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
«Математические методы в электродинамике»
для направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств» подготовки магистров по программе «Конструирование технических систем микро- и нанотехнологий»
Автор - Нефедов В.Н., д.т.н., профессор, 6034348@mail.ru
Одобрена на заседании кафедры «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» «___»____________ 2012 г.
Зав. кафедрой _________________ С.У. Увайсов
Рекомендована секцией УМС факультета «Электроники и телекоммуникаций» «___»____________ 20 12г.
Председатель __________________
Утверждена УС факультета «Электроники и телекоммуникаций» «___»_____________20 12г.
Ученый секретарь ________________________
Москва, 2012
^
1. Цели и задачи дисциплины:
Курс является дисциплиной по выбору для магистров по направлению 211000.68– “Конструирование и технология электронных средств” по программе обучения “Конструирование технических систем микро – и нанотехнологий”. Основной целью дисциплины ”Математические методы в электродинамике” является обучение студентов основным математическим методам в электродинамике, общей теории распространения электромагнитных волн в различных средах и на границах их раздела, общим свойствам направляемых электромагнитных волн, направляющих систем (резонаторных, волноводных и замедляющих систем). Полученные знания должны составить основу для изучения других дисциплин, в частности, дисциплине “Математические методы в прикладной электродинамике”.
_____________________________________________________________________________
^
Профессиональный цикл. Базовая общепрофессиональная часть.
Основные требования к входным знаниям и компетенциям студента, необходимые для изучения данной дисциплины: математический аппарат электродинамики; волновые уравнения электромагнитного поля; особенности структуры электромагнитных волн, распространяющихся в различных средах и в передающих линиях (волноводах, замедляющих системах).
Основными дисциплинами, для которых данная дисциплина является предшествующей: математические методы в прикладной электродинамике.
^
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
- понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны;
- владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации;
- иметь навыки самостоятельной работы на компьютере и в компьютерных сетях;
- осуществлять компьютерное моделирование электродинамических устройств, систем и процессов с использованием универсальных пакетов прикладных компьютерных программ.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: теорию волновых процессов, дифракции и излучения электромагнитных волн, теорию распространения электромагнитных волн в полых и диэлектрических волноводах, резонаторах, периодических структурах; особенности распространения электромагнитных волн и методы математического моделирования в электродинамике; основы, определение основных характеристик и параметров электродинамических систем, основные конструкции направленных передающих линий СВЧ диапазона длин волн.
_____________________________________________________________________
Уметь: самостоятельно работать на компьютере, проводить расчеты по моделированию и проектированию электродинамических систем, уметь проводить экспериментальные испытания.
Владеть: навыками инструментальных исследований и измерений при проектировании и конструировании основных элементов электродинамических устройств СВЧ диапазона; навыками использования специализированных программ по расчету и моделированию электродинамических систем.
^
Вид учебной работы
|
Всего часов / зачетных единиц
|
Семестры
|
2
|
^
|
70
|
70
|
В том числе:
|
-
|
-
|
Лекции
|
20
|
20
|
Практические занятия (ПЗ)
|
50
|
50
|
Семинары (С)
|
-
|
-
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
-
|
-
|
^
|
74
|
74
|
В том числе:
|
|
|
Курсовой проект (работа)
|
|
|
Расчетно-графические работы
|
|
|
Реферат
|
|
|
^
|
|
|
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
экзамен
|
экзамен
|
Общая трудоемкость часы
Зачетные единицы
|
144
|
144
|
|
|
(Виды учебной работы указываются в соответствии)
^
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Содержание раздела
|
1
|
Математический аппарат электродинамики. Уравнения Максвелла. Распространение электромагнитных волн в различных средах.
|
Вихревые и потенциальные поля. Теорема Стокса. Некоторые сведения из теории дифференциальных и интегральных уравнений. Электрическое поле в диэлектрике. Магнитное поле в магнитодиэлектрике. Уравнения Максвелла. Следствия из уравнений Максвелла (уравнение непрерывности, закон Ома в дифференциальной форме). Уравнения Максвелла как система. Граничные условия и закон сохранения энергии электромагнитного поля. Статическое, стационарное, квазистационарное, переменное поля. Плоские волны в однородной изотропной среде. Волны в поглощающей среде. Поляризация волн. Волновые явления на границе раздела двух сред. Общая теория направленных электромагнитных волн.
