Линии передачи и резонаторы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра электродинамики
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины Б3.Р9 «Линии передачи и резонаторы»
по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины.
Содержание дисциплины направлено на изучение физических принципов построения
волноведущих и антенных устройств и базируется на знаниях студентов, приобретенных в
курсах математики, дифференциальных уравнений, методов решения уравнений в частных
производных и физики и курса электродинамики.
Целями курса являются:
 развитие и углубление знаний студентов в области основ теории электромагнитного поля,
 формирование у них современного представления о физических принципах, положенных в
основу работы СВЧ устройств, применяемых при создании аппаратуры связи и локации,
 формирование у студентов навыков анализа технических электродинамических устройств,
используемых в информационных системах.
2. Место дисциплины в структуре программы бакалавра
Дисциплина «Линии передачи и резонаторы» относится к дисциплинам вариативной части
профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 010300
«Фундаментальная информатика и информационные технологии», преподается в 6 семестре.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
 способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования
физических явлений, их теоретического и экспериментального исследования (ОК–10);
 способность понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности
современный математический аппарат, фундаментальные концепции и системные методологии
(ПК–4);
 способность в составе научно-исследовательского и производственного коллектива решать
задачи профессиональной деятельности (ПК-5);
 понимание концепций и абстракций, способность использовать на практике базовые
математические, естественнонаучные и профессиональные дисциплины (ПК–15);
 способность к разработке алгоритмических и программных решений при работе с
физическими объектами, способность прикладного программирования; умение разрабатывать
математические, информационные и имитационные модели по тематике выполняемых
исследовательских и опытно-конструкторских работ и проектов (ПК–28);
 знание способов передачи и приёма информации (ПК-2, ПК-29).
В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать:
 основы электродинамической теории линий передачи и резонаторов;
 теорию длинных линий;
 теорию возбуждения волноводов и резонаторов заданными источниками;
 элементы теории антенн;
уметь:
 использовать базовые элементы СВЧ устройств для решения поставленных задач;
 пользоваться измерительной аппаратурой для контроля параметров линий передачи и
антенн;
 пользоваться
современной
научно-технической
информацией
по
прикладной
электродинамике;
иметь навыки:
 применения теории при рассмотрении линий передачи и антенн конкретного вида;
 работы с элементами СВЧ трактов и измерительной аппаратурой.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Виды учебной работы
Всего часов
Семестры
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
72
32
32
–
–
–
–
40
–
–
–
–
зачет
6
32
32
–
–
–
–
40
–
–
–
–
зачет
5. Содержание дисциплины.
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий.
№ п/п
1.
2.
3.
4.
Раздел дисциплины
Введение
Поля в линиях передачи и объемных
резонаторах.
Антенны.
Возбуждение волноводов и резонаторов
заданными источниками.
Лекции
0,5
ПЗ (или С)
ЛР
10,5
7
14
5.2. Содержание разделов дисциплины.
Раздел 1. Введение.
Предмет курса. Краткий исторический обзор становления прикладной электродинамики.
Логическая структура курса, главные разделы.
Раздел 2. Поля в линиях передачи и объемных резонаторах.
2.1. Волноводы.
Общие свойства электромагнитного поля в линиях передачи. Представление поперечных
компонент полей через продольные. E, H, TEM волны. Двумерное уравнение Гельмгольца.
Поперечное и продольное волновые числа. Граничные условия для продольных компонент
полей, собственные функции и собственные значения для волновода с идеально проводящими
стенками и однородным заполнением. Дисперсионное соотношение. Критическая частота.
Распространяющиеся и нераспространяющиеся волны. Длина волны в волноводе, фазовая и
групповая скорости. Характеристический импеданс. Мощность, переносимая волной. Линии
передачи конкретного вида: прямоугольный волновод, круглый волновод, коаксиальная линия.
Критические частоты и структуры полей низших типов волн. Построение картин силовых
линий. Токи в стенках волновода.
2.2. Замедляющие системы.
Медленные волны. Однопроводная линия (металлический цилиндр в диэлектрической
оболочке). Плоский диэлектрический волновод. Распространение волн в периодических
структурах.
2.3. Длинные линии.
