НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Факультет РЭФ
Кафедра КТРС
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан факультета РЭФ
проф. д. т.н.
“___ ”______________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА СВЧ
ООП 551100 "Проектирование и технология электронных средств", Факультет РЭФ
Курс 5, семестр № 9.
Лекции 34 час.
Лабораторные работы 34 час.
Курсовой проект – РГЗ, семестр № 9.
Самостоятельная работа 50 час.
Экзамен (зачет), 9 семестр.
Всего 158час.
Новосибирск
2006г.
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению (специальность) 551100 "Проектирование и технология электронных средств". Регистрационный номер № 000 , утвержден 05.04.2000г.
Данная дисциплина относится к вузовской классификации, Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры КТРС, номер протокола заседания кафедры № ___ от __________2006г..
Программу разработал преподаватель _______________
Заведующий кафедрой проф. д. т.н ______________
Ответственный за ООП зам. заведующего кафедры к. т.н.______________
1. Внешние требования
При создании рабочей программы по дисциплине "Микроэлектроника СВЧ" использованы следующие основные положения ГОС ВПО - направление 551100 "Проектирование и технология электронных средств" степень (квалификация) - бакалавр техники и технологии:
Область профессиональной деятельности выпускника включает в себя проектирование, конструирование и технологию электронных средств, отвечающих целям их функционирования, требованиям надежности, дизайна и условиям эксплуатации.
Объектами профессиональной деятельности выпускника являются радиоэлектронные средства и электронно-вычислительные средства.
Бакалавры по направлению подготовки "Проектирование и технология электронных средств" могут выполнять следующие виды профессиональной деятельности: проектная; научно - исследовательская; Бакалавр по направлению "Проектирование и технология электронных средств" в зависимости от вида профессиональной деятельности подготовлен к решению следующих профессиональных задач:
а. проектная деятельность: проектирование простых конструкций электронных средств; разработка конструкторско-технологической документации на объекты проектирования;
б. научно - исследовательская деятельность: участие в научно-исследовательских работах в области проектирования, конструирования и технологии электронных средств; анализ научных и прикладных проблем в предполагаемой области исследования, разработка математических, физических, топологических моделей конструкций и технологий, использования информационных технологий проектирования электронных средств; проведение экспериментальных исследований и обработка результатов;
Квалификационные требования
Для решения профессиональных задач бакалавр осуществляет сбор, обработку, анализ и систематизацию научно-технической информации по теме исследований и разработок; изучает специальную литературу и другую научно-техническую информацию, достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области проектирования и технологии электронных средств; участвует в проведении экспериментальных исследований конструкций электронных средств и технологий их производства по заданной программе, составляет описания экспериментов, готовит данные для составления отчетов, обзоров и другой документации; выполняет математическое моделирование конструкций электронных средств и технологий их производства по типовым методикам; технические характеристики и экономические показатели лучших отечественных и зарубежных образцов конструкций электронных средств и технологий их производства.
2. Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.
Таблица 2 Принципы построения дисциплины
Особенность (принцип) | Содержание |
Основание для введения курса | Основные требования положения ГОС о знаниях, приобретаемых студентами по специальностям 551100 - Проектирование и технология электронных средств" и 654400 - "Телекоммуникации " и Рабочее заседание кафедры "Конструирование и технология радиоэлектронных средств". |
Бакалавры, обучающиеся на 5-м курсе. | |
