Метод указ по курсу - Новгородский государственный университет

Федеральное агентство по образованию
Государствнное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Институт электронных информационных систем
Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Дисциплина по направлению 210200 «Проектирование и технология ЭС»
и специальности 210201
«Проектирование и технология РЭС»
Методические указания
2
УДК 621.372.85
Техническая электродинамика: метод. указ./ Сост. М.И. Бичурин М.И.,В.М.Петров; НовГУ.
-Новгород,2005 .
Изложена программа и методические указания по изучению курса и контрольные
задания.
Предназначено для студентов заочной формы обучения по специальности 210201,
изучающих дисциплину “Техническая электродинамика”. Может быть использовано
студентами дневного отделения, обучающимися по направлению 210200.
Табл. 5, библиогр. 12 назв., 13 с.
Одобрено к изданию на заседании кафедры ПТР
Протокол №
от
2005 г.
Зав.кафедрой
М.И.Бичурин
Новгородский государственный университет , 2005
3
1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1 Цель преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины является изучение основных сведений из
теории электромагнитного поля, теории цепей с распределенными параметрами, а также
линий передачи СВЧ.
Содержание курса включает основные сведения из теории электромагнитного
поля и теории СВЧ - цепей, классификацию и основные параметры линий передачи
СВЧ, физические принципы проектирования и конструктивнотехнологические
характеристики линий передачи СВЧ, вопросы выбора материалов. Настоящая учебная
дисциплина объединяет на системном уровне такие дисциплины как "Физика", "Основы
радиоэлектроники и радиоэлектронные устройства", "Материалы конструкций РЭС",
"Электрорадиоэлементы" с дисциплиной "Конструирование РЭС".
1.2 Задачи изучения дисциплины
 Изучение основ теории электромагнитного поля
 Изучение характеристик направляемых электромагнитных волн
 Изучение основ теории электрических СВЧ-цепей
 Изучение физических основ проектирования линий передачи СВЧ
 Формирование представлений о стандартизации и закономерностях выбора линий
передачи СВЧ при проектировании РЭС.
Изучение
курса предполагает
самостоятельную работу
студента над
рекомендованной литературой. Предусмотренные учебным планом лекции помогут
целенаправить и организовать работу студента. На лекциях дается общее
ознакомление с содержанием материала разделов и более подробно рассматриваются
отдельные вопросы, труднее усваиваемые при самостоятельном изучении.
4
2 ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
2.1 Введение
2.1.1 Программа
Предмет, цель и содержание курса. Диапазон радиочастот и особенности
диапазона СВЧ. Назначение и основные особенности линий передачи СВЧ.
2.1.2 Методические указания
При изучении этого раздела необходимо усвоить основные свойства СВЧ диапазона
и
особенности
СВЧ
устройств,
их преимущество перед устройствами с
сосредоточенными параметрами и необходимость применения методов электродинамики
при расчетах устройств СВЧ.
2.1.3 Контрольные вопросы
1) Пояснить особенности электромагнитных волн диапазона СВЧ.
2) Почему нельзя использовать в диапазоне СВЧ конструкции с сосредоточенными
параметрами ?
3)Перечислить недостатки двухпроводных и коаксиальных линий передачи,
проявляющиеся в диапазоне СВЧ.
Рекомендуемая литература : [1], [4]
2.2 Тема : Основы теории электромагнитного поля
2.2.1 Программа
Основные уравнения электромагнитного поля. Уравнения Максвелла в интегральной
и дифференциальной форме, анализ и физический смысл уравнений.
Граничные
условия
для векторов
поля. Энергия электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга.
Виды электромагнитных полей. Электростатическое и магнитостатическое поля и их
описание. Переменное электромагнитное поле. Электромагнитные волны в неограниченных средах. Взаимодействие электромагнитного поля с конструкционными
материалами.
Скин - эффект. Учет
шероховатости
границы раздела. Взаимодействие
электромагнитных волн и радиопоглощающих материалов. Требования к материалам
конструкции. Преломление и отражение электромагнитных волн на границе раздела двух
сред с разными параметрами.
2.2.2 Методические указания
При изучении данного раздела необходимо обратить внимание на физическую
сущность
уравнений электромагнитного поля.
