Электромагнитные поля и волны_14015

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ВОЛНЫ
Рабочая программа учебной дисциплины
Министерство образования и науки российской федерации
Владивостокский государственный университет экономики
и сервиса
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ВОЛНЫ
Рабочая программа учебной дисциплины
по направлениям подготовки
210400.62 Радиотехника. Средства радиоэлектронной борьбы
210700.62 Инфокоммуникационные технологии и системы связи.
Защищенные системы и сети связи
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
ББК 32
Рабочая
программа
учебной
дисциплины
14015
«Электромагнитные поля и волны» составлена в соответствии с
требованиями
ООП
210400.62
Радиотехника.
Средства
радиоэлектронной борьбы и 210700.62 Инфокоммуникационные
технологии и системы связи. Защищенные системы и сети связи на базе
ФГОС ВПО.
Составитель: Сёмкин С.В., к.ф.-м.н., доцент кафедры электроники
Утверждена на заседании кафедры электроники от 16.02.2011 г.,
протокол № 5, редакция 2012 г. редакция 2014 г. (заседание
кафедры от 22.04.2014 г. протокол № 8)
Рекомендована к изданию учебно-методической комиссией Института
информатики, инноваций и бизнес систем ВГУЭС
© Издательство Владивостокский
государственный университет
экономики и сервиса, 2014
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Электромагнитные поля и волны» предназначена для
студентов
направлений
210400.62
Радиотехника.
Средства
радиоэлектронной борьбы и 210700.62 Инфокоммуникационные
технологии и системы связи. Защищенные системы и сети связи и
посвящена изучению электромагнитных полей в различных средах,
линиях передачи и резонаторах, методам расчета параметров
электромагнитных колебаний. Знания, полученные при изучении
дисциплины «Цифровые устройства и микропроцессоры» используются
студентами при изучении других специальных дисциплин, а также при
разработке курсовых и дипломных работ.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения учебной дисциплины
Целью
изучения
дисциплины
является
углубление
фундаментальных знаний о законах, описывающих электромагнитное
поле, как вида материи, освоение математического аппарата и методов
электродинамического
описания
явлений
и
процессов
в
радиоэлектронных устройствах различного назначения, изучение
распространения электромагнитных волн в свободном пространстве и
направляющих системах.
1.2. Место учебной дисциплины в структуре ООП
(связь с другими дисциплинами)
Место дисциплины в структуре основной образовательной
программы (ООП) ВПО
ООП
Форма
Блок
Трудоем Форма
обучения
кость
проме
(З.Е.)
жут.
Контро
ля
210400.62
Радиотехника.
Б.2/Груп
Средства
ОФО
5
Э
па Б
радиоэлектронной
борьбы
210700.62
Инфокоммуникацио
нные технологии и
Б.2/Груп
системы связи.
ОФО
5
Э
па Б
Защищенные
системы и сети
связи
Изучение дисциплины «Электромагнитные поля и волны»
базируется на физико-математической подготовке студентов, которую
они получают при изучении математики – разделы: векторный анализ,
дифференциальные операторы, дифференциальные уравнения первого и
второго порядка, контурные, поверхностные и объемные интегралы,
комплексные числа и функции и действия над ними, матрицы и
действия над ними, а также раздела физики – электромагнитные
явления.
Дисциплины «Электромагнитные поля и волны» читается
одновременно с дисциплинами «Устройства СВЧ и антенны»,
«Проектирование и техническое обслуживание сетей и оборудования
связи».
Освоение дисциплины «Электромагнитные поля и волны»
необходимо как предшествующее для изучения дисциплин
«Телекоммуникационные технологии защищенных систем связи»,
«Модели и алгоритмы обнаружения технических объектов» и других
дисциплин, а также для выполнения выпускной квалификационной
работы.
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в
результате освоения учебной дисциплины
В результате освоения дисциплины «Электродинамика и
распространение радиоволн» у обучающегося должны быть
сформированы следующие компетенции:
Результаты освоения дисциплины (формируемые компетенции и
ЗУВ)
ООП
210400.62
Радиотехника.
Средства
радиоэлектронной
борьбы
Вид
компетенций
Общекультурные
Компетенции
ОК-10 способностью
использовать основные
законы
естественнонаучных
дисциплин в
профессиональной
деятельности,
применять методы
математического
анализа и
моделирования,
теоретического и
экспериментального
исследования
Профессиональн
ые
210700.62
Инфокоммуникационн
ые технологии и
системы связи.