Главная цель | Иметь представление о физических принципах работы микроэлектронных СВЧ устройств, включающих активные и пассивные элементы схем и отдельные полупроводниковые приборы. Иметь представление о современных направлениях развития микроэлектроники СВЧ. Уметь производить расчет согласующих цепей для активных элементов в диапазоне частот 1-40ГГц. Уметь воспринимать современные публикации по вопросам теории и конструирования п/п устройств СВЧ. |
Ядро курса | Микрополосковые, полосковые и копланарные линии передачи. Устрой-ства фильтрации, сложения мощности и согласования импедансов с применением диаграммы Смитта и программы «Microwave Office». Диоды: Шоттки, Ганна и ЛПД; Биполярные кремниевые транзисторы, полевые транзисторы на арсениде галлия и гетероструктурах на основе ALGaAs/GaAs, ALGaAs/InGaAs и ALGaN/GaN. Монолитные СВЧ схемы на Si и GaAs. |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения Вашего курса | Математический анализ, линейная алгебра и методы математической физики. Курс теории цепей, электродинамика, физика полупроводников и информатика. |
Уровень требований по сравнению с ГОС | Основной упор в курсе проводится на СВЧ устройства, отдельно не выделенные в ГОС ВПО. |
Объём курса в часах | 130,4 ч., из них 34ч. - лабораторные работы. |
Основные понятия курса | Электромагнитная волна. Поток мощности СВЧ. Линии СВЧ и устройства на их основе. Согласование генератора и нагрузки. Диоды и транзисторы СВЧ диапазона. Согласование входного и выходного импедансов активного элемента. Гибридные и монолитные схемы СВЧ. Гетероструктура. |
Практическая часть курса | Выработка умения работать с диаграммой Смитта и программой «Mic-rowave Office». Расчет параметров различных линий СВЧ, согласую-щих цепей активных элементов. Расчет СВЧ фильтров с применением программных средств. |
Особая технология организации учебного процесса | Лекция – Диалог. |
Области применений полученных знаний и умений | Гражданская и особенно военная техника СВЧ диапазона: РЛС, радиоэлектронная борьба, ЗРК. Сотовые базовые станции индивидуальной связи и спутниковые системы телевидения и связи. |
Описание основных "точек" | Расчетно-графическое задание по характеристикам различных линий СВЧ. Выполнение 4-х лабораторно - расчетных домашних заданий по расчету согласующих цепей, параметров линий передачи и фильтров СВЧ, в т. ч. с применением программных средств. |
Ваш курс и современные информационные технологии | Расчет устройств с использованием программы «Microwave Office». |
Ваш курс и современное состояние науки и практики | Курс отражает современный уровень развития полупроводниковых СВЧ МЭУ, включает полевые транзисторы на GaAs, ALGaAs/GaAs и AlGaAs/InGaAs и AlGaN/GaN гетероструктурах и монолитные схемы СВЧ. |
3. Цели учебной дисциплины
Цели учебной дисциплины описываются в табл. 3.
Таблица 3
После изучения дисциплины студент будет
Номер цели | Содержание цели |
иметь представление | |
1 | о фундаментальной связи параметров полупроводниковых пленок и параметров приборов и основах электроники СВЧ. |
знать | |
2 | основные физические принципы работы пассивных (линии передачи) и активных (диоды и транзисторы) элементах микроэлектронных устройств СВЧ. |
уметь | |
3 | рассчитывать различные устройства СВЧ, в т. ч. цепи согласования и сложения мощности. |
иметь опыт | |
4 | работы с диаграммой Смитта и программой «Microwave Office». |
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Описание лекционных занятий приведено в табл. 4.
Таблица 4
Темы лекционных занятий | Часы | Ссылки на цели |
Семестр № 9 | ||
1.Распределенная линия передачи на СВЧ. Параметры линии: волновое сопротивление, коэффициент распространения, потери передачи и на отражение, входное сопротивление нагруженной линии передачи, коэффициент стоячей волны (КСТV), Zвх, КСТVвх, работа линии на рассогласованную нагрузку. 2.Диаграмма сопротивлений (проводимости) Смитта (ДС). Трансформация сопротивления (проводимости) с помощью ДСВ. 3.Трансформация короткозамкнутым и разомкнутым отрезком (λв/2 и λв/4), ступенчатый трансформатор. | 2 | 1, 2, 3, 4 |
