Электродинамика сверхвысоких частот

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физический факультет
Кафедра радиофизики, полупроводниковой микро- и наноэлектроники
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_____________В.П. ГАРЬКИН
«____»_______________ 2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Э ЛЕКТРОДИНАМИКА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ »
основная образовательная программа специальности 010701.65 – Физика
(цикл «Дисциплины специализации»; раздел «Вузовский - компонент»)
Квалификация выпускника
Специалист
Форма обучения
Очная
Курс - 4, семестр – 7
Самара
2012
1
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования специальности 010701 Физика,
утвержденного 17.03.00.(номер государственной регистрации 172 ен/сп) и типовой
(примерной) программы дисциплины «Электродинамика СВЧ», одобренной Советом по
физике УМО по классическому университетскому образованию.
Составитель рабочей программы: Занин В.И., доцент, к.ф.-м.н.
Рецензент: Комов А.Н., профессор, д.ф.-м.н.
Рабочая программа утверждена на заседании кафедры радиофизики,
полупроводниковой
микро-
и
наноэлектроники
(протокол
№
от
«____»____________2012 года)
Заведующий кафедрой
«____»_________________2012 года ___________________ ЯРОВОЙ Г.П.
СОГЛАСОВАНО
Декан факультета
«____»_________________2012 года ___________________ ИВАХНИК В.В.
СОГЛАСОВАНО
Начальник методического отдела
«____»_________________2012 года _________________ СОЛОВОВА Н.В.
ОДОБРЕНО
Председатель
методической комиссии факультета
«____»_________________2012 года __________________ ЦИРОВА И.С.
2
1.
Цели и задачи дисциплины, её место в учебном процессе, требования к
уровню освоения содержания дисциплины
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины
Цель дисциплины – изучение закономерностей электромагнитных волновых процессов
при генерации, излучении и распространении радиоволн в различных средах в
сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне волн, выявление их связи с фундаментальными
законами электромагнетизма, формирование у студентов знаний и умений, необходимых
для решения различных задач электродинамики СВЧ.
Задачи дисциплины:
 раскрыть роль электромагнитных волновых процессов в природе, сформулировать
основные задачи классической теории электромагнитных полей и волн в
электродинамике СВЧ, ввести основные понятия;
 рассмотреть структуру и математическую форму основных уравнений
электродинамики СВЧ и условия их применимости при изучении
закономерностей волновых процессов;
 научить формулировать и моделировать задачи электродинамики СВЧ;
 рассмотреть основные методы теоретического и экспериментального
исследования волновых процессов.
1.2. Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной
дисциплины
Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:
- Иметь представление:

о принципах, лежащих в основе классической электродинамики СВЧ;

о границах применимости законов классической электродинамики СВЧ;

о методах решения задач электродинамики СВЧ;

о принципах использования электромагнитных волновых процессов на
практике
- Знать:

терминологию, основные понятия, законы классической электродинамики СВЧ
и их математическое отображение;

логику построения законов электродинамики СВЧ;

основные методы исследования и решения задач электродинамики СВЧ.
- Уметь:

ставить, решать и анализировать задачи по электродинамике СВЧ;