|
2
|
Общая теория направленных электромагнитных волн. Волноводы и замедляющие системы.
|
Общая теория направленных электромагнитных волн. Электромагнитные волны в прямоугольном волноводе. Электромагнитные волны в круглом волноводе. Волноводы сложных сечений. Передача мощности по волноводам. Потери в волноводах. СВЧ пробой. Решение волнового уравнения для волноводов и для замедляющих систем. Периодические замедляющие системы. Пространственные гармоники. Основные конструкции замедляющих систем и их свойства. Сопротивление связи замедляющих систем и методы его определения. Объемные резонаторы и их характеристики. Собственная и нагруженная добротности резонатора. Коэффициент отражения и коэффициент стоячей волны по напряжению. Области применения волноводов, замедляющих систем и резонаторов.
|
3
|
Объемные резонаторы. Электродинамика микроволновых направляющих и колебательных систем.
|
Объемные резонаторы и их характеристики. Собственная и нагруженная добротности резонатора. Коэффициент отражения и коэффициент стоячей волны по напряжению. Области применения волноводов, замедляющих систем и резонаторов.
|
4
|
Методы согласования электродинамических систем с внешними линиями.
Методы анализа сложных СВЧ цепей. Волновые матрицы рассеяния.
|
Методы согласования замедляющих систем и волноводных систем с внешними подводящими высокочастотными линиями. Неконтактные переходы с волноводной и коаксиальной линий на замедляющую систему спирального типа. Переход с коаксиальной линии на спираль при помощи связанной спирали. Связь замедляющей системы типа встречных штырей с коаксиальной линией. Связь замедляющей системы типа круглого диафрагмированного волновода со стандартным волноводом прямоугольного сечения. Плавные переходы от замедляющих систем типа встречных штырей и гребенки к волноводу прямоугольного сечения.
Применение матриц при анализе и синтезе СВЧ цепей. Матрица рассеяния неоднородностей линии передач СВЧ. Примеры матриц рассеяния различных СВЧ цепей, используемых в СВЧ технике. Области применения.
|
(Содержание указывается в дидактических единицах. По усмотрению разработчиков материал может излагаться не в форме таблицы)
^
(последующими) дисциплинами
№ п/п
|
Наименование обеспе-чиваемых (последую-щих) дисциплин
|
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
…
|
1.
|
Математические методы в прикладной электродинамике
|
1-3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^
1 курс, 2-й семестр
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Лекц.
ч.
|
Практ.
зан.
ч.
|
1
|
Математический аппарат электродинамики. Уравнения Максвелла. Распространение электромагнитных волн в различных средах.
|
6
|
16
|
2
|
Общая теория направленных электромагнитных волн. Волноводы и замедляющие системы
|
6
|
16
|
3
|
Объемные резонаторы. Электродинамика микроволновых направляющих и колебательных систем.
|
4
|
8
|
4
|
Методы согласования электродинамических систем с внешними линиями. Методы анализа сложных СВЧ цепей. Волновые матрицы рассеяния
|
4
|
12
|
Практические занятия:
2 семестр (1-й курс)
№ раздела
дисциплины
|
Содержание практических занятий
|
1
|
Математический аппарат электродинамики. Вихревые и потенциальные поля. Теорема Стокса. (4 часа)
|
1
|
Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Параметры среды. Граничные условия на разделе двух сред (4 часа)
|
1
|
Электрическое поле в диэлектрике. Магнитное поле в магнитодиэлектрике.
Переменной электромагнитное поле. Векторный и скалярный потенциал.
(4 часа)
|
1
|
Поле в несовершенных диэлектриках. Электрические свойства и параметры среды. Теорема Умова- Поинтинга в комплексной форме. Переменное поле в идеальном диэлектрике. Электромагнитное поле элементарного излучателя. (4 часа)
|
2
|
Волноводы прямоугольного сечения Уравнения составляющих поля в прямоугольном волноводе при волнах типа ТЕ и ТМ. Структура поля в прямоугольном волноводе при волнах типа ТЕ и ТМ. Токи в стенках прямоугольного волновода. Критическая длина волны (4 часа)
|
2
|
Передача энергии по волноводам. Электрическая прочность волновода. Потери в волноводах. (4 часа)
|
2
|
Замедляющие системы. Общие свойства замедленных волн. Характеристики и параметры замедляющих систем. Периодические замедляющие системы. Пространственные гармоники. Примеры конструкций замедляющих систем и их свойства. (4 часа)
|
3
|
Полые резонаторы и методы их анализа. Собственная и нагруженная добротность. Основные типы и применение полых резонаторов. (4 часа)
|
3
|
Теория многовидового режима. Выбор оптимальных размеров и способа возбуждения прямоугольных резонаторов (4 часа)
|
4
|
Методы согласования замедляющих и волноводных систем с внешними подводящими высокочастотными линиями. (4 часа)
|
4
|
Неконтактные переходы с волноводной и коаксиальной линий на замедляющую систему спирального типа. Переход с коаксиальной линии на спираль при помощи связанной спирали. Связь замедляющей системы типа встречных штырей с коаксиальной линией. Связь замедляющей системы типа круглого диафрагмированного волновода со стандартным волноводом прямоугольного сечения. Плавные переходы от замедляющих систем типа встречных штырей и гребенки к волноводу прямоугольного сечения. (4 часа)
|
4
|
Применение матриц при анализе и синтезе СВЧ цепей. Матрица рассеяния неоднородностей линии передач СВЧ. Примеры матриц рассеяния различных СВЧ цепей, используемых в СВЧ технике. Области применения. (4 часа)
|
^
2 семестр (1-й курс).
Излучение и дифракция. [1-4, 8, 9] – 10 ч.
2. Неоднородности в волноводах - [1, 9] – 20 ч.
3. Полосковые линии передач и методы их расчета. Программы расчета полосковых линий передач [15] – 24 ч.
4. Ферритовые и сверхпроводящие микроволновые устройства. [1, 8, 9] – 10 ч.
5. Компьютерное моделирование и проектирование микроволновых устройств. [1, 4, 8, 9] – 10 ч.
^
8.1. Рекомендуемая литература.
а) Основная литература:
Григорьев А.Д. “Электродинамика и микроволновая техника”. Изд. “Лань”, 2007 г.
Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2003.
Гридин В.Н., Нефедов Е.И., Черникова Т.Ю. Электродинамика структур крайне высоких частот. М. 2003.
Филиппов В.С. Введение в классическую электродинамику. М.: Сайнс пресс. 2002.
Кугушев А.М., Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиоэлектроники. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2001.
Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 2003.
Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Современная электродинамика. Ч.1. Микроскопическая теория. М. 2003.
Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Сборник задач по электродинамике. М. 2002.
Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Радио и связь, 1989.
Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение электромагнитных волн. М.: Наука, 1989.
Силин Р.А. Периодические волноводы. М.: Фазис, 2002.
Кузаев Г.А, Назаров И.В. Электродинамика и техника сверхбыстрой обработки сигналов. Часть 1. Электромагнетизм: Учебное пособие / МГИЭМ, М., 2001.
Кузаев Г.А, Назаров И.В. Электродинамика и техника сверхбыстрой обработки сигналов. Часть 2. Микроволновая техника: Учебное пособие / МГИЭМ, М., 2001.
Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Николаев Д.П., Подковырин С.И. Методические указания к курсовым проектам и работам по дисциплинам: "Электродинамика и техника СВЧ", "Функциональная микроволновая электроника", "Полупроводниковая микроволновая электроника". М.: МГИЭМ, 1996.
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.
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.
б) Дополнительная литература:
Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Назаров И.В. Линии передачи. Методические указания к курсовым работам по курсу "Электродинамика и техника СВЧ и твердотельные приборы и устройства". М.: МГИЭМ, 1996.
Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Назаров И.В. Неоднородности СВЧ. Методические указания к курсовым работам по курсу "Электродинамика и техника СВЧ. Твердотельные приборы и устройства". М.: МГИЭМ, 1996.
Уваров И.А., Кузаев Г.А. Методические указания к семинарским занятиям по курсу "Электродинамика и техника СВЧ". М.: МГИЭМ, 1994.
_______________________________________________________________________
в) программное обеспечение _CST Microwave Studio Suite, Ansoft HFSS_______________
____________________________________________________________________________
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы___________________
____________________________________________________________________________
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Дисплейный класс. Лаборатории, оснащенные необходимым оборудованием.
_____________________________________________________________________________ |
