС - Радіотехнічні комп'ютеризовані системи (ЄДЕБО id: 83621)
Статус дисципліни	Нормативна
Форма здобуття вищої освіти	Очна
Рік підготовки, семестр	1 курс, осінній семестр
Обсяг дисципліни	5 кред. (Лекц. 30 год, Практ. 16 год, Лаб. 14 год, СРС. 90 год )
Семестровий контроль/контрольні заходи	Екзамен
Розклад занять	https://schedule.kpi.ua
Мова викладання	Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів	Лекц.: Омеляненко М. Ю., Практ.: Омеляненко М. Ю., Лаб.: Турєєва О. В., СРС.: Омеляненко М. Ю.
Розміщення курсу	https://do.ipo.kpi.ua/

Програма навчальної дисципліни

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

Швидкий розвиток радіотехнічних систем, зокрема систем спеціального призначення та зв’язку, космічних технологій, медицини, транспорту, нових виробництв призвело до широкого освоєння НВЧ діапазону – частот від 2 до 150 ГГц. Сьогодні обладнання на ці частоти випускається серійно, у великих кількостях, причому в умовах жорсткої конкуренції. Це визначає необхідність радикально змінити всю технологічно-конструкторську базу НВЧ діапазону. Перш за все, це стосується заміни активних приладів на твердотільні і, як наслідок, заміни хвилеведучих систем – об’ємних хвилеводів, коаксіалів на планарні лінії передачі, які виготовляються методами інтегральної технології, а також необхідністю сконцентрувати енергію в об’ємах, співставних із розмірами сучасних твердотільних активних елементів (сотні мікрометрів).

Предметом вивчення дисципліни «Гібридні та монолітні інтегральні пристрої мікрохвильового діапазону» є основні принципи побудови ГІС і МІС сучасних гібридно-інтегральних пристроїв та систем на їх основі.

Метою навчальної дисципліни є формування у студентів компетентностей:

ФК 03 Здатність до системного мислення, вирішення задач розробки, оптимізації та оновлення структурних блоків телекомунікаційних, радіотехнічних та інформаційних систем.
ФК 06 Здатність демонструвати і використовувати фундаментальні знання принципів побудови сучасних радіотехнічних систем, перспективні напрямки їх розвитку
ФК 07 Здатність демонструвати та застосовувати на практиці знання методів моделювання динамічних систем, оцінки ефективності систем та методів оцінки якості вимірювань в телекомунікаційних та радіотехнічних системах.
ФК 09 Здатність демонструвати і використовувати знання методів та технологій розробки, тестування та застосування інформаційно–вимірювальних, цифрових електронних систем
ФК 15 Здатність проектувати сучасні інтегральні пристрої НВЧ з використанням методів електродинамічного аналізу, а також використанням ЕОМ, розраховувати оптимальні конструкції інтегральних багатофункціональних пристрою НВЧ діапазону, які задовольняють вимогам до електричних характеристик за відповідних конструкторсько-технологічних умов, вимірювати їх вихідні характеристики із застосуванням сучасної вимірювальної апаратури.

Предмет вивчання дисципліни «Гібридні та монолітні інтегральні пристрої мікрохвильового діапазону» є принципи побудови ГІС і МІС сучасних мікрохвильових пристроїв на основі хвилеводно-планарних систем, методика розрахунків, схемо-технічні та конструкторсько-технологічні рішення.

У відповідності до освітньої програми програмні результати навчання:

ПРН 08 Поєднувати застосовування сучасних методів для розроблення енергозберігаючих пристроїв з мінімальним рівнем випромінювання, що забезпечують безпеку життєдіяльності людей та їхній захист від можливих наслідків електромагнітного випромінювання.
ПРН 11 Узагальнювати сучасні наукові знання та застосовувати їх для розв’язання науково-технічних завдань, оцінки можливості доведення отриманих рішень до рівня конкурентоспроможних розробок, втілення результатів у бізнес-проектах.
ПРН 16 Виконувати інженерний розрахунок сучасного інтегрального планарного і хвилеводно-планарного НВЧ пристрою (фільтру, вузлів узгодження, змішувача, модулятора, атенюатора та інше), проаналізувати роботу та розрахувати основні характеристики багатофункціонального пристрою НВЧ діапазону (транзисторного підсилювача, приймача, передавача).

