Электромагнитные поля и волны-2014

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны»
для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
для подготовки бакалавров
Авторы программы:
Нефедов Владимир Николаевич, д.т.н., профессор, vnefedov@hse.ru
Елизаров Андрей Альбертович, д.т.н., профессор, a.yelizarov@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры Радиоэлектроника и телекоммуникации
«___»________2014 г.
Зав. Кафедрой Увайсов Сайгид Увайсович _____________________
Рекомендована профессиональной коллегией
УМС по электронике
Председатель С.У. Увайсов _____________________
Утверждена Учёным советом МИЭМ
Ученый секретарь В.П. Симонов ________________________
«___»____________ 2014г.
«___»_____________2014 г.
Москва, 2014
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
1
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования
к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и
отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину,
учебных ассистентов и студентов направления подготовки / специальности 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи», для подготовки бакалавров,
изучающих дисциплину «Электромагнитные поля и волны».
Программа разработана в соответствии с:
 ОС МИЭМ НИУ ВШЭ
 Образовательной бакалаврской программой для направления 210700.62
"Инфокоммуникационные технологии и системы связи".
 Рабочим учебным планом университета по направлению
«210700.62
"Инфокоммуникационные технологии и системы связи" , специализации
[Введите название профиля подготовки/ специализации ], утвержденным в
201_г.
2
Цели освоения дисциплины
Курс является базовой дисциплиной для студентов по направлению 210700.62 –
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Основной целью дисциплины
является обучение студентов основам электродинамики, общей теории распространения
электромагнитных волн в различных средах и на границах их раздела, общим свойствам
распространения электромагнитных волн в направляющих электродинамических системах
(резонаторных, волноводных и замедляющих систем). Полученные знания должны
составить основу для изучения других дисциплин.
3
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:









Знать место и роль современной электродинамики в развитии передовых отраслей
науки и техники;
основные законы электродинамики;
особенности структуры электромагнитных полей, распространяющихся в различных
средах;
современные сверхвысокочастотные линии передач на основе волноводных и
замедляющих систем;
математическое моделирование электромагнитных полей;
теорию волновых процессов, дифракции и излучения электромагнитных волн;
теорию распространения электромагнитных волн в диэлектрических волноводах и
периодических структурах;
основные конструкции, параметры и характеристики сверхвысокочастотных
электродинамических систем.
компьютерное программное обеспечения для решения основных задач
электродинамики;
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«

тенденции и перспективы применения электродинамики и сверхвысокочастотных
передающих линий в смежных областях науки и техники.

Уметь планировать и осуществлять свою деятельность с учетом анализа социальной
информации;
выполнять компьютерное моделирование электромагнитных полей для различных
технических задач;
проводить расчеты по моделированию и проектированию сверхвысокочастотных
электродинамических систем;
проводить
экспериментальные
исследования
по
распространению
электромагнитных полей в различных конструкциях электродинамических систем;
определять параметры и характеристики сверхвысокочастотных линий передач;
использовать современные информационные и компьютерные технологии,
способствующие повышению эффективности научной деятельности;
прогнозировать и анализировать экономические и экологические последствия
новых технических решений.












Иметь навыки (приобрести опыт) письменного аргументированного изложения
собственной точки зрения;
работы с научно-технической документацией;
работы
по
методам
компьютерного
моделирования
распространения
электромагнитных полей в различных конструкциях электродинамических систем;
по методам, обеспечивающим безопасность эксплуатации сверхвысокочастотных
линий передач;
использования специализированных программ по расчету и моделированию
электродинамических систем;
по методам измерений параметров электродинамических систем с использованием
современного метрологического оборудования.
В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие общекультурные
и профессиональные компетенции:
Компетенция
Код по Дескрипторы – основные признаки
ФГОС/ освоения (показатели достижения
НИУ
результата)
Способен понимать
освоенные способы
деятельности
Способен анализировать,
верифицировать,
оценивать полноту информации в ходе профессиональной деятельности
ОК-1
Способен описывать
ПК-1
ОК-2
способностью совершенствовать и
развивать свой интеллектуальный
и общекультурный уровень
способностью к самостоятельному
обучению новым методам
исследования распространения
электромагнитных полей в
различных электродинамических
системах, к изменению научного и
научно-производственного
профиля своей профессиональной
деятельности
способностью использовать
Формы и методы обучения,
способствующие
формированию и развитию
компетенции
Самостоятельная работа,
реферат, домашнее задание.
Лекционные занятия,
практические занятия,
самостоятельная работа с
литературой, написание
домашнего задания,
практики работы с текстами, практика анализа
индивидуальных случаев,
практика моделирования
консультативных и психотерапевтических решений
в проблемных жизненных
ситуациях
Практические занятия с
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
Компетенция
проблемы и ситуации
профессиональной
деятельности
Способен использовать
конкретные концепции,
модели, методы, способы и
инструменты работы для
решения комплексных
задач в научноисследовательских
организациях.
Способен к осознанному
выбору стратегий принятия
научно-технических
решений
Способен участвовать в
разрешении
мировоззренческих,
социальных и личностно
значимых проблем
4
Код по Дескрипторы – основные признаки
ФГОС/ освоения (показатели достижения
НИУ
результата)
ПК-3
ПК-4
ПК-6
результаты освоения теории и
практики распространения
электромагнитных волн
способностью понимать основные
проблемы в предметной области
расчета и анализа
электродинамических задач,
выбирать методы и средства их
решения
способностью самостоятельно
приобретать и использовать в
практической деятельности новые
знания и умения в новых областях
знаний, непосредственно не
связанных со сферой деятельности
готовностью оформлять,
представлять и докладывать
результаты выполненной работы
по исследованию распространения
электромагнитных полей в
различных конструкциях
электродинамических систем
Формы и методы обучения,
способствующие
формированию и развитию
компетенции
компонентом
самостоятельного
моделирования
Лекционные занятия,
практические занятия,
реферат
Интерактивное обучение,
приемы самоанализа
персональной позиции в
учебной группе
Практические занятия
Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла с
направленностью на формирование высокой профессиональной культуры разработчика,
конструктора, технолога и организатора проектирования и производства (управленца).
Дисциплина «Электромагнитные поля и волны» используется для выполнения ВКР и в
дальнейшей трудовой, научно-исследовательской деятельности.
Настоящая дисциплина относится к циклу профессиональных дисциплин и блоку
дисциплин, обеспечивающих подготовку бакалавра.
Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:
 Теоретический курс физики, математики и математической физики.
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими
знаниями и компетенциями:
 Знать теоретический курс физики;
 Иметь навыки работы на компьютере и применения универсальных пакетов
прикладных программ для расчета математических и физических задач;
 Владеть методами математической физики.
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при
подготовке выпускной квалификационной работы бакалавра.
«
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
Тематический план учебной дисциплины
[ Таблица для дисциплин, закрепленных за одной кафедрой]
Всего
часов
№
Название раздела
1
1.1
Модуль 1. Электромагнитные поля и волны
Основные законы электромагнитного поля в
интегральной,
1
дифференциальной
и
комплексной формах. Граничные условия
векторов электромагнитного поля на
границе
раздела
двух
сред.
Электромагнитное поле в поляризующейся
среде.
Электростатическое
поле.
Электрическое поле в проводящей среде.
Поле в несовершенных диэлектриках.
Магнитное поле. Векторный и скалярный
потенциалы
1
магнитного поля. Переменное
электромагнитное
поле.
Электродинамические
потенциалы.
Переменное электромагнитное поле в
проводящей среде. Переменное поле в
идеальном диэлектрике. Электромагнитное
поле идеального излучателя.
Общие вопросы передающих линий.
Классификация
типов
волн,
распространяющихся
по
передающим
линиям.
Распространение электромагнитных волн в
прямоугольном
2
и круглом волноводах.
30
2
2.1
Модуль 2. Электромагнитные поля и волны
Замедляющие системы. Основные
конструкции
2
замедляющих систем и методы
их расчета.
30
2.2
Полые резонаторы и методы расчета их
характеристик.
2
Основные типы резонаторов
и области их применения.
Метод эквивалентных схем для анализа
неоднородностей
2
в волноводах.
1.2
1.3
1.4
2.3
3
3.1
Модуль 3. Электромагнитные поля и волны
Коэффициент отражения и свойства стоячих
волн.
2
Методы согласования
электродинамических систем с внешними
подводящими высокочастотными линиями
28
Аудиторные часы
СамостояПрактиче
тельная
Семина
Лекции
ские
работа
ры
занятия
18
12
44
3
4
12
3
4
12
3
4
8
3
6
12
12
4
18
6
44
18
4
6
16
4
6
10
10
3
18
40
16
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
передач.
3.2
3.3
3.4
Дифракция и излучение электромагнитных
волн.
2 Антенны СВЧ. Технические
характеристики антенн.
Методы анализа сложных СВЧ цепей.
Области
2
применения матриц при анализе и
синтезе СВЧ цепей.
3
4
10
3
4
8
Элементы волноводной техники и области
их2 применения.
3
4
6
34
54
128
ИТОГО
6
88
Формы контроля знаний студентов
Тип
контроля
Текущий
1-3 модуль
Домашнее
задание
Письменная работа
студента по заданию
преподавателя
Письменная работа по
заданию преподавателя
Письменный ответ на
вопрос билета
Реферат
Коллоквиум
Итоговый
6.1
Параметры
Форма
контроля
Экзамен
Устный экзамен
Критерии оценки знаний, навыков
Критерии оценки работы на практических занятиях: знание материала, умение
излагать материал, умение дополнять ответы, умение задавать существенные вопросы и
формулировать проблему, умение готовить и презентовать доклады, посещаемость.
Критерии оценки ответа на экзамене: наличие сданных лабораторных работ,
коллоквиума наличие сданного вовремя домашнего задания и реферата, знание материала
(суть, основные теории, подходы, методы, устройства, технологии), умение выделить
существенное, умение логически и аргументировано излагать материал.
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
Критерии оценки домашнего задания
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
(умение четко изложить существо проблемы, структурировано описать проблему,
умение анализировать предложенные теории, концепции и модели, творческий подход к
решению проблемы)
Оценка
Критерии
«Отлично»: 10
Данная оценка может быть выставлена только при условии
соответствия домашнего задания всем предъявляемым
требованиям и высшей оценки по всем критериям.
«Отлично»: 9, 8
Данные оценки могут быть выставлены только при условии
соответствия домашнего задания всем предъявляемым
требованиям и высокой оценке по всем критериям.
«Хорошо»: 7, 6
«7» - данная оценка может быть выставлена только при условии,
что один из критериев может быть выполнен частично.
«6» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия домашнего задания 3 предъявляемым
критериям из 4.
«Удовлетворительно»:
«5» - данная оценка может быть выставлена только при условии
5, 4
полного соответствия домашнего задания 2 предъявляемым
критериям из 4и 2 критерия могут быть выполнены частично.
«4» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия домашнего задания 2 предъявляемым
критериям из 4 и 2 критерия могут быть выполнены частично.
«Неудовлетворительно»: Работа не соответствует большинству предъявляемых критериев
3, 2, 1
«Работа
не Работа является плагиатом. Авторский вклад менее 80% (см.
принимается»: 0
Регламент использования системы «Антиплагиат» для сбора и
проверки письменных учебных работ в Государственном
университете – Высшей школе экономики (утвержден ученым
советом Государственного университета – Высшей школы
экономики (протокол от 20.03.2009 г. № 56)).
В случае если домашнее задание не было сдано в установленный срок, за него
снижается оценка по следующей схеме:
1 день – снижение оценки на 1 балл;
2 дня – снижение оценки на 2 балла;
3 дня – снижение оценки на 3 балла;
4 дня – снижение оценки на 4 балла;
5 дней – снижение оценки на 5 баллов;
6 дней – снижение оценки на 6 баллов;
7 дней – снижение оценки на 7 баллов.
Критерии оценки ответа на экзамене
(наличие зачета, наличие сданного вовремя эссе, знание материала (суть, основные теории,
подходы, методы, критика), умение выделить существенное, умение логически и
аргументировано излагать материал)
Оценка
«Отлично»: 10
«Отлично»: 9, 8
Критерии
Данная оценка может быть выставлена только при условии
соответствия ответа всем предъявляемым требованиям и высшей
оценки по всем критериям.
Данные оценки могут быть выставлены только при условии
соответствия ответа всем предъявляемым требованиям и
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
высокой оценке по всем критериям.
«7» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия ответа 4 из 5 предъявляемым критериям и
1 критерий может быть выполнен частично.
«6» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия ответа 3 предъявляемым критериям.
«Удовлетворительно»:
«5» - данная оценка может быть выставлена только при условии
5, 4
полного соответствия зачетной работы 2
предъявляемым
критериям и 2 критерия могут быть выполнены частично.
«4» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия зачетной работы 2 предъявляемым
критериям.
«Неудовлетворительно»: Ответ не соответствует большинству предъявляемых критериев
3, 2, 1
«Ответ
не Экзамен не сдан.
принимается»: 0
«Хорошо»: 7, 6
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
6.2. Порядок формирования оценок по дисциплине
Преподаватель оценивает работу студента на практических занятиях, уровень
посещаемости лекционных и практических занятий, домашнее задание, ответ студента на
итоговом экзамене.
Критерии оценки работы на практических занятиях: знание материала, умение
излагать материал, умение дополнять ответы, умение задавать существенные вопросы и
формулировать проблему, умение готовить и презентовать доклады, посещаемость. Оценки
за работу на практических занятиях преподаватель выставляет в рабочую ведомость.
Накопленная оценка по 10-ти балльной шкале за работу на практических занятиях
определяется перед промежуточным или итоговым контролем.
Критерии оценки самостоятельной работы: умение найти в отечественной и
зарубежной литературе и выделить наиболее важные работы по теме, наиболее полные и
современные работы по теме; умение структурировать изложение темы, уровень владения
понятиями. Оценки за самостоятельную работу студента преподаватель выставляет в
рабочую ведомость. Накопленная оценка по 10-ти балльной шкале за самостоятельную
работу определяется перед промежуточным или итоговым контролем – Осам. работа.р.
Критерии оценки по домашнему заданию: умение четко изложить существо
проблемы, и структурировано описать проблему, умение обсудить предложенные теории,
концепции и модели, творческий подход к решению проблемы. Оценки за самостоятельную
работу студента преподаватель выставляет в рабочую ведомость. Накопленная оценка по
10-ти балльной шкале за самостоятельную работу определяется перед промежуточным или
итоговым контролем – Осам. работа.э.
Критерии оценки ответа на зачете: наличие сданного вовремя домашнего задания,
знание пройденного материала, умение выделить существенное, умение логически и
аргументировано излагать материал.
Критерии оценки ответа на экзамене: наличие вовремя сданного домашнего задания,
наличие промежуточного зачета, знание материала (суть, основные теории, подходы,
методы, критика), умение выделить существенное, умение логически и аргументировано
излагать материал.
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
Накопленная оценка за текущий контроль учитывает результаты студента по
текущему контролю следующим образом:
Отекущий = 0,5·Оэссе + 0,15·Олекц. + 0,35·Одз ;
Способ округления накопленной оценки текущего контроля – арифметический.
Результирующая оценка за промежуточный (итоговый) контроль в форме зачета
выставляется по следующей формуле, где Озачет – оценка за работу непосредственно на
зачете:
Опромежуточн. = 0,4·Озачет + 0,6·Отекущий
Способ округления накопленной оценки промежуточного (итогового) контроля в
форме зачета- арифметический.
Результирующая оценка за итоговый контроль в форме экзамена выставляется по
следующей формуле, где Оэкзамен – оценка за работу непосредственно на экзамене:
Оитог. = 0,4·Оэкзамен + 0,3·Опромежуточн. + 0,2·Отекущ. + 0,1·Оаудиторн.
Способ округления накопленной оценки промежуточного (итогового) контроля в
форме экзамена - арифметический.
На пересдаче студенту предоставляется возможность получить дополнительный
балл для компенсации оценки за текущий контроль, если существуют уважительные
причины пропуска соответствующий занятий (больничный, больничный на ребенка, форсмажорные обстоятельства), студент демонстрирует, что отлично (хорошо) владеет
материалом, умеет рефлексивно работать, логически мыслить, обсуждать проблемы.
На зачете студент может получить дополнительный вопрос (дополнительную
практическую задачу, решить к пересдаче домашнее задание), ответ на который
оценивается в 1 балл. Таким образом, результирующая оценка за промежуточный
(итоговый) контроль в форме зачета, получаемая на пересдаче, выставляется по формуле
Опромежуточн. = 0,4·Озачет + 0,5·Отекущий + 0,1 Одоп.вопрос
На экзамене студент может получить дополнительный вопрос (дополнительную
практическую задачу, решить к пересдаче домашнее задание), ответ на который
оценивается в 1 балл. Таким образом, результирующая оценка за промежуточный
(итоговый) контроль в форме экзамена, получаемая на пересдаче, выставляется по формуле
Оитог. = 0,4·Оэкзамен + 0,25·Опромежуточн. + 0,15·Отекущ. + 0,1·Оаудиторн+ 0,1 Одоп.вопрос
В диплом ставится оценка за итоговый контроль, которая является результирующей
оценкой по учебной дисциплине.
ВНИМАНИЕ:
оценка
за
итоговый
контроль
блокирующая,
неудовлетворительной итоговой оценке она равна результирующей.
при
7. Содержание дисциплины
7.1.
Модуль 1. «Электромагнитные поля и волны»
Лекции – 12 часов, практические - 18 часов, самостоятельная работа - 44 часа.
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
Раздел 1.
Основные законы электромагнитного поля в интегральной,
дифференциальной и комплексной формах. Граничные условия для векторов
электромагнитного поля на границе раздела двух сред. Электромагнитное поле в
поляризующейся среде. Электростатическое поле. Электрическое поле в проводящей
среде. Поле в несовершенных диэлектриках.
Основные законы электромагнитного поля в интегральной форме (закон сохранения
зарядов, теорема Гаусса, закон магнитной индукции, закон полного тока, закон
электромагнитной индукции). Операции второго порядка (дивергенция, ротор, градиент,
оператор Набла – пространственного дифференцирования – векторный оператор, таблица
операций второго порядка). Законы электромагнитного поля в дифференциальной форме
(закон сохранения зарядов, первое уравнение Максвелла – закон полного тока, второе
уравнение Максвелла – закон электромагнитной индукции, третье уравнение Максвелла –
отсутствие магнитных зарядов, четвертое уравнение Максвелла - теорема Гаусса).
Граничные условия векторов электромагнитного поля на границе раздела двух сред.
Уравнения электромагнитного поля в комплексной форме. Электромагнитное поле в
поляризующейся среде. Вектор поляризации. Уравнение вязкости среды. Вектор
электрической индукции. Связь векторов напряженности электрического поля,
электрической индукции и вектора поляризации. Электростатическое поле. Потенциальное
поле. Потенциал электрического поля. Уравнение Лапласа. Уравнение Пуассона. Поле
электрического диполя. Электрическое поле в проводящей среде (закон Ома, закон Джоуля
- Ленца, законы Кирхгофа). Граничные условия на разделе двух сред. Энергия и силы в
электрическом
поле. Аналогия поля в проводящей среде и в диэлектрике. Метод
моделирования полей. Поле в несовершенных диэлектриках. Электрические свойства и
параметры среды.
Раздел
2. Магнитное поле. Векторный и скалярный
потенциалы
магнитного поля. Переменное электромагнитное поле. Электродинамические
потенциалы. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде. Переменное
поле в идеальном диэлектрике. Электромагнитное поле идеального излучателя.
Магнитное поле. Векторный потенциал. Уравнение Пуассона для векторного
потенциала Закон Био-Савара-Лапласа. Примеры вычисления вектора магнитной индукции.
Связь между векторами магнитной индукции, вектором намагниченности и вектором
напряженности магнитного поля. Граничные условия на разделе двух сред. Скалярный
потенциал магнитного поля. Уравнение для вычисления скалярного магнитного
потенциала. Аналогия магнитного поля и электрического поля в диэлектрике. Собственная
и взаимная индуктивность контуров. Энергия магнитного поля. Действующие силы в
магнитных полях. Переменное электромагнитное поле. Теорема Умова-Пойинтинга.
Комплексные параметры среды. Теорема Умова-Пойинтинга в комплексной форме.
Электродинамические потенциалы. Уравнение Даламбера для вычисления векторного
потенциала. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде. Переменное поле в
идеальном диэлектрике. Электромагнитное поле идеального излучателя.
Раздел 3. Общие вопросы передающих линий.
распространяющихся по передающим линиям.
Классификация типов волн,
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
Основные свойства сверхвысокочастотного диапазона длин волн. Области
применения. Общие вопросы передающих линий. Свойства дисперсных волн. Фазовая и
групповая скорость. Классификация типов волн, распространяющихся по передающим
линиям.
Раздел 4. Распространение электромагнитных волн в прямоугольном и круг.
Распространение электромагнитных волн в прямоугольном и круглом волноводе.
Классификация типов волн, распространяющихся в волноводах. Критическая длина волны.
Структура поля в прямоугольном волноводе при волнах типа ТЕ и ТМ. Токи в стенках
волновода. Критическая длина волны. Структура поля в круглом волноводе при волнах
типа ТЕ и ТМ. Токи в стенках круглого волновода. Передача мощности по волноводам.
Потери в волноводах. Волноводы сложных сечений.
Литература к Модулю 1
Раздел 10. (1-19)
Модуль 2 «Электромагнитные поля и волны»
Лекции – 12 часов, практические - 18 часов, самостоятельная работа - 44 часа
Раздел 1. Замедляющие системы. Основные конструкции замедляющих систем
и методы их расчета.
Общие свойства замедленных волн. Характеристики и параметры замедляющих
систем (коэффициент замедления, дисперсионные характеристики, сопротивление связи).
Периодические замедляющие системы. Пространственные гармоники. Основные
конструкции замедляющих систем (спираль, встречные штыри, гребенка, меандр) и методы
их расчета.
Раздел 2. Полые резонаторы и методы расчета их характеристик. Основные
типы резонаторов и области их применения.
Полые резонаторы и методы расчета их характеристик. Собственная и нагруженная
добротности резонатора. Коаксиальные, призматические, цилиндрические и тороидальные
типы резонаторов. Типы колебаний в полых резонаторах. Возбуждение резонаторов.
Области применения полых резонаторов.
Раздел 3.
волноводах.
Метод эквивалентных схем для анализа неоднородностей в
Неоднородности в волноводах. Метод эквивалентных схем. Характеристическое и
эквивалентное сопротивления волновода. Согласование, холостой ход и короткое
замыкание волновода. Диафрагмы в волноводе. Резонансные окна. Волноводные
разветвления. Области применения волноводных тройников.
Литература к Модулю 2
Раздел 10. (1-19)
Модуль 3 «Электромагнитные поля и волны»
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
Лекции – 10 часов, практические - 18 часов, самостоятельная работа - 40 часов
Раздел 1. Коэффициент отражения и свойства стоячих волн.
Методы
согласования
электродинамических
систем
с
внешними
подводящими
высокочастотными линиями передач.
Коэффициент отражения и свойства стоячих волн. Коэффициент стоячей волны.
Методы согласования электродинамических систем с внешними подводящими
высокочастотными линиями передач. Круговая диаграмма полных сопротивлений и
проводимостей. Области применения круговых диафрагмм.
Раздел 2. Дифракция и излучение электромагнитных волн. Антенны СВЧ.
Технические характеристики антенн.
Дифракция и излучение электромагнитных волн. Поле элементарного излучателя –
диполя Герца. Диаграммы направленности. Магнитный диполь и его поле излучения.
Антенны СВЧ. Излучение из прямоугольного волновода. Метод Гюйгенса-Кирхгофа.
Рупорные антенны. Технические характеристики антенн.
Раздел 3. Методы анализа сложных СВЧ цепей. Области применения матриц
при анализе и синтезе СВЧ цепей.
Методы анализа сложных СВЧ цепей. Волновые матрицы рассеяния, сопротивления,
проводимостей и передачи. Примеры матриц рассеяния различных СВЧ цепей,
используемых в СВЧ технике. Области применения матриц при анализе и синтезе СВЧ
цепей
Раздел 4. Элементы волноводной техники и области их применения.
Элементы волноводной техники: аттенюаторы, ферритовые циркуляторы,
измерительная линия, направленные ответвители, волноводные мосты, калориметрический
измеритель мощности. Области применения элементов волноводной техники.
Литература к Модулю 3
Раздел 10. (1-19)
8. Образовательные технологии
При реализации различных видов учебной работы по данной дисциплине
используются следующие образовательные технологии: лекции, решение практических
задач и диалоги со студентами. Благодаря диалогу, магистранты получают возможность
осваивать способы преломления концептуальных моделей и теоретических категорий в
практику самопознания и консультирования
9. Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
9.1.1. Темы практических занятий (54 часа)
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
ПР-(1-4) – Уравнения Максвелла в интегральной, дифференциальной и комплексной
форме. Граничные условия для векторов электромагнитного поля на границе раздела двух
сред. Элементы векторного анализа
ПР – (5 –8) – Электростатическое поле. Потенциальные поля. Примеры расчета.
Электромагнитное поле в проводящей среде. Поле в несовершенных диэлектриках.
Электромагнитное поле в поляризующейся среде. Электрические свойства и параметры
среды.
ПР – (9-12) – Магнитное поле. Векторный и скалярный потенциалы магнитного
поля. Граничные условия векторов магнитного поля на границе раздела двух сред. Закон
Био-Савара-Лапласа. Примеры вычисления вектора индукции магнитного поля.
ПР – (13-16) – Собственная и взаимная индуктивность контуров. Энергия
магнитного поля. Действующие силы в магнитном поле.
ПР – (17-20) – Переменное электромагнитное поле. Теорема Умова-Пойинтинга.
Теорема Умова-Пойинтинга в комплексной форме. Энергия электромагнитного поля.
ПР – (21-24) – Переменное поле в идеальном диэлектрике. Переменное поле в
проводящей среде. Электромагнитное поле идеального излучателя. Примеры расчета.
ПР – (25-28) – Переменное электромагнитное поле. Электродинамические
потенциалы. Примеры вычисления векторов электромагнитного поля через
электродинамические потенциалы.
ПР – (29-32) – Основные свойства сверхвысокочастотного диапазона длин волн.
Применение передающих линий и колебательных систем на сверхвысоких частотах.
Недостатки обычных передающих линий и колебательных контуров на повышенных
частотах. Общие вопросы передающих линий.
ПР-(33-36) – Метод решения волнового уравнения для произвольной передающей
линии. Критическая длина волны. Фазовая скорость и длина волны в микроволновых
линиях передач. Дисперсия в микроволновых линиях передач. Групповая скорость и
скорость перемещения энергии. Вывод выражения для групповой скорости.
ПР-(37-40) – Волны типа ТЕ и ТМ в прямоугольном волноводе. Составляющие поля
ТЕ и ТМ в прямоугольном волноводе. Структура поля волн типа ТЕ и ТМ в прямоугольном
волноводе.
ПР-(41-42) – Волны типа ТЕ и ТМ в круглом волноводе. Составляющие поля ТЕ и
ТМ в круглом волноводе. Структура и эпюры поля волн типа ТЕ и ТМ в круглом
волноводе.
ПР-(43-44) – Передача энергии по волноводам. Пробивное напряжение и потери в
волноводе.
ПР-(45-46) – Диафрагмы в волноводе. Резонансные окна. Согласование, холостой
ход и короткое замыкание волновода. Коэффициент отражения и свойства стоячих волн.
Согласование передающих микроволновых линий передач.
ПР-(47-48) – Расчет собственной добротности полого резонатора через активную и
реактивную проводимости.
ПР-(49-50) – Типы колебаний полых резонаторов и области их применения.
Структура и эпюры поля в призматическом резонаторе при различных видах колебаний.
ПР-(51-52) – Решение волнового уравнения для замедляющих систем. Коэффициент
замедления, дисперсионные характеристики и сопротивление связи замедляющих систем.
ПР-(53-54) – Расчет замедляющих систем типа гребенка, спираль, встречные штыри
и меандр.
9.1.2. Темы лабораторных работ (18 часов)
ЛР №1-(55-58) – Исследование измерителя КСВН и ослабления типа Р2-62.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
ЛР №2-(59-63) – Исследование и градуировка волномера и аттенюатора.
ЛР №3-(64-68) – Исследование полого призматического резонатора.
ЛР №4-(69-72) – Исследование волноводной измерительной линии.
9.2. Тематика заданий текущего контроля
Примерные темы домашнего задания:
1. Компьютерное моделирование и расчет согласования прямоугольных волноводов
различного поперечного сечения.
2.
Компьютерное
моделирование
и
расчет
дисперсионных
характеристик
и
расчет
дисперсионных
характеристик
замедляющей системы типа «спираль».
3.
Компьютерное
моделирование
замедляющей системы типа «гребенка».
4. Компьютерное моделирование и расчет собственной добротности прямоугольных
резонаторов.
9.3. Вопросы для оценки качества освоения дисциплины (контрольной работы и
коллоквиума)
Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу для самопроверки
студентов.
1.
2.
3.
Возбуждение и электрическая прочность волноводов.
Потери в волноводах.
Структура поля и эпюры волны типа Н10 в прямоугольном волноводе.
Типы волн в волноводах прямоугольного поперечного сечения. Критическая длина
волны.
4.
5.
Свойства дисперсных волн в микроволновых передающих линиях.
6.
Структура поля и эпюры волны типа Е01 в круглом волноводе.
7.
Собственная и нагруженная добротность полых резонаторов.
8.
Передача энергии по волноводам. Пробивное напряжение.
9.
Типы колебаний полых резонаторов и области их применения.
10.
11.
Основные характеристики замедляющих систем.
Общие свойства замедленных волн.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
12.
Решение волнового уравнения для замедляющих систем.
13.
Свойства пространственных гармоник в периодических замедляющих системах.
14.
Свойства замедляющей системы типа «гребенка».
15.
Свойства замедляющей системы типа «спираль».
Электростатическое поле. Скалярный потенциал. Уравнение для вычисления
скалярного потенциала.
16.
17.
Законы электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной форме.
18.
Параметры полых резонаторов. Собственная и нагруженная добротность.
19.
Электрическое поле в проводящей среде. Энергия электрического поля.
20.
Поле в несовершенных диэлектриках. Уравнение вязкости среды.
21.
Переменное электромагнитное поле. ТеоремаУмова-Пойинтинга.
22.
Переменное электромагнитное поле. Электродинамические потенциалы.
23.
Неоднородности в волноводах и метод эквивалентных схем.
24.
Коэффициент отражения и вопросы согласования волноводов.
25.
26.
Свойства дисперсных волн микроволновых линий передач.
Магнитное поле. Векторный и скалярный потенциалы магнитного поля.
27.
Переменное электромагнитное поле в проводящей среде.
28.
Переменное электромагнитное поле в идеальном диэлектрике.
29.
Коэффициент отражения и свойства стоячих волн.
30.
Периодические замедляющие системы. Пространственные гармоники.
9.4. Самостоятельная работа (128 часов)
1.
Уравнения Максвелла. Граничные условия для векторов электромагнитного
поля на границе раздела двух сред. Электромагнитное поле в поляризующейся среде и
решение уравнения вязкости. Примеры решения задач электродинамики на границе раздела
двух сред. Электростатическое поле и электрическое поле в проводящей среде. Магнитное
поле – 24 часа;
2.
Переменное электромагнитное поле. Электродинамические потенциалы.
Энергия электромагнитного поля. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде
и идеальном диэлектрике. Общие вопросы сверхвысокочастотных передающих линий.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
Распространение электромагнитных волн в прямоугольном и круглом волноводах – 20
часов;
3.
Замедляющие
системы.
Общие
свойства
замедленных
волн.
Полые
резонаторы и определение их параметров. Области применения полых резонаторов и
замедляющих систем. Метод эквивалентных схем для анализа неоднородностей в
волноводах. Примеры расчета неоднородностей - 44 часа;
4.
различных
Коэффициент отражения и свойства стоячих волн. Методы согласования
конструкций
электродинамических
систем
с
внешними
подводящими
высокочастотными линиями передач. Методы анализа сложных сверхвысокочастотных
цепей. – 40 часов.
9.5. Контрольная работа
Контрольная работа студентов базируется на оценке базовых знаний в области
электродинамики.
Основные
вопросы
связаны
с
описанием
распределения
электромагнитных полей в различных передающих линиях:
1. - типы волн в микроволновых линиях передач
2. - уравнения составляющих поля в прямоугольном волноводе при волнах типа Н
(волна типа Н10)
3. - уравнения составляющих поля в прямоугольном волноводе при волнах типа Е
(волна типа Е11)
4. - уравнения составляющих поля в круглом волноводе при волнах типа Е (волна типа
Е01)
5. - электродинамические потенциалы в переменном электромагнитном поле
6. - теорема Умова-Пойнтинга. Энергия электромагнитного поля.
7. - свойства периодических замедляющих систем и пространственные гармоники
8. - свойства дисперсных волн микроволновых линий передач
9. - применение матриц для анализа и синтеза СВЧ цепей
10. - способы анализа полых резонаторов
11. - характеристическое и эквивалентное сопротивление волноводов
12. - аналитическая модель взаимодействия СВЧ энергии с диэлектрическим средами
(удельная мощность диэлектрических потерь)
13. - поле электрического диполя
14. - векторный и скалярный потенциалы в магнитном поле
15. - поведение векторов электромагнитного поля на границе раздела двух сред
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
9.6.
