«Электромагнитные поля и волны»

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА   (составлена проф. Линдвалем В.Р.)

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина "Электромагнитные поля и  волны"  является  базовой для  студентов  радиотехнического  факультета. Предмет изучения - электромагнитные поля и волны, закономерности их возбуждения и  распространения, канализирующие и резонансные системы СВЧ. Задачи изучения дисциплины состоят в уяснении основных явлений физики электромагнитного поля и усвоении понятий и закономерностей электродинамики. В процессе изучения дисциплины на лекционных, практических  и лабораторных занятиях студенты должны выработать умения расчета электромагнитных полей и параметров волн в линиях передачи, полей элементарных излучателей.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Тема 1. Введение (1, с. 3-4).

Предмет и задачи курса. Роль и значение курса для радиоинженера. Учебная литература.

Тема 2. Интегральные и дифференциальные уравнения электродинамики (1, с. 4-15, 20-21).

Вектора электромагнитного поля. Законы Кулона, Гаусса, сохранения заряда, электромагнитной индукции, полного тока. Ток смещения. Материальные уравнения, закон Ома, классификация сред. Система интегральных уравнений Максвелла. Система дифференциальных уравнений Максвелла. Дифференциальные уравнения для комплексных амплитуд. Комплексная диэлектрическая  проницаемость.

Тема 3. Граничные условия для векторов поля (1, с.16-19).

Граничные условия для нормальных и тангенциальных компонент поля. Граничные условия на поверхности идеального проводника.

Тема 4. Энергетические соотношения в электродинамике (1, с.22-24).

Теорема Умова-Пойнтинга. Запасенная энергия, мощность потерь, мощность излучения. Вектор Пойнтинга.

Тема 5. Статические и стационарные поля (1, с.29-36).

Система уравнений электростатики. Уравнения Пуассона и Лапласа. Электростатическое поле точечных зарядов. Метод зеркальных изображений. Ёмкость. Энергия поля. Электрическое поле постоянных токов. Магнитостатика. Магнитное поле постоянных токов. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Тема 6. Плоские волны в однородной изотропной среде (1, с.38-44, 55-62).

Волновые уравнения. Плоские волны в среде без потерь. Характеристическое сопротивление среды.  Длина волны.  Фазовая,  энергетическая и групповая скорость.  Плоская волна в среде с потерями. Поляризация плоских волн, виды поляризации.

Тема 7. Отражение и преломление плоских волн (1, с.62-66).

Уравнение волны, движущейся в произвольном направлении. Отражение и преломление волны при наклонном падении при различных поляризациях. Коэффициенты отражения и преломления. Законы Снеллиуса. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение.

Тема 8. Излучение электромагнитных волн (1, с.45-54).

Векторные и скалярные потенциалы поля. Решение уравнений Гельмгольца для векторных потенциалов. Элементарный электрический излучатель. Поля в ближней, промежуточной и дальней зонах. Мощность излучения, сопротивление излучения, диаграмма направленности. Элементарный магнитный излучатель. Элемент Гюйгенса. Дифракция и рефракция электромагнитных   волн.

Тема 9. Электромагнитные волны в направляющих системах (2, с. 3-10).

Волновые уравнения  для направляемых волн.  Мембранные уравнения. Связь между продольными и  поперечными  компонентами  векторов  поля. Классификация направляемых волн.

Тема 10. Прямоугольный волновод (2, с. 10-12, 13-18).

Решение мембранных уравнений.  Волны Е и Н типов.  Критические  частоты и длины волн.  Картины силовых линий поля.  Основная волна, одномодовый режим работы волновода.

Тема 11. Круглый металлический волновод (2, с. 18-22).

Решение мембранных уравнений.  Волны Е и Н типов.  Критические частоты и длины волн.  Картины силовых линий поля.  Основная волна, выбор размеров волновода.

Тема 12. Коаксиальный волновод, полосковые линии (2, с.22-25).

Волны Т,  Е и Н типов.  Картины полей в волноводе. Поля в симметричной и несимметричной полосковой линиях.

Тема 13. Затухание поля в реальных волноводах (2, с. 25-28).

Вывод уравнений для мощностей, теряемых в металле стенок и диэлектрическом заполнении волновода.  Определение  коэффициента  затухания.

Тема 14. Объемные резонаторы (2, с. 28-34).

Объемный резонатор как колебательная система с распределенными  параметрами. Прямоугольный объемный резонатор.  Поля Е и  Н  типов.  Резонансные частоты.  Картины  поля.  Цилиндрический и коаксиальный  резонаторы. Картины поля. Добротность объемного резонатора.

Тема 15. Линии передачи (3, с.3-11).

Основные параметры линии передачи. Ток и напряжение в линии с Т-волной. Режимы работы линии. Согласование. Трансформация сопротивлений.

Тема 16. Многополюсники СВЧ (3, с.12-24).

Основные определения. Матрица рассеяния. Матрицы сопротивлений и проводимостей. Соотношения между матрицами многополюсника. Взаимные, симметричные и недиссипативные многополюсники. Принцип декомпозиции. Соединение многополюсников.

ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1. Уравнения Максвелла.  2. Статические и стационарные поля.  3. Плоские электромагнитные волны.  4. Отражение и преломление, поляризация плоских волн.  5. Волны в прямоугольном и круглом металлических волноводах.

ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

1. Отражение и преломление электромагнитных волн. 2. Поляризация электромагнитных волн. 3 Поля в металлическом волноводе. 4. Исследование двухполюсника и многополюсника СВЧ.

ТЕМАТИКА ЗАДАНИЙ  КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1.      Расчёт электростатического поля системы зарядов.

2.      Расчёт электростатического поля зарядов, расположенных вблизи металлических тел: плоскости, угла, шара.

3.      Расчёт структуры поля  плоской волны над металлической плоскостью.

4.      Расчёт структуры поля в двухплоскостном, прямоугольном, круглом металлическом волноводах.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.     Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.:Горячая Линия – Телеком, 2004. – 558 с.

2.      Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. Под. ред. В.А. Неганова и С.Б. Раевского — М: Радио и связь, 2005. — 648 с.

3.      Пименов Ю. В., Вольман В. И., Муравцов А. Д. Техническая электродинамика. – М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.

4.      Щербаков Г.И. Электродинамика и распространение радиоволн. Основные законы электродинамики, статические и волновые поля, излучение. Конспект лекций. – Казань, КГТУ, 1993.

5.       Щербаков Г.И., Линдваль В.Р., Скачков В.А. Электродинамика и распространение радиоволн. Поля в волноводах и резонаторах, распространение радиоволн. Конспект лекций.– Казань, КГТУ, 1993.     

6.       Авксентьев А.А., Воробьёв Н.Г., Морозов Г.А. Конструкции устройств СВЧ бортовых радиосистем. Учебное пособие.- Казань, КАИ, 1985.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.  Гольдштейн Л.Д.,  Зернов Н.В.  Электромагнитные поля и волны. -М.: Сов. радио, 1971.

2.  Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1973.

3.  Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение  радиоволн. - М.: Высшая школа, 1974.

4.  Баскаков С.И. Основы электродинамики. - М.: Сов. радио, 1973.

5.  Фёдоров Н.Н.  Основы электродинамики.  - М.:  Высшая  школа,  1980.

6.   Сборник  задач  по курсу "Электродинамика и распространение  радиоволн" /Под ред. С.И.Баскакова. -М.: Высшая школа, 1981.