Техническая электродинамика и антенные системы

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс по выбору (Инфокоммуникационные технологии и системы связи)

Направление: 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 4-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Елизаров Андрей Альбертович, Закирова Эльмира Алексеевна, Нефедов Владимир Николаевич

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 56

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Задачами освоения дисциплины «Техническая электродинамика и антенные системы» является обучение студентов основам технической электродинамики, общей теории распространения электромагнитных волн в направляющих электродинамических системах и антенной технике. Формы контроля знаний студентов: активность на семинарах, защита лабораторных работ, экзамен.

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины «Техническая электродинамика и антенные системы» является приобретение студентом следующих компетенций: • способен учиться, приобретать новые знания, умения, в том числе в области, отличной от профессиональной; • способен выявлять научную сущность проблем в профессиональной области; • способен к поиску, сбору, анализу и систематизации отечественной и зарубежной научно-технической информации по тематике исследований в области ИКТСС на русском и иностранном языке; • способен выбирать и применять стандартные пакеты компьютерного моделирования и оригинальные программы для моделирования процессов и устройств инфокоммуникационной техники и технологий; • способен выполнять экспериментальные исследования объектов профессиональной деятельности в области ИКТСС по заданным методикам и обрабатывать результаты исследований с применением современных информационных технологий и технических средств; • способен анализировать и систематизировать результаты экспериментальных и научных исследований и делать обоснованные выводы при установлении данных для решения задач проектирования технологий и изделий инфокоммуникационной техники.

Планируемые результаты обучения

Знать: место и роль современной технической электродинамики и антенных систем в развитии передовых отраслей науки и техники, современные типы сверхвысокочастотных линий передач.
Уметь: классифицировать типы волн, распространяющихся по передающим линиям.
Владеть: навыками работы с научно-технической информацией.
Знать: особенности структуры электромагнитных полей и волн, распространяющихся в волноводах прямоугольного и круглого сечения.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование электромагнитных полей в волноводах для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров волноводных систем с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: особенности структуры электромагнитных полей и волн, распространяющихся в различных конструкциях замедляющих систем.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование электромагнитных полей в замедляющих системах для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров замедляющих систем с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: особенности структуры электромагнитных полей и волн в основных типах полых резонаторов, методы расчета их характеристик.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование электромагнитных полей в полых резонаторах для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров полых резонаторов с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: метод эквивалентных схем для анализа неоднородностей в волноводах и особенности его применения.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование на основе метода эквивалентных схем для различных технических задач.
Владеть: методами измерений неоднородностей в волноводах с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: методы согласования электродинамических систем с внешними подводящими высокочастотными линиями передач и особенности их применения.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование согласующих высокочастотных устройств для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров согласующих устройств с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: особенности излучения и дифракции электромагнитных волн в различных электродинамических системах.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование дифракционных процессов для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров дифракционных устройств с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: метод Ньютона – Кирхгофа особенности его применения для расчета различных электродинамических систем.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование различных электродинамических систем методом Ньютона – Кирхгофа для технических задач, включая расчет мощности излучения из раскрыва прямоугольного волновода
Владеть: методами измерений мощности в волноводных системах с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: матричные методы анализа и синтеза сложных СВЧ цепей.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование электродинамических систем матричными методами для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров сложных СВЧ цепей с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: элементы волноводной техники и области их применения.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование элементов волноводной техники для различных технических задач.
Владеть: методами измерений параметров элементов волноводной техники с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: особенности передачи информации в диапазоне радиочастот, классификацию радиоволн, основные характеристики и параметры антенн.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров антенн.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров антенн с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: основные характеристики и параметры антенно-фидерных устройств для телекоммуникаций и систем связи.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров антенно-фидерных устройств для телекоммуникаций и систем связи.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров антенно-фидерных устройств с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: основные характеристики и параметры фидеров передающих и приемных антенн.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров фидеров передающих и приемных антенн.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров фидеров передающих и приемных антенн с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: особенности элементарных излучателей и их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров элементарных излучателей.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров элементарных излучателей.
Знать: особенности конструкций линейных вибраторов, их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров линейных вибраторов различных конструкций.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров линейных вибраторов с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: особенности конструкций связанных вибраторов, их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров связанных вибраторов различных конструкций.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров связанных вибраторов с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: технические особенности и конструкции антенн диапазонов НЧ и СЧ, их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров антенн диапазонов НЧ и СЧ различных конструкций.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров антенн НЧ и СЧ с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: технические особенности и конструкции антенн диапазонов ВЧ, их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров антенн диапазонов ВЧ различных конструкций.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров антенн ВЧ с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: технические особенности и конструкции антенн диапазонов ОВЧ и УВЧ, их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров антенн диапазонов ОВЧ и УВЧ различных конструкций.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров антенн ОВЧ и УВЧ с использованием современного метрологического оборудования.
Знать: технические особенности и конструкции антенн диапазонов КВЧ и СВЧ, их основные характеристики и параметры.
Уметь: выполнять аналитические расчеты и компьютерное моделирование основных характеристик и параметров антенн диапазонов КВЧ и СВЧ различных конструкций.
Владеть: методами измерений параметров характеристик и параметров антенн КВЧ и СВЧ с использованием современного метрологического оборудования.

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1.1. Общие вопросы передающих линий. Классификация типов волн, распространяющихся по передающим линиям.
Основные свойства сверхвысокочастотного диапазона длин волн. Области применения. Общие вопросы передающих линий. Свойства дисперсных волн. Фазовая и групповая скорость. Классификация типов волн, распространяющихся по передающим линиям.
Раздел 1.2. Распространение электромагнитных волн в прямоугольном и круглом волноводах.
Распространение электромагнитных волн в прямоугольном и круглом волноводе. Классификация типов волн, распространяющихся в волноводах. Критическая длина волны. Структура поля в прямоугольном волноводе при волнах типа ТЕ и ТМ. Токи в стенках волновода. Критическая длина волны. Структура поля в круглом волноводе при волнах типа ТЕ и ТМ. Токи в стенках круглого волновода. Передача мощности по волноводам. Потери в волноводах. Волноводы сложных поперечных сечений.
Раздел 1.3. Замедляющие системы. Основные конструкции замедляющих систем и методы их расчета.
Общие свойства замедленных волн. Характеристики и параметры замедляющих систем (коэффициент замедления, дисперсионные характеристики, сопротивление связи). Периодические замедляющие системы. Пространственные гармоники. Основные конструкции замедляющих систем (спираль, встречные штыри, гребенка, меандр) и методы их расчета.
Раздел 1.4. Полые резонаторы и методы расчета их характеристик. Основные типы резонаторов и области их применения.
Полые резонаторы и методы расчета их характеристик. Собственная и нагруженная добротности резонатора. Коаксиальные, призматические, цилиндрические и тороидальные типы резонаторов. Типы колебаний в полых резонаторах. Возбуждение резонаторов. Области применения полых резонаторов.
Раздел 1.5. Метод эквивалентных схем для анализа неоднородностей в волноводах.
Неоднородности в волноводах. Метод эквивалентных схем. Характеристическое и эквивалентное сопротивления волновода. Согласование, холостой ход и короткое замыкание волновода. Диафрагмы в волноводе. Резонансные окна. Волноводные разветвления. Области применения волноводных тройников.
Раздел 1.6. Методы согласования электродинамических систем с внешними подводящими высокочастотными линиями передач.
Коэффициент отражения и свойства стоячих волн. Коэффициент стоячей волны. Методы согласования электродинамических систем с внешними подводящими высокочастотными линиями передач. Круговая диаграмма полных сопротивлений и проводимостей. Области применения круговых диафрагм.
Раздел 1.7. Дифракция и излучение электромагнитных волн.
Дифракция и излучение электромагнитных волн. Поле элементарного излучателя – диполь Герца. Диаграммы направленности. Магнитный диполь и его поле излучения. Излучение из прямоугольного волновода. Метод Гюйгенса-Кирхгофа.
Раздел 1.8. Метод Ньютона -Кирхгофа. Метод расчета мощности излучения из раскрыва прямоугольного волновода.
Метод Ньютона - Кирхгофа. Метод Расчета мощности излучения из раскрыва прямоугольного волновода. Диаграмма направленности
Раздел 1.9. Методы анализа сложных СВЧ цепей. Области применения матриц при анализе и синтезе СВЧ цепей.
Методы анализа сложных СВЧ цепей. Волновые матрицы рассеяния, сопротивления, проводимостей и передачи. Примеры матриц рассеяния различных СВЧ цепей, используемых в СВЧ технике. Области применения матриц при анализе и синтезе СВЧ цепей
Раздел 1.10. Элементы волноводной техники и области их применения.
Элементы волноводной техники: аттенюаторы, ферритовые циркуляторы, измерительная линия, направленные ответвители, волноводные мосты, калориметрический измеритель мощности. Области применения элементов волноводной техники.
Раздел 2.1. Обобщенная схема радиосистемы передачи информации. Классификация радиоволн. Основные характеристики и параметры антенн.
Обобщенный алгоритм и структурная схема передачи сообщений. Обобщенная структурная схема радиосистемы передачи. Классификация видов радиочастот и радиоволн. Требования к передающим антеннам и параметры антенн. Характеристика и диаграмма направленности. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности.
Раздел 2.2. Основные характеристики и параметры антенно-фидерных устройств для телекоммуникаций и систем связи.
Основные характеристики и параметры антенно-фидерных устройств для телекоммуникаций и систем связи. Коэффициент направленного действия, КПД, коэффициент усиления, входное сопротивление, виды поляризации излучаемых радиоволн, параметры электромагнитной безопасности, максимально допустимая мощность, рабочая полоса частот.
Раздел 2.3. Фидеры передающих и приемных антенн.
Требования к фидерам и фидерным устройствам передающих и приемных антенн. Согласование фидера с передатчиком. Согласование фидера с приемником.
Раздел 2.4. Элементарные излучатели и их характеристики.
Элементарный электрический излучатель. Элементарные магнитные излучатели. Элементарная щель. Элементарная рамка. Элемент Гюйгенса, структура поля и направленные свойства.
Раздел 2.5. Линейные вибраторы и их характеристики.
Линейный симметричный электрический вибратор, его основные параметры и направленные свойства. Линейный симметричный щелевой вибратор, его основные параметры и направленные свойства.
Раздел 2.6. Связанные линейные вибраторы и их характеристики.
Связанные линейные симметричные электрические вибраторы. Характеристики и диаграммы направленности в Е и Н плоскостях. Полные, собственные и наведенные сопротивления излучения, взаимные сопротивления связанных вибраторов. Расчет входного сопротивления структуры
Раздел 2.7. Технические особенности и конструкции антенн диапазонов НЧ и СЧ.
Особенности распространения радиоволн диапазонов НЧ и СЧ. Требования к диаграммам направленности. Антенны СЧ с улучшенными антифединговыми свойствами. Типовые конструкции антенн и фидеров.
Раздел 2.8. Технические особенности и конструкции антенн диапазона ВЧ.
Особенности распространения радиоволн диапазона ВЧ. Требования к диаграммам направленности. Слабонаправленные антенны. Антенны ВГД, УГД и СГД, формирование их диаграмм направленности. Использование рефлекторов. Реальные конструкции вибраторных антенн. Ромбическая антенна. Антенна бегущей волны. Конструкции фидеров ВЧ антенн.
Раздел 2.9. Технические особенности и конструкции антенн диапазонов ОВЧ и УВЧ.
Особенности распространения радиоволн диапазонов ОВЧ и УВЧ. Основные технические средства связи в диапазонах ОВЧ и УВЧ. Антенные системы сотовой связи. Подключение антенн к приемникам и передатчикам. Секторизация зоны обслуживания. Размещение панельных антенн на объектах связи. Конