Министерством образования Республики Беларусь « 24 » июня 2001 г.

Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД -163 / тип
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ 39 01 01 «РАДИОТЕХНИКА»,
39 01 02 «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
3
Составители:
B.М. Дашенков - заведующий кафедрой теоретических основ радиотехники
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, доктор физико-математических наук, профессор;
А.К. Битус - доцент кафедры теоретических основ радиотехники Белорусского
государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат
технических наук.
Рецензенты:
В.С. Анищенко - заведующий кафедрой радиофизики Саратовского
государственного университета (Россия), доктор физико-математических наук,
профессор;
И.И. Салий - заведующий кафедрой электрорадиотехники Саратовского
государственного университета (Россия), доктор физико-математических наук,
профессор;
П.Д. Кухарчик - заведующий кафедрой радиофизики Белорусского
государственного университета, доктор физико-математических наук,
профессор, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой теоретических основ радиотехники Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 13 ноября
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована c:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию в области электрорадиотехники и информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
4
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа курса «Радиотехнические цепи и сигналы» (РЦС)
разработана для студентов специальностей 39 01 01 «Радиотехника» и
39 01 02 «Радиотехнические системы».
Цель курса РЦС состоит в глубоком освоении студентами теоретических
основ радиотехники и использовании полученных знаний в качестве базы при
изучении всех последующих радиотехнических дисциплин.
В курсе РЦС излагаются основные идеи и методы современной
радиотехники, изучаются свойства сигналов, помех и их преобразования в
различных радиотехнических цепях.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных
стандартов и рассчитана на объем 170 аудиторных учебных часов. Примерное
распределение часов по видам занятий: лекций – 102 часа, лабораторных работ
и практических занятий – 68 часов.
В результате освоения курса РЦС студент должен
знать:
- основы общей теории сигналов и цепей;
- методы анализа детерминированных и случайных сигналов;
- методы анализа линейных, нелинейных и параметрических радиотехнических
цепей;
- основные свойства преобразования сигналов в радиотехнических цепях;
- элементы теории оптимальной линейной фильтрации сигналов;
уметь:
- рассчитывать временные и спектральные характеристики сигналов при
прохождении их через радиотехнические цепи;
- определять функциональную пригодность конкретных цепей для осуществления заданных преобразований сигналов;
- применять цифровые ЭВМ при решении задач анализа и преобразования
детерминированных и случайных сигналов;
приобрести навыки:
- расчета характеристик цепей и сигналов;
- владения основными методами расчета процессов преобразования сигналов
при их прохождении через радиотехнические цепи;
- экспериментального исследования цепей, сигналов и их характеристик.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Радиоэлектроника и области ее применения. Классификация
радиотехнических сигналов и цепей. Основная задача радиотехники - передача
информации на расстояние. Канал связи. Обобщенные характеристики
5
сигнала и канала связи. Частоты, используемые в радиотехнике. Проблема
борьбы с помехами. Основные тенденции развития радиотехники.
1. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИГНАЛОВ
Виды сигналов и их характеристики. Геометрические методы в теории
сигналов.
Векторное представление
сигналов.
Норма и энергия.
Спектральное представление сигналов. Обобщенный ряд Фурье. Системы
базисных функций. Погрешность аппроксимации рядом Фурье. Неравенство
Бесселя. Теорема Парсеваля.
2. СПЕКТРАЛЬНЫЙ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗЫ СИГНАЛОВ
Гармонический анализ периодических сигналов. Спектр периодического
сигнала.
Комплексная и тригонометрическая формы ряда Фурье.
Действительная
и
мнимая
составляющие, модуль и фаза спектра.
Распределение энергии в спектре периодического сигнала.
Дискретное
преобразование Фурье.
Примеры разложения в ряд Фурье некоторых
периодических сигналов.
Гармонический
анализ непериодических
сигналов.
Спектр
непериодического
сигнала.
Связь между спектрами одиночного
и
периодического сигналов.
Основные свойства преобразования Фурье. Теоремы о спектрах:
сложения, запаздывания, сжатия, смещения, о производной, об интеграле, о
произведении функций, дуальности. Распределение энергии в спектре
непериодического сигнала.
Спектры некоторых сигналов: гауссового, прямоугольного, треугольного,
экспоненциального. Испытательные сигналы: дельта-функция, единичный
скачок и их спектры.
Связь между длительностью импульса и шириной его спектра.
Соотношение «неопределенности».
Дискретизация непрерывных сигналов. Теорема
отсчетов.
Ряд
Котельникова. Теорема отсчетов в частотной области. Число степеней
свободы сигнала.
Корреляционный анализ детерминированных сигналов.
Свойства
корреляционных функций. Соотношение между корреляционной функцией и
спектром сигнала.
3. МОДУЛИРОВАННЫЕ КОЛЕБАНИЯ
(РАДИОСИГНАЛЫ)
Общие определения. Виды модуляции.
6
Амплитудная модуляция. Спектральное и векторное представления АМ
сигналов. Энергетические соотношения при АМ. Балансная и однополосная
модуляции.
Угловая модуляция. Фаза и мгновенная частота. Фазовая и частотная
модуляции, сходство и различие между ними. Гармоническая УМ. Спектры
ЧМ и ФМ колебаний. Энергетические соотношения при УМ.
ЛЧМ-сигнал, его база, спектр и функция корреляции.
Смешанная АМ-УМ и ее спектр.
Корреляционная функция модулированных колебаний.
Узкополосные сигналы и их обобщенное представление.
Аналитический сигнал, его спектральная и временная характеристики.
Соотношения Гильберта. Комплексная огибающая сигнала.
Сравнительная оценка модулированных радиосигналов. Требования к
спектрам радиосигналов, обусловленные проблемами электромагнитной
совместимости.
4. ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Классификация радиотехнических цепей и их параметры. Импульсная,
переходная и частотная характеристики линейной цепи, их свойства.
Минимальнофазовые и неминимальнофазовые цепи.
Активные цепи. Характеристики активных цепей. Схемы замещения.
Влияние обратных связей на характеристики цепей.
Критерии
устойчивости линейных цепей: Рауса-Гурвица, Найквиста, Михайлова.
5. ПРОХОЖДЕНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ
Методы анализа линейных цепей во временной и частотной областях.
Спектральный метод и его связь с другими методами, достоинства и
недостатки.
Дифференцирующие и интегрирующие цепи, их реализация и
характеристики. Прохождение через дифференцирующие и интегрирующие
цепи прямоугольных импульсов.
Избирательные цепи, их реализация и характеристики. Понятие о
низкочастотном аналоге избирательной радиоцепи.
Расчет прохождения
сигналов через избирательные цепи методом комплексной огибающей.
Прохождение через избирательные цепи АМ и ЧМ сигналов.
6. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА
Общие сведения о нелинейных цепях. Нелинейные элементы, их
характеристики и параметры. ВАХ нелинейных цепей. Аппроксимация
7
нелинейных характеристик. Балансные цепи с четными и нечетными
характеристиками.
Режимы
«слабых»
и
«сильных»
сигналов.
Преобразование спектра сигнала в нелинейной безынерционной цепи при
аппроксимации ВАХ степенным полиномом. Гармоническое, бигармоническое
и полигармоническое воздействия на входе. Комбинационные частоты.
Преобразование спектра сигнала при кусочно-линейной аппроксимации
ВАХ. Метод угла отсечки. Коэффициенты гармонических составляющих.
Анализ колебаний в линейных и нелинейных цепях методом фазовой
плоскости. Сущность метода, основные определения. Фазовые траектории,
особые точки, изоклины. Предельные циклы. Характер движения и типы
особых точек. Фазовые портреты. Методы их построения.
7. ОСНОВНЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
Преобразование спектра
сигнала в параметрических цепях.
Комбинационные частоты. Отличие от преобразования в нелинейных цепях.
Нелинейное резонансное усиление колебаний.
Режимы работы и
параметры усилителей.
Умножение частоты. Резонансные умножители. Идеальные умножители.
Параметрические умножители.
Амплитудная модуляция. Схемы, параметры и основные характеристики
амплитудных модуляторов. Балансный модулятор.
Угловая модуляция. Прямые и косвенные методы получения колебаний с
УМ.
Выпрямление колебаний. Схемы и параметры однополупериодных и
двухполупериодных выпрямителей.
Детектирование АМ сигналов. Линейное и квадратичное детектирование.
Детектирование сигналов БМ, без одной боковой и с одной боковой
полосой.
Параметрическое (синхронное) детектирование.
Детектирование колебаний с угловой модуляцией. Основные идеи,
методы и схемы.
Преобразование частоты. Балансный и кольцевой преобразователи
частоты.
8. АВТОГЕНЕРАТОРЫ
Структурная схема автоколебательной системы. Обратная связь. Роль
нелинейности. Энергетические соотношения. Мягкий и жесткий режимы
работы.
Фазовая плоскость автоколебательных систем. Возможность применения
критериев устойчивости линейных систем к анализу нелинейных систем.
8
Нелинейное дифференциальное уравнение генератора и его решение в
линейном приближении. Недостатки линейного приближения.
Стационарный режим генератора. Квазилинейный метод анализа.
Уравнение стационарности. Баланс амплитуд и баланс фаз. Определение
амплитуды колебаний методом кривой средней крутизны. Стабильность
частоты. Достоинства и недостатки квазилинейного метода.
Переходный режим генератора.
Методы решения нелинейных
дифференциальных уравнений. Решение нелинейного уравнения Ван-дерПоля методом медленно меняющихся амплитуд. «Укороченные» уравнения.
Закон установления амплитуды при различных начальных условиях.
