• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Аспирантура 2019/2020

Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Статус: Курс по выбору
Направление: 11.06.01. Электроника, радиотехника и системы связи
Когда читается: 2-й курс, 1 семестр
Формат изучения: Full time
Язык: русский
Кредиты: 4

Программа дисциплины

Аннотация

Дисциплина "Антенны, СВЧ устройства и их технологии" направлена на обучение аспирантов общей теории антенн и СВЧ устройств, принципам, теоремам и основным уравнениям для решения внутренних и внешних задач электродинамики, физическим особенностям распространения и излучения электромагнитных волн, теории и конструктивным элементам линий передач и направляющим системам СВЧ диапазона, резонаторам и фильтрам СВЧ, твердотельным, полупроводниковым и электровакуумным СВЧ приборам, проектированию и оптимизации антенн и СВЧ устройств с использованием современных компьютерных технологий. Особое внимание уделяется изучению методов моделирования, а также применению средств вычислительной техники для анализа и синтеза при исследовании и разработке конкретных антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи, работающих на различных физических принципах.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целью освоения дисциплины является подготовка к сдаче и сдача кандидатского экзамена по специальности в соответствии с научной специальностью подготавливаемой научно-квалификационной работы (диссертации). Задачами освоения дисциплины являются обучение аспирантов вопросам общей теории антенн и СВЧ устройств, принципам, теоремам и основным уравнениям для решения внутренних и внешних задач электродинамики, физическим особенностям распространения и излучения электромагнитных волн, теории и конструктивным элементам линий передач и направляющим системам СВЧ диапазона, резонаторам и фильтрам СВЧ, твердотельным, полупроводниковым и электровакуумным СВЧ приборам, проектированию и оптимизации антенн и СВЧ устройств с использованием современных компьютерных технологий.
Результаты освоения дисциплины

Результаты освоения дисциплины

  • Знать: перспективные методы исследования антенн и СВЧ устройств и их применение в научно-исследовательской деятельности
  • Знать: современные образовательные технологии, методы и средства обучения с целью обеспечения планируемого уровня профессионального развития обучающегося
  • Знать: методы моделирования антенн и СВЧ устройств для разработки и эксплуатации электронных и радиотехнических систем и систем связи
  • Знать: перспективы развития антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи, а также передовые технологии в развитии этих систем в научно-исследовательских работах
  • Знать: методы создания теоретических и математических моделей антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи
  • Знать: методы математической обработки результатов экспериментальных исследований
  • Знать: методы анализа и синтеза при исследовании и разработке конкретных антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических устройств и систем связи, работающих на различных физических принципах.
  • Уметь: выполнять теоретические и экспериментальные исследования антенн и СВЧ устройств с использованием современных программных комплексов
  • Уметь: организовывать работу исследовательского коллектива в профессиональной деятельности
  • Уметь: планировать, осуществлять и оценивать учебно-воспитательный процесс в образовательных организациях высшего образования, разрабатывать комплексное методическое обеспечение преподаваемых учебных дисциплин (модулей); использовать результаты научно-исследовательской деятельности в производстве и учебном процессе
  • Уметь: формулировать перспективные задачи исследования на основе прогнозов направления развития антенн, СВЧ устройств и их технологий для электронных и радиотехнических систем и систем связи
  • Уметь: использовать передовые отечественные и зарубежные достижения в области электроники, радиотехники и систем связи при проведении научных исследований и разработки перспективных систем и устройств на их основе
  • Уметь: проводить теоретический анализ электромагнитной совместимости антенн и СВЧ устройств для радиоэлектронной аппаратуры и систем связи с окружающей электромагнитной средой
  • Владеть: современными методами математического моделирования конкретных антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических устройств и систем связи, работающих на различных физических принципах
  • Владеть: методологией теоретических и экспериментальных исследований антенн и СВЧ устройств для радиотехнических и телекоммуникационных систем, устройств и компонентов
  • Владеть: информационно-коммуникационными технологиями при проведении научных исследований в области электроники, радиотехнических систем, устройств и их элементов, радиоматериалов и компонентов
  • Владеть: методами выбора экспериментально-измерительной базы при проведении научных исследований и проектных работ при создании антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи
  • Владеть: методами электродинамического анализа и синтеза перспективных антенн и СВЧ устройств
  • Владеть: технологией внедрения результатов научно-исследовательской и проектной деятельности в производство на предприятиях соответствующего профиля и в учебный процесс
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Тема 1. Основные принципы, задачи и уравнения электродинамики
    Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной форме. Уравнения Максвелла для нестационарных и монохроматических полей. Уравнение непрерывности. Перестановочная инвариантность уравнений Максвелла. Классификация сред. Стационарные электромагнитные поля. Электро- и магнитостатика. Волновые уравнения и уравнения Гельмгольца. Граничные условия. Энергия электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойнтинга. Векторные и скалярные потенциалы электромагнитного поля. Внутренние и внешние задачи электродинамики. Теорема единственности. Теорема взаимности. Теорема эквивалентности. Принцип двойственности. Метод эквивалентных электрических и магнитных токов поляризации. Принцип электродинамического подобия.
  • Тема 2. Распространение и излучение электромагнитных волн. Антенны и излучатели
    Плоские электромагнитные волны в однородной изотропной среде и в изотропной среде с потерями. Поляризация электромагнитных волн. Электромагнитные процессы на границе раздела сред. Преломление волн на границе с гиротропной средой. Поле источника, расположенного на Земле (задача Зоммерфельда). Формула Шулейкина-Ван-Дер-Поля. Поле источника, поднятого над Землей. Интерференционные формулы. Квадратичная формула Введенского. Критерий Рэлея для гладкой поверхности. Основные методы расчета поля на пересеченной местности. Основные задачи теории антенн. Излучение элементарного электрического и магнитного вибраторов, элементарного щелевого вибратора, источника Гюйгенса. Особенности распространения радиоволн и конструкций антенн сантиметрового, миллиметрового и оптического диапазонов.
  • Тема 3. Направляющие системы. Волноводы
    Общий метод исследования собственных волн регулярных линий передачи. Характеристики волн в линиях передачи. Особенности некоторых направляемых волн. Прямоугольные волноводы. Круглые волноводы. Диэлектрические волноводы. Световоды. Коаксиальные линии. Полосковые и микрополосковые волноводы.
  • Тема 4. Резонаторы и фильтры СВЧ
    Резонаторы с одним элементом связи. Явление резонанса. Резонаторы бегущей волны. Эквивалентные схемы резонатора с одним элементом связи. Добротность резонаторов. Волноводные, коаксиальные и полосковые резонаторы. Квазистационарные резонаторы. Открытые и квазиоптические резонаторы. Прототипы фильтров с оптимальными частотными характеристиками. Замены частотной переменной при расчетах фильтров. Применение отрезков линий передачи в фильтрах СВЧ. Фильтры СВЧ с четвертьволновыми связями на диэлектрических резонаторах.
  • Тема 5. Конструктивные элементы линий передач и трактов СВЧ
    Соединение линий передач СВЧ. Изгибы и скрутки линий передач. Переходы между линиями передачи. СВЧ нагрузки. Делители мощности. Управляющие устройства СВЧ. Использование ферритов в СВЧ устройствах. Согласование антенн с передающими и приемными устройствами. Устройства согласования.
  • Тема 6. Численные методы электродинамики
    Формулировка задач и этапы их решения. Классы внутренних задач электродинамики и их математическая формулировка. Программы численного решения внутренних задач электродинамики.
  • Тема 7. Теория электронных приборов и активных СВЧ устройств
    Физические процессы в электронных приборах СВЧ. Особенности усиления, генерации и преобразования сигналов. Наведенные и конвекционные заряды и токи. Теорема Шокли-Рамо и ее следствия. Влияние пространственного заряда. Электровакуумные, полупроводниковые и твердотельные приборы СВЧ.
  • Тема 8. Матричное описание СВЧ устройств
    Основные матрицы для описания СВЧ устройств. Принцип взаимности СВЧ устройств. Анализ устройств СВЧ методом декомпозиции и проекционным методом.
  • Тема 9. Электровакуумные приборы СВЧ
    Физические особенности работы и конструктивное исполнение электровакуумных приборов СВЧ. СВЧ триоды и лучевые тетроды. Принципы статического и динамического управления электронным потоком. Электронные пушки. Пролетные и отражательные клистроны. Магнетронные генераторы. Усилители и генераторы на лампах бегущей (ЛБВ) и обратной волны (ЛОВ). Основы дифракционной электроники, оротрон. Приборы гиротронного типа, пениотрон. Параметрическое усиление. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Основы вакуумной микроэлектроники. Терагерцовые приборы и технологии.
  • Тема 10. Замедляющие системы и метаматериалы
    Физические особенности и распространение волн в замедляющих системах. Соотношения между фазовой и групповой скоростями. Теорема Флоке. Волны электрического и магнитного типа, соотношения между составляющими поля волны. Параметры замедляющих систем и распределение поля. Методы измерения дисперсионных характеристик и сопротивления связи. Электродинамический метод расчета замедляющих систем. Выражения для проводимостей электрического и магнитного типа. Метод многопроводных линий и его развитие. Понятие волновой проводимости. Метод эквивалентных линий. Представление периодической замедляющей системы в виде цепочки четырехполюсников. Замена замедляющей системы однородной эквивалентной линией. Поперечная разность потенциалов и токи в проводниках эквивалентной линии. Выражения для параметров эквивалентной линии. Волновое сопротивление эквивалентной линии. Традиционное и нетрадиционное применение замедляющих систем и метаматериалов.
  • Тема 11. Твердотельные и полупроводниковые приборы СВЧ
    Физические особенности работы и конструктивное исполнение твердотельных и полупроводниковых приборов СВЧ. Электронные процессы в полупроводниках. Понятие отрицательной электронной проводимости. Устройство и эквивалентная схема СВЧ диода. Детекторные и смесительные диоды. Диоды с управляемой емкостью, умножительные диоды и варикапы. Туннельные диоды. Переключательные диоды. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Диоды Ганна. Конструкции и параметры усилителей и генераторов на полупроводниковых и твердотельных приборах СВЧ. Биполярные и полевые СВЧ транзисторы. Эквивалентные схемы и частотные характеристики. СВЧ устройства на транзисторах.
  • Тема 12. Компьютерное моделирование и оптимизация СВЧ приборов и устройств на основе современных компьютерных технологий
    Теоретические основы работы программы AWR Design Environment (Microwave Office). Формулировка электромагнитной задачи. Описание моделируемой структуры. Разбиение форм на ячейки. Формулировка и алгоритм метода моментов. Формирование матрицы моментов и ее численное решение. Теоретические основы работы программы HFSS. Дискретизация пространства. Вариационная формулировка метод конечных элементов. Базисные функции и интерполяционные формулы. Вывод и решение СЛАУ. Теоретические основы работы программы CST Microwave Studio. Метод конечного интегрирования и метод конечных разностей во временной области. Параметризация модели и ее оптимизация при проектировании трехмерных СВЧ устройств. Моделирование большеразмерных объектов методом интегральных уравнений. Визуализация и экспорт результатов анализа.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Реферат / презентация
    Реферат пишется самостоятельно и докладывается с презентацией на практическом занятии. Возможна подготовка реферата и презентации на английском языке.
  • неблокирующий Экзамен
    Устный экзамен проводится с использованием экзаменационных билетов, содержащих по два вопроса из программы. Экзамен проводится в аудитории, на написание ответов на вопросы и подготовку к устному изложению содержания билета аспиранту отводится 40 минут. При выставлении оценки за экзамен учитывается полнота и содержательность ответов на вопросы экзаменационного билета и дополнительные вопросы, заданные экзаменатором.
  • неблокирующий Практические занятия
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (I семестр)
    0.25 * Практические занятия + 0.25 * Реферат / презентация + 0.5 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • - Григорьев А.Д. — Электродинамика и микроволновая техника: учебник - Издательство "Лань" - 2007 - ISBN: 978-5-8114-0706-4 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/118
  • - Григорьев А.Д., Иванов В.А., Молоковский С.И. — Микроволновая электроника - Издательство "Лань" - 2016 - ISBN: 978-5-8114-1967-8 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/74674
  • Техника и приборы СВЧ. Т.1: Техника сверхвысоких частот, Лебедев И. В., 1970

Рекомендуемая дополнительная литература

  • - Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. — Электронные приборы. - Издательство "ДМК Пресс" - 2006 - ISBN: 5-89818-048-6 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/824
  • Иовдальский, В. А. Гибридные интегральные схемы СВЧ-диапазона : учеб. пособие / В.А. Иовдальский ; под ред. А.А. Борисова. — Москва : КУРС, 2018.- 144 с. - ISBN 978-5-906923-93-6. - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/1017371
  • Иовдальский, В. А. Конструкция и технология микрополосковых плат ГИС СВЧ-диапазона : учеб. пособие / В.А. Иовдальский ; под ред. А.А. Борисова. - Москва : КУРС, 2018. - 176 с. - ISBN 978-5-906923-92-9. - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/1017372
  • Иовдальский, В.А. Размещение элементов и компонентов ГИС СВЧ-диапазона в подложке МПП : учеб. пособие / В.А. Иовдальский ; под ред. АА. Борисова. — Москва : КУРС, 2018. — 192 с. - ISBN 978-5-907064-07-2. - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/1017375
  • Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.1: ., Трубецков Д. И., Храмов А. Е., 2003
  • Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2: ., Трубецков Д. И., Храмов А. Е., 2004
  • Малышев В. М., Никитин А. Б.-УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ГЕНЕРИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-УСТРОЙСТВ. Учебное пособие для вузов-М.:Издательство Юрайт,2019-82-Университеты России-978-5-534-03773-9: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/ustroystva-formirovaniya-i-generirovaniya-signalov-avtomatizirovannoe-modelirovanie-svch-ustroystv-438279
  • Метаматериалы и структурно организованные среды для оптоэлектроники, СВЧ-техники и нанофотоники: Монография / Архипкин В.Г., Шабанов В.Ф., Зырянов В.Я. - Новосиб.:СО РАН, 2013. - 368 с. ISBN 978-5-7692-1310-6
  • Мительман Ю. Е., Абдуллин Р. Р., Сычугов С. Г., Шабунин С. Н. ; Под общ. ред. Мительмана Ю.Е.-АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА (СВЧ): РАСЧЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК. Учебное пособие для вузов-М.:Издательство Юрайт,2019-138-Университеты России-978-5-534-08002-5: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/antenny-i-ustroystva-svch-raschet-i-izmerenie-harakteristik-438606
  • Основы компьютерного проектирования РЭС САПР СВЧ: Учебное пособие / Кисель Н.Н. - Таганрог:Южный федеральный университет, 2016. - 196 с.: ISBN 978-5-9275-2207-1 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/996761
  • Основы радиоэлектроники : электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов, Кугушев А. М., Голубева Н. С., 2001
  • Устройства СВЧ и антенны [Электронный ресурс] : учебник / А. А. Филонов, А. Н. Фомин, Д. Д. Дмитриев [и др.] ; ред. А. А. Филонов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 492 с. - ISBN 978-5-7638-3107-8 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=505864
  • Широкополостные управляемые СВЧ устройства высокого уровня мощности/РазинкинВ.П., ХрусталевВ.А., МатвеевС.Ю. - Новосиб.: НГТУ, 2014. - 316 с.: ISBN 978-5-7782-2326-4
  • Электродинамика и распространение радиоволн : учебник для вузов, Петров Б. М., 2007
  • Электронные приборы и устройства : учебник / Ф.А. Ткаченко. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2017. — 682 с. : ил. — (Высшее образование). - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/636283