Практикум по СВЧ-технике

ВЧ- и СВЧ-техника имеет широкое применение в ускорительной технике (ускорение частиц, получение заряженных ионов, группировка заряженных частиц и многое другое).

Техника высоких частот отличается от классической электроники отсутствием разделения на элементы (конденсатор, индуктивность и пр.) и линии передачи. Элементами, оказывающими влияние на распространение волны, часто являются неоднородности собственно линии передачи: пластины, диафрагмы, штыри, петли и т.п.

Практикум направлен на подготовку (или повышение квалификации) персонала смен и персонала, занимающимся текущим ремонтом и обслуживанием ускорителей. Практикум предназначен для знакомства с основными элементами ВЧ- и СВЧ-техники и наглядной демонстрации поведения волны в различных условиях: без препятствий, в присутствии различных помех (неоднородностей), а также под влиянием устройств, предназначенных для управления поведением волны (направленный ответвитель и фазовращатель). Кроме того, практикум даёт понятие об основных параметрах ВЧ- и СВЧ-систем и навыки их расчёта и измерения с помощью реально используемых на практике приборов.

Для успешного выполнения практикума студент должен знать основы:

  • математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии
  • физики: приставки СИ, понятие об электричестве
  • работы с компьютером: MS Windows, MS Office

Кроме того, студент должен иметь соответствующие очки/линзы в случае плохого зрения: в практикуме много работы с мелкими элементами.

Практикум разделен на теоретические и практические работы. Теоретические работы, несмотря на название, подразумевают работу с оборудованием, однако не дают никаких реальных навыков решения задач в области ВЧ- или СВЧ-техники — они нужны для наглядной демонстрации основных принципов и понятий. Практические же работы дают реальные навыки.

Список работ (Т — теоретические, П — практические):

0. (Т) Введение

Результат: общее представление об использовании СВЧ-техники в современном мире и способах передачи волн СВЧ-диапазона.

1. (П) Знакомство с оборудованием

Результат: умение работать с приборами: СВЧ-генератор SRS SG384, осциллограф Tektronix TDS 540D, селективный микровольтметр В6-9 (АО «Радиоприбор»), векторный анализатор KEYSIGHT E5071C, измеритель СВЧ-мощности М3.

2. (Т) Нахождение длины волны в волноводе

Результат: понимание поведения волны в фидерных линиях. Умение вычислять длину волны в свободном пространстве и в фидерных линиях теоретически, а также экспериментально находить длину волны в фидерных линиях с помощью измерительных линий (коаксиальной, плоской коаксиальной, волноводной).

3. (Т) Коэффициенты качества согласования

Результат: понятие о различных неоднородностях в волноводе (открытый волновод, согласованная нагрузка, емкостная и индуктивная диафрагмы). Понятие о важнейших параметрах ВЧ- и СВЧ систем: коэффициент отражения (Г), коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент бегущей волны (КБВ) и методах их определения.

4. (Т) Полные сопротивления

Результат: понятие активных, реактивных и полных сопротивления и проводимости. Умение вычислять полное сопротивление различных неоднородностей теоретически, и определять его с помощью диаграммы Вольперта-Смита и с помощью векторного анализатора цепей.

5. (П) Реактивный штырь

Результат: понятие о реактивном штыре и емкостном/индуктивном характере его реактивной составляющей проводимости. Умение согласовывать передающую линию с помощью реактивного штыря, используя векторный анализатор цепей.

6. (П) Объёмный резонатор

Результат: понятие о добротности — важном параметре ускоряющих систем, от которого зависит, насколько хорошо система может накапливать энергию (и, соответственно, насколько эффективно она может передавать эту энергию ускоряемым частицам). Умение рассчитать добротность резонатора.

6*. (П) Перестройка частоты циклотронов

Результат: навык холодной настройки ВЧ-системы четвертьволнового резонатора с поворотной петлёй связи, умение рассчитать ёмкостной триммер для компенсации небольших сдвигов частоты.

7. (П) Направленный ответвитель

Результат: понятие о направленном ответвителе и основных его параметрах (коэффициенты направленности и ослабления); умение рассчитать эти коэффициенты, измерив мощность в ответвлённом волноводе. Умение, измерив ответвлённую мощность, рассчитать мощность в основном волноводе, зная параметры ответвителя (практическая задача).

8. (П) Фазовращатель

Результат: понятие о фазовращателе, виды фазовращателей. Навык калибровки фазовращателя (практическая задача), умение построить график зависимости сдвига фаз от положения диэлектрика в волноводе.

Полный курс рассчитан на 3 недели. Однако продолжительность работ существенно зависит от уровня и базовых навыков студента. В зависмости от этого может варьирироваться количество лабораторных работ в курсе. Возможно также сократить курс, убрав часть работ.