Защищенные системы
и сети связи
Профессиональн
ые
ПК-1 способностью
представлять
адекватную
современному уровню
знаний научную
картину мира на основе
знания основных
положений, законов и
методов естественных
наук и математики
ПК-2 способностью
выявлять
естественнонаучную
сущность проблем,
возникающих в ходе
профессиональной
деятельности,
привлекать для их
решения
соответствующий
физико-математический
аппарат и
ОК-9 использовать
основные законы
естественнонаучных
дисциплин в
профессиональной
деятельности,
применять методы
математического
анализа и
моделирования,
теоретического и
экспериментального
исследования
ПК-2 иметь навыки
самостоятельной
работы на компьютере
и в компьютерных
сетях; осуществлять
компьютерное
моделирование
устройств, систем и
процессов с
использованием
универсальных пакетов
прикладных
компьютерных
программ
ПК-18 способностью
спланировать и
провести необходимые
экспериментальные
исследования, по их
результатам построить
адекватную модель,
использовать ее в
дальнейшем при
решении задач создания
и эксплуатации
инфокоммуникационно
го оборудования
В результате освоения дисциплины у обучающегося должны быть
сформированы знания, умения, владения:
Формируемые знания, умения, владения
ООП
210400.62
Радиотехника. Средства
радиоэлектронной
борьбы
Коды
компетенци
й
ОК-10
Знания, Умения, Владение
Умен
ия:
применять
физические законы
для решения
практических задач
навыками
аналитического и
экспериментальног
о исследования
основных
физических
законов и
технологических
процессов
ПК-1
Умен
ия:
Знани
я:
ПК-2
Умен
ия:
применять
физические законы
для решения
практических задач
самостоятельно
анализировать
физическую и
естественнонаучную
литературу,
использовать
методы научного
познания в
профессиональной
области
основные
уравнения
электромагнитного
поля и методы их
использования при
расчетах
простейших
структур для
излучения
электромагнитных
волн, условия
распространения
радиоволн в
различных средах
применять
физические законы
для решения
практических задач
самостоятельно
анализировать
физическую и
естественнонаучную
литературу,
использовать
методы научного
познания в
профессиональной
области
ОК-9
210700.62
Инфокоммуникационны
е технологии и системы
связи. Защищенные
системы и сети связи
Умен
ия:
Знани
я:
ПК-18
Умен
ия:
методами
проведения
физических
измерений,
методами
корректной оценки
погрешностей при
проведении
физического
эксперимента
выделять
конкретное
физическое
содержание в
прикладных
задачах будущей
деятельности
особенности
структуры
электромагнитного
поля волн,
распространяющих
ся в различных
средах, в линиях
передачи
электромагнитной
энергии и
объёмных
резонаторах
проводить анализ
физических
процессов,
происходящих в
различных
направляющих
системах,
устройствах
сверхвысоких
частот, в
однородных и
неоднородных
средах, понимать
сущность
электромагнитной
совместимости
1.4. Основные виды занятий и особенности их
проведения
Объем и сроки изучения дисциплины:
Общая трудоемкость дисциплин составляет 5 зачетных единиц (180
часов). Из них 51 час – аудиторной работы, 93 часа – самостоятельной
работы. Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах
составляет 70 процентов аудиторных занятий
Итоговая аттестация по курсу — экзамен (1 з.е., 36 часов).
Дисциплина «Информационной безопасности» включает в себя:
- лекционные занятия;
- лабораторные занятия;
- консультации;
- самостоятельная работа студентов;
- мастер-классы специалистов;
- научные семинары;
- участие в студенческих конференциях.
1.5. Виды контроля и отчетности по дисциплине
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки
успеваемости студентов во Владивостокском государственном
университете экономики и сервиса в ходе изучения дисциплины
предусматриваются следующие виды контроля знаний студентов:
текущая и промежуточная (семестровая) аттестации.
Текущая аттестация студентов осуществляется по результатам
оценки уровня компетенций в ходе проведения экспресс-контрольных
работ на лекционных занятиях, оценки качества выполнения
индивидуальных домашних заданий и активности студента на
лабораторных занятиях, а также по результатам выполнения и качества
защиты отчетов по лабораторным работам.
Экзамен по дисциплине проводится в устной форме.
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ
ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Темы лекций
Тема 1. Основные уравнения электромагнитного поля (2 часа)
Основные уравнения электромагнитного поля – уравнения
Максвелла. Векторы электромагнитного поля. Макроскопические
параметры материальных сред. Классификация и видысред. Скалярные
и тензорные параметры сред. Материальные уравнения.
Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной форме.
Уравнение непрерывности и закон сохранения заряда. Сторонние
источники. Полная система уравнений Максвелла с учётом сторонних
источников. Принцип перестановочной двойственности. Плотность
электромагнитной энергии и энергия, сосредоточенная в объеме.
Плотность мощности и мощность тепловых потерь и сторонних
источников. Уравнение баланса для мгновенных значений мощности в
дифференциальной и интегральной форме (теорема Пойтинга).
Физическая трактовка. Мощность, выходящая (входящая) из объема
через замкнутую поверхность. Мощность излучения. Вектор Пойнтинга.
Тема 2. Граничные условия электродинамики (1 час)
Поведение векторов на границе раздела двух сред. Граничные
условия для нормальных и касательных составляющих векторов
электромагнитного поля. Граничные условия на поверхности
идеального проводника.
Тема 3. Уравнения электродинамики для монохроматического
поля (1 час)
Классификация электромагнитных явлений по их зависимости от
времени. Статические, стационарные и квазистационарные поля.
Гармонические колебания. Роль гармонических колебаний в теории и
технике телекоммуникационных систем и радиотехнике.
Метод комплексных амплитуд. Система уравнений Максвелла для
монохроматического поля в комплексной форме. Комплексные
диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Факторы,
влияющие на величину мнимой части комплексной диэлектрической и
магнитной проницаемости. Диэлектрические и магнитные потери.
Средние за период значения энергетических характеристик
гармонического электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойнтинга
для комплексных мощностей. Комплексный вектор Пойнтинга.
Уравнения баланса для активных и реактивных мощностей. Физическая
трактовка. Условие резонанса для изолированной области
Тема 4. Плоские электромагнитные волны (2 часа)
Плоская волна как предельный случай сферической волны.
