Учебно-исследовательская работа студентов: Рабочая программа дисциплины для направления 654200 - ''Радиотехника''

Министерство образования Российской Федерации Уральский государственный технический университет — УПИ

Утверждаю Проректор по учебной работе ______________________ «_____» ______________ 2004 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ Рекомендована Методическим советом УГТУ – УПИ для направления 654200 – "Радиотехника", специальности 200700 – "Радиотехника"

Екатеринбург 2004

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего и среднего образования и учебным планом для направления 654200 – "Радиотехника", специальности 200700 – "Радиотехника"утвержденному приказом Минобразования РФ №686 от 02.03.2000 г. Программу составил: Шабунин Сергей Николаевич, доцент, канд. технических наук, кафедра ВЧСРТ. Программа одобрена на заседании кафедры “Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения” “4” июля 2003 г., протокол № 556. Заведующий кафедрой проф., доктор техн. наук

Б.А. Панченко

Программа одобрена Методической комиссией радиотехнического факультета “____” _____________ 2003 г., протокол № ______.

Председатель методкомиссии, доцент, канд. техн. наук

О.Г. Дружинина

АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина посвящена изучению методов компьютерного

проектирования и

расчета характеристик радиопередающих устройств, элементов трактов СВЧ и антенн.

2

1. Цели и задачи дисциплины Целью преподавания дисциплины «Учебно-исследовательская работа студентов» является ознакомление студентов с основными узлами современных радиопередающих устройств, методами их расчета и проектирования. В результате изучения дисциплины у студентов должны сформироваться знания, навыки и умения, позволяющие проводить самостоятельный анализ и проектирование структурных схем радиопередающих устройств, проектирование с помощью компьютерных технологий элементов высокочастотных трактов. Эти знания и умения имеют не только самостоятельное значение, но также обеспечивают базовую подготовку студентов по специальности 200700 – "Радиотехника". Изучение дисциплины «Учебно-исследовательская работа студентов» базируется на физико-математической подготовке студентов, которую они получают при изучении математики – разделы: векторный анализ, дифференциальные операторы, дифференциальные уравнения первого и второго порядка, комплексные числа и функции и действия над ними, матрицы и действия над ними, а также раздела физики – электромагнитные явления. 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: • подтвердить знания основных уравнений, описывающие линейные электрические цепи; • понимать процессы, происходящие в широкополосных трансформаторах на отрезках линий (ШТЛ), уметь их рассчитывать и применять при проектировании радиопередающих устройств; • понимать процессы в широкополосных трансформаторных схемах сложения и деления мощности и особенности их реализации на элементах ШТЛ; • знать и уметь рассчитывать фильтровые схемы сложения и деления сигналов в неперекрывающихся полосах частот; • иметь представление и уметь рассчитывать фильтры гармоник; • иметь навыки работы с основными пакетами моделирования и оптимизации на компьютере каскадов РПУ; 3

• получить навыки практической работы с лабораторными макетами. 3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия Лекции Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Подготовка к лекциям Подготовка к лабораторным работам Выполнение домашних работ Расчетно-графические работы Подготовка к зачету Вид итогового контроля

Всего часов 136 68 36 32 68 14 10 12 14 2

Семестр 8 часов 68 34 18 16 34 7 5 6 14 Экзамен

Семестр 9 часов 68 34 18 16 34 7 5 6 2 Зачет

4. Содержание дисциплины 4.1. Разделы дисциплины и виды занятий № п/п 1. 2. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Раздел дисциплины Введение Основы работы ШТЛ. ШТЛ с целочисленными и дробными коэффициентами трансформации ШТЛ для двухтактных каскадов Мостовые схемы сложения. Аварийные режимы работы Реализация схем сложения на элементах ШТЛ Схемы сложения по току и по напряжению Фильтровые схемы сложения Фильтры гармоник Синтезаторы дискретного множества частот Структурные схемы РПУ с ОБП и с частотной модуляцией. Использование пакетов ОРКАД, Serenade для расчетов, моделирования и оптимизации узлов радиопередающих устройств ИТОГО:

Лекции, часов 1 1 1

Лаб. раб. час

4

1 1 2 2 2 1 1 2

4

4

8

18

34

4

4.2. Содержание разделов дисциплины Раздел 1. Введение Предмет и содержание курса. Проблемы, возникающие при проектировании узлов современных радиопередающих устройств. Согласование импедансов в широкой полосе частот, сложение и деление мощностей, фильтрация гармоник, синтез частот. Трансформация этих проблем применительно к системам кабельного телевидения, радиоприемным устройствам. Раздел 2. Основы работы ШТЛ Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) отрезка линии, согласованно нагруженного с обеих сторон. АЧХ отрезка линии, используемого в качестве фазоинвертора. Понятия: продольных напряжений, токов, индуктивностей проводников отрезка линии. Использование ферритов для увеличения индуктивностей (для снижения продольных токов). Раздел 3. ШТЛ с целочисленными и дробными коэффициентами трансформации Последовательно параллельное соединение набора отрезков линий для создания трансформаторов с коэффициентами трансформации 1:n. Связь величин продольных напряжений с номером отрезка линии. Конструктивные реализации трансформатора на одном или разных сердечниках. Наличие (n-1) отрезков фазирующих линий различной длины. Смешанное соединение линий для создания трансформаторов с дробным коэффициентом трансформации. Раздел 4. ШТЛ для двухтактных каскадов Фазовые соотношения между первыми и вторыми гармониками тока активного прибора, работающего с отсечкой тока. Необходимость создания пути для протекания токов четных гармоник активного прибора. Включение «симметрирующей» линии и ее сопротивление для токов четных гармоник. Возможность «объединения» симметрирующей линии с основными линиями трансформатора. Линия. Позволяющая перейти от несимметричной нагрузки к симметричному выходу двухтактного каскада. Раздел 5. Мостовые схемы сложения. Аварийные режимы работы Пути протекания токов генераторов в мостовой схеме. Балластные и нагрузочные резисторы. Понятие кажущегося сопротивления нагрузки. Аварийный режим работы, неизменность кажущегося сопротивления нагрузки, понятие «развязки» генераторов. Мощности, выделяющиеся в нагрузке и в балластных резисторах. 5

Раздел 6. Реализация схем сложения на элементах ШТЛ Введение в мостовую схему идеальных трансформаторов, объединение нагрузочных и балластных резисторов, введение общих точек для генераторов нагрузочных и балластных резисторов. Обобщение схемы для n-генераторов. Замена идеальных трансформаторов отрезками линий на ферритах (элементами ШТЛ). Способы уменьшения продольных напряжений. Раздел 7. Схемы сложения по току и по напряжению Схемы сложения по напряжению, соотношения для сопротивления нагрузки. Связь мощности в нагрузке с числом генераторов вышедших из строя. Преобразование схем сложения по напряжению в схемы сложения по току. Отсутствие продольных напряжений на элементах ШТЛ в нормальном режиме работы. Понятие круговой симметрии, обобщение схем сложения по току на n-генераторов. Раздел 8. Фильтровые схемы сложения Понятие «дополняющих» проводимостей», реализация «дополняющих» фильтров ФНЧ и ФВЧ с АЧХ Баттерворта. Квазидополняющие фильтры с характеристиками Чебышева. Примеры использования фильтровых схем сложения для суммирования сигналов телевизионных каналов МВ и ДМВ . Раздел 9. Фильтры гармоник Проблема фильтрации побочных излучений в РПУ. Использование ФНЧ типа Кауэра. Широкодиапазонные передатчики. Использование системы коммутируемых фильтров. Расчет фильтров с помощью справочников Раздел 10. Синтезаторы дискретного множества частот Проблемы перестройки РПУ, беспоискового вхождения в связь, формирования вида работы. Использование синтезаторов дискретной сетки частот. Синтезаторы с пассивной и активной фильтрацией. Синтезаторы с ЦФАПЧ. Раздел 11. Структурные схемы РПУ с ОБП и с частотной модуляцией. Формирование структурных схем РПУ, си пользуя схемы синтезаторов с ЦФАПЧ. Перенос спектра частот РПУ с ОБП выше рабочего диапазона частот. Выбор частот подставок, исходя из допустимого комбинационных составляющих в фильтруемых полосах. Формирование ЧМ сигнала в РПУ с ЦФАПЧ. Раздел 12. Использование пакетов ОРКАД, Serenade для расчетов, моделирования и оптимизации узлов РПУ 6