Схемы генераторов.
Трехточечные генераторы с емкостной и
индуктивной связями.
Генераторы на двухполюсниках с отрицательным сопротивлением.
Условия самовозбуждения генераторов с характеристиками N- и S-типов.
RC-генераторы гармонических колебаний. Цепи обратной связи.
Влияние отрицательной обратной связи на форму колебаний.
Схемы
генераторов.
Автоколебательные системы первого порядка, их особенности и
реализация.
Релаксационные генераторы второго порядка. Переход от гармонических
колебаний к релаксационным. Блокинг-генератор. Мультивибратор.
9. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ
И УСИЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ
Общие сведения. Энергетическая трактовка процесса возбуждения
колебаний в контуре при периодическом изменении емкости. Условия
самовозбуждения.
Дифференциальное уравнение контура с переменной
реактивностью.
Области
возбуждения. Параметроны - емкостной
и
индуктивный. Стационарный режим работы параметрического генератора.
Механизмы ограничения амплитуды колебаний.
Усиление колебаний в параметрических цепях. Энергетические
соотношения Мэнли-Роу, их физический смысл и применение для
исследования различных режимов преобразования колебаний. Одноконтурный
параметрический усилитель. Двухконтурные параметрические усилители.
Параметрические устройства СВЧ.
10. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
Детерминированный и вероятностно-статистический подходы к изучению
сигналов. Первичные сведения о случайных процессах. Ансамбль реализаций
случайного процесса.
Функция распределения.
Законы распределения
9
вероятностей случайных процессов. Одномерная и многомерные плотности
вероятности.
Моментные функции случайных процессов. Центральные моментные
характеристики. Математическое ожидание, средний квадрат, дисперсия
процесса. Корреляционные моменты случайных процессов. Корреляционная
функция, как мера статистических связей. Характеристическая функция
случайных процессов.
Закон распределения вероятностей суммы случайных процессов.
Стационарные и нестационарные случайные процессы, их моментные
характеристики.
Эргодические случайные процессы.
Принцип статистического
усреднения по времени.
Спектральные характеристики случайных сигналов, и их отличие от
спектральных характеристик детерминированных сигналов. Связь между
спектральной плотностью мощности случайного процесса и корреляционной
функцией сигнала, устанавливаемая теоремой Винера-Хинчина. Соотношение
между шириной спектра и интервалом корреляции.
Формулировка центральной предельной теоремы.
Примеры ее
применения.
Модели случайных процессов. Нормальный случайный процесс, «белый»
шум. Их статистические характеристики.
Узкополосные нормальные случайные сигналы. Вероятностные
характеристики огибающей и фазы.
Вероятностные характеристики огибающей и фазы суммы узкополосного
нормального случайного сигнала и гармонического сигнала.
11. ПРОХОЖДЕНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ
Линейные преобразования случайных процессов. Корреляционная и
спектральная характеристики на выходе цепи.
Эффект нормализации случайных сигналов в узкополосных цепях.
Дифференцирование
и
интегрирование
случайных
сигналов.Корреляционная
функция. Условия дифференцируемости и
интегрируемости.
12. ПРОХОЖДЕНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
ЧЕРЕЗ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ
Воздействие случайных сигналов на нелинейные безынерционные
цепи. Преобразование одномерной плотности вероятности. Корреляционная и
спектральная характеристики на выходе цепи.
10
Воздействие узкополосной нормальной помехи на линейный и
квадратичный детекторы АМ сигналов. Эффект «расширения» спектра помехи
при детектировании. Анализ соотношения сигнал/помеха на выходе АМ
детектора.
Сравнение помехоустойчивости линейного и квадратичного
детекторов.
Анализ воздействия узкополосного нормального шума и сигнала на
детектор ЧМ. Выигрыш в соотношении сигнал/помеха при использовании
ЧМ сигналов.
13. ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ЛИНЕЙНОЙ
ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ
Прием сигналов на фоне помех как статистическая задача. Понятие о
согласованной оптимальной фильтрации сигналов.
Передаточная характеристика согласованного фильтра в приближении
помехи типа «белый» шум. Физические процессы в фильтре, согласованном с
сигнлом.
Импульсная характеристика согласованного фильтра. Форма сигнала и
статистические характеристики помехи на выходе согласованного фильтра.
Условия физической реализуемости согласованных фильтров.
Структура оптимального приемника при нормальной помехе. Отношение
сигнал/шум на выходе корреляционного приемника.
Решение задачи согласованной фильтрации при «небелом» шуме.
Формирование сигналов, согласованных с заданным фильтром.
Примеры реализации согласованных фильтров для различных сигналов.
Реализация согласованной фильтрации с помощью устройств на
поверхностных акустических волнах.
14. ДИСКРЕТНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ.
ЦИФРОВЫЕ ФИЛЬТРЫ
Понятие о дискретной обработке сигналов.
Алгоритм быстрого
преобразования Фурье. Алгоритм дискретной свертки.
Принцип действия цифровых фильтров. Понятие о рекурсивных и
нерекурсивных цифровых фильтрах. Примеры их синтеза.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1.
2.
3.
4.
5.
Спектральный анализ сигналов.
Корреляционный анализ сигналов.
Дискретизация сигналов. Теоремы отсчетов.
Линейные цепи.
Нелинейные цепи.
11
6. Модулированные колебания.
7. Фазовая плоскость линейных и нелинейных систем.
8. Автогенераторы гармонических сигналов.
9. Параметрические цепи и колебания.
10. Законы распределения случайных сигналов.
11. Преобразование случайных сигналов в линейных и нелинейных цепях.
12. Корреляционный анализ случайных сигналов.
13. Оптимальная линейная фильтрация сигналов.
14. Цифровая фильтрация сигналов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Исследование спектров видео- и радиосигналов
2. Корреляционный анализ детерминированных сигналов.
3. Исследование способов дискретизации сигналов (теорема Котельникова).
4. Исследование прохождения сигналов через линейные цепи.
5. Исследование различных нелинейных преобразований сигналов.
6. Исследование амплитудной и угловой модуляций.
7. Исследование процессов выпрямления и детектирования АМ сигналов.
8. Исследование процессов детектирования УМ сигналов.
9. Исследование LC и RC генераторов.
10. Исследование колебаний в параметрических цепях.
11. Исследование движения линейных и нелинейных систем на фазовой
плоскости.
12. Исследование законов распределения случайных сигналов.
13. Исследование линейных и нелинейных преобразований случайных сигналов
в радиотехнических цепях.
14. Корреляционный анализ случайных сигналов.
15. Исследование оптимальной линейной фильтрации.
16. Исследование цифровой фильтрации сигналов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Анализ прохождения сигналов заданной формы через линейные цепи
спектральным методом.
2. Анализ прохождения сигналов заданной формы через линейные цепи
временным методом.
3. Анализ прохождения сигналов заданной формы через нелинейные цепи.
4. Анализ прохождения случайных сигналов через линейные и нелинейные
цепи.
12
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
1. Специальный программный комплекс, разработанный на кафедре
теоретических основ радиотехники Белгосуниверситета информатики и
радиоэлектроники, для компьютерного сопровождения лекций, проведения
практических занятий, лабораторных и курсовых работ.
2. Пакеты прикладных программ MICROCAP, MATLAB, MATCAD,
DERIVE, MAPLE , STATISTIKA и др.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь,
1986.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высш. шк., 1986.
3. Радиотехнические цепи и сигналы / Под ред. К.А. Самойло. - М.: Радио и
связь, 1982.
4. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей.- М.:
Связь, 1975.
5. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1982.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. В 2-х ч. / Пер. с англ. - М.: Мир,
1982.
2. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Радио
и связь, 1989.
3. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры.- М.: Сов. радио, 1980.
4. Прикладные математические методы анализа в радиотехнике / Под ред.
Г.В Обрезкова. - М.: Высш. шк., 1985.
5. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Сов. радио, 1982.
13
14
Утверждена
Заместитель министра образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД – 164 / тип
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ 39 01 01 «РАДИОТЕХНИКА»,
39 01 02 «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
15
Составитель:
А.А. Кураев - заведующий
кафедрой «Антенны и устройства СВЧ»
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, доктор физико-математических наук, профессор.
Рецензенты:
Кафедра радиофизики Белорусского государственного университета
(протокол № 2 от 5 сентября 2000 г.);
Ю.П. Воропаев - профессор кафедры радиотехники Военной академии
Республики Беларусь, доктор технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой антенн и устройств СВЧ Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 2 от 18 сентября
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована c:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию в области электрорадиотехники и информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высешй школы БГУ.
16
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Цель преподавания дисциплины – освоение студентами основ теории
электромагнитного поля, современных методов решения краевых задач
электродинамики для базовых элементов СВЧ волноводов и резонаторов,
физики возбуждения электромагнитных волн, дифракции, преломления и
отражения, включая случаи неоднородных и анизотропных сред.
Основными задачами изучения дисциплины в соответствии с учебным
планом и квалификационной характеристикой специальности являются:
- овладение фундаментальными знаниями в области электромагнитной теории;
- изучение современных методов решения прикладных задач электродинамики,
включая методы преобразования координат, вариационные и проекционные
методы;
- изучение электромагнитных полей в волноводах и резонаторах;
- изучение явлений дифракции, процессов преломления и отражения волн в
различных средах;
- освоение машинных методов расчета и методов изменения параметров СВЧ
узлов и трактов.