Полная система уравнений
электромагнитного поля
(система уравнений
Максвелла) включает в себя все
объективно существующие связи макроскопического электромагнитного поля. Эта
система уравнений дает принципиальную возможность произвести расчет любого
макроскопического электромагнитного явления.
В результате изучения вопросов взаимодействия поля с материалами необходимо
сформулировать критерии выбора и применения конструкционных материалов на СВЧ,
требования к качеству обработки токонесущих поверхностей конструкции СВЧ.
2.2.3 Контрольные вопросы
1) Записать уравнения Максвелла в прямоугольной системе координат.
2) Что такое ток смещения, каков его физический смысл? В чем состоит аналогия и
различие между токами смещения и проводимости?
3) Каков физический смысл вектора Пойнтинга?
5
4) Перечислить основные параметры материалов, применяемых на СВЧ.
Рекомендуемая литература [1], [4].
2.3 Тема: Направляемые электромагнитные волны
2.3.1 Программа
Свободные поля в продольно однородных системах. Общие свойства
направляемых волн. Структура поля направляемых волн.
Основные типы направляемых электромагнитных волн.
Характеристики поперечных электромагнитных волн.
Характеристики электрических и магнитных волн. Концепция парциальных волн.
2.3.2 Методические указания
При изучении темы необходимо уяснить основные особенности направляемых
электромагнитных волн, их отличие от свободных волн.. Знать основные типы
направляемых волн, структуру поля этих волн., условия существования в направляющих
системах поперечных электромагнитных волн. Знать основные характеристики
поперечных электромагнитных волн и волн электрического и магнитного типа.
2.3.3. Контрольные вопросы
1)Какова связь между продольными и поперечными составляющими полей в однородной
направляющей системе?
2)Что такое критическая частота и критическая длина волны?
3)Пояснить структуру электромагнитного поля поперечных электромагнитных волн, ее
зависимость от частоты.
4) В чем суть концепции парциальных волн?
Рекомендуемая литература : [1], [3], [4], [9].
2.4 Тема: Основы теории цепей с распределенными параметрами
2.4.1 Программа
Основное уравнение передачи и его решения. Основные характеристики линий
передачи. Стоячие волны. Частично стоячие волны. Коэффициент отражения и
коэффициент стоячей волны.
Входное
сопротивление
линии короткозамкнутой,
разомкнутой и нагруженной на комплексное сопротивление. Круговая диаграмма, ее
свойства и применение.
2.4.2 Методические указания
При
изучении темы
необходимо уточнить отличие линий передачи СВЧ от
низкочастотных линий. Следует уточнить границы применимости основных уравнений
передачи для описания процессов в устройствах СВЧ.. Необходимо уметь составлять и
решать основные уравнений передачи, знать основные характеристики линий передачи,
характеристики частично стоячих волн.
2.4.3 Контрольные вопросы
1)Выведите уравнение длинной линии.
2)Перечислите и опишите основные характеристики линий передачи.
3)Опишите свойства стоячих волн.
4)Определите входное сопротивление линии короткозамкнутой,
разомкнутой
и
нагруженной на комплексное сопротивление
Рекомендуемая литература : [1], [3], [4], [9].
6
2.5 Тема : Линии передачи СВЧ
2.5.1 Программа
Назначение линий передачи и предъявляемые к ним требования.
Конструкции линий передачи : полые, диэлектрические, коаксиальные, полосковые и
микрополосковые. Основные типы направленных волн и их характеристики.
Прямоугольные и круглые волноводы. Основные конструкции волноводов. Волны в
прямоугольном и круглом волноводах. Выбор рабочего типа волны. Связь между
электрическими и конструктивными параметрами волноводов. Выбор типа конструкции
и определение
ее оптимальных
геометрических размеров. Типовые элементы
конструкции. Методы повышения электрической и механической прочности, расширения
рабочей полосы, уменьшения массы и геометрических размеров волноводов,
Коаксиальные линии. Основные конструкции коаксиальных линий. Основная
волна и волны высших типов. Связь между электрическими и конструктивными
параметрами. Выбор оптимальных размеров конструкций. Рекомендуемое применение.
Неоднородные участки линий передачи. Коаксиальные и волноводные соединения,
уголки, скрутки, переходные соединения, трансформаторы типов волн. Примеры
конструкций. Методы обеспечения надежных электрических контактов. Герметизация и
электрическая герметизация соединений.