Решение системы уравнений Максвелла для плоской однородной
волны. Свойства плоской волны. Структура поля. Взаимная ориентация
векторов поля, коэффициент фазы, фазовая скорость, скорость
распространения энергии, характеристическое сопротивление. Плоские
однородные волны в однородной изотропной среде без потерь. Плоская
однородная волна в однородной среде с потерями. Свойства волн.
Коэффициенты фазы и ослабления, фазовая скорость и длина волны в
средах с малыми и большими тангенсами угла потерь. Дисперсионные
свойства поглощающей среды.
Поляризация волн. Линейно поляризованные волны. Волны с
круговой и эллиптической поляризацией.
Плоские однородные волны в однородной анизотропной среде.
Намагниченный феррит. Гиротропная среда как частный случай
анизотропной среды. Частота собственной и вынужденной прецессии.
Тензор магнитной проницаемости намагниченного феррита. Разложение
линейно поляризованной волны на две волны круговой поляризации.
Особенности распространение волн круговой поляризации левого и
правого вращения в гиротропной среде. Магнитная проницаемость для
волн круговой поляризации левого и правого вращения. Эффект
Фарадея. Использование эффекта Фарадея в технике СВЧ.
Тема 5. Отражение и преломление плоских волн на границе
раздела двух сред (2 часа)
Связь
углов
падения,
отражения
и
преломления
с
электродинамическими параметрами сред. Первый и второй законы
Снелля. Представление произвольно поляризованной волны как
суперпозиции нормально и параллельно поляризованных волн.
Падение нормально поляризованной волны на границу раздела
двух диэлектрических сред. Законы отражения и преломления.
Коэффициенты отражения и прохождения (формулы Френеля). Падение
параллельно поляризованной волны на границу раздела двух
диэлектрических сред. Явление полного прохождения, угол Брюстера.
Явление полного отражения от границы раздела двух
диэлектрических сред. Условия возникновения полного отражения,
структура поля над и под границей раздела, поверхности равных фаз и
равных амплитуд, фазовая скорость, длина волны, скорость переноса
энергии.
Понятие поверхностной волны. Отражение от идеально
проводящей поверхности; структура поля.
Падение плоской волны на границу раздела диэлектрика и
поглощающей среды. Неоднородная плоская волна в поглощающей
среде. Определение действительного угла преломления. Проникновение
поля в проводник, поверхностный эффект, глубина проникновения.
Понятие поверхностного импеданса. Приближённые граничные
условия Леонтовича, условия их применимости. Расчет потерь энергии
в проводниках с помощью граничных условий Леонтовича.
Прохождение плоской волны через пластину. Понятие экрана для
электромагнитного поля. Тонкие и толстые экраны. Многослойные
экраны.
Тема 6. Общие свойства волн, распространяющихся в линиях
передачи (2 часа)
Направляемые электромагнитные волны. Понятие о линиях
передачи. Типы регулярных линий передачи. Классификация
направляемых волн: волны Т, Е, Н, гибридные волны.
Решение уравнений Гельмгольца для направляемых волн. Связь
поперечных составляющих векторов поля с продольными. Постоянная
распространения, критическая частота (критическая длина волны),
длина волны в линии передачи, фазовая скорость, характеристическое
сопротивление. Общие свойства волн типа Т, Е, и Н. Скорость
распространения энергии. Дисперсия. Понятие об одноволновом и
многоволновом
режимах
работы.
Мощность,
переносимая
электромагнитной волной в линии передачи. Затухание волн в
регулярных линиях.
Тема 7. Полые металлические волноводы (2 часа)
Прямоугольные волноводы. Волны типа Е и Н. Структура поля.
Основная волна прямоугольного волновода. Выбор размеров для
одноволнового режима работы. Токи на стенках волновода при волне
основного типа. Коэффициент ослабления. Электрическая и тепловая
прочность. Многоволновый режимы работы; фильтрация высших типов
волн. Область применения прямоугольных волноводов.
Круглые волноводы. Структура поля волн типа Е и Н. Волна
основного типа и ее характеристики. Выбор поперечных размеров для
одноволнового режима работы. Многоволновые волноводы; способы
фильтрации высших типов волн. Область применения круглых
волноводов.
Волноводыспециальной формы. Волноводы П- и Н-образной
формы.
Тема 8. Линии передачи с Т волнами (1 час)
Коаксиальный волновод. Волна Т: структура поля, волновое
сопротивление, переносимая мощность. Структура токов на внешнем и
внутреннем
проводниках.
Ослабление
волн
типа
Т
при
распространении, коэффициент ослабления. Высшие типы волн.
Условие одноволнового режима работы. Электрическая и тепловая
прочность. Критерии выбора волнового сопротивления. Гофрированные
коаксиальные волноводы. Область применения коаксиальных
волноводов.
Симметричная двухпроводная линия передачи. Волна Т: структура
поля, волновое сопротивление. Распределение токов по сечению
проводников. Выбор размеров поперечного сечения линии.
Коэффициент ослабления. Электрическая и тепловая прочность.
Экранированные двухпроводные линии. Линии типа “витая пара”.
Область применения двухпроводных линий.
Полосковые линии передачи и их разновидности. Симметричные и
несимметричные полосковые линии. Структура поля основной волны
типа Т. Основные характеристики полосковых линий. Волновое
сопротивление.