Телеграфные уравнения. Электродинамический вывод телеграфных уравнений. Понятие
напряжения для длинных линий. Расчет параметров длинных линий. Волновое сопротивление
линии. Формула пересчета импедансов. Условие согласования нагрузки с линией. Пределы
применимости телеграфных уравнений.
2.4. Затухание волн в линиях передачи.
Потери энергии в среде, заполняющей волновод. Потери энергии в стенках волновода.
Граничные условия Леонтовича. Вывод коэффициента затухания в рамках энергетического
метода.
2.5. Электромагнитные колебания объемных резонаторов.
Резонаторы, образуемые отрезками линий передачи. Спектр собственных частот резонатора.
Затухание колебаний в резонаторах. Добротность колебаний.
Раздел 3. Антенны.
3.1. Электродинамические основы теории антенн.
Лемма Лоренца, теорема взаимности, теорема эквивалентности, принцип Гюйгенса-Френеля.
3.2. Элементы теории антенн.
Назначение и классификация антенн. Параметры антенн. Вибраторные и щелевые антенны:
электрический и магнитный вибратор. Основы методов эквивалентных схем и тонкой антенны.
Численные методы анализа вибраторных антенн. Антенны бегущей волны. Апертурные
антенны: рупорная антенна, зеркальная антенна.
Раздел 4. Возбуждение волноводов и резонаторов заданными источниками.
4.1. Возбуждение волноводов.
Ортогональность собственных волн волновода. Коэффициенты возбуждения. Примеры
нахождения полей, возбуждаемых заданными источниками.
4.2. Возбуждение резонаторов.
Ортогональность собственных колебаний. Коэффициенты возбуждения. Примеры нахождения
полей, возбуждаемых заданными источниками.
6. Лабораторный практикум.
№
п/п
1
2
3
4
№ раздела
дисциплины
1
1
2
3
Наименование лабораторной работы
Измерение импедансов.
Шестиполюсники.
Рупорная антенна.
Замедляющие системы.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Рекомендуемая литература
а) основная литература:
1. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.:
Наука, 1989, 554 с.
2. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988, 440 с.
3. Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Советское радио, 1973, 248 с..
4. Каценеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. М.: Наука, 1966, 240 с.
б) дополнительная литература:
1. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн.
М.: Советское радио, 1979.
2. Марков Г.Т. Антенны. М.: Советское радио, 1975.
3. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики. М.:
Советское радио, 1970.
4. Гильденбург В.Б., Миллер М.А. Сборник задач по электродинамики. М.: Физматлит, 2001,
168 с.
8. Вопросы для контроля
1. Представление поперечных компонент полей через продольные.
2. E, H, TEM волны.
3. Двумерное уравнение Гельмгольца. Поперечное и продольное волновые числа.
4. Граничные условия для продольных компонент полей.
5. Собственные функции и собственные значения для волновода с идеально проводящими
стенками и однородным заполнением.
6. Дисперсионное соотношение.
7. Критическая частота. Распространяющиеся и нераспространяющиеся волны.
8. Длина волны в волноводе.
9. Фазовая и групповая скорости.
10. Характеристический импеданс.
11. Мощность, переносимая волной.
12. Структура поля низшей моды прямоугольный волновода.
13. Структура поля главной волны коаксиальной линии.
14. Телеграфные уравнения.
15. Волновое сопротивление линии.
16. Формула пересчета импедансов. Условие согласования нагрузки с линией.
17. Коэффициент затухания волны в волноводе.
18. Спектр собственных частот резонатора.
19. Добротность резонатора
20. Лемма Лоренца,
21. Теорема взаимности,
22. Коэффициенты возбуждения мод волновода.
23. Коэффициенты возбуждения мод резонатора.
9. Критерии оценок
Зачтено
Не зачтено
В целом хорошая подготовка с незначительными ошибками
Необходима дополнительная подготовка для успешной сдачи зачета
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Не предусмотрена.
Программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным
стандартом
высшего
профессионального
образования
по
направлению
010300
«Фундаментальная информатика и информационные технологии»
Авторы программы ___________ Умнов А.Л.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 4 апреля 2011_г. протокол № _25_
Заведующий кафедрой ___________________ Кудрин А.В.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии_________________ Мануилов В.Н.