Студенты должны уметь:
- правильно оценивать функциональное назначение и требования к параметрам
типов линий передачи, элементов и устройств СВЧ, на основе которых
конструируются СВЧ элементы РТУ и РТС;
- производить расчет на ПЭВМ и комбинационный синтез СВЧ элементов РТУ
и РТС;
- измерять параметры и характеристики узлов РТУ и РТС;
- самостоятельно разбираться в научно-технической литературе по технике
СВЧ и СВЧ узлам РТУ и РТС.
Изучение курса «Электродинамика и распространение радиоволн»
базируется на знаниях, приобретенных студентами при изучении следующих
дисциплин:
- «Высшая математика» – разделы «Уравнения математической физики»,
«Векторный анализ», «Специальные функции»;
- «Физика» – разделы «Электромагнетизм», «Оптика»;
- «Электротехника» – разделы «Резонансные цепи», «Теория длинных линий».
Курс «Электродинамика и распространение радиоволн» обеспечивает
изучение следующих дисциплин:
- «Антенны и устройства СВЧ»
- «СВЧ и квантовые приборы»;
- «Радиоприемные устройства»;
- «Радиотехнические системы»;
- «Электромагнитная совместимость»;
- «Системы мобильной радиосвязи».
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта и рассчитана на объем 120 учебных часов. Примерное распределение
17
учебных часов по видам занятий: лекций - 88 часов, лабораторных работ - 16
часов, практических занятий - 16 часов.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
ВВЕДЕНИЕ
Предмет электродинамики. Квазистационарные и излучающие цепи.
Понятие «Электромагнитное поле» (ЭМП). ЭМП и заряды. СВЧ и оптический
диапазоны. Электродинамические методы и роль машинного проектирования и
оптимизации устройств и приборов СВЧ. Области применения
электродинамических систем и устройств.
Тема 1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной
формах. Теоремы Стокса, Грина и Остроградского-Гаусса. Векторные
тождества. Постулаты теории Максвелла. Закон сохранения заряда. Физическое
содержание каждого из уравнений Максвелла. Материальные уравнения.
Нелинейный и линейный случаи.
Изотропные и анизотропные среды.
Киральные (биизотропные и бианизотропные) среды. Поляризованность и
намагниченность
среды.
Тензоры
диэлектрической
и
магнитной
проницаемости.
Тема 2. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВЕКТОРОВ ЭМП
Граничные условия для тангенциальных и нормальных составляющих
векторов ЭМП на границе раздела двух сред в макроскопическом
приближении. Излом границы. Условие Мейкснера. Граничные условия на
поверхности идеального проводника.
Тема 3. ЭНЕРГИЯ ЭМП
Мощность в электромагнитном поле. Сторонние токи. Баланс энергии в
ЭМП. Теорема Умова-Пойнтинга. Удельная энергия ЭМП. Вектор Пойнтинга,
его физическая адекватность плотности потока энергии ЭМП. Комплексные
амплитуды напряженностей ЭМП для монохроматических сигналов. Теорема о
комплексной мощности. Понятие о реактивной мощности. Полные
диэлектрические и магнитные потери.
Тема 4. ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ. ВОЛНОВЫЕ УРАВНЕНИЯ
Формулировки внутренней и внешней задач электродинамики. Теоремы
единственности для внутренней и внешней задач электродинамики. Волновые





уравнения для векторов
и
. Электродинамические потенциалы  и Ф и
волновые уравнения для них. Частное решение для свободного пространства
(запаздывающие потенциалы). Градиентная инвариантность потенциалов.
18

Электрический потенциал Герца  , его источники. Фиктивные магнитные
токи и заряды. Перестановочная двойственность уравнений Максвелла и
использование этого свойства при решении задач электродинамики.
m
m 
Магнитный вектор Герца  ,  z и Е - волны,  z и Н - волны. Граничные
 m
условия для  z ,  z на идеально проводящих координатных поверхностях.
Тема 5. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ И НАПРАВЛЯЕМЫЕ ВОЛНЫ.
ВОЛНОВОДЫ
Типы волноводов. Постановка и методы решения волноводных задач.
Собственные значения и собственные функции, их свойства. Характеристики Е
и Н волн в регулярных волноводах. Волновое сопротивление, фазовая и
групповая скорости волн. Связь продольных и поперечных составляющих



напряженностей  и
волн с собственной функцией, ее градиентом и
линиями уровня собственной функции. Структура полей Е и Н типов в
прямоугольном и круглом волноводах. Физическая картина распространения
волн в волноводе. Т-волны в многосвязных структурах. Регулярные
замедляющие
системы.
Нормальная
и
аномальная
дисперсии.
Пространственные гармоники. Потери и затухание волн в волноводах. Анализ
частотной зависимости постоянной затухания.
Тема 6. ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ СТОРОННИМИ ИСТОЧНИКАМИ
Лемма Лоренца. Теорема взаимности и ее следствия. Ортогональность
собственных волн в регулярных волноводах. Уравнения возбуждения
регулярных волноводов сторонними токами. Схемы возбуждения волноводов:
штырь, петля, щель, окно, электронный поток.
Тема 7. ТЕОРИЯ НЕРЕГУЛЯРНЫХ ВОЛНОВОДОВ
Неортогональные системы координат. Ковариантные и контравариантные
проекции векторов. Отображение произвольной нерегулярной внутренней
поверхности волновода на регулярный цилиндр единичного радиуса.
Контравариантные проекции уравнений Максвелла в преобразованной системе.
Проекционный метод Бубнова-Галеркина. Уравнения возбуждения связанных
волн нерегулярных волноводов сторонними электрическими и магнитными


токами. Переход к физическим векторам  и  . Периодически нерегулярные
волноводы - замедляющие системы. Невыполнение условий Флоке в
периодических нерегулярных волноводах.
Тема 8. РЕЗОНАТОРЫ
Типы резонаторов. Расчет полей резонаторов с помощью потенциалов
Герца. Собственные колебания и собственные частоты идеальных резонаторов.
Собственная, внешняя и нагруженная добротности резонатора. Расчет
19
собственной добротности резонатора. Уравнения возбуждения резонатора с
конечной проводимостью стенок. Потенциальные и соленоидальные поля.
Частотный и пространственный резонансы. Селективное возбуждение рабочего
типа колебаний. Возбуждение резонаторов штырем, петлей, щелью, окном,
электронным потоком.
Тема 9. ВАРИАЦИОННЫЕ И ПРОЕКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ
ВНУТРЕННИХ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Элементы вариационного исчисления, определения и основная теорема.
Уравнения экстремали. Идея и схема прямых вариационных методов решения
задач электродинамики. Методы Ритца и Трефтца. Алгоритмы решения задач.
Проекционные методы. Метод Бубнова-Галеркина. Пример - решение задачи о
колебаниях резонатора с некоординатной граничной поверхностью.
Раздел 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Тема 10. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭМВ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Расчет возбуждения и структура ЭМП элементарными электрическим и
магнитным диполями. Поля в ближней и дальней зонах. Формирование поля
излучения. Сферические волны. Плоские волны как приближение поля на
конечном участке сферической волны. Сопротивление излучения. Мощность
излучения. Эквивалентные источники ЭМП. Поляризация волн. Потери и
затухания плоской ЭМВ.
Тема 11. ДИФРАКЦИЯ
Понятие о дифракции ЭМВ. Принцип Гюйгенса. Формула Кирхгофа.
Зоны Френеля. Форма и размеры области, существенной для распространения
радиоволн. Дифракция ЭМВ от непроводящих непрозрачных препятствий.
Тема 12. ОТРАЖЕНИЕ И ПРОХОЖДЕНИЕ ПЛОСКИХ ЭМВ
НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД
Нормальное падение плоской ЭМВ на границу раздела двух сред.
Коэффициент прохождения и коэффициент отражения. Условия согласования.
Наклонное падение плоской волны на границу раздела двух сред.
Горизонтальная и вертикальная поляризации. Формулы Френеля для
коэффициентов отражения и прохождения. Законы Снеллиуса. Анализ угловых
зависимостей модуля и фазы коэффициента отражения в случае идеальных
диэлектриков. Критические углы и угол Брюстера. Среды с потерями.
Приближенные граничные условия Щукина-Леонтовича.
Тема 13. ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Влияние отражений от земной поверхности на характеристики
направленности антенн. Интерференционный множитель, горизонтальная и
вертикальная поляризация волн. Неоднородная и неровная земная поверхность.
20
Критерий Релея. Формула Введенского. Учет сферичности земной поверхности.
Поверхностные волны. Формула Шулейкина - Ван дер Поля. Береговая
рефракция. Дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности.
Тема 14.РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ТРОПОСФЕРЕ
Строение тропосферы. Рефракция радиоволн в тропосфере. Уавнение
радиолуча. Эквивалентный радиус Земли. Нормальная рефракция.
Сверхрефракция. Потери и затухание волн в тропосфере. Рассеяние и
резонансные потери. Частотные зависимости коэффициента затухания ЭМВ в
тропосфере.
Тема 15. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ИОНОСФЕРЕ
Строение ионосферы. Основные слои. Суточные, сезонные и
географические изменения структуры. Диэлектрическая проницаемость
ионизированного газа без учета столкновений. Частота Ленгмюра. Рефракция
радиоволн в ионосфере. Критическая частота отражающихся от ионосферы
волн. Влияние столкновений электронов с тяжелыми частицами. Поглощение
радиоволн в ионизированном газе. Влияние магнитного поля земли на
распространение ЭМВ в ионосфере. Эффект Фарадея. Двойное
лучепреломление. Фазовые искажения радиоимпульса.
Тема 16. ГИРОТРОПНЫЕ СРЕДЫ. ФЕРРИТЫ
Понятие о гиротропных средах. Тензор магнитной проницаемости.