Выбор
размеров
поперечного
сечения.
Микрополосковые линии. Щелевая и копланарная полосковые линии:
структура поля основной волны квази-Т типа. Электрическая и тепловая
прочность полосковых линий. Область применения полосковых линий.
Тема 9. Диэлектрические волноводыи оптоволоконные линии
передачи (1 час)
Диэлектрический волновод круглого сечения. Типы волн в
диэлектрическом волноводе. Структура поля. Основная волна в
диэлектрическом волноводе. Область применения.
Оптоволоконные линии передачи. Одномодовые и многомодовые
волокна. Градиентные волокна. Понятие о материальной дисперсии.
Ослабление волн в волоконных световодах. Область применения
волоконных линий передачи.
Тема 10. Математическая модель линии передачи (1 час)
Регулярная линия передачи. Падающие и отраженные волны.
Ортогональность распространяющихся падающей и отраженной волн.
Нормированное напряжение и ток в линии передачи. Входное
сопротивление отрезка линии передачи с нагрузкой. Режимы работы
линии.
Коэффициент отражения, коэффициент бегущей (стоячей) волны.
Условие согласования линии с нагрузкой. Влияние отражения от
нагрузки на КПД линии передачи. Круговая номограмма ВольпертаСмитта. Методы узкополосного согласования. Четвертьволновый
трансформатор сопротивлений. Шлейфное согласование. Методы
широкополосного согласования.
Тема 11. Излучение электромагнитных волн (2 часа)
Неоднородные волновые уравнения для векторов гармонических
электромагнитных
полей.
Скалярный
и
векторный
электродинамические потенциалы гармонических полей.
Электромагнитное поле произвольного источника. Элементарный
электрический излучатель. Определение векторов электромагнитного
поля, создаваемого элементарным электрическим излучателем в
однородной неграничной изотропной среде. Анализ структуры поля.
Особенности поля в ближней зоне. Поле излучателя в дальней зоне:
ориентация векторов электромагнитного поля, фронт волны, фазовая
скорость,
характеристическое
сопротивление.
Диаграмма
направленности
элементарного
электрического
излучателя,
коэффициент направленного действия (КНД). Излучаемая мощность и
сопротивление излучения.
Элементарный магнитный излучатель. Использование принципа
двойственности для определения векторов электромагнитного поля,
создаваемого элементарным магнитным излучателем в неограниченной
однородной изотропной среде. Структура поля излучателя.
Элементарная рамочная антенна как физические аналоги
элементарного магнитного излучателя.
Элемент Гюйгенса. Структура поля элемента Гюйгенса. Диаграмма
направленности, КНД. Применение модели элемента Гюйгенса для
анализа излучения апертурных антенн и задач дифракции радиоволн.
2.3. Перечень тем лабораторных занятий
(активная и интерактивная форма)
Тема 1. Плоские волны в однородных средах (2 часа)
Решение системы уравнений Максвелла для плоской однородной
волны. Свойства плоской волны. Структура поля. Взаимная ориентация
векторов поля, коэффициент фазы, фазовая скорость, скорость
распространения энергии, характеристическое сопротивление.
Тема 2. Исследование поляризации электромагнитных волн (2
часа)
Поляризация волн. Линейно поляризованные волны. Волны с
круговой и эллиптической поляризацией.
Тема 3. Распространение радиоволн в различных средах (2
часа)
В соответствии с исходными данными определить граничную
частоту, волновые параметры, характеризующие распространение ЭМВ
заданной частоты в среде с потерями. Проанализировать полученные
результаты и сделать вывод, какими свойствами обладает среда с
заданными параметрами для ЭМВ.
Тема 4. Эффект Фарадея в круглом волноводе (2 часа)
Эффект Фарадея. Использование эффекта Фарадея в технике СВЧ.
Тема 5. Методы узкополосного согласования линии с нагрузкой
(моделирование на компьютере)(2 часа)
Коэффициент отражения, коэффициент бегущей (стоячей) волны.
Условие согласования линии с нагрузкой. Влияние отражения от
нагрузки на КПД линии передачи. Круговая номограмма ВольпертаСмитта. Методы узкополосного согласования. Четвертьволновый
трансформатор сопротивлений. Шлейфное согласование. Методы
широкополосного согласования.
Тема 6. Излучение электромагнитных волн (3 часа)
Элементарный магнитный излучатель. Использование принципа
двойственности для определения векторов электромагнитного поля,
создаваемого элементарным магнитным излучателем в неограниченной
однородной изотропной среде. Структура поля излучателя.
Тема 7. Исследование режимов работы нагруженных линий
передачи (3 часа)
Изучить
методические
рекомендации
по
выполнению
лабораторной работы. Подключить соответствующую нагрузку к
измерительной линии (Р1-18; Р1-36). Настроить генератор Г4-129 в
резонанс с измерительной линией. Перемещая детекторную головку
вдоль измерительной линии снять показания микроамперметра.
Рассчитать Кбв и Ксв, определить режим работы.
Тема 8. Расчёт напряженности электрического поля в зоне
интерференции (2 часа)
Произвести расчёт напряжённости поля с использованием Microsoft
Office Excel или пакета MathCАD для длин волн от 1 до 10 метров.
Построить график зависимости V от расстояния r . Проанализировать
полученные результаты, сделать вывод.