1.Согласующие шлейфы. 2.Согласующие цепи (СЦ): А) Г - образная СЦ на резистивных элементах, на реактивных элементах. Б) Т-образная СЦ на реактивных элементах В) П - образная СЦ на резистивных элементах. Г) СЦ на входе и выходе усилителя на биполярном транзисторе. | 2 | 1, 2, 3, 4 |
1.Аттенюаторы на сосредоточенных элементах Т - и П - образного типа. 2.Y-параметры и Z-параметры 4-х полюсника. 3.Понятие параметров рассеяния (S-параметров). А) S-параметры 4-х полюсника. Физический смысл. Измерение S-параметров. Б) S-параметры 2-n полюсника. Матричное представление. В)Связь S и Y-, Z - параметров. | 3 | 1, 2, 3 |
1.S-матрицы ряда элементов (узлов) СВЧ: А) Отрезка линии передачи с потерями. Б) Отрезок связанной 2-х проводной линии с потерями. В) Последовательно включенного комплексного сопротивления (КС) Г) Параллельно включенного КС. Д) Скачка волнового сопротивления. Е) Т - образного соединения КС. Ж) П - образного соединения КС. Д) Лучевое соединение. 2. Каскадирование 4-х полюсников. 3. Каскадирование 2n - полюсников. | 3 | 1, 2, 3 |
1. Разновидности одиночных линий передачи. А) Симметричная полосковая линия Б) микрополосковая линия. Б) Щелевая линия. В) Копланарная линия. 2. Разновидности связанных двухпроводных линий передачи А) Симметричная связанная линия передачи Б) Связанная микрополосковая линия передачи. | 4 | 1, 2 |
1.Общие параметры направленных ответвителей (НО). 2.Шлейфный НО. 3 Кольцевой НО. 4 НО на 2-х проводной связанной МПЛ. 5.Тандемный НО. 6.НО Ланге на 4-х и 6-ти проводных МПЛ. 7.Бинарный делитель / сумматор мощности. | 2 | 1, 2, 3 |
1.Фильтры СВЧ НЧ прототиы Баттерворта и Чебышева. 2.Реализация ФНЧ в виде распределенных элементов 3.ФВЧ. Реализация. 4.ППФ. Реализация. 5.Полосно-заграждающие фильтры. Реализация. | 4 | 3, 4 |
Диоды Шоттки. Теория барьера Шоттки. Эквивалентная схема на СВЧ. Конструкция и технология изготовления, применение в схемах СВЧ. | 1 | 1, 2 |
Биполярный СВЧ транзистор. Конструкция. Технология изготовления. | 2 | 1, 2 |
СВЧ полевой транзистор на арсениде галлия с барьером Шоттки. Теория. Конструкция. Технология изготовления. | 3 | 1, 2 |
Монолитные схемы СВЧ на арсениде галлия. Технология, применение МИС СВЧ в системах связи, АФАР, электронного противодействия и бытовой аппаратуре связи и ТВ. | 2 | 1, 2 |
Полевые СВЧ транзисторы на гетероструктурах ALGaAs/GaAs, ALGaAs/InGaAs/GaAs, ALGaN/GaN. Основы работы, технология изготовления. | 2 | 1, 2 |
Диоды Ганна. Режимы работы. Конструкция, технология. Генераторы и усилители на ДГ. Лавино - пролетные диоды. Режимы работы. Конструкция, технология. Генераторы и усилители на ЛПД. | 2 | 1, 2 |
Биполярные транзисторы на гетероструктурах ALGaAs/GaAs Основы работы, технология изготовления. | 2 | 1, 2 |
Описание лабораторных работ приведено в табл. 6.
Таблица 6
Темы практических занятий | Учебная деятельность | Часы | Ссылки на цели |
Семестр №9 | |||
1. Диаграмма Смитта. 2. Нанесение импедансов нагрузки на ДС. 3. Согласование нагрузки отрезком линни передач с потерями и без них. 4. Согласование нагрузки короткозамкнутым и разомкнутым шлейфами. | 8 | 1, 3, 4 | |
1. Г-образные резистивные цепи согласования импедансов. 2. Г-образные реактивные цепи согласования импедансов. 3. Т-образные цепи согласования импедансов. 4. П-образные цепи согласования импедансов. | 8 | 3 | |
1. Расчет аттенюаторов Т - и П - типов.. 2. Согласование импедансов Г-образными цепями согласования на L - и C-элементах с помощью ДС. | 8 | 3 | |
1. Расчет ФНЧ, ФВЧ и ППФ фильтров СВЧ из сосредоточенных элементов. 2. Приближенный расчет топологии ФНЧ фильтра с применением формул линии передачи. 3. Уточненный расчет (анализ и синтез) топологии и характеристик ФНЧ фильтра с применением программы «Microwave Office». | 10 | 1, 3, 4 |
5. Учебная деятельность
Экзаменационные вопросы по курсу «Микроэлектроника СВЧ»
Билет № 1
1. Согласование отрезками линий λв/2 и λв/4. Ступенчатый и плавный переходы.
2. Принцип работы полевого транзистора на GaAs. ВАХ и эквивалентная схема СВЧ.
3. Линия с воздушным заполнением с Zв = 50 Ом нагружена на нагрузку Zн = 20 +j 10 Ом.