Структуры ферритов. Гиромагнитный резонанс. Тензор магнитной
проницаемости ферритов. Эффект Фарадея. Невзаимные и управляемые
устройства СВЧ на ферритах, в которых используются гиромагнитный
резонанс и эффект Фарадея.
Тема 17. ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭМП,
ОБЛАДАЮЩИХ СИММЕТРИЕЙ
Уравнения движения заряженных частиц в ЭМП в форме Лагранжа.
Трансляционная симметрия. Азимутальная симметрия. Вращающиеся поля.
Бегущие волны. Комбинированные интегралы движения. Роль интегралов
движения в анализе и расчетах взаимодействия потоков заряженных частиц с
ЭМВ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Особенности распространения СДВ, ДВ, СВ. Земные и ионосферные
волны. Суточные изменения условий распространения. Перекрестная
модуляция. Особенности распространения КВ. Ограничения рабочего
диапазона. Зоны молчания. Замирания. Радиоэхо. Нарушение связи при
ионосферных возмущениях. Космическая связь. Рабочий диапазон. Связь с
объектами, входящими в плотные слои атмосферы.
21
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Исследование прямоугольных волноводов.
2. Исследование колебаний  111 ,  011 ,  011 в цилиндрическом резонаторе.
3. Наклонное падение волн горизонтальной и вертикальной
поляризаций на плоскую отражающую поверхность.
4. Дифракция плоской волны на отверстии в поглощающем экране.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Расчет и исследование поля электрического и магнитного диполей.
2. Исследование структур сферической и плоской волн.
3. Расчет и исследование полей при наклонном падении плоской волны на
границу раздела изотропных сред с потерями.
4. Расчет и исследование структур полей в прямоугольном и круглом
волноводах.
5. Расчет коэффициента затухания заданных типов волн в прямоугольном и
круглом волноводах.
6. Расчет собственных добротностей резонаторов заданной конфигурации
для заданных типов колебаний.
7. Расчет и исследование эффекта Фарадея в круглом волноводе с соосным
продольно намагниченным ферритовым стержнем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.,
1973.
2. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение
радиоволн. - М.: Наука, 1989.
3. .Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. - М.: Связь,
1971.
4. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и
распространение радиоволн. - М., 1976.
5. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972.
6. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. - М.: Сов. радио, 1972.
7. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. - М.: Сов. радио, 1957.
8. Вайнштейн. Электромагнитные волны. - М.: Радио и связь, 1988.
9. Гольдштейн Л.Д., Зернов М.В. Электромагнитные поля и волны. - М.:
Сов.радио, 1971.
10. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. - М., 1968.
11. Никольский. В. И. Вариационные методы для внутренних задач
электродинамики. - М.: Наука, 1967.
22
12. Кураев А.А. Мощные приборы СВЧ. Методы анализа и оптимизации
параметров.- М.: Радио и связь, 1986.
13. Демидчик В.И. Электродинамика СВЧ.- Мн.: Университетское, 1992.
14. Машковцев Б.М, Цибизов К.Н., Емелин Б.Ф. Теория волноводов. - М.:
Наука, 1966.
15. Левин Л.. Теория волноводов. - М.: Радио и связь, 1981.
16. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Техника,
1965.
17. Кураев А.А., Байбурин В.Б., Ильин Е.М. Математические модели и методы
оптимального проектирования СВЧ приборов.- Мн: Наука и техника, 1990.
23
24
Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД -165 / тип
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ 39 01 01 «РАДИОТЕХНИКА»,
39 01 02 «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
25
Составители:
С.В. Дробот - доцент кафедры электроники Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук;
В.Б.
Рожанский
доцент
кафедры
электроники
Белорусского
государственного университета информатики и радиоэлектроники;
Ф.А. Ткаченко - доцент кафедры электроники Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук.
Под общей редакцией М.С. Хандогина.
Рецензенты:
Кафедра электроники Военной академии Республики Беларусь (протокол
№ 12 от 23 июня 2000 г.);
В.Н. Копусов - начальник отдела ОАО «МНИПИ», кандидат технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой электроники Белорусского государственного университета
информатики и радиоэлектроники (протокол № 10 от 30 октября 2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована с:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию
в
области
электрорадиотехники
и
информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
26
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Сверхвысокочастотные и квантовые приборы»
разработана для студентов специальностей 39 01 01 – «Радиотехника» и
39 01 02 – «Радиотехнические системы». Она предусматривает базовую
подготовку студентов, необходимую для успешного изучения специальных
дисциплин и последующего решения производственных и исследовательских
задач в соответствии с образовательными стандартами. Целью изучения
дисциплины является подготовка студентов к решению задач, связанных с
рациональным выбором приборов, их режима работы в различных
радиотехнических устройствах и системах.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных
стандартов и рассчитана на объем 51 учебный час. Примерное распределение
учебных часов по видам занятий: лекций – 34 часа, лабораторных работ – 17
часов.
В результате изучения курса «Сверхвысокочастотные и квантовые
приборы» студент должен:
знать:
– физические основы явлений и принципов действия электронных и квантовых
приборов СВЧ, их устройство, параметры и характеристики;
– схемы включения источников питания;
– условия безопасной работы с электронными и квантовыми приборами СВЧ;
– условные обозначения электронных и квантовых приборов СВЧ;
уметь:
– использовать полученные знания для правильного выбора прибора;
– находить параметры приборов по их характеристикам;
– определять влияние режимов работы на параметры приборов;
приобрести навыки работы:
– с приборами и аппаратурой, используемой для исследования характеристик и
измерения параметров приборов;
– с технической литературой, справочниками, стандартами, технической
документацией по СВЧ и квантовым приборам.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел I. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ ДИАПАЗОНА
ВВЕДЕНИЕ
Особенности диапазона сверхвысоких частот и оптического диапазона, их
роль в развитии радиоэлектроники. Деление СВЧ диапазона на поддиапазоны.
Краткий исторический очерк отечественной и зарубежной электроники СВЧ и
квантовой электроники. Значение дисциплины как одной из базовых и ее связь с
другими дисциплинами. Определение понятий «электронные СВЧ приборы» и
«квантовые приборы». Области применения СВЧ приборов и квантовых
27
приборов СВЧ и оптического диапазонов. Классификация электронных и
квантовых приборов СВЧ и оптического диапазонов. Основные параметры
электронных приборов СВЧ: коэффициент усиления, ширина полосы
пропускания, коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент шума,
диапазон перестройки, спектральная плотность флуктуации амплитуды, частоты
и фазы и др. Особенности устройства электронных СВЧ приборов: единство
электронной и колебательной систем, применение полых электродинамических
колебательных систем, использование времени пролета электронов.
Особенности динамического управления электронным потоком: группирование
электронов, их взаимодействие с переменным электрическим полем.
Тема 1. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ ДИАПАЗОНА
Особенности работы электронных ламп со статическим управлением
электронным потоком в СВЧ диапазоне. Понятие о полном токе. Влияние
инерционных свойств электронного потока на работу электронных ламп.
Влияние на параметры ламп СВЧ диапазона междуэлектродных емкостей и
индуктивностей выводов. Особенности конструкции электронных ламп СВЧ
диапазона. Мощные электронные лампы СВЧ диапазона. Области применения
электронных ламп СВЧ диапазона.
Тема 2. КЛИСТРОНЫ
2.1. Пролетные клистроны. Двухрезонаторный усилительный клистрон и
его устройство. Принцип действия двухрезонаторного усилительного
клистрона: модуляция электронов по скорости (коэффициент эффективности
электронного взаимодействия), группирование электронов в сгустки (влияние
параметра группирования на конвекционный ток), энергетическое
взаимодействие электронных сгустков с переменным электрическим полем
выходного резонатора; пространственно-временная диаграмма (ПВД).
Параметры и характеристики двухрезонаторного пролетного клистрона:
выходная мощность, электронный КПД, коэффициент усиления, амплитудная и
амплитудно-частотная характеристики. Двухрезонаторный пролетный клистрон
в автогенераторном режиме: условия самовозбуждения, баланс амплитуд и
баланс фаз, пусковой ток, электронная перестройка частоты. Умножители
частоты на пролетных клистронах: устройство, принцип действия и параметры.
Многорезонаторный усилительный клистрон, его устройство и принцип
действия; особенности процесса группирования электронов, влияния настройки
промежуточного резонатора; параметры и характеристики: выходная
мощность, коэффициент усиления, полоса рабочих частот, электронный КПД,
амплитудная и амплитудно-частотная характеристики. Области применения
пролетных клистронов.
2.2. Отражательный клистрон. Его устройство и принцип действия, ПВД.
Условие самовозбуждения; зоны генерации колебаний. Механическая и
электронная перестройка частоты, крутизна электронной перестройки
отражательных клистронов. Области применения.
28
Тема 3. ЛАМПА БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА «О»
3.1. Лампа бегущей волны типа «О» (ЛБВО). Особенности и преимущества
приборов с длительным взаимодействием. Условие синхронизма. Замедляющие
системы (ЗС). Коэффициент замедления. Понятие о пространственных
гармониках. Дисперсия ЗС. Сопротивление связи. Устройство ЛБВО, принцип
действия; энергетическое взаимодействие электронов с бегущей волной.
Основные параметры и характеристики ЛБВО: коэффициент усиления, КПД,
амплитудная, амплитудно-частотная и фазовая характеристики, шумовые
параметры. Особенности конструкции и области применения ЛБВО.
3.2. Лампа обратной волны типа «О» (ЛОВО). Устройство и принцип
действия. Баланс амплитуд и фаз. Параметры и характеристики: пусковой ток,
электронная перестройка частоты и крутизна электронной перестройки,
выходная мощность, КПД. Области применения ЛОВО.