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

Міждисциплінарні зв’язки: дисципліна базується на знаннях матеріалу курсів «Загальна фізика», «Вища математика», «Основи теорії кіл», «Електродинаміка та поширення радіохвиль», «Схемотехніка», «Основи теорії телекомунікацій і радіотехніки»

Одержані знання та навички після вивчення цієї дисципліни використовуються подалі при виконанні курсових робіт та наукових робіт за темами магістерських дисертацій.

3. Зміст навчальної дисципліни

Навчальна дисципліна містить теми.

Розділ 1. Електродинамічні системи для побудови вузлів з ГІС і МІС НВЧ.

Тема 1.1. Теоретичний аналіз регулярних ліній передачі діапазону НВЧ. Рівняння Гельмгольца. Зв’язок поперечних та повздовжніх компонент електромагнітного поля. Хвилі типу Т, квазі-Т, Е, Н, гібридні. Загальні властивості дисперсії

Тема 1.2. Огляд реальних ліній передачі діапазону НВЧ: мікросмужкова лінія (МСЛ), зважена мікросмужкова лінія (ЗВМСЛ), Н, П-хвилеводи, як прототипи хвилеводно-планарних ліній передачі (ХПЛ), хвилеводно-щілинна (ХЩЛ), хвилеводно-копланарна (ХКЛ), поверхнево-інтегрована хвилеводна лінія (ПІХЛ), діелектричний дзеркальний хвилевод (ДЗХ).

Розділ 2. Основні положення теорії довгих ліній.

Тема 2.1. Рішення телеграфних рівнянь, фізичний зміст. Коефіцієнт відбиття, КСХ, вхідний коефіцієнт відбиття, вхідний опір. Потужність в навантаженні.

Тема 2.2. Діаграма повних опорів (провідностей) – діаграма Сміта. Узгодження комплексних опорів за допомогою реактивних шлейфів. Топологія шлейфового узгодження у інтегральних лініях передачі.

Тема 2.3. Реалізація реактивностей у вигляді коротких відрізків каскадно з’єднаних ліній передачі з відмінним хвильовим опором. Неоднорідності у хвилеведучих системах. Діафрагми.

Тема 2.4. Узгодження активних опорів. Багатосекційні чвертьхвильові трансформатори. Плавні переходи. Конструкції у різних інтегральних лініях передачі.

Розділ 3. Конструкції пасивних пристроїв НВЧ.

Тема 3.1. Збудження інтегральних ліній передачі, переходи між різними типами ліній. Збудження гібридних і монолітних інтегральних схем НВЧ діапазону. Співставлення характеристик інтегральних ліній передачі.

Тема 3.2. Пасивні інтегральні схеми НВЧ і їх складові. Зосереджені елементи ГІС НВЧ.

Тема 3.3. Фільтри діапазону НВЧ у інтегральному виконанні. Фільтр низької частоти (ФНЧ), смугові хвилеводно-планарні фільтри. Процедура синтезу смугових фільтрів

3.4. Феритові невзаємні пристрої інтегральної НВЧ електроніки. Циркулятор, вентиль.

Розділ 4. Активні напівпровідникові пристрої НВЧ

Тема 4.1. Діодні керовані пристрої. P-i-n діоди. Параметри, конструкції, еквівалентні схеми. Амплітудні електронно-керовані атенюатори, фазові маніпулятори, перемикачі. Гібридно-інтегральні і монолітні конструкції.

Тема 4.2. Діоди з бар’єром Шоткі і варакторні діоди. Детектори.

Тема 4.3. Змішувачі перетворювачів частоти. Субгармонічні змішувачі – однодіодні та балансні, подвійні балансні. Інтегральні та монолітні діодні помножувачі частоти.

Тема 4.4. Транзистори і транзисторні пристрої НВЧ діапазону. Транзисторні перемикачі, помножувачі, змішувачі.

