Антенны, СВЧ устройства и их технологии

ВЫСШАЯ АТТЕСТАЦИОННАЯ КОМИССИЯ
Утверждено
Постановление президиума
ВАК Беларуси
от "___"________2002__ № _
ПРОГРАММА–МИНИМУМ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 05.12.07
«Антенны, СВЧ устройства и их технологии»
Минск – 2002
УТВЕРЖДЕНО
Первый
заместитель
Министра
образования Республики Беларусь
_________________________А.И.Жук
"____"____________200__ г.
УТВЕРЖДЕНО
Проректор по научной работе БГУИР
____________________В.В.Муравьев
"___"__________________2001 г.
РЕКОМЕНДОВАНО
К УТВЕРЖДЕНИЮ
Экспертный совет № ____________
(протокол от "___"______200__, №___)
Председатель экспертного совета
Разработчики:
Кураев А.А., д.ф.-м.н., профессор,
зав.каф. АиУСВЧ БГУИР
Юрцев О.А., д.т.н., профессор
каф. АиУ СВЧ БГУИР
Тамело А.А., к.т.н., доцент
каф. АиУ СВЧ БГУИР
СОГЛАСОВАНО
Председатель совета Д 02.15.02
_____________________В.В.Муравьев
"_____"______________2001 г.
Одобрено на заседании кафедры А и У СВЧ БГУИР
(протокол от "____"___________2001 г.
№_____)
Зав.кафедрой______________________А.А.Кураев
Рецензенты (эксперты): научно-технический совет по радиотехнике и связи
( протокол №
от «_____»____________2001 г.)
Председатель совета___________________В.А.Чердынцев
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
1. Общие методические рекомендации
Расширение области применения и достижения в создании современных типов СВЧ
устройств и антенн предопределяют новые подходы к их изучению и проектированию. В
связи с освоением КВЧ диапазона появились новые по механизму действия электронные и
твердотельные усилители и генераторы СВЧ и КВЧ, которые также требуют подробного их
изучения. Использование пиковых мощностей порядка 3-15 ГВт в мощных
радиолокационных системах и системах ПРО нового поколения также привело к изменению
конструкций и характеристик СВЧ элементов и антенных комплексов.
Указанные изменения нашли отражение во всех разделах данной программы. К
сожалению, в последние годы прекращен выпуск учебников по современным проблемам
теории и техники антенн и СВЧ устройств. Эту проблему можно обойти, воспользовавшись
весьма обстоятельными обзорами, публикуемыми в ежемесячном журнале «Зарубежная
радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники» за 1992-2002 годы.
2. Содержание курса
1) Теория электромагнитного поля.
1.1. Уравнения Максвелла. Дифференциальная и интегральная формы. Материальные
уравнения.
1.2. Граничные условия для нормальных и тангенциальных составляющих
электромагнитного поля (ЭМП).
1.3. Энергия электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойтинга. Теорема взаимности.
1.4. Электромагнитные волны в свободном пространстве. Линейная и круговая
поляризации. Вращение плоскости поляризации в гиротропных средах.
1.5. Преломление и отражение плоских волн на границах раздела двух сред.
1.6. Излучение электромагнитных волн. Ближняя и дальняя зоны.
1.7. Дифракция. Приближение Гюйгенса-Кирхгофа. Геометрическая теория
дифракции.
2) Волноводы и устройства СВЧ.
2.1. Линии передачи энергии СВЧ (волноводы). Технические характеристики:
погонное затухание, дисперсия, электропрочность, волновое сопротивление. Типы волн.
Одномодовый и многомодовый режимы работы волноводов.
2.2. Элементы волноводных трактов и согласующих устройств:
- коаксиальные линии – опорные шайбы, резонаторы, сочленения с другими линиями
передачи;
- прямоугольные волноводы: возбуждающие устройства, элементы согласования,
диафрагмы, фланцы, щели, штыри;
- круглый волновод: возбуждающие устройства, фланцы, вращающиеся сочленения,
фильтры типов волн, поляризационные устройства;
- микрополосковые линии: резонаторы, элементы связи, согласующие устройства,
шлейфы;
- оптические волноводы: возбуждающие устройства, согласующие устройства.
2.3. Матричная теория цепей СВЧ. Определение пассивного линейного
многополюсника СВЧ. Матрицы рассеяния. 6- и 8-полюсники СВЧ. Синтез и анализ цепей
СВЧ. САПР для цепей СВЧ.
2.4. Направленные ответвители и делители мощности. Направленные ответвители на
связанных линиях передачи. Щелевой мост. Двойной Т-мост. Гибридное кольцо. Аналоги на
микрополосковых линиях. Принцип декомпозиции сложного устройства СВЧ для САПР.
2.5. Фильтры. Фильтры с оптимальными частотными характеристиками. Конструкции
многорезонаторных фильтров на основе волноводных, коаксиальных и микрополосковых
трактов. Ступенчатые и плавные согласующие переходы с оптимальными частотными
характеристиками. Фильтры на поверхностных акустических фильтрах (ПАВ).
2.6. Управляющие устройства СВЧ. Механические и газоразрядные коммутаторы.
Антенные переключатели. Р- -п диоды в коммутирующих устройствах. Схемы диодных
фазовращателей.