осуществлять эксперименты по исследованию электромагнитных процессов
и проводить их анализ.
1.3. Связь с предшествующими дисциплинами
Для усвоения курса по электродинамике СВЧ требуется знание таких разделов
математики, как теории пределов, теории функций, основ дифференциального и
интегрального исчислений, основ векторного анализа, методов решения обыкновенных
дифференциальных уравнений, основ функций комплексного переменного, линейной
3
алгебры.
Студент должен владеть основными представлениями и методами классической
механики (кинематика и динамика частицы в центральном силовом поле, импульс,
кинетическая и потенциальная энергия, момент вращения, момент импульса) и
основными понятиями из раздела электричества общей физики.
1.4. Связь с последующими дисциплинами
Понятия, законы и методы, введенные в электродинамике СВЧ, будут использоваться в
курсе «Электроника и техника СВЧ», а также при выполнении курсовых и дипломных
работ по специализации радиофизики и в лаборатории практикума СВЧ.
2. Содержание дисциплины
2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах)
Очная форма обучения (7 семестр – экзамен; 7 семестр – зачет)
Количество
часов
7 семестр
Вид учебных занятий
108
Всего часов аудиторных занятий
Лекции
40
Семинары
—
Лабораторные занятия
68
59
Всего часов самостоятельной работы
Подготовка к отчетам по лабораторным работам
14
Изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку
15
Подготовка к экзамену
30
Всего часов по дисциплине
2.2.
№
п/п
167
Разделы дисциплины и виды занятий
Название раздела дисциплины
Количество часов
лекции
практически
е занятия
лаб.
занятия
1.
Введение
1
—
—
2.
Основные уравнения электродинамики
переменных электромагнитных полей и
волн
4
—
—
3.
Плоские электромагнитные волны в
однородной линейной среде с потерями
6
—
—
4.
Плоские волны на границе раздела двух
линейных сред
7
—
—
5.
Распространение электромагнитных волн в
12
—
56
4
линейных средах в присутствии
направляющих поверхностей. Линии
передач
6.
Объемные резонаторы
4
—
12
7.
Дифракция электромагнитных волн
2
—
—
8.
Излучение электромагнитных волн
4
—
—
Итого:
40
—
68
2.3. Лекционный курс
ВВЕДЕНИЕ.
Роль электродинамики в изучении закономерностей материального мира.
Предмет электродинамики СВЧ, его основные задачи и методы решения.
ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ПЕРЕМЕННЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ВОЛН
Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной формах для полей
общего вида. Вектор Пойнтинга. Параметры и классификация сред. Линейные и
нелинейные среды. Волновые уравнения для электрического и магнитного полей в общем
виде. Векторный и скалярный потенциалы. Уравнения Максвелла, волновые уравнения и
граничные условия для гармонических полей. Баланс энергии для гармонического поля.
Вектор Пойнтинга для гармонического поля. Теорема единственности для задач
электродинамики СВЧ. Типы волн.
ТЕМА 2. ПЛОСКИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ОДНОРОДНОЙ
ЛИНЕЙНОЙ СРЕДЕ С ПОТЕРЯМИ
Постановка задачи (модель задачи, основные уравнения электродинамики,
граничные условия). Решение задачи, закономерности в плоской волне. Характеристики
плоской волны: дисперсионное соотношение (частотная дисперсия), волновое число,
фазовый коэффициент, коэффициент затухания, волновое сопротивление. Связь
характеристик плоской волны с параметрами среды. Поляризация волн. Плоская
(линейная), круговая и эллиптическая поляризации волн. Стоячая волна для встречных
волн. Вектор Пойнтинга для плоской гармонической волны. Координация волн в
произвольной системе координат.
ТЕМА 3. ПЛОСКИЕ ВОЛНЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ЛИНЕЙНЫХ
СРЕД
Постановка задачи (модель, исходные соотношения, граничные условия) Понятия
нормальной и параллельной поляризаций. Общие соотношения для полей в каждой из
двух сред в случае падающих волн с нормальной и параллельной поляризациями. Анализ
полученных соотношений. Первый и второй законы Снелиуса. Коэффициент отражения.
Коэффициент преломления. Полное отражение волны от границы раздела двух сред
(случай двух диэлектриков и случай «диэлектрик-металл»). Направленная волна. Падение
плоской волны на границу «диэлектрик - проводящая среда». Граничные условия
Леонтовича-Щукина.
ТЕМА 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В
ЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ В ПРИСУТСТВИИ НАПРАВЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Распространение
электромагнитных
волн
в
присутствии
направляющих
5
поверхностей. Общие закономерности.
Линии передачи. Типы линий передачи. Постановка в общем виде (модель,
исходные уравнения, граничные условия). Общие соотношения и закономерности
распространения направляемых волн в линиях передачи. Поперечное волновое число.
Критическая частота и критическая длина волны в линии передачи. Типы направленных
волн и их особенности. Концепция парциальных волн.
Прямоугольный волновод. Постановка задачи по распространению волн в волноводе
(модель, исходные уравнения, граничные условия). Типы волн, распространяющихся в
волноводе.
Магнитные волны в прямоугольном волноводе.
Основные соотношения,
закономерности и характеристики магнитных волн в прямоугольном волноводе:
поперечное волновое число, критическая частота и критическая длина волны, фазовый
коэффициент (фазовая постоянная величина), длина волны в волноводе, фазовая и