Тема 4.5. Підсилювачі НВЧ діапазону. Застосування S, T – матриць для опису вузлів НВЧ діапазону, зокрема на прикладі застосування S, T – матриць для розрахунку транзисторних підсилювачів НВЧ. Абсолютна і умовна стійкість підсилювачів, способи стабілізації підсилювачів.

Тема 4.6. Малошумні підсилювачі. Шумовий опір транзисторів. Підсилювачі середньої і великої потужності. Лінеаризація підсилювачів. Параметри підсилювачів і їх вимірювання. Типові характеристики пристроїв у гібридному і монолітному інтегральному виконанні.

Тема 4.7. Транзисторні генератори діапазону НВЧ. Застосування S-матриць для обчислення стартових умов генерації і обчислення потужності у стаціонарному режимі. Стабілізація частоти генераторів за допомогою МСЛ резонаторів та ДР. Параметри генераторів і їх вимірювання.

Тема 4.8. Інтегральні транзисторні генератори НВЧ. Генератори, як елементи гетеродинів перетворювачів частоти.

Розділ 5. Багатофункціональні пристрої НВЧ діапазону у гібридно-інтегральному і монолітно-інтегральному виконанні:

Тема 5.1. Синтезатор частоти непрямого синтезу діапазону НВЧ. Подільники частоти зі змінним коефіцієнтом ділення (ПЗКД). Фазові детектори синтезаторів частоти.

Тема 5.2. Приклад реалізації синтезатора на основі петлі з ФАПЧ з використанням сучасної елементної бази.

Тема 5.3. Монолітні інтегральні схеми квадратурних модуляторів і демодуляторів

НВЧ діапазону

Тема 5.4. Передавачі і приймачі радіорелейних станцій. Конструкції, принципи побудови, розрахунку, проектування.

4. Навчальні матеріали та ресурси

О с н о в н а л і т е р а т у р а

Електродинаміка та поширення радіохвиль. Основи теорії електромагнітного поля.: Підручник для студентів вищих навчальних закладів. Ч2/В.М Шокало, В.І. Правда, В.А. Усін, В.С. Вунтесмері, Д.В. Грецьких/ Харків, Колегіум. 2011
Бондаренко І.М. Мікроелектроніка НВЧ. Ч.2. Напівпровідникові елементи та пристрої НВЧ: навч. посібник для студентів ЗВО. – Харків: ХНУРЕ, 2019. – 172 с.
Омеляненко М.Ю. Гібридні та монолітні інтегральні пристрої мікрохвильового діапазону. Курсова робота [Електронний ресурс] : навч. посіб. для здобувачів ступеня магістра за освіт. програмою «Радіотехнічні комп’ютеризовані системи» спец. 172 Електронні комунікації та Радіотехніка / М. Ю. Омеляненко, Т. В. Романенко, О. В. Турєєва ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 2.03 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – 71 с. – Назва з екрана. https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63289
Д о п о м і ж н а
David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 2011.
Thomas H. Lee Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits. Cambridge University Press. 2004
M. Omelianenko and T. Romanenko, "E-plane Stepped -Impedance Bandpass Filter with Wide Stopband," 2020 IEEE 40th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, Ukraine, 2020, pp. 838-841, doi: 10.1109/ELNANO50318.2020.9088888.
Омеляненко М. Ю., Романенко Т.В., Турєєва О.В. (2023). “Ефективне поєднання ліній передачі у хвилеводно-планарних НВЧ системах міліметрового діапазону довжин хвиль” . Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування,,91, pp.18-27 DOI:10.20535/RADAP.2023.91.18-27, https://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1897,
Omelianenko M., Turieieva, O. 24-Channel Ku-Band Low-Loss Slotted Waveguide Power Divider.Radioelectron.Commun.Syst.61, 242–245 (2018). Doi: 10.3103/S073527271806002X