2.4 Самостоятельная работа студентов
Самостоятельная работа студентов является составной частью
освоения дисциплины. Она проводится с целью закрепления и
углубления полученных знаний, умений и навыков, активного поиска и
приобретения студентами новых знаний, в том числе с использованием
печатного и электронного учебно-методического комплекса по
дисциплине, а также выполнения учебных заданий, подготовки к
предстоящим занятиям и экзамену.
Самостоятельная работа студентов по дисциплине организуется и
проводится во внеклассные часы (часы самоподготовки) в объеме 105
часов.
Самостоятельная работа студентов по дисциплине должна
обеспечивать в течение 2 курса обучения равномерную и
целенаправленную работу студентов по изучению всех тем
дисциплины. При определении объема учебного материала, выносимого
для самостоятельной работы слушателей, преподаватель должен
руководствоваться
нормами
времени,
установленными
в
соответствующем разделе настоящей программы.
Для обеспечения самостоятельной работы студентов преподаватель
должен: своевременно доводить до них перечень обязательной и
дополнительной литературы по учебной дисциплине, исходя из
реальных возможностей по ее изучению в рамках предусмотренного
бюджета времени; принимать меры к обеспечению студентов
необходимым количеством учебников и учебных пособий, описаниями,
наставлениями, руководствами и другими учебно-методическими
материалами; тщательно разрабатывать задания на различные виды
учебных занятий и в особенности методические указания по подготовке
студентов к ним; проводить индивидуальные и групповые
консультации; проводить систематический контроль самостоятельной
работы слушателей.
Перечень контрольных вопросов и задания для контроля
самостоятельной работы обучающегося по отдельным темам
дисциплины приведены в учебно-методическом комплексе дисциплины.
Перечень тем для самостоятельной работы:
Тема 1. Влияние тропосферы и ионосферы на распространение
радиоволн (4 часа, реферат)
Исследовать зависимость траектории распространения радиоволн в
зоне освещённости от параметров тропосферы (температуры,
влажности, давления.
Тема 2. Исследование влияние земли на излучение антенн (4
часа, реферат)
Исследование влияние земли на излучение антенн
Тема 3. Расчет коэффициентов отражения и преломления
плоских волн на границе раздела сред при наклонном падении (4
часа, расчетно-графическая работа)
Рассчитать коэффициент отражения и преломления плоских волн
на границе раздела сред при наклонном падении
Тема 4. Графическое решение задачи согласования линии
передачи с нагрузкой с помощью номограммы Вольперта-Смитта
(4 часа, расчетно-графическая работа)
Решить задачу согласования линии передачи с нагрузкой с
помощью номограммы Вольперта-Смитта
Тема 5. Расчет длины волны и скорости распространения
электромагнитной волны (6 часа, расчетно-графическая работа)
Рассчитать
длину
волны
и
скорость
распространения
электромагнитной волны в среде с заданными электродинамическими
параметрами
Тема 6. Расчет скорости распространения волны и
коэффициента затухания (6 часа, расчетно-графическая работа)
Рассчитать длину волны, скорость распространения и коэффициент
затухания в отрезке линии передачи, оценка ее электрической
прочности
3. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Программой дисциплины предусмотрено чтение лекций,
проведение лабораторных работ и руководство СРС.
Лекции проводятся как в традиционной форме с использованием
мультимедийных технологий.
Лабораторные занятия проводятся в активной (выполнение
лабораторных работ) и в интерактивной форме (компьютерное
моделирование, мозговой штурм, разбор практических задач,
обсуждение 12 часов)
Для студентов в качестве самостоятельной работы предлагается
подготовка рефератов, докладов и сообщений, выполнение расчетнографических работ.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных работ
студентов по дисциплине
Темы творческих заданий (рефератов):
1. Распространение электромагнитных волн в гиротропных средах.
2. Элемент Гюйгенса, его поле и диаграмма направленности.
3. Расчет линий связи на основе дальнего тропосферного рассеяния.
4. Влияние магнитного поля Земли на распространение ионосферных
радиоволн
5. Системы спутниковой связи. Расчет шумов в каналах спутниковых
радиолиний.
В качестве творческого задания засчитывается выступление
студентов с докладами на научных и научно-практических
конференциях, семинарах.
4.2 Контрольные вопросы для самостоятельной
оценки качества освоения дисциплины
1.1. Запишите уравнения Максвелла в интегральной и
дифференциальной форме.
1.2. Какие электродинамические параметры характеризуют
среду?
1.3. Физический смысл уравнений Максвелла.
1.4. Запишите закон Ома в дифференциальной форме.
1.5. Какие материальные среды называются линейными,
однородными, изотропными?
1.6. Какова суть метода комплексных амплитуд?
1.7. Запишите уравнения Максвелла в комплексном виде.
1.8. Записать закон сохранения энергии электромагнитного поля,
объяснить его физический смысл.
1.9. Доказать волновой характер электромагнитного поля.
1.10. Сформулируйте теорему Стокса.
1.11. Сформулируйте теорему Остроградского-Гаусса.
1.12. Дайте определение напряжённости электрического поля.
1.13. Дайте определение напряжённости магнитного поля.
1.14. Что такое плотность тока смещения?
1.15. Как связаны между собой векторы D , E и B , H ?
1.16. Напишите математическую формулировку теоремы
Пойнтинга.
1.17. Что такое длина волны?
1.18. Какие волны называются сферическими?