Моделирование работы мощных нелинейных каскадов РПУ с помощью пакета ОРКАД. Проектирование элементов трактов с помощью пакета Serenade. Раздел 16. Заключение Современные направления и актуальные задачи в теории радиопередающих устройств. Перспективы развития РПУ и методов их анализа и проектирования. 5. Лабораторный практикум № № раздела Наименование лабораторных работ п/п дисциплины 1 2, 3 Проектирование узлов СВЧ с помощью пакета Serenade 2 5, 6, 7 Исследование характеристик полосковой линии передачи 3 12 Расчет параметров полоскового фильтра 4 12 Проектирование вибраторных антенн на компьютере 6. Самостоятельная работа Самостоятельная работа призвана закрепить теоретические знания и практические навыки, полученные студентами на лекциях и лабораторных занятиях. Кроме того, часть времени, отпущенного на самостоятельную работу, должна быть использована на освоение теоретического материала по дисциплине и на подготовку к лабораторным занятиям. 6.1. Расчетно-графическая работа № раздела № п/п дисциплны 1 2, 3 2 8

Темы расчетно-графических работ Проектирование телевизионной антенны Проектирование печатной антенны

6.2. Домашняя работа. Темы для закрепления теоретического материала 1 Расчет фильтрового сумматора сигналов МВ и ДМВ. 2 Расчет системы коммутируемых фильтров гармоник. 7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 7.1. Рекомендуемая литература а) основная литература: 1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов / Л. А. Белов, В. М. Богачев, М. В. благовещенский и др.; Под ред. Г. М. Уткина, В. Н. 7

Кулешова и М. В. Благовещенского. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: радио и связь, 1994. — 416 с.: ил. 2. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ: Учеб. пособие для вузов / О. В. Алексеев, А. А. Головков, А. Я. Дмитриев и др.; Под ред. О. В. Алексеева. — М.: Радио и связь, 1987. — 392 с., ил. 3. Атабеков Г. И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М.: «Энергия», 1969. — 424 с., ил. 4. Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. Пер. с англ., под ред. А. Е. Знаменского. М.: «Сов. радио», 1974. — 288 с., ил. 5. Лондон С. Е., Томашевич С. В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. — М.: радио и связь, 1984. — 216 с., ил. 6. Шабунин С.Н. «Проектирование антенн с помощью пакета ELNEC», 7. Шабунин С.Н. Методическая разработка к лабораторной работе №1 "Основы проектирования СВЧ устройств на компьютере". 8. Гусев Б.В., Шабунин С.Н «Компьютерное моделирование высокочастотных устройств» 9. Шабунин С.Н «Описание пакета Serenade» 10. Дайлис С.Ю., Шабунин С.Н. «Проектирование устройств СВЧ с применением системы проектирования SuperCompact». б) дополнительная литература: 1. Гусев Б.В., Плотников Б.Н. Проектирование широкополосных усилителей. Учеб. пособ. УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1992., 36 с., ил. 2. Гусев Б.В., Плотников Б.Н. Таблицы и графики к проектированию широкополосных усилителей. Учеб. пособ. УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1992., 24 с., ил. 7.2. Средства обеспечения освоения дисциплины 7.2.1. Лабораторные установки для исследования свойств ШТЛ и сумматоров. 7.2.2. Описания лабораторных работ для натурного исследования ШТЛ и сумматоров. 7.2.3. Описания для проведения практических занятий с использованием компьютерного моделирования. 8

7.2.4. Пакеты программ OrCAD, SERENADA для моделирования устройств. 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины. 1. Классы с персональными компьютерами для проведения групповых занятий. 2. Лаборатория с макетами для исследования ШТЛ и схем сложения.

Редактор ______________________________________________________________________ _ Подписано в печать

Формат 60х84 1/16

Бумага типографская

Офсетная печать

Усл.п.л.

Заказ

Цена “С”

0,2 Уч.-изд.л. 0,15

Тираж

Редакционно-издательский отдел УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 Ротапринт УГТУ-УПИ, 620002, Екатеринбург, Мира, 19

9