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

З метою засвоєння лекційного матеріалу та набуття досвіду роботи з сучасною вимірювальною апаратурою шляхом дослідження характеристик реальних вузлів гібридно-інтегральних пристроїв НВЧ діапазону та розрахунку систем на їх основі планується проведення 4-х лабораторних робіт.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1. Дослідження характеристик гібридно-інтегральних смугових фільтрів міліметрового діапазону довжин хвиль.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2. Дослідження ГІС транзисторних підсилювачів міліметрового діапазону. Вимірювання лінійних характеристик.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3. Дослідження ГІС p діодного фазового 0-π маніпулятора.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4. Вимірювання коефіцієнта шуму ГІС транзисторного малошумного підсилювача і тангенціальної чутливості приймального пристрою з ним на вході

Планується проведення семінарських занять, спрямованих на оволодіння методами розрахунку і моделювання гібридно-інтегральних схем вузлів як основи функціональних НВЧ пристроїв.

Семінар 1. Узгодження в інтегральних лініях передачі. Шлейфові схеми узгодження на прикладі МСЛ.

Семінар 2. Розрахунок однокаскадного транзисторного підсилювача потужності НВЧ діапазону.

Семінар 3. Синтез багатосекційних чвертьхвильових трансформаторів. МСЛ - реалізація

Семінар 4. S, T-матриці. Визначення. Фізичний зміст. Зв'язок між елементами матриць. Застосування для опису чотирьохполюсників і їх з’єднань в НВЧ діапазоні.

Семінар 5. Синтез прохідного резонатора, як основи для побудови ГІС НВЧ фільтрів.

6. Самостійна робота студента

Самостійна робота студента є основним засобом засвоєння навчального матеріалу у вільний від навчальних занять час. На самостійну роботу студентів планується 90 годин, які розподіляються орієнтовно так:

опрацювання матеріалу лекцій – 8год.;
підготовка до семінарів – 16 год.;
підготовка до лабораторних робіт – 20 год.;
підготовка до модульної контрольної роботи – 4 год.;
виконання РГР – 10 год.;
підготовка до екзамену – 32 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 проведення семінарських занять і виконанні лабораторних робіт;
розробка і застосування комп'ютерних засобів при виконанні РГР.
студенти мають можливість отримати знання з окремих тем та розділів навчальної дисципліни на навчальних курсах платформи Coursera (https://www.coursera.org), Prometheus (https://prometheus.org.ua) та ін., у якості змішаного чи додаткового навчання згідно Положення про визнання в КПІ ім. Ігоря Сікорського результатів навчання, набутих у неформальній/інформальній освіті (https://osvita.kpi.ua/node/179)."

Правила відвідування занять. Відвідування лекцій, практичних та лабораторних занять є обов’язковим, 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 РГР.

Призначення заохочувальних та штрафних балів. Заохочувальні бали виставляються за: активну участь на практичних заняттях, Кількість заохочуваних балів не більше 5 балів. Штрафні бали можуть виставлятися за: невиконання завдань. Кількість штрафних балів не більше 6 балів.

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 «Гібридні та монолітні інтегральні пристрої мікрохвильового діапазону» 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;
експрес-контроль з практичних занять. Контроль проводиться у вигляді перевірки завдання по темі практичного заняття;
модульну контрольну роботу;
виконання РГР;
відповідь на екзамені;

Штрафні та заохочувальні бали:

не допуск до лабораторної роботи у зв’язку з неправильною

відповіддю на експрес-контролі мінус 2 бали

активна участь у семінарських 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 4 бали
повна відповідь з неістотними помилками 2 бали
неправильна відповідь 0 балів

Максимальна сума балів за експрес-контроль 16 балів

Захист лабораторних робіт (ЛР)

повна відповідь при захисті ЛР 4 бали
неповна відповідь при захисті ЛР 2 бали
незадовільна відповідь при захисті ЛР 0 балів

Максимальна сума балів за ЛР 16+16=32 балів

Контроль з практичних занять

повна відповідь 1 бал
неправильна відповідь 0 балів

Максимальна сума балів за контроль практичних занять 5 балів

Модульний контроль МКР :

повна відповідь 6 балів
відповідь має неістотні неточності 4 бали
відповідь неповна, є істотні помилки 2 бали
незадовільна відповідь, немає відповіді 0 балів