Однопроводные и диэлектрические линии., их основные параметры.
Микрополосковые линии передачи. Типы микрополосковых линий передачи.
структура
электромагнитного
поля
микрополосковых
линий. параметры линий
передачи. Связанные линии. Подложки и проводники линии передачи и СВЧ - микросхем.
2.5.2 Методические указания
При изучении темы необходимо уяснить основные требования, предъявляемые к
линиям передачи. Знать их основные конструкции, уметь сравнивать различные типы
линий, их преимущества и недостатки на различных диапазонах частот. Знать
зависимость характеристик линий передачи от конструктивных параметров.
2.5.3. Контрольные вопросы
1) Пояснить назначение волноводов различной конструкции.
2) Привести пример расчета производственных допусков на геометрические размеры
волноводов.
3) Какие методы используются для расширения рабочей полосы волноводов?
4) Что такое дисперсия? Запишите дисперсионную характеристику полых волноводов.
Рекомендуемая литература : [1], [3], [4], [9].
3 КОНТРОЛЬНОЕ
ЗАДАНИЕ
Каждый студент должен выполнить одну контрольную работу. Контрольная работа
состоит из пяти задач. Вариант выбирается по последней цифре номера зачетной книжки.
При решении задач следует приводить расчетные формулы, указывать
единицы измерения.
Задача 1 Прямоугольный волновод.
Определить геометрию прямоугольного волновода, предназначенного для
передачи электромагнитного поля простейшего типа в заданном диапазоне волн.
Рассчитать и построить графики частотной зависимости электрических характеристик
7
волновода (фазовой и групповой скоростей, длины волны в волноводе, затухания,
волнового сопротивления, предельной мощности).
Таблица 3.1
№
варианта
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Диапазон
 min,см
1,9
3,4
4,0
4,6
5,2
6,4
7,8
9,8
0,9
0,6
волн
 max, см
3,8
4,8
6,0
7,0
8,4
10
12
16
1,4
0,9
Материалы волновода
посереб.медь
латунь
медь
алюминий
посереб. алюмин.
латунь
посереб.медь
алюминий
посереб.алюмин.
латунь
Материалы
наполнителя
воздух
фторопласт-3
воздух
фторопласт-4
воздух
полиэтилен
воздух
винипласт
воздух
фторопласт
Задача 2 Круглый волновод.
Определить геометрию круглого волновода, предназначенного для передачи
электромагнитного поля заданного типа в заданном диапазоне волн. Рассчитать и
построить графики частотной зависимости электрических характеристик волновода
(фазовой и групповой скоростей, длины волны в волноводе, затухания, волнового
сопротивления, предельной мощности).
Таблица 3.2
№
вариан
та
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Диапазон
 min,
см
8
7
6,5
6
4,0
2,0
1,5
1,0
0,9
0,6
волн
 мax,
см
10
8,5
7,0
6,5
5,5
4,0
2,5
2,0
1,2
0,9
Тип
волны
Н1
Е01
Н01
Н01
Н11
Н11
Е01
Е01
Н01
Н01
Материал волновода
алюминий
медь
латунь
медь
латунь
посереб.медь
посереб.латунь
посереб.алюм.
посереб.медь
латунь
Материал
наполнителя
воздух
фторопласт-4
воздух
фторопласт-3
воздух
полиэтилен
винипласт
воздух
фторопласт-3
фторопласт
8
Задача 3. Коаксиальная линия.
Определить геометрию коаксиальной линии, предназначенной для передачи
электромагнитного поля простейшего типа с минимальным затуханием. построить
графически структуру поля, токов проводимости и смещения для волн типа ТЕМ, Е01 и
Н01. Определить предельную мощность, затухание, волновое сопротивление, длину
волны, погонные емкость и индуктивность коаксиальной линии для волны типа ТЕМ.
Таблица 3.3
№
Длина волны
Материал линии
Материал наполнителя
вариант
а
, см
0
10
медь
поливинилхлорид
1
12
медь
полиэтилен
2
14
посереб.медь
полиэтилен
3
16
латунь
поливинилхлорид
4
18
медь
фторопласт-4
5
20
посереб.медь
поливинилхлорид
7
30
медь
фторопласт-4
8
34
латунь
полиэтилен
9
38
посереб.медь
воздух
Задача 4 Симметричная полосковая линия.