Тема 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ТИПА «М»
4.1. Физические основы работы электронных приборов типа «М».
Движение электронов в скрещенных однородных электрическом и магнитном
полях; парабола критического режима. Взаимодействие электронов с
неоднородным СВЧ электрическим полем: влияние продольной и поперечной
составляющих поля. Энергетическое взаимодействие электронов с волной.
Условие синхронизма.
4.2. Многорезонаторные магнетроны. Конструкция, принцип действия.
Амплитудное и фазовое условия самовозбуждения магнетрона. Резонансные
свойства кольцевой замедляющей системы. Параметры магнетронов: выходная
мощность, рабочая частота, электронный КПД, электронное смещение частоты.
Разновидности магнетронов, их особенности. Области применения
многорезонаторных магнетронов.
4.3. Лампа бегущей волны типа «М» (ЛБВМ). Устройство и принцип
действия; параметры и характеристики: коэффициент усиления, амплитудная
характеристика, электронный КПД, полоса рабочих частот, коэффициент шума;
области применения ЛБВМ.
4.4. Лампа обратной волны типа «М» (ЛОВМ). Устройство и принцип
действия; особенности электронной перестройки частоты, параметры и
характеристики: выходная мощность, электронный КПД; области применения
ЛОВМ.
4.5. Амплитрон, стабилотрон. Устройство, принцип действия, параметры
и характеристики. Области применения.
4.6. Сравнительная оценка различных электровакуумных СВЧ приборов.
Преимущественные области их применения и перспективы развития.
Раздел 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ ДИАПАЗОНА
29
Тема 5. СВЧ ДИОДЫ
5.1. Детекторные СВЧ диоды. Эквивалентная схема детекторного диода и
система параметров. Параметры, характеризующие детектирование. Шумы
детекторных СВЧ диодов. Методы измерения электрических параметров.
Применение детекторных СВЧ диодов. Согласование диода с СВЧ трактом.
Детектирование СВЧ сигналов. Волноводные и интегральные конструкции
диодных детекторов СВЧ сигналов.
5.2. Смесительные СВЧ диоды. Эквивалентная схема и параметры
смесительных диодов, методы измерения электрических параметров.
Применение смесительных СВЧ диодов. Работа смесительного СВЧ диода в
супергетеродинном приемнике. Конструкции диодных СВЧ смесителей в
волноводном и интегральном исполнении.
5.3. Параметрические СВЧ диоды. Система электрических параметров и
методы их измерения. Принцип действия параметрических усилителей СВЧ на
полупроводниковых диодах.
5.4. Умножительные и настроечные СВЧ диоды. Разновидности
умножительных СВЧ диодов. Электрические параметры умножительных и
настроечных СВЧ диодов и методы их измерения. Умножение частоты СВЧ
сигналов с помощью полупроводниковых диодов. Конструктивные особенности
диодных СВЧ умножителей частоты в волноводном и интегральном исполнении.
5.5. Переключательные и ограничительные СВЧ диоды. Принцип
действия переключательных СВЧ диодов. Устройство переключательных
диодов. Система электрических параметров и методы их измерений.
Применение переключательных и ограничительных СВЧ диодов.
5.6. Лавинно-пролетный диод (ЛПД). Устройство. Основные физические
процессы в ЛПД: в пролетном режиме и режиме с захваченной плазмой.
Эквивалентная схема, параметры и характеристики ЛПД, области применения.
Конструкции и эквивалентные схемы СВЧ генераторов на ЛПД.
5.7. Диоды с объемной неустойчивостью (диоды Ганна). Физические
процессы в двухдолинных полупроводниках, формирование домена сильного
поля; форма тока; различные режимы работы ДГ. Особенности конструкции,
эквивалентная схема и основные параметры ДГ, области применения.
Конструкции и эквивалентные схемы генераторов на ДГ.
Тема 6. СВЧ ТРАНЗИСТОРЫ
6.1. Биполярные СВЧ транзисторы. Особенности конструкции,
эквивалентные схемы, характеристики и параметры, области применения.
6.2.
Полевые
СВЧ
транзисторы.
Особенности
конструкции,
эквивалентные схемы, характеристики и параметры, области применения.
6.3. Транзисторные усилители СВЧ. Бесструктурная модель СВЧ
транзистора – четырехполюсник, описанный матрицей рассеяния (система Sпараметров). Устойчивость транзисторных усилителей СВЧ. Расчет узкополосных
усилителей
графоаналитическим
методом.
Особенности
построения
транзисторных усилителей СВЧ. Практические схемы транзисторных усилителей.
30
6.4. Автогенераторы на полевых и биполярных транзисторах.
Особенности построения транзисторных генераторов СВЧ. Практические
схемы транзисторных генераторов.
6.5. Сравнительная оценка различных полупроводниковых СВЧ
приборов. Преимущественные области их применения. Перспективы развития
полупроводниковых СВЧ приборов миллиметрового диапазона.
Раздел 3. КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО
ДИАПАЗОНА
Тема 7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВ
Энергетические спектры атомов, молекул и твердых тел. Нормальное и
возбужденное состояние системы; понятия о спонтанных переходах и
спонтанном излучении. Метастабильное состояние, среднее время жизни
частиц. Понятие об индуцированном (вынужденном) излучении и поглощении.
Соотношения Эйнштейна. Понятие об инверсии населенностей. Методы
создания инверсии населенностей. Спектральные свойства активной среды,
ширина спектральной линии, причины ее уширения.
Тема 8. КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ (МАЗЕРЫ)
Особенности квантовых СВЧ приборов. Электронный парамагнитный
резонанс (ЭПР). Квантовые парамагнитные усилители (КПУ), их устройство;
особенности колебательных систем. Параметры и характеристики КПУ.
Тема 9. КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
Функциональная схема оптического квантового генератора (лазера).
Условия генерации. Оптический резонатор, его устройство, типы колебаний.
Спектр излучения лазера. Свойства излучения лазера. КПД лазеров. Газовые
лазеры. Особенности создания инверсии населенностей в газовом разряде.
Гелий-неоновый атомарный лазер, его устройство, энергетическая диаграмма.
Ионные лазеры, устройство, особенности принципа действия, основные
параметры. Лазер на молекулах СО2, его устройство, принцип работы,
параметры. Жидкостные лазеры, устройство и принцип действия. Лазеры на
твердом теле, материалы, особенности энергетических диаграмм. Режим
модулированной добротности. Полупроводниковые лазеры, их особенности,
материалы. Инжекционный лазер на p-n переходе, энергетическая диаграмма,
особенности физических процессов; основные параметры и характеристики.
Инжекционные лазеры на гетеропереходах. Основные методы модуляции
оптического излучения.
Сравнительная оценка квантовых приборов различных типов, области их
применения. Перспективы развития электронных и квантовых приборов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Исследование характеристик и параметров генератора на отражательном
31
клистроне.
2. Исследование характеристик и параметров усилителя на пролетном
клистроне.
3. Исследование характеристик и параметров усилителя на ЛБВ.
4. Исследование характеристик и параметров генератора на ЛОВ.
5. Исследование
характеристик
и
параметров
генератора
на
многорезонаторном магнетроне.
6. Исследование характеристик и параметров детекторного и смесительного
диодов СВЧ.
7. Исследование характеристик и параметров умножителя частоты на
варакторном диоде.
8. Исследование характеристик и параметров генератора на ЛПД.
9. Исследование характеристик и параметров генератора на ДГ.
10. Исследование характеристик и параметров усилителя на биполярном СВЧ
транзисторе.
11. Исследование характеристик и параметров усилителя на полевом СВЧ
транзисторе.
12. Исследование характеристик и параметров генератора на полевом СВЧ
транзисторе.
13. Исследование характеристик и параметров газового лазера.
14. Исследование характеристик и параметров полупроводникового лазера.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника / Под ред.
Н.Д. Федорова. – М.: Радио и связь, 1998.
2. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. –
М.: Радио и связь, 1981.
3. Электронные приборы СВЧ / В.М. Березин, В.С. Буряк и др. – М.: Высш.
шк., 1985.
4. Микроэлектронные
устройства
СВЧ /
Г.И. Веселов,
Е.Н. Егоров,
Ю.Н. Алехин и др.; Под ред. Г.И. Веселова. – М.: Высш. школа, 1988.
5. Гусятинер М.С., Горбачев А.И. Полупроводниковые сверхвысокочастотные
диоды. – М.: Радио и связь, 1983.
6. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л.Г. Гассанов,
А.А. Липатов, В.В. Марков, Н.А. Могильченко. – М.: Радио и связь, 1988.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 2. Электровакуумные приборы
СВЧ. – М.: Высш. шк., 1972.
2. Кукарин С.В. Электронные приборы СВЧ. Характеристики, применение,
32
3.
4.
5.
6.
7.
тенденции развития. – М.: Радио и связь, 1981.
Царапкин Д.В. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. – М.: Радио и связь, 1982.
Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители СВЧ.М.: Радио и связь, 1986.
Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. – М.: Мир, 1988.
Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология
изготовления / Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. – М.: Радио и
связь, 1988.
Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. – М.: Наука, 1983.
33
34
Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД - 166 / тип
ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 39 01 02 «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
35
Составители:
А.В. Аксенчик - доцент кафедры вычислительных
программирования Белорусского государственного университета
и радиоэлектроники, кандидат технических наук;
А.И. Волковец - доцент кафедры вычислительных
программирования Белорусского государственного университета
и радиоэлектроники, кандидат технических наук.