1.19. Какие волны называются цилиндрическими?
1.20. Какие волны называются плоскими?
1.21..В чем суть метода электродинамических потенциалов?
1.22. Граничные условия для векторов электромагнитного поля.
1.23. Приближенные граничные условия Леонтовича.
1.24. Баланс энергии электромагнитного поля.
1.25. Написать общую формулу волнового сопротивления
свободного пространства.
Е и Н находятся в фазе?
1.27. Какой сдвиг фаз будет между векторами Е и Н в
1.26. В каких средах векторы
проводящей среде?
2.1. Какие параметры характеризуют распространение радиоволн
в среде?
2.2. Какие свойства среды обуславливают разные условия
распространения радиоволн?
2.3. Тангенс угла потерь, физический смысл.
2.4. Классификация сред по проводимости, понятие граничной
частоты.
2.5. Что называется коэффициентом фазы? Получить формулу
для распространения радиоволн в среде с малой проводимостью и в
проводнике.
2.6. Что называется коэффициентом затухания? Получить
формулу для коэффициента затухания в идеальном диэлектрике,
диэлектрике с потерями и в проводнике.
2.7. Что называется фазовой, групповой скоростью? Получить
формулу для расчёта VФ; VГР в диэлектрике, в проводнике.
2.8. Дать определение плоской однородной волны.
2.9. Как зависит затухание плоской волны от проводимости
среды?
2.10. С какой скоростью происходит перемещение энергии?
2.11. Как определить глубину проникновения электромагнитных
волн в среду с потерями?
2.12. Какими свойствами обладает среда на граничной частоте?
3.1. Какие излучатели называются элементарными и для чего они
служат?
3.2. В чем состоит основная задача электродинамики? Какие
методы решения этой задачи вы знает?
3.3. Что такое элементарный электрический вибратор?
3.4. Из общих формул, описывающих поле элементарного
электрического вибратора, получить формулы для векторов поля Е и Н
в дальней зоне.
3.5. Что такое характеристика направленности, функция
направленности, диаграмма направленности?
3.6. Вектор Пойнтинга и мощность излучения элементарного
электрического вибратора в ближней зоне.
3.7. Какова особенность промежуточной зоны элементарного
электрического вибратора?
3.8. Что такое коэффициент направленного действия?
3.9. Используя сферическую систему координат, нарисовать
расположение векторов поля Е и Н и вектора Пойнтинга для
элементарного электрического вибратора в дальней зоне
3.10. Получить формулу КНД для элементарного электрического
вибратора
Записать решение волновых уравнений для электродинамических
потенциалов.
3.11. Дать определение коэффициента направленного действия.
3.12. Назовите отличия между ЭЭИ и изотропным излучателем.
3.13. Какому элементарному излучателю подобен полуволновой
симметричный вибратор?
4.1. Какая линия передачи называется длинной?
4.2. Назовите первичные параметры линии передачи.
4.3. Какие линии передачи применяются в диапазоне СВЧ?
4.4. Назовите вторичные параметры линии передачи.
G
4.5. Является ли проводимость 0 обратной величиной
4.6. Какие типы радиочастотных кабелей существуют?
4.7. Какие требования предъявляются к фидеру?
R0
?
4.8. Чем определяются искажения сигнала в фидере?
4.9. Возможно ли использование линии передачи в качестве
замедляющей системы?
4.10. Назовите основные достоинства волоконно-оптической
линии передачи.
4.11. Какие линии передачи используются в радиолокации, в
радиосвязи?
4.12. В чём различия между линиями с распределёнными
параметрами и сосредоточенными параметрами?
4.13. Изобразите эквивалентную схему воздушной симметричной
линии передачи.
4.14. Назовите различия между световодами и волноводами.
5.1. От соотношения каких величин зависит возникновение в
линии передачи того или иного режима работы?
5.2. При каких условиях в линии передачи возникает режим
бегущих
волн?
5.3. Что такое коэффициент бегущих волн и коэффициент
стоячих волн? Каков их физический смысл?
5.4. Какие значения имеют Кбв и Ксв в режиме бегущих волн?
5.5. Дать характеристику изменения вдоль пинии амплитуды и
фазы мгновенных значений напряжения и тока в режиме бегущих волн.
5.6. При каких условиях в линии передачи возникает режим
стоячих
волн?
5.7. Какие значения имеют Кбв и Ксв в режиме стоячих волн?
5.8. Дать характеристику изменения вдоль линии амплитуды и
фазы мгновенных значений напряжения и тока для разомкнутой линии
передачи.
5.9. Дать характеристику изменения вдоль линии амплитуды и
фазы мгновенных значений напряжения и тока для короткозамкнутой
линии передачи.
5.10. При каких условиях в линии передачи возникает режим
смешанных волн?
4.3 Методические рекомендации по организации СРС
В рамках общего объема часов, отведенных для изучения
дисциплины, предусматривается выполнение следующих видов
самостоятельных работ студентов (СРС): контрольные работы
(индивидуальные домашние задания), самостоятельное изучение
теоретического материала с самоконтролем по приведенным ниже
вопросам, изучение теоретического материала при подготовке к защите
лабораторных работ, итоговое повторение теоретического материала
при подготовке к экзамену.
Кроме того для контроля этого вида самостоятельной работы на
лекционных занятиях предусматривается устный опрос по
контрольным вопросам.