энергетическая скорости, волновое сопротивление. Типы магнитных волн в
прямоугольном волноводе. Волна H10. Пространственное распределение электрических и
магнитных силовых линий волны H10 в волноводе. Эпюры для напряженностей
электрического и магнитного полей в волноводе.
Токи в волноводе и их распределение на стенках. Частотное распределение
критических длин волн для различных типов магнитных волн. Возбуждение магнитных
волн в волноводе.
Электрические волны в прямоугольном волноводе. Основные соотношения,
закономерности и характеристики электрических волн: поперечное волновое число,
критическая частота и критическая длина волны, фазовый коэффициент, длина волны в
волноводе, фазовая и энергетическая скорости, волновое сопротивление. Типы
электрических волн в прямоугольном волноводе. Волна Е11. Краткие сведения.
Пространственная распределение электрических и магнитных силовых линий в волноводе
для волны Е11.. Токи в волноводе для волны Е11 и их распределение на стенках.
Возбуждение электрических волн Е11 в волноводе.
Коаксиальная линия. Постановка задачи (модель, исходные уравнения, граничные
условия). Типы волн, распространяющихся в коаксиальной линии.
Поперечные плоские волны, распространяющиеся в коаксиальной линии. Основные
соотношения, закономерности и характеристики плоских поперечных волн, полученные в
результате решения задачи по распространению волн в коаксиальной линии: поперечное
волновое число, критическая частота и критическая длина волны, фазовый коэффициент,
фазовая и энергетическая скорости, длина волны, волновое сопротивление.
Пространственное распределение электрических и магнитных силовых линий плоской
поперечной волны в коаксиальной линии. Токи в коаксиальной линии и их распределение
на стенках коаксиальной линии. Возбуждение плоской поперечной волны в коаксиальной
линии.
Электрические и магнитные волны в коаксиальной линии (краткие сведения).
ТЕМА 5. ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Понятие объемного резонатора. Типы объемных резонаторов. Постановка задачи по
изучению работы резонаторов (модель, исходные уравнения, граничные условия).
Характер поля внутри резонаторов. Основные соотношения для резонаторов.
Собственные колебания в объемном резонаторе. Колебания резонатора с потерями.
Добротность резонатора.
Прямоугольный резонатор. Постановка задачи (модель, исходные соотношения,
граничные условия). Типы колебаний в резонаторе. Решение задачи, основные
соотношения и закономерности для поперечно-электрических колебаний. Собственные
колебания и добротность резонатора. Простейший тип колебаний H101 и его основные
характеристики: собственная частота, добротность, пространственное распределение
6
электрических и магнитных силовых линий внутри резонатора, распределение токов на
стенках резонатора.
ТЕМА 6. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Задачи дифракции и основные понятия. Методы решения задач дифракции.
Дифракция плоской электромагнитной волны на отверстии в плоском проводящем
экране. Постановка задачи. Приближенный метод решения. Основные соотношения и
закономерности распределения поля вторичной волны.
ТЕМА 7. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Задачи теории излучения.
Общая постановка задачи по определению электромагнитного поля по заданным
источникам (модель, исходные соотношения, граничные условия). Уравнение Даламбера
и волновые уравнения для определения поля в пространстве, окружающем источники.
Векторный Ā и скалярный Ψ потенциалы.
Решение задачи для точечного и линейного источников. Запаздывающие
потенциалы. Электромагнитное поле источников в дальней зоне. Диаграмма
направленности.
Излучатели электромагнитных волн (краткие сведения): диполь Герца, рамочный
излучатель, магнитный ток, элемент плоскости.
2.4. Практические (семинарские) занятия
Практические (семинарские) занятия не планируются.
2.5. Лабораторный практикум
№
п/п
Номер
раздела
Количество
часов
Названия лабораторных работ
1.
3
12
Исследование эффекта Фарадея в волноводах с
продольно
намагниченным
ферритовым
стержнем в СВЧ диапазоне
12
Исследование явления невзаимного поглощения
в волноводах, содержащих ферриты
Исследование Y-циркулятора
2.
4
8
Измерение малых
отражений проходных
элементов
Определение полного сопротивления элементов
СВЧ
диапазона измерительной линией с
неподвижным зондом
3.
5
12
Определение электрических свойств закрытого
объемного резонатора
4.
7
12
Исследование рупорной антенны
12
3. Организация текущего и промежуточного контроля знаний
3.1. Контрольные работы
7
Тематика контрольных работ
Сроки
проведения
Разделы и темы
дисциплины
Вариант I
Уравнения Максвелла и волновые уравнения для
переменных (гармонических ) полей
Вариант II
Плоские электромагнитные волны в однородной
линейной среде с потерями
3 неделя
Тема 1
Вариант I
Прямоугольный волновод. Магнитные волны
Вариант II
Прямоугольный волновод. Электрические волны
12 неделя
Тема 4
3.2. Комплекты тестовых заданий
• Тестовые проверки для оценки знаний студентов, полученных ранее и
необходимых для усвоения курса, проводятся на 2-3 неделе занятий (тестирование
проводится во время лекционных занятий).
3.3. Самостоятельная работа Цилиндрический волновод. Поверхностный эффект.
3.3.1.
и др.)
Поддержка самостоятельной работы (сборники тестов, задач, упражнений
Учебники, указанные в разделе — 7.3 Литература.
3.3.2. Тематика рефератов