методов и
информатики
методов и
информатики
Рецензенты:
Кафедра «Высшая математика» Белорусского аграрного технического
университета (протокол № 3 от 14 ноября 2000 г.);
В.В. Лабоцкий - доцент кафедры информационные технологии в управлении
Белорусского государственного экономического университета, кандидат
технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой вычислительных методов и программирования Белорусского
государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол
№ 2 от 30 октября 2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована с:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию
в
области
электрорадиотехники
и
информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
36
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Теория вероятностей и случайных процессов»
разработана для технических специальностей высших учебных заведений. Она
предусматривает изучение основных положений теории вероятностей,
математической статистики и теории случайных процессов.
Целью изучения дисциплины является усвоение основных методов
формализованного описания и анализа случайных явлений, случайных
процессов, обработки и анализа результатов физических и численных
экспериментов.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта и рассчитана на объем 65 учебных часов. Примерное распределение
учебных часов по видам занятий: лекций - 36 часов; практических занятий –
29 часов и типовой расчёт.
Рекомендуется читать этот предмет на 2-3-м курсах. Для изучения данной
дисциплины студенту необходимы знания, полученные при изучении разделов
«Ряды», «Матрицы и операции над ними», «Дифференциальное и интегральное
исчисления» курса высшей математики.
В результате освоения курса «Теория вероятностей и случайных
процессов» студент должен:
знать:
- основные факты, лежащие в основе построения теории вероятностей, теории
случайных процессов;
- основные положения и теоремы теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов;
уметь характеризовать:
- специфику математических моделей для типичных случайных явлений;
- связь вероятностных закономерностей со случайными явлениями на практике;
уметь анализировать:
- роль вероятностных методов в решении важных для приложений задач:
прогнозирования, управления и т.д.;
- специфику возникающих задач и их связь с известными вероятностными
моделями;
приобрести навыки:
- вероятностного анализа радиотехнических систем;
- расчета надежности, долговечности конструкций, радиотехнических систем;
- использования вероятностных и статистических методов, необходимых для
анализа и моделирования случайных явлений, возникающих при решении
практических задач;
- ориентации в имеющейся литературе по теории вероятностей, математической статистике, случайным процессам.
37
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. СЛУЧАЙНЫЕ СОБЫТИЯ
Тема 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
Введение. Основные понятия теории вероятностей. Случайные события,
их классификация, операции над событиями.
Тема 2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
Аксиомы теории вероятностей. Классическое и
геометрическое
определения вероятности. Основные комбинаторные формулы.
Тема 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОЙ ВЕРОЯТНОСТИ
Теоремы сложения и умножения вероятностей. Формула полной
вероятности. Формула Байеса. Теорема о повторении опытов.
Раздел 2. СЛУЧАЙНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Тема 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ
Определение и классификация случайных величин. Дискретная случайная
величина. Ряд распределения вероятностей. Функция распределения и ее
свойства.
Тема 5. НЕПРЕРЫВНАЯ СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
5.1. Плотность распределения случайной величины. Непрерывная
случайная величина. Плотность распределения случайной величины и ее
свойства.
5.2. Числовые характеристики случайных величин. Математическое
ожидание, дисперсия, среднее квадратическое отклонение. Их свойства. Мода,
медиана, квантиль.
Тема 6. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН
Биномиальный, пуассоновский,
нормальный законы распределения.
экспоненциальный,
равномерный,
Тема 7. ВЕКТОРНЫЕ СЛУЧАЙНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Функция распределения и плотность распределения векторной случайной
величины. Условные законы
распределения. Зависимые и независимые
случайные величины. Корреляционный момент, коэффициент корреляции.
Тема 8. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕМЫ
Неравенство и теоремы Чебышева. Центральная предельная теорема.
38
Раздел 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА
Тема 9. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Основные понятия математической статистики. Генеральная и
выборочная совокупности. Вариационный ряд. Эмпирическая функция
распределения. Гистограмма.
Тема 10. ТОЧЕЧНЫЕ ОЦЕНКИ
Точечные оценки числовых характеристик, метод моментов, метод
наибольшего правдоподобия.
Тема 11. ИНТЕРВАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ
Интервальные оценки параметров распределений. Доверительная
вероятность. Доверительные интервалы для математического ожидания и
дисперсии.
Тема 12. ТЕОРИЯ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗ
Статистическая проверка гипотез. Ошибки, допускаемые при проверке
гипотез. Методика проверки гипотез на основе критериев значимости.
Критерии согласия Пирсона.
Тема 13. ЭЛЕМЕНТЫ РЕГРЕССИОННОГО И КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА
Линейная регрессия. Метод наименьших квадратов. Коэффициент
корреляции (оценки).
Раздел 4. СЛУЧАЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Тема 14. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Основные понятия и определения. Числовые характеристики случайного
процесса, средние по ансамблю. Стационарность и ее следствия.
Тема 15. ЧИСЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА
Числовые характеристики средние по времени. Функция корреляции
случайного процесса и ее свойства. Эргодические случайные процессы.
Тема 16. СПЕКТР МОЩНОСТИ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА
Урезанный случайный процесс, спектр мощности случайного процесса,
теорема Винера-Хинчина.
Тема 17. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВИДЕ РЯДОВ
Разложение случайного процесса в ряд Котельникова. Основные виды
случайных процессов: белый шум, гауссовский, пуассоновский.
39
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Классическое и геометрическое определения вероятностей.
Теоремы сложения и умножения вероятностей.
Формула полной вероятности. Формула Байеса.
Теорема повторения независимых опытов.
Дискретные случайные величины. Ряд
распределения вероятностей.
Функция распределения.
6. Непрерывные случайные величины. Функция распределения и плотность
вероятности.
7. Числовые характеристики случайной величины.
8. Типовые законы распределения вероятностей.
9. Векторные случайные величины: функция и плотность распределения.
10. Условные законы распределения вероятностей. Зависимые и независимые
случайные величины.
11. Числовые характеристики векторной случайной величины.
12. Равновероятностный и равноинтервальный методы построения гистограмм.
13. Точечные оценки, методы их получения.
14. Интервальные оценки.
15. Плотность распределения случайного процесса.
16. Числовые характеристики случайного процесса.
17. Основные виды случайных процессов.
1.
2.
3.
4.
5.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные
приложения. – М.: Наука, 1988.
2. Герасимович А.И. Математическая статистика. - Мн.: Выш. шк., 1983.
3. Гурский Е.И. Сборник задач по теории вероятностей и математической
статистике. - Мн.: Выш.шк., 1984.
4. Жевняк Р.М., Карпук А.А. Высшая математика. Ч.5. - Мн.: Выш. шк., 1988.
5. Сборник задач по теории вероятностей, математической статистике и
теории случайных функций / Под ред. А.А. Свешникова. - М.: Наука, 1970.
6. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и
математической статистики для технических приложений. - М.: Наука, 1969.
7. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982.
8. Горяинов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника:
Примеры и задачи. - М.: Сов. радио, 1980.
9. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. – М.:
Радио и связь, 1989.
40
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и
систем. - М.: Мир, 1989.
2. Сборник индивидуальных заданий по теории вероятностей и
математической статистике /Под ред. А.П. Ребушко. – Мн.: Выш.шк., 1992.
41
42
Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД - 167 / тип
РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОДЕТАЛИ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 39 01 02 «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
43
Составитель:
В.В. Шульгов - доцент кафедры микроэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.
Под общей редакцией Б.С. Колосницына, С.Н. Кураевой.
Рецензенты:
В.М. Хасин - директор Высшего профессионального училища электроники;
В.П. Мельников - заведующий лабораторией Института электроники
Национальной академии наук Беларуси, кандидат технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой радиотехнических систем Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 13 ноября
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована с:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию в области электрорадиотехники и информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
44
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Радиоматериалы и радиодетали» разработана для
студентов специальности «Радиотехнические системы». Целями преподавания
дисциплины являются объяснение физической сущности свойств материалов;
ознакомление с параметрами, характеризующими эти свойства; изучение
зависимости свойств материалов от их состава, структуры и внешних
воздействий; ознакомление с классификацией материалов и областями
применения каждой группы материалов при изготовлении деталей и устройств
РЭА; изучение классификации, основных характеристик и параметров
резисторов, конденсаторов, индуктивностей и интегральных схем.
Радиоинженер должен отчетливо понимать процессы, происходящие в
материалах во время их работы в электромагнитном поле, уметь исследовать
влияние на материал различных факторов, чтобы в каждом отдельном случае
правильно выбрать материал.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта и рассчитана на объем 35 учебных часов. Примерное распределение
учебных часов по видам занятий: лекций – 17 час, лабораторных работ – 18 час.
В результате освоения курса «Радиоматериалы и радиодетали» студент
должен:
- грамотно и свободно ориентироваться в радиотехнических материалах и их
свойствах;
- знать численные значения пределов изменения этих свойств;
- уметь выбирать материалы для конкретных устройств;
- знать современную элементную базу радиоэлектронной аппаратуры.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи дисциплины и ее значение при подготовке
современных радиоинженеров. Элементарная зонная теория твердого тела.
Классификация материалов с точки зрения зонной теории твердого тела. Виды
химических связей атомов и молекул в веществах.
Тема 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ/ПАРАМЕТРЫ/ПРОВОДНИКОВ:
УДЕЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ И УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ,
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, ТЕРМОЭДС, РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА,
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ
ПРОВОДНИКОВ
Материалы высокой проводимости: медь, алюминий, золото, серебро,
платина, никель. Сверхпроводники. Сплавы высокого сопротивления:
манганин, константан, нейзильбер, никелин, нихромы, фехрали. Сплавы для
термопар: хромель, копель, алюмель, платинородий. Криогенная термопара FeAu. Контактные материалы. Материалы неподвижных, разрывных (мощных и
45
маломощных) и скользящих контактов. Припои и флюсы. Электроугольные
изделия. Проводниковые материалы высокой нагревостойкости.