Определить геометрию симметричной полосковой линии, предназначенной для
передачи электромагнитного поля простейшего типа. Построить графически структуру
поля, токов проводимости и смещения для волн типа ТЕМ, Е01 и Н01 . Определить
погонные емкость и индуктивность, длину волны, затухание и предельную мощность
линии для волны простейшего типа.
Таблица 3.4
№
варианта
Длина волны
,см
Волновое
сопротив.
Zо, Ом
Материал линии
Материал
наполнителя
0
5
25
медь
воздух
1
3
50
латунь
фторопласт-4
2
10
75
посереб.медь
воздух
9
3
12
25
медь
ПТ-3
4
15
50
латунь
ПТ-5
5
20
75
посереб.медь
ПТ-7
6
25
25
медь
ПТ-10
7
30
50
латунь
воздух
8
35
75
посереб.медь
СТ-10
9
40
50
латунь
ПТ-10
Задача 5 Несимметричная полосковая линия.
Определить геометрию несимметричной полосковой линии, предназначенной для
передачи электромагнитного поля простейшего типа. Построить графически структуру
поля, токов проводимости и смещения для волн типа ТЕМ, Е01 и Н01 . Определить
погонные емкость и индуктивность, длину волны, затухание и предельную мощность
линии для волны простейшего типа.
Таблица 3.5
№
варианта
Длина волны
,см
Волновое
сопротив.
Материал линии
Материал
наполнителя
Zо, Ом
0
5
25
посереб.медь
воздух
1
7
50
медь
ПТ-5
2
10
75
латунь
ПТ-5
3
12
25
алюминий
ПТ-10
4
15
50
посереб.
латунь
воздух
5
20
75
посереб.
ПТ-3
алюминий
6
25
25
медь
воздух
7
30
50
латунь
фторопласт
8
35
75
алюминий
воздух
9
40
50
посереб.медь
ПТ-5
10
Список литературы
Основной
:
Конспект
1
Техническая
электродинамика
лекций
/Сост.М.И.Бичурин,В.М.
Петров;НовГУ.-Новгород,1999.-122 с.
2
Констpуиpование экранов и СВЧ устройств/ Под ред. А.М.Чеpнушенко.-М.: Радио и
связь. 1990.-353 с.
3
Микроэлектронные устройства СВЧ/Под ред. Г.И.Веселова.-М. Высш.шк.,1988.-280 с.
4
Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш.шк., 1988. -432с.
Дополнительный
4. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электpодинамика.-М.: Связь, 1971.- 487 с.
5. Малоpацкий Л.Г.,Явич Л.Р. Пpоектиpование и pасчет СВЧ-элементов на полосковых
линиях.-М.:Сов.pадио,1972,-232 с.
6. Констpуиpование и pасчет полосковых устpойств/Под pед. И.С.Ковалева .М.:Сов.pадио ,1974.-320 с.
7. Спpавочник по pасчету и констpуиpованию полосковых устpойств/Под pед. В.И.
Вольмана.-М.: Радио и связь ,1982.-328 с.
8. Полосковые платы и узлы/Под ред. Е.П.Котова и В.Д.Каплуна.-М.: Сов..радио, 1979.247 с.
9. ГОСТ 18238-72. Линии передачи СВЧ. Теpмины и опpеделения.
10. ГОСТ 23221-78. Модули СВЧ. Теpмины, опpеделения и буквенные обозначения.
11.ГОСТ 21702-76. Устpойства СВЧ, полосковые линии. Теpмины и опpеделения.
12 Справочник по элементам полосковой техники/Под ред. А.Л.Фельдштейна.-М.: Связь,
1979.- 336 с.
11
СОДЕРЖАНИЕ
1 Цели и задачи дисциплины
1.1 Цель преподавания дисциплины
1.2 Задачи изучения дисциплины
2 Программа и методические указания
2.1. Введение
2.2. Основы теории электромагнитного поля
2.3. Направляемые электромагнитные волны
2.4. Основы теории цепей с распределенными
параметрами
2.5. Линии передачи СВЧ
3 Контрольные задания
Список литературы
3
3
3
4
4
5
5
6
7
12