При выполнении лабораторных работ в соответствии с разделом
2.2 настоящей учебной программы студент должен предварительно
самостоятельно освоить теоретический материал соответствующих тем.
Для защиты работы он должен знать теоретический материал.
4.4 Рекомендации по работе с литературой
1. Для изучения теоретического материала по данному курсу
необходимо использовать литературу [1-3, 13, 14], которая в полной
мере закрывает все дидактические единицы программы дисциплины.
2. Для закрепления материала (приобретения практических
навыков решения задач), при выполнении индивидуальных заданий и
практических работ необходимо использовать пособие [5].
3. В достаточной мере применение MatLab при расчётах
электродинамических параметров описано в изданиях [4-6].
4. Для выполнения лабораторных работ № 1-4 рекомендуется
использовать учебное пособие [4] и дополнительную литературу [8-12].
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Основная литература
1. Пинский, А.А. Физика: учебник / А. А. Пинский, Г. Ю.
Граковский ; под общ. ред. Ю. И. Дика, Н. С. Пурышевой. - 3-е изд.,
испр. - М. : ФОРУМ : ИНФРА-М,2013. - 560 с.
2. Дементьев, С.Г. Электродинамика и распространение радиоволн:
практикум [для студентов вузов] / С. И. Дементьев, Ю. А. Левашов ;
Владивосток. гос. ун-т экономики и сервиса. - Владивосток : Изд-во
ВГУЭС, 2011
5.2 Дополнительная литература
1. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение
радиоволн: учебное пособие для студентов радиотех. специальностей
вузов / В. В. Никольский, Т. И. Никольская. - 5-е изд. - М. :
ЛИБРОКОМ, 2011. - 544 с
2.
Шибков,
А.Н..
Математический
аппарат
курсов
"Электромагнитные
поля
и
волны",
"Электродинамики
и
распространение радиоволн" и "Основы электродинамики и
распространение радиоволн": учебное пособие для специальностей :
160900, 210200, 075600 / А. Н. Шибков, И. А. Власов ; Мор. гос. ун-т им.
адм. Г. И. Невельского. - Владивосток : МГУ, 2009
5.3 Полнотекстовые базы данных
Библиотека ВГУЭС URL: http://lib.vvsu.ru
5.4 Интернет-ресурсы
1. Интернет ресурс: словарь терминов разрешённый доступ
http://cncexpert.ru/Data1/26/26803/index.htm
2.
Интернет
ресурс:
StudFiles
разрешённый
доступ:
http://www.studfiles.ru/dir/cat15/subj158/file223.html.
3.
Интернет
ресурс:
StudFiles
разрешённый
доступ:
http://gendocs.ru/v235.
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
а) программное обеспечение:_Microsoft Office Excel; научнопопулярные фильмы; Microsoft Office Access; Delphi; MathCad; MathLab.
б) техническое и лабораторное обеспечение:
1. Измерительные линии Р1-18; Р1-21; Р1-36.
2. Генераторы Г3-33; Г4-79; Г4-81.
3. Осциллографы С1-67; С1-96; С1-83.
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
Теорема Умова-Пойнтинга описывает закон сохранения энергии для
электромагнитного поля.
Волновые уравнения и электродинамические потенциалы –
вспомогательные уравнения и понятия, облегчающие решения задач по
определению полей.
Электростатическим полем
называется электрическое поле
неподвижных неизменных зарядов, не изменяющихся во времени.
Стационарным магнитным полем называется магнитное поле
постоянного тока. Это поле соответствует режиму установившегося
движения зарядов.
Плоская электромагнитная волна – волна, обладающая плоским
фронтом волны.
Фронт волны представляет собой геометрическое место точек с
одинаковой фазой.
Поляризация волн - ориентационная характеристика, определяющая
закон изменения и величины вектора - (или
) этой волны в данной
точке пространства за период колебания.
Линией передачи (фидером) называется устройство, направляющее
поток электромагнитной энергии в заданном направлении.
Коэффициент фазы показывает набег фазы бегущей волны на единицу
длины.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) равен отношению усредненных
во времени максимального и минимального значений поля, измеренных
в соответствующих сечениях линии.
Коэффициент полезного действия – отношение активной мощности в
нагрузке к полной активной мощности на входе линии.
Волны типа
Т
характеризуются
отсутствием
продольных
составляющих как электромагнитного, так и магнитного векторов.
Объемным резонатором называется часть пространства, ограниченная
замкнутой металлической оболочкой, в которую с помощью элементов
связи вводится (выводится) электромагнитная энергия.
Резонансные частоты – это частоты вынужденных колебаний, на
которых взаимный обмен энергией между источником вынужденных
колебаний и резонатором отсутствует. Энергия поступает от источника
в резонатор только на компенсацию потерь. Поле при резонансе
достигает максимального значения, также как и запасенная энергия
поля .
Добротность – безразмерный параметр, равный отношению
электромагнитной энергии, запасенной колебательной системой при
резонансе, к энергии потерь за период Т.
Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающейся
до высоты 7- 18 км. В тропосфере содержится до 4/5 массы газов,
составляющих атмосферу, и почти все количество водяных паров.
Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60 - 10000 км
над земной поверхностью, где газ частично или полностью
ионизирован, т.е. содержит большое число свободных электронов.
Земными радиоволнами называют радиоволны, распространяющиеся
в непосредственной близости от поверхности Земли.