Тема 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Собственный и примесный полупроводники. Основные и неосновные
носители заряда. Вырожденный полупроводник. Электропроводность
полупроводников. Физическая сущность p- и n- типов проводимости.
Зависимость электропроводности от температуры. Приборы, основанные на
этом свойстве. Материалы. Зависимость электропроводности от освещенности.
Приборы, основанные на этом свойстве. Материалы.
Люминесценция и люминофоры. Зависимость электропроводности от
напряженности внешнего электрического поля. Приборы, основанные на этом
свойстве. Материалы. Эффект Холла в полупроводниках. Датчики Холла, и их
применение.
Термоэлектрические явления. Эффекты Зеебека и Пельтье. Приборы,
основанные на термоэлектрических явлениях. Материалы.
Контактные явления в полупроводниках. Работа выхода. Уровень Ферми.
Четыре
случая
контакта
металл-полупроводник.
Контакт
двух
полупроводников. Свойства электронно-дырочного перехода. Материалы для
диодов. Вентильный фотоэффект. Солнечные батареи. Материалы для них.
Тема 3. ДИЭЛЕКТРИКИ
Поляризация и ее виды. Диэлектрическая проницаемость, ее физический
смысл
и численное значение для диэлектриков различных областей
применения. Электропроводность диэлектриков. Объемное и поверхностное
сопротивления твердых диэлектриков. Диэлектрические потери. Тангенс угла
диэлектрических потерь. Виды потерь - потери сквозной проводимости,
релаксационные, ионизационные, резонансные. Пробой диэлектриков.
Основные понятия.
Электроизоляционные материалы. Газообразные диэлектрики и их конкретные свойства. Воздух, азот, нейтральные газы, элегаз, фреоны, пары
фторорганических жидкостей. Нефтяные электроизоляционные масла: конденсаторное, трансформаторное, кабельное. Синтетические жидкие диэлектрики:
совтол, кремнийорганические и фторорганические. Неорганические твердые
изоляционные
материалы: керамика, слюда, стекло, сегнетоэлектрики,
пьезоэлектрики. Органические твердые изоляционные материалы: полимеры,
эластомеры, компаунды, лаки, клеи, пластмассы, волокнистые, воскообразные
лакоткани и слоистые пластики. Области применения каждой группы
материалов.
Тема 4. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Краткие сведения по теории магнетизма. Причина магнитного момента
атома. Магнитная восприимчивость. Классификация материалов по магнитным
свойствам. Ферромагнетики и ферримагнетики. Причина ферромагнетизма.
46
Процесс намагничивания, петля гистерезиса. Предельные и частные петли
гистерезиса. Основная кривая намагничивания. Температура Кюри.
Магнитострикция. Магнитные характеристики. Магнитные проницаемости в
постоянном и переменном полях. Потери энергии. Виды потерь в постоянном и
переменном полях. Влияние воздушного зазора. Классификация магнитных
материалов: магнитомягкие, магнитотвердые и специальные. Магнитомягкие
материалы для постоянных и низкочастотных полей. Свойства магнитомягких материалов, представители и их применение. Технически чистое
железо, электролитическое и карбонильное железо, низкоуглеродистая сталь,
текстурованная сталь, железокобальтовый сплав - пермендюр. Магнитомягкие
материалы для работы в слабых постоянных и переменных полях. Пермаллои
и альсиферы. Магнитомягкие материалы для работы в полях высокой и
сверхвысокой частот. Требования, предъявляемые к высокочастотным
материалам. Магнитодиэлектрики и ферриты, их состав, свойства и
применение. Магнитотвердые материалы, их свойства. Классификация:
мартенситные стали, ЮН-сплавы, пластичные сплавы, сплавы с высокой
коэрцитивной силой, магнитотвердые ферриты. Специальные магнитные
материалы: материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, термомагнитные
сплавы, сплавы с высокой индукцией насыщения, магнитострикционные
сплавы.
Тема 5. РАДИОДЕТАЛИ
Их основные характеристики и параметры: номинальное значение
величины, характерной для данной детали; пределы допускаемых отклонений
от номинала; параметры, характеризующие электрическую прочность
радиодеталей;
параметры,
характеризующие
потери;
параметры,
характеризующие стабильность и надежность радиодетали.
Резисторы. Классификация и конструкции. Основные
параметры.
Резисторы общего назначения. Прецизионные резисторы. Высокочастотные
резисторы.
Высоковольтные
резисторы.
Резисторы
переменного
сопротивления.
Конденсаторы. Классификация и конструкции. Основные параметры.
Конденсаторы постоянной емкости (ВЧ и НЧ). Конденсаторы переменной
емкости. Подстроечные конденсаторы.
Катушки индуктивности высокой частоты. Классификация по
назначению и конструкции. Основные параметры. Контурные катушки
индуктивности. Катушки связи. Катушки индуктивности с магнитными
сердечниками. Экранирование катушек индуктивности. Дроссели высокой
частоты. Вариометры.
Тема 6. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Термины
и определения микроэлектроники. Классификации
интегральных схем: по конструктивно-технологическому признаку, по
47
функциональному назначению, по степени интеграции. Система условных
обозначений ИС.
Типовые структуры полупроводниковых ИС. Биполярные транзисторы и
диодное включение транзисторов. Диффузионные резисторы и конденсаторы.
Методы изоляции элементов в полупроводниковых ИС. Полевые транзисторы в
полупроводниковых ИС. Основные этапы процесса изготовления полупроводниковых ИС.
Элементы пленочных ИС. Методы формирования
конфигурации
элементов. Методы нанесения пленочных элементов. Основные этапы
изготовления пленочных и гибридных ИС.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Изучение электропроводности твердых диэлектриков и измерение
удельного поверхностного и объемного сопротивлений диэлектрических
материалов.
2. Определение ширины запрещенной зоны и энергии активации примесных
полупроводников.
3. Исследование свойств магнитомягких материалов на промышленной
частоте.
4. Исследование зависимости
удельного сопротивления проводниковых
материалов от температуры.
5. Определение значений температурного коэффициента сопротивления,
изучение материалов, конструктивного оформления и маркировки
резисторов.
6. Определение значений температурного коэффициента емкости, изучение
материалов, конструктивного оформления и маркировки конденсаторов
постоянной емкости.
7. Исследование элементов полупроводниковых и гибридных ИС.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы
электронной
техники.М.:Высш.шк., 1986, 1980.
2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические
материалы. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.
3. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и
диэлектриков. - М.:Металлургия, 1988.
4. Таиров Ю.М., Цветков
В.Ф. Технология
полупроводниковых
и
диэлектрических материалов. - М.:Высш.шк., 1990,1983.
5. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. - М.:Высш.шк.,1980.
48
6. Казанцев А.П. Радиотехнические материалы: Метод. пособие.- Мн.: БГУИР,
1993.
7. Воробей З.Ф., Кураева С.Н., Казанцев А.П. Лабораторный практикум по
курсам «Материалы электронной техники», «Радиоматериалы». Ч.1.-Мн.:
МРТИ, 1991.
8. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и
электрорадиоэлементы. - М.: Радио и связь, 1989.
9. Резисторы: Справочник / Под. ред. И.И. Четверткова. - М.: Радио и связь,
1991.
10. Конденсаторы: Справочник /Под ред. И.И. Четверткова. - М.: Радио и связь,
1993.
11. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные
устройства РЭА: Справочник /Н.Н. Акимов, П.А. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994.
12. Аваев И.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Г. Основы микроэлектроники:
Учебник для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Радио и связь,
1990.
13. Стешенко П.П., Шульгов В.В. Лабораторный практикум «Исследование
интегральных схем». Ч. 1,2. - Мн.: БГУИР, 1996.
14. Бузанева Е.В. Микроструктуры интегральной электроники. - М.: Радио и
связь, 1990.
15. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральной электроники. - М.: Мир,
1989.
16. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов. радио, 1986.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В. Материалы радиоэлектронной техники.М.: Высш. шк.,1969.
2. Проводниковые материалы: Сборник /Под ред. Л.М. Казарновского. - М.:
Энергия, 1970.
3. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. - М.: Высш.
шк.,1976.
4. Справочник по электротехническим материалам /Под ред. Ю.В. Корицкого.
Т. 1, 2, 3. - Л.: Энергоатомиздат, 1974, 1986.
5. Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. - М.: Сов. радио, 1976.
6. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. - М.:
Энергия,1977.
7. Фролов А.Д. Радиодетали и узлы. - М.: Высш. шк., 1975.
8. Никулин Н.В., Назаров А.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты. - М.:
Высш. шк.,1986.
9. Зайцев Ю.В., Марченко А.Н., Ващенко И.И. Полупроводниковые резисторы
в электротехнике. - М.: Энергоатомиздат,1988.
10. Зайцев Ю.В. Переменные резисторы. - М.: Энергия,1974.
49
11. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. М.: Высш. шк.,1984.
12. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
13. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных
микросхем. - М.: Радио и связь,1983.
14. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных средств. - М.: Радио и
связь,1991.
50
Утверждена
Министерством образования
Республики Беларусь
« 24 » июня 2001 г.
Регистрационный № ТД -168 / тип
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 39 01 02 «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
51
Составитель:
В.И. Воробьев - доцент кафедры сетей и устройств телекоммуникаций
Белорусского
государственного
университета
информатики
и
радиоэлектроники, кандидат технических наук.