2.7. Ферритовые устройства. Перестраиваемые фильтры. Фазовращатели. Вентили и
циркуляторы.
3) Антенны и антенные системы.
3.1. Вибраторные антенны. Диаграмма направленности вибратора и сопротивление
излучения. Петлевой, шунтовой, несимметричный, Г-образный вибраторы.
3.2. Щелевые антенны. Щелевая антенна в плоском экране. Вибраторный аналог
щелевого излучателя. Щелевой излучатель в прямоугольном волноводе. Микрополосковые
излучатели и их эквивалентные схемы. Резонансные и нерезонансные волноводно-щелевые
антенны.
3.3. Параметры антенн. Диаграмма направленности. Ширина главного луча и уровень
боковых лепестков. Коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент полезного
действия (КПД), коэффициент усиления антенны. Фазовые и поляризационные свойства
поля излучения антенн. Применения теоремы взаимности к расчету приемной антенны.
Шумовая температура приемной антенны и приемного тракта СВЧ. Взаимное сопротивление
и взаимное влияние системы двух или нескольких антенн. Электромагнитная совместимость
антенных систем.
3.4. Линейные излучающие системы и антенны бегущей волны. Идеальный линейный
излучатель. Режимы излучения: поперечный, осевой, наклонный. Ширина луча и КНД в
различных режимах. Характеристика направленности равномерной линейной антенной
решетки. Способы подавления побочных максимумов. КНД антенной решетки.
Диэлектрические спиральные, импедансные, директорные, логопериодические и
логоспиральные антенны.
3.5. Апертурные антенны. Сведение неплоских апертур к эквивалентным плоским.
Характеристика направленности плоской апертуры. Электрическое отклонение луча в
плоской апертуре.
3.6. Сканирующие фазированные антенные решетки (ФАР). Плоские ФАР.
Размещение излучателей в апертуре ФАР и условия отсутствия побочных главных
максимумов. Синтез диаграмм направленности заданной формы.
3.7. Антенны СВЧ. Рупорные антенны: пирамидальные, биконические и коробчатые.
Линзовые антенны: условия обеспечения синфазности на раскрыве линзы; зонирование линз;
методы сканирования главным лучом. Зеркальные антенны: параболические,
цилиндрические и сферические. Зеркальные антенны переменного профиля.
3.8. Элементы статистической теории антенн. Статистические параметры
амплитудно-фазового распределения. Средняя диаграмма направленности. Средний и
предельный КНД антенны.
3.9. Численные методы анализа антенн. Решение внутренней задачи теории антенн на
основе интегральных уравнений для тока. Численное решение внешней задачи теории
антенн.
3.10. Антенные системы с обработкой сигнала. Моноимпульсные антенны с
амплитудной и фазовой пеленгацией и суммарно-разностной обработкой сигнала. Антенны с
синтезированной апертурой. Адаптированные антенные решетки.
4) Генераторы и усилители СВЧ.
4.1. Генераторы со статическим управлением. Генератор с обратной связью.
Разрезной магнетрон. Диодные генераторы СВЧ. Генераторы на диодах Ганна, лавинопролетных и туннельных диодах. СВЧ транзисторы: биполярные и полевые. Генераторы
СВЧ на транзисторах. Малошумящие и усилители мощности на транзисторах.
Приборы на резонансно-туннельных эффектах. Перспективы квантовых приборов в
СВЧ устройствах и системах. Терабитные импульсные устройства на основе приборов новых
типов.
4.2. Принципы динамического управления электронным потоком. Модуляция по
скорости. Инерционная группировка (0-типа). Силовая группировка в скрещенных
электрическом и магнитном поле (М-типа). Гирорезонанс.
4.3. Генераторы СВЧ: клистроны, магнетроны, гиротроны, ЛСЭ, ЛОВ.
4.4. Усилители электромагнитных колебаний СВЧ: клистроны, ЛБВ, гироклистроны,
гиро-ЛБВ, убитроны.
ЛИТЕРАТУРА
Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1973.
Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971.
Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. Радио, 1974.
Фальковский О.И. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1978.
Фрадкин А.Л. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1977.
Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975.
Сазонов Д.М.., Гридин А.И., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высш. Школа,
1981.
8. Аверьянов В.Я. Устройства СВЧ, ч.1, 2, М.: МРТИ, 1981, 1982.
9. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике.
М.: Сов. Радио, 1973.
10. Цейтлин М.Б., Фурсаев М.А., Бецкий О.В. Сверхвысокочастотные усилители со
скрещенными полями. М.: Сов. Радио, 1978.
11. Кураев А.А. Сверхвысокочастотные приборы с периодическими электронными
потоками. Мн.: Наука и техника, 1971.
12. Кураев А.А. Мощные приборы СВЧ. Методы анализа и оптимизации параметров.
М.: Радио и связь, 1986.
13. Антенны и устройства СВЧ (под ред. Д.И. Воскресенского). М.: Радио и связь,
1981.
14. Чаплин А.Ф. Анализ и синтез антенных решеток. Львов: Высшая школа, 1987.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. М.:
Радио и связь, 2000.
2. Айзенберг Г.З., Янпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенна УКВ. 4.1,2. М.: Связь,
1977.
3. Шур М.С. Приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1984.