Максимальна сума балів за МКР 6 балів

РГР

правильний розрахунок з детальним описом
і приведеною програмою, зроблені висновки 17балів
неповний розрахунок з неістотними помилками 9 балів
розрахунок неправильний 0 балів

Максимальна сума балів за РГР 17 балів

Розрахунок шкали рейтингу

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

R_сем= 32+ 6+5+17 = 60 балів

Екзаменаційна оцінка шкали RD дорівнює 40% і становить 40 балів:

RD= R_сем + R_екз = 60 + 40 = 100 балів

Умовою допуску до екзамену є сума балів не менше 0,5* Rсем тобто > 30 балів, відсутність заборгованостей з лабораторних робіт та виконання РГР.

Студентам, які мають Rсем менше 30 балів, протягом останнього тижня семестру надається можливість підвищити Rсем та отримати допуск до семестрового екзамену.

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

Приблизна тематика РГР

Розрахунок параметрів інтегральних ліній передачі
Розрахунок вузлів широкосмугового узгодження на МСЛ
Розрахунок топології ФНЧ на МСЛ
Розрахунок топології вузлів електронно-керованих НВЧ пристроїв на p-i-n діодах
Розрахунок хвилеводно-планарних смугових фільтрів
Розрахунок ГІС транзисторних пристроїв НВЧ діапазону

Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

Проведення семінарів та лабораторних робіт спрямовано на засвоєння лекційного матеріалу шляхом дослідження експериментальних характеристик реальних вузлів НВЧ пристроїв: хвилеводно-планарних фільтрів, фазових маніпуляторів на p-i-n діодах, гібридно-інтегральних транзисторних підсилювачів, а також застосування викладених методик розрахунку пристроїв та систем на їх основі.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 - Дослідження характеристик гібридно-інтегральних смугових фільтрів міліметрового діапазону довжин хвиль.

Обладнання: стандартний панорамний вимірювач КСХ і ослаблення (2 блоки: генераторний Р2-66 та індикаторний Я2Р-67), спеціально розроблені і виготовлені в НВЧ лабораторії каф. РТС зразки хвилеводно-планарних смугових фільтрів з різними параметрами АЧХ.

1 стенд, 4 робочих місця.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 - Дослідження ГІС транзисторних підсилювачів міліметрового діапазону. Вимірювання лінійних характеристик.

Обладнання: стандартний панорамний вимірювач КСХ і ослаблення (2 блоки: генераторний Р2-66 та індикаторний Я2Р-67), поляризаційний атенюатор ПА-35, спеціально розроблений і виготовлений в НВЧ лабораторії каф. РТС зразок транзисторного підсилювача на МСЛ з трансформаторами узгодження для включення в хвилеводний тракт 18-25 ГГц, блок живлення.

1 стенд, 4 робочих місця.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3 - Дослідження ГІС p діодного фазового 0-π маніпулятора.

Обладнання: стандартний панорамний вимірювач КСХ і ослаблення (2 блоки: генераторний Р2-66 та індикаторний Я2Р-67), вимірювальна лінія РІ-30, осцилограф, спеціально розроблений і виготовлений в НВЧ лабораторії каф. РТС зразок фазового 0-π маніпулятора, блок перемикача фази.

1 стенд, 4 робочих місця.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 - Вимірювання коефіцієнта шуму ГІС транзисторного малошумного підсилювача і тангенціальної чутливості приймального пристрою з ним на вході

Обладнання: стандартний генератор коливань гетеродина (частота 18-22 ГГц), стандартний генератор сигналу (частота 18-22 ГГц), ножовий і поляризаційний атенюатори, осцилограф, мілівольтметр, спеціально розроблені в НВЧ лабораторії каф. РТС змішувач приймача, підсилювач проміжної частоти зі смуговим фільтром і детектором.

1 стенд, 4 робочих місця.

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Омеляненко М. Ю.; Турєєва О. В.;
Ухвалено кафедрою РТС (протокол № 06/25 від 26.06.2025 )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № 06-2025 від 26.06.2025 )