Ионосферными волнами называют радиоволны, распространяющиеся
путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней.
Рефракцией называется искривление траектории радиоволн при
распространении ее в неоднородной среде.
Электронной
плотностью
называется
число
электронов,
содержащихся в единице объема воздуха.
Рекомбинацией называется процесс воссоединения заряженных частиц
и образования нейтральных молекул, т.е. обратный процессу ионизации.
Линейно-поляризованная радиоволна - Радиоволна, вектор
напряженности электрического поля которой параллелен одной
фиксированной линии
Вертикально поляризованная радиоволна -Линейно-поляризованная
радиоволна, вектор напряженности электрического поля которой лежит
в плоскости падения радиоволны
Горизонтально
поляризованная
радиоволна
Линейнополяризованная радиоволна, вектор напряженности электрического
поля которой перпендикулярен плоскости падения радиоволны
Эллиптически-поляризованная
радиоволна
Радиоволна,
поляризованная таким образом, что проекция конца вектора
напряженности электрического поля на плоскость, перпендикулярную к
направлению распространения, представляет эллипс
Радиоволна с круговой поляризацией - Радиоволна, поляризованная
таким образом, что проекция конца вектора напряженности
электрического поля на плоскость, перпендикулярную к направлению
распространения, представляет окружность
Правосторонне поляризованная радиоволна - Эллиптически
поляризованная радиоволна или радиоволна с круговой поляризацией, в
которой вектор напряженности электрического поля вращается по ходу
часовой стрелки с точки зрения наблюдателя, смотрящего в
направлении распределения
Левосторонне поляризованная радиоволна - Эллиптически
поляризованная радиоволна или радиоволна с круговой поляризацией, в
которой вектор напряженности электрического поля вращается против
хода часовой стрелки с точки зрения наблюдателя, смотрящего в
направлении распространения
Поперечная радиоволна - Радиоволна, векторы напряженности
электрического и магнитного полей которой лежат в плоскости,
перпендикулярной к направлению распространения
Плоская радиоволна - Поперечная радиоволна, поверхности равных
фаз которой представляют собой параллельные плоскости,
перпендикулярные к направлению распространения
Цилиндрическая радиоволна - Поперечная радиоволна, поверхности
равных фаз которой представляют собой концентрические цилиндры,
касательные
к которым перпендикулярны к
направлениям
распространения волны в точке касания
Сферическая радиоволна - Поперечная радиоволна, поверхности
равных фаз которой представляют собой концентрические сферы
Падающая радиоволна - Радиоволна, встречающая на своем пути
поверхность раздела двух сред или неоднородность в среде
Угол падения радиоволны - Острый угол между направлением
распространения падающей радиоволны и нормалью к поверхности
раздела двух сред в точке падения радиоволны
Угол скольжения радиоволны - Угол между направлением
распространения падающей или отраженной радиоволны и касательной
к поверхности раздела двух сред в точке падения радиоволны
Отраженная радиоволна - Радиоволна, распространяющаяся после
отражения от поверхности раздела двух сред или от неоднородностей
среды
Коэффициент отражения радиоволны - Отношение указанной
составляющей напряженности электрического поля в отраженной
радиоволне к той же самой составляющей в падающей радиоволне
Угол полного отражения радиоволны - Наименьшее значение угла
падения радиоволны, при котором преломленная радиоволна
отсутствует
Коэффициент расхождения радиоволны - Величина, на которую
уменьшается коэффициент отражения при падении радиоволны на
выпуклую поверхность раздела по сравнению с коэффициентом
отражения при падении этой же радиоволны на плоскую поверхность
раздела двух аналогичных сред
Прямая
радиоволна
Радиоволна,
распространяющаяся
непосредственно от источника к месту приема
Земная радиоволна - Радиоволна, распространяющаяся вблизи земной
поверхности и включающая прямую волну, волну, отраженную от земли
и поверхностную радиоволну
Ионосферная радиоволна - Радиоволна, распространяющаяся в
результате отражения от ионосферы или рассеяния в ней
Тропосферная радиоволна - Радиоволна, распространяющаяся между
точками на (или) вблизи земной поверхности по траекториям, лежащим
целиком в тропосфере
Освещенная область - Зона на земной поверхности, окружающая
передающую антенну и лежащая в пределах расстояния прямой
видимости
Область тени - Зона на земной поверхности, окружающая передающую
антенну и лежащая за пределами расстояния прямой видимости
Дифракция радиоволн - Изменение структуры поля радиоволны под
влиянием препятствий, представляющих собой пространственные
неоднородности среды распространения, в частности, приводящие к
сгибанию радиоволной этих препятствий
Рефракция радиоволн - Изменение направления распространения
радиоволн вследствие изменения скорости их распространения при
прохождении через неоднородную среду
Поглощение радиоволн - Уменьшение энергии радиоволны вследствие
частичного перехода ее в тепловую энергию в результате
взаимодействия со средой
Рассеяние радиоволн - Преобразование распространяющихся в одном
направлении радиоволн в радиоволны, распространяющиеся в
различных направлениях
Многолучевое распространение радиоволн - Распространение
радиоволн от передающей к приемной антенне по нескольким
траекториям
Интерференционные замирания радиоволн - Ндп. Фединг Квазиопериодические изменения уровня поля вследствие прихода в
место приема множества радиоволн с меняющимися во времени друг
относительно друга фазами