Цилиндрический волновод

Поверхностный эффект
3.4. Балльно-рейтинговая система
Максимальная сумма баллов, набираемая студентом по дисциплине, закрываемой
семестровой (итоговой) аттестацией, равна 100.
На основе набранных баллов, успеваемость студентов в семестре определяется
следующими
оценками:
«отлично»,
«хорошо»,
«удовлетворительно»
и
«неудовлетворительно».
- «Отлично» – от 86 до 100 баллов – теоретическое содержание курса освоено
полностью, без пробелов необходимые практические навыки работы с освоенным
материалом сформированы, все предусмотренные программой обучения учебные задания
выполнены, качество их выполнения оценено числом баллов, близким к максимальному.
- «Хорошо» – от 74 до 85 баллов – теоретическое содержание курса освоено
полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным
материалом сформированы недостаточно, все предусмотренные программой обучения
учебные задания выполнены, качество выполнения ни одного из них не оценено
минимальным числом баллов, некоторые виды заданий выполнены с ошибками.
- «Удовлетворительно» – от 61 до 73 баллов – теоретическое содержание курса
освоено частично, но пробелы не носят существенного характера, необходимые
практические навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы,
большинство предусмотренных программой обучения учебных заданий выполнено,
некоторые из выполненных заданий, возможно, содержат ошибки.
- «Неудовлетворительно» – 60 и менее баллов - теоретическое содержание курса не
освоено, необходимые практические навыки работы не сформированы, выполненные
8
учебные задания содержат грубые ошибки, дополнительная самостоятельная работа над
материалом курса не приведет к существенному повышению качества выполнения
учебных заданий.
Баллы, характеризующие успеваемость студента по дисциплине, набираются им в
течение всего периода обучения за изучение отдельных тем и выполнение отдельных
видов работ.
Распределение баллов, составляющих основу оценки работы студента по изучению
дисциплины
Зачет по лабораторным работам ставится, если сумма баллов от 80
1.
3.
Посещение занятий (34 пары)
10-30
Выполнение заданий по лабораторным работам
течение семестра
10 баллов за 1 работу (7 работ)
70
Итого:
До 100
Итоговый контроль проводится в 7 семестре в виде экзамена по курсу и зачета по
лабораторным работам. Экзаменационная оценка ставится на основании письменного и
устного ответов по экзаменационному билету.
4.Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ
Компьютерный класс, используемый при проведении лабораторного практикума.
5. Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты)
Выполнение лабораторных работ в лабораторном практикуме с элементами
исследования.
6. Материальное обеспечение дисциплины
Лабораторный практикум имеет оборудование (макеты лабораторных работ и
измерительные приборы), позволяющее полностью обеспечить выполнение лабораторных
работ:
Генераторы, перекрывающие диапазон частот от 1,16 до 10,5 ГГц — 15 шт.
Анализатор спектра — 1 шт.
Измеритель КСВН панорамный — 1 шт.
Измерительные вольтметры — 10 шт.
Измерители отношений — 5 шт.
Звуковые генераторы — 3 шт.
Электронный измеритель напряжений и токов — 1 шт.
Осциллографы — 5 шт.
Импульсный генератор — 1 шт.
Анализатор спектра высокочастотный — 2 шт.
Частотомер — 1 шт.
Измерительные линии — 9 шт.
7. Литература
7.1. Основная (Одновременно дисциплину изучают 10 чел.)
1. Неганов В.А., Раевский С.Б., Яровой Г.П.. Линейная макроскопическая
электродинамика. Т.1. М.: Радио и связь. 2000. (Гриф Минобразования, 15 экз.).
2. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцев А.Д. Техническая электродинамика.
Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь. 2002.
9
3. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио,
(Гриф Минобразования, 2 экз.).
4. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. Учебник электротехнических
институтов связи. М.: Связь. ((Гриф Минобразования, 2 экз.).
7.2. Дополнительная
1. Никольский Б.А.. Электродинамика и распространение волн. Учебное пособие
для вузов. М.: Наука. 1989. (Гриф Минобразования, 2 экз.).
2. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцев А.Д. Техническая электродинамика.
Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь. 2002.
3. Пименов Ю.В. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебник для
вузов. М.: Горячая линия Телеком. 2003.
4.
Федоров Н.Н. Основы электродинамики. М.: ВШ. 1980.
5.
Ковалев И.С. Прикладная электродинамика. Минск: Наука и техника. 1978.
6.
СВЧ-практикум. / Коротков Н.С., Калашник Н.С. Куйбышев: Изд. КуГУ, 1981.
7. Коротков Н.С. Излучение электромагнитных волн. Радиотехнический
практикум. Самара: изд. СамГУ. 1996.
7. 3. Учебно-методические материалы по дисциплине
1. Учебно-методический комплекс по дисциплине "Электродинамика СВЧ".
СамГУ. Кафедра РФ и ПИНЭ. 2012.
2. Излучение электромагнитных волн. Радиофизический практикум / Коротков
Н.С. Самара: Изд. СамГУ. 1998.
3. Коротков Н.С. Излучение электромагнитных волн. Ч.2 Учебное пособие.
Самара: изд. «Универс-Групп». 2004.
4. Коротков Н.С. Дифракция электромагнитных волн. Учебное пособие. Самара:
изд. «Универс-Групп». 2004.
10