Под общей редакцией В.К. Конопелько.
Рецензенты:
Кафедра терминальных устройств телекоммуникационных систем
Высшего колледжа связи Республики Беларусь (протокол №3 от 18 октября
2000 г.);
Р.Г. Хехнев - проректор по научной работе Минского государственного летнотехнического колледжа, кандидат технических наук, профессор.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой радиотехнических систем Белорусского государственного
университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 2 от 5 октября
2000 г.);
Советом Белорусского государственного университета информатики и
радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.)
Согласована c:
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по
образованию
в
области
электрорадиотехники
и
информатики;
Главным управлением высшего и среднего специального образования;
Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса
Республиканского института высшей школы БГУ.
52
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа предназначена для использования в качестве типовой при
преподавании курса «Электропитание радиоэлектронных средств» (ЭПРЭС)
для студентов технических вузов, обучающихся по специальности 39 01 02
«Радиотехнические системы». Объем дисциплины - 50 часов. Примерное
распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 34 часа,
лабораторных работ –16 часов.
Цели преподавания дисциплины «Электропитание радиоэлектронных
средств» (ЭПРЭС):
- изучить принципы построения, основы теории и методов расчета наиболее
распространенных ЭПУ и систем электропитания;
- познакомиться с основами проектирования ЭПУ с учетом требований
энергетической эффективности, высокой электрической и механической
надежности, электромагнитной совместимости, комплексной миниатюризации;
- дать представление о перспективах использования в ЭПУ новых явлений и
достижений современной функциональной электроники.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- основные характеристики и способы использования силовых ЭПУ в
аппаратуре различного назначения;
- структурные и функциональные схемы современных систем и устройств
электропитания;
- принципы работы основных функциональных узлов ИВЭП;
- основы конструирования и современную элементную базу микроэлектронных
источников электропитания;
уметь:
- составлять структурные схемы средств вторичного электропитания;
- выбирать тип источников первичного электропитания для электронных
средств различного назначения;
- проводить электрические и тепловые расчеты силовых цепей выпрямителей
переменного
напряжения
синусоидальной и прямоугольной формы,
стабилизаторов напряжения и тока, преобразователей напряжения;
- разрабатывать трансформаторы, дроссели, сглаживающие фильтры;
- использовать микроэлектронные изделия в электропреобразовательных
устройствах различной мощности;
- проводить испытания источников первичного и вторичного электропитания и
измерения их характеристик.
Для
успешного изучения дисциплины необходимо знание основ
электротехники, принципа действия и характеристик электронных и ионных
приборов.
53
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи дисциплины. Характеристика дисциплины как
целостной системы знаний, охватывающей вопросы использования
электрофизических
явлений
при
построении
силовых
электропреобразовательных устройств, и прежде всего - источников
вторичного электропитания (ИВЭП).
Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами
учебного плана, место курса в системе подготовки радиоинженеров.
Раздел 1. ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Классификация источников питания: первичные и вторичные источники
питания ((ПИП) и (ИВЭП)). Структурные схемы современных ИВЭП.
Принципы электроснабжения и электропитания радиоэлектронных
средств различного назначения.
Раздел 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УЗЛЫ
ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Сетевые
(силовые)
трансформаторы.
Электромагнитная
схема
трансформатора. Формула трансформаторной ЭДС. Уравнения равновесия
электрических и магнитных воздействий в двухобмоточном трансформаторе.
Эквивалентные схемы и векторные диаграммы для трансформатора на
холостом ходу и в рабочем режиме. Опыты холостого хода и короткого
замыкания для экспериментальной оценки характеристик трансформатора.
Формула электромагнитной (габаритной) мощности трансформатора.
КПД трансформатора и его внешняя характеристика.
Основы расчета и проектирования трансформаторов. Разновидности
трансформаторов.
Электрические реакторы, их применение в устройствах электропитания.
Дроссели, особенности их конструкции. Магнитные усилители (МУ):
назначение, принцип действия, основные схемы, особенности конструкции и
характеристики. Применение МУ в ИВЭП.
Раздел 3. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Принципы выпрямления переменного тока.
Классификация схем
выпрямления: однотактные, многотактные, для однофазной и многофазных
сетей.
54
Анализ работы многофазного выпрямителя при активной нагрузке.
Особенности работы многофазного выпрямителя на нагрузку индуктивного
характера. Внешняя характеристика выпрямителя. Работа многофазного
выпрямителя на нагрузку емкостного характера. Основы графоаналитического
метода анализа и расчета такого выпрямителя.
Схемы выпрямителей для однофазной и трехфазной сетей переменного
тока. Выпрямители с умножением напряжения.
Сглаживающие фильтры в цепях электропитания. Переходные процессы
в ИВЭП. Активные сглаживающие фильтры.
Раздел 4. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
Назначение, классификация, структурные схемы. Качественные и
энергетические характеристики. Проблема миниатюризации.
Параметрические стабилизаторы постоянного и переменного напряжения
и тока: принцип действия, электрические схемы, характеристики, основные
расчетные соотношения, область применения.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения и тока с
непрерывным регулированием.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения и тока с
импульсным регулированием. Выбор принципа управления (релейный, с
ШИМ), частоты, вопросы электромагнитной совместимости импульсных
стабилизаторов с другой аппаратурой. Компенсационные стабилизаторы
напряжения и тока с двойным управлением. Комбинированные
компенсационные стабилизаторы с непрерывно-импульсным регулированием.
Раздел 5. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОКОМПЛЕКСОВ,
ПРЕДПРИЯТИЙ РАДИОСВЯЗИ, РАДИОВЕЩАНИЯ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Электропитание радиокомплексов, радиопередающих, радиоприемных и
телевизионных центров: определение и классификация систем электропитания,
требования,
предъявляемые к ним, технические и эксплуатационные
параметры. Типовые схемы электропитающих установок (ЭПУ).
Электропитание РРЛ:
принципы
организации электропитания,
требования к электропитающим установкам, агрегаты бесперебойного питания.
Электропитание спутниковых и тропосферных систем передачи:
принципы организации электропитания наземной аппаратуры, требования к
электропитающим установкам.
Надежность и резервирование источников электропитания.
55
Раздел 6. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (ВТ)
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Особенности использования ВТ при проектировании ЭПУ. Этапы
проектирования. Разработка
и обоснование технического задания на
проектирование. Сущность системного подхода при разработке средств ЭП.
Алгоритмы и программы расчета устройств ЭП (трансформаторов,
выпрямителей, сглаживающих фильтров, преобразователей и стабилизаторов
напряжения и тока).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные
тенденции
и
направления
электропреобразовательной техники, устройств
электропитания радиоэлектронных средств.
развития
современной
и систем вторичного
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Исследование однофазного силового трансформатора.
Исследование трехфазного силового трансформатора.
Исследование магнитных усилителей.
Исследование выпрямительных устройств для однофазной сети
переменного тока.
5. Исследование выпрямительных устройств для трехфазной сети переменного
тока.
6. Исследование выпрямительных устройств с умножением напряжения.
7. Исследование управляемых выпрямителей.
8. Исследование пассивных и активных сглаживающих фильтров в цепях
электропитания и напряжения.
9. Исследование параметрических стабилизаторов постоянного и переменного
напряжения.
10. Исследование статических тиристорных преобразователей напряжения.
11. Исследование
транзисторных
компенсационных
стабилизаторов
постоянного напряжения с непрерывным регулированием.
12. Исследование
транзисторных
компенсационных
стабилизаторов
постоянного напряжения с импульсным регулированием.
13. Исследование промышленных устройств и установок электропитания.
1.
2.
3.
4.
Примечание: в выполнение работ целесообразно включать проведение
предварительных расчетов ожидаемых результатов измерений и характеристик
исследуемых устройств, определяемых по данным экспериментов.
56
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства:
Учебник для вузов / Под ред. А.Я. Шихина. - М.: Энергоиздат, 1981.
2. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства
радиосистем:
Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984.
3. Электропитание устройств связи: Учебник для вузов /А.А.Бокуняев,
Б.В.Горбачев, В.Е.Китаев и др.; Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь,
1988.
4. Китаев В.Е.,
Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. Расчет
источников
электропитания устройств связи: Учеб. пособ. для высших учебных
заведений. - М.: Радио и связь, 1993.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного
электропитания: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992.
2. Источники электропитания РЭА: Справочник /Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель,
Ч.И. Хусаинов и др. - М.: Радио и связь, 1985.
3. Кожарский Г.В., Орехов В.И. Методы автоматизированного проектирования
источников вторичного электропитания. - М.: Радио и связь, 1985.
4. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.:
Энергоиздат, 1986.
5. Функциональные устройства систем электропитания наземной РЭА / В.В.
Авдеев, В.Г. Костиков, А.М. Новожилов, В.И. Чистяков; Под ред. В.Г.
Костикова. - М.: Радио и связь, 1990.
6. Шейкина Т.С.,
Ханин Ц.Н., Шалашова М.М. Эксплуатация
электропитающих установок систем передачи. - М.: Радио и связь, 1982.
7. Казаринов И.В. Проектирование электропитающих установок проводной
связи. - М.: Радио и связь, 1984.
57
СОДЕРЖАНИЕ
Радиотехнические цепи и сигналы………………………………….… 3
Электродинамика распространения радиоволн…………………….. 15
Сверхвысокочастотные и квантовые приборы……………………… 25
Теория вероятностей и случайных процессов………………………. 35
Радиоматериалы и радиодетали………………………………………. 43
Электропитание радиоэлектронных средств………………………… 51
58