Ideální pedagogická koncepce výuky mikrovlnných planárních obvodů Jiří Svačina Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně svacina @ feec.vutbr.cz 1
Ideální koncepce výuky Co je to? 2
Ideální koncepce výuky (technických předmětů) Teorie (přednášky) Ilustrační příklady Návrh (obvodu, zařízení) Optimalizace Technická realizace Ověření (experiment) Každý student tak uskuteční kompletní inženýrský cyklus návrh - realizace - ověření 3
Mikrovlnná integrovaná technika (MMIT) Vznik a vývoj mikrovlnných integrovaných obvodů (MIO), metody analýzy a syntézy, využití PC simulací. Hybridní MIO, technologie, konstrukce, praktická realizace. Parametry nesymetrického mikropáskového vedení, disperze. Inženýrská analýza a návrh. Koplanární, štěrbinové a vázaná mikropásková vedení a jejich modifikace. Analýza a výpočet základních parametrů, aplikace. MIO se soustředěnými parametry. Induktory, kapacitory, rezistory - realizace a parametry na velmi vysokých kmitočtech. Monolitické MIO. Přehled moderních polovodičových materiálů, technologie, vlastnosti, postupy monolitické mikrovlnné integrace. 4
Rezonanční obvody v MIT. Mikropáskové, štěrbinové a deskové planární rezonátory. Analýza a návrh na zadané parametry. Prstencové a výsečové rezonátory. Dielektrické rezonátory, vlastnosti, použití, způsoby realizace a obvodového zapojení. Směrové vazební členy (směrové odbočnice), parametry a typy. Odbočnice z dvojice vázaných vedení, návrh, realizace, měření. Kruhový, čtvercový, kombinovaný člen. Langeho širokopásmový vazební člen. Analýza, vlastnosti a návrh. Planární děliče výkonu. Wilkinsonův dělič se stejným a nestejným dělením výkonu. Postup analýzy a návrhu. Kmitočtové filtry v technice MIO, druhy a přehled zapojení. Mikropáskové přechody, buzení MIO. Praktická realizace. Kromě informací o technických a funkčních principech dané struktury obsahují tyto bloky informace o technologii obvodu a detailní algoritmizované postupy jeho analýzy a návrhu. 5
Individuální technické projekty a počítačová podpora návrhu MIO Každý student během semestru řeší individuální technický projekt analýzu a návrh několika typů mikrovlnných planárních struktur či obvodů. Projekty jsou výrazně orientovány na následnou realizaci, komplexní zhotovení a praktické ověření řešené struktury. Zadání si student do jisté míry samostatně dotváří či přizpůsobuje technologickým a materiálním možnostem budoucí realizace, a to na základě vyhledávaných parametrů a podkladů ve výrobních katalozích, příp. dalších informačních materiálech na Internetu. 6
Projekty studentů zahrnují též počítačové simulace pro řešení a optimalizaci obvodu v pracovním pásmu kmitočtů. Studenti využívají jednoduché a snadno (intuitivně) zvládnutelné softwarové produkty, které jsou specializované na analýzu a návrh planárních obvodů v mikrovlnné části spektra a umožňují tak rovněž rychlou a efektivní kontrolu vlastního ručního návrhu struktury. Pro daný předmět využíváme např. jednoduché simulátory PUFF, Sonnet Lite, AppCAD, TRANSLIN, TRAVIS a řadu tzv. elektronických kalkulátorů volně dostupných na síti Internetu. 7
8
9
Sonnet 11.55 Lite 10
11
12
TRANSLIN for Windows vers. 1.0 13
14
Laboratorní cvičení, realizace a měření planárních obvodů Individuální výroba navrženého planárního obvodu (klasická leptací technologie DPS, výhledově suchá technologie na bázi mikrofrézování). Kompletní realizace obvodu (připojení koaxiálních konektorů SMA, vkládání diskrétních prvků, příp. dílčí pouzdření). 15
Měření vlastností obvodu mikrovlnnými analyzátory (skalární analyzátor ANRITSU 54147A do 20 GHz a vektorový analyzátor Rohde & Schwarz ZVL6 do 6 GHz). Skalární analyzátor ANRITSU 54147A do 20 GHz Vektorový analyzátor Rohde & Schwarz ZVL6 do 6 GHz Izolace [db] f [GHz] 16
Předpoklady úspěšné realizace ideální výukové koncepce Rozumný počet rozumných studentů v předmětu (maximálně cca 50 studentů). Nelze efektivně realizovat v povinných (bakalářských) předmětech. Dostatečné materiální zázemí pro studentské realizace: speciální dielektrické podložky pro výrobu MIO (Arlon řady AD-350 a AD-1000), přesné koaxiální konektory SMA do 20 GHz, přesné měřicí zakončovací odpory, příp. vkládanésoučástky (čipy). Kvalitní (a automatizovaná) měřicí technika pro daný kmitočtový rozsah a typ obvodů včetně speciálně zpracovaných stručných manuálů k obsluze. 17
Realizovat kroky ke zjednodušení a zrychlení pro- cesu výroby, měření a pro jednodušší a ekonomič- tější manipulaci s navrženým planárním obvodem: podrobné zaškolení na výrobu a postup měření MIO, automatická rychlá kalibrace obvodových analyzátorů, univerzální výměnný měřicí držák MIO bez nutnosti pájení konektorů 18
Závěr Uvedená koncepce výuky vzbudila zájem studentů (počet studentů v předmětu se za 2 roky více než zdvojnásobil). Další výrazné zlepšení, zpřesnění a zefektivnění zavedením suché technologie výroby MIO na bázi programově řízeného mikrofrézování (od roku 2009 frézovací zařízení BUNGARD CCD/MTC). 19
Poděkování Tvorba uvedené koncepce předmětu MMIT je je v tomto roce podpořena rozvojovým projektem Fondu rozvoje vysokých škol MŠMT v Praze č. č. 512/2008. Děkuji za pozornost.. a za trpělivost 20