Определить входное сопротивление и КСТvвх на расстоянии 0,3 λв от нагрузки. Потери в линии составляют 10дБ/λв.
Билет № 2
1. Короткозамкнутый и разомкнутый шлейфы.
2. Разновидности гетероструктурных полевых СВЧ транзисторов.
3. Линию передачи с воздушным заполнением и характеристическим импедансом Zв=25 Ом необходимо согласовать трансформатором λв/4 с сопротивлением нагрузки Zн=75-j 100 Ом на частоте 2ГГц.
Билет № 3
1. Т - и П - образные согласующие цепи на резистивных элементах.
2. Принцип работы биполярного СВЧ транзистора.
3. Согласовать нагрузку Zн=150+j75 Ом с линией передачи c воздушным заполнением с Zв =75 Ом на частоте 2ГГц с помощью коротко замкнутого шлейфа.
Билет № 4
1. Аттенюаторы Т - и П - образного типа.
2. Принцип работы диода Ганна. Основные режимы работы. Эквивалентная схема.
3. Линия с воздушным заполнением с Zв = 25 Ом нагружена на нагрузку Zн = 20 - j 10 Ом. Определить входное сопротивление и КСТvвх на расстоянии 0,3 λв от нагрузки. Потери в линии составляют 20дБ/λв.
Билет № 5
1. Физический смысл S-параметров 4-х полюсника.
2. Принцип работы лавино-пролетного диода. Основные режимы работы. Эквивалентная схема.
3. Линию передачи с воздушным заполнением и характеристическим импедансом Zв=50 Ом необходимо согласовать трансформатором λв/4 с сопротивлением нагрузки Zн=150+j 100 Ом на частоте 1ГГц.
Билет № 6
1. Алгоритмы каскадирования 4-х полюсников и 2-n полюсников.
2. Принцип работы полевого транзистора на GaAs (кратко). Эквивалентная схема СВЧ.
3. Согласовать нагрузку Zн=150+j75 Ом с линией передачи c воздушным заполнением с
Zв=75 Ом на частоте 2ГГц с помощью разомкнутого шлейфа.
Билет № 7
1. Характеристики симметричной полосковой линии.
2. Особенности конструкции мощного биполярного транзистора.
3. Согласовать сопротивление генератора Zг=50 Ом согласующей цепью из L-C элементов так, чтобы получить Гнopt = 0,3 еj30°. Частота 1 ГГц.
Билет № 8
1. Характеристики микрополосковой (несимметричной) линии.
2. Факторы, определяющие мощность полевого СВЧ транзистора на GaAs.
3. Согласовать сопротивление генератора Zг =50 Ом согласующей цепью из L-C элементов так, чтобы получить Гнopt = 0,2 еj120°. Частота 2 ГГц.
Билет № 9
1. Характеристики щелевой и копланарной линий. Отличия.
2. Диод с барьером Шоттки и его эквивалентная СВЧ схема.
3. Линия с воздушным заполнением с Zв = 100 Ом нагружена на нагрузку Zн = 5 +j 25 Ом.
Определить входное сопротивление и КСТVвх на расстоянии 0,2 λв от нагрузки. Потери в
линии составляют 5дБ/λв.
Билет № 10
1. Симметричные связанные полосковые линии.
2. Гетероструктурные биполярные транзисторы на основе ALGaAs/GaAs гетеропереходов.
3. Линию передачи с воздушным заполнением и характеристическим импедансом Zв=100 Ом необходимо согласовать трансформатором λв/4 с сопротивлением нагрузки Zн=150-j 50 Ом на частоте 5ГГц.
Билет № 11
1. Симметричные связанные микрополосковые линии.
2. Монолитные схемы на арсениде галлия.
3. Согласовать нагрузку Zн=25+j150 Ом с линией передачи c воздушным заполнением с
Zв=50 Ом на частоте 1ГГц с помощью короткозамкнутого шлейфа.
Билет № 12
1. Шлейфные направленные ответвители.
2. Практические ограничения частотного диапазона биполярного СВЧ транзистора.
3. Согласовать сопротивление генератора Zг=50 Ом согласующей цепью из L-C элементов так, чтобы получить Гнopt = 0,5 е-j30°. Частота 1 ГГц.
Билет № 13
1. Кольцевые направленные ответвители. 2. Монолитные схемы на арсениде галлия. 3. Согласовать нагрузку Zн=25+j150 Ом с линией передачи c воздушным заполнением с Zв=50 Ом на частоте 1ГГц с помощью разомкнутого шлейфа.
Билет № 14
1. Направленные ответвители на 2-х проводной связанной линии. Тандемный НО.
2. Усилитель бегущей волны на диоде Ганна.
3. Согласовать сопротивление генератора Zг=75 Ом согласующей цепью из L-C элементов так, чтобы получить Гнopt= 0,4 еj240°. Частота 1 ГГц.
Билет № 15
1. Направленный ответвитель Ланге.
2. Сравнение биполярного и полевого СВЧ транзистора. 3. Согласовать нагрузку Zн=25+j150 Ом с линией передачи c воздушным заполнением с Zв=50 Ом на частоте 1ГГц с помощью короткозамкнутого шлейфа.
Билет № 16
1. ФНЧ Баттервортовского и Чебышевского типов. Роль ФНЧ прототипа при расчете ФВЧ, ППФ и ПЗФ.
2. IMPATT и TRAPATT режимы работы лавино-пролетного диода. Основное отличие.
3. Согласовать сопротивление генератора Zг=50 Ом согласующей цепью из L-C элементов так, чтобы получить Гнopt = 0,3 еj30°. Частота 1 ГГц.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
Студент должен прослушать лекции всего курса, выполнить РГЗ и 4 лабораторные работы. Оценивание знаний студента на экзамене и при защите РГЗ и лабораторных работ производится по 5-ти бальной системе.
7. Список литературы
Основной список
1) , Микроэлектроника СВЧ, Ч.1, Новосибирск, НГТУ, 2002г.
2) В. Фуско, СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. Москва, Изд-во «Радио и связь», 1990г.
3) Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств СВЧ. Под ред. , Москва, Изд-во «Радио и связь», 1982г.
4) Под ред , Микроэлектронные устройства СВЧ. Москва, изд-во «Высшая школа, 1988г.
5) Под ред. Г. Уотсона, СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение. Москва, Изд-во «Мир», 1972г.
6)Под ред. Д. В. Ди Лоренцо. , Полевые транзисторы на арсениде галлия. Москва, изд-во «Радио и связь», 1988г.
7) , Микроэлектроника СВЧ, Ч.2, Новосибирск, НГТУ, 2001г. 8) , Микроэлектроника СВЧ, Ч.3, Новосибирск, НГТУ, 1997г.
9) Под. ред. М. Хауэса, Д. Моргана, Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ, Москва, Изд-во «Мир», 1979г.
10) С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х томах. Москва, Изд-во «Мир», 1984г.
11) Ю. Пожела, Физика быстродействующих транзисторов, Вильнюс, 1989г.
Дополнительный список
1) T. F. White “The Smith Chart: endangered species?”, Microwave Journal, 1979, N 11, pp. 49-54.
2) Р. Карсон, Высокочастотные усилители, Москва, Изд-во «Радио и связь», 1981г.
3) , , Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Москва, Изд-во «Советское радио», 1972г.
4) , Антенны и устройства СВЧ, Москва, Изд-во «Высшая школа», 1988г.
5) Под ред , Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот. Харьков, 1974г.
6). И. Гвоздев, , Объемные интегральные схемы СВЧ, Москва, Изд-во «Наука», 1985г.
7) , , Электродинамика структур крайне высоких частот, Москва, Изд-во «Наука», 2002г.
8) , Электронная техника, Сер. 1, Электроника СВЧ., 1975г, вып. 12, стр. 56-60.
9) , Л. Янг, Е. , Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Москва, в 2-х томах, Изд-во « Связь», 1971-1972гг.
10) Под ред. Ф. Брэнда. Полупроводниковые схемы СВЧ. Москва, Изд-во «Мир», 1972г. 11) , , Применение контакта металл-полупро-водник в электронике. Москва. Изд-во «радио и связь», 1981г.
12) М. Шур, Современные приборы на основе арсенида галлия. Москва, изд-во «Мир», 1991г.
13) , , Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ, Москва, изд-во «Радио и связь», 1989г.
14), , Основы наноэлектроники., Новосибирск, НГТУ, 2004г.
8. Контролирующие материалы для аттестации студентов
по дисциплине
1. Расчетно-графическое задание по расчету зависимостей характеристик различных СВЧ линий передачи от параметров материала, геометрии и диапазона частот.
2. Четыре лабораторные работы по разделам курса.