Курсовая работа
Примерный вариант курсовой работы
По прямоугольному волноводу, изображённому на рис.1,
распространяется гармоническая электромагнитная волна. Стенки
волновода являются идеально проводящими. Волновод заполнен
однородным
диэлектриком,
имеющим
относительную
диэлектрическую проницаемость
. Потери в диэлектрике
отсутствуют.
Известны комплексные амплитуды следующих проекций векторов
поля у этой волны:
Таблица 1.
№
группы
01
02
03
04
2,25
1,0
1,69
1,44
a, мм
b, мм
48
72
23
58
24
34
10
25
f, ГГц
1,5
2,5
3,0
1,0
1,5
0,5
2,5
5,0
6
5,5
12
7
57
34
57
66
Требуется:
1. Определить комплексные амплитуды всех остальных (не заданных в условии)
проекций векторов поля и далее обозначить тип волны.
2. Определить диапазон частот, в котором рассматриваемое поле представляет собой
волну, бегущую вдоль оси z.
3. Записать выражения для мгновенных значений всех проекций векторов поля и по
ним построить графики зависимостей этих проекций от координаты z при
два момента времени
и
в интервале 0  z  2 ,
и
в
где  – длина волны в
волноводе на частоте .
4. Проверить выполнение граничных условий для векторов поля волны на всех стенках
волновода.
5. Записать выражения для мгновенного, комплексного и среднего за период высокой
частоты значений вектора Пойнтинга.
6. Вычислить мощность, переносимую волной заданного типа по волноводу на частоте
.
7.
Рассчитать и построить частотные зависимости Vф  f  и Vэ  f 
8.
Предполагая, что волновод изготовлен из проводника с удельной проводимостью ,
рассчитать и построить частотную зависимость коэффициента затухания (ослабления), т.е.
.
9.
Изобразить линии векторов поля
волны данного типа.
, а так же токов на всех стенках волновода для
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
«
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Литература к Модулю 1-3
Базовые учебники
1.
Григорьев А.Д. “Электродинамика и микроволновая техника”. Изд-во «Лань»,
2007.
2.
Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: учебник для
вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2003.
3.
Гридин В.Н., Нефедов Е.И., Черникова Т.Ю. Электродинамика структур
крайне высоких частот. М.: 2003.
Дополнительные учебники и учебные пособия
4.
Филиппов В.С. Введение в классическую электродинамику. М.: Сайнс пресс,
2002.
5.
Кугушев А.М., Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиоэлектроники.
Электродинамика и распространение радиоволн. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.
6.
Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 2003.
7.
Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Радио и связь, 1989.
8.
Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение
электромагнитных волн. М.: Наука, 1989.
9.
И.В.Лебедев “Техника и приборы СВЧ”, том 1. Изд-во “Высшая школа”,
Москва, 1972.
10.
Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика.
М.:Радио и связь. 2000.
11.
Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высшая
школа, 1981.
12.
Силин Р.А. Периодические волноводы. М.: Фазис, 2002.
13.
Левин Л. Теория волноводов. Пер. с англ./Под ред. В.И.Вольмана. М.: Радио и
связь, 1981.
14.
Кузаев Г.А, Назаров И.В. Электродинамика и техника сверхбыстрой
обработки сигналов. Часть 1. Электромагнетизм: Учебное пособие / МГИЭМ, М., 2001.
15.
Кузаев Г.А, Назаров И.В. Электродинамика и техника сверхбыстрой
обработки сигналов. Часть 2. Микроволновая техника: Учебное пособие / МГИЭМ,
М., 2001.
16.
Назаров И.В., Лебедева Т.А. Электродинамика и техника СВЧ: Методические
указания к курсовому проекту/ МГИЭМ; Сост. И.В. Назаров, Т.А. Лебедева, М., 2001.
17.
Елизаров А.А., Назаров И.В., Потапова Т.А., Хриткин С.А. Методические
указания для выполнения самостоятельных работ по курсам «Электродинамика и техника
СВЧ», «САПР электронно-лучевых и фотоэлектронных приборов», «Математические
модели и САПР в электронных приборах». М: МИЭМ, 2000.
18.
Новожилов Ю.В., Яппа Ю.А. Электродинамика.– М.: Наука, 1978.
19.
Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. Москва: Сов. Радио. 1966.
Справочная литература
20. Физика. Техника. Производство. Краткий справочник. А.С. Енохович, Москва,
1962. Государственное учебно – педагогическое изд-во министерства просвещения РСФСР.
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров
11. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для проведения практических занятий по дисциплине необходимы:
- аудитория оснащенная видеопроектором, интерактивной доской, компьютером и
аудио системой.
Для проведения лабораторных работ по дисциплине необходимы:
- лабораторное оборудование
- методические указания к проведению лабораторных работ
«
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» по направлению 210700.62
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для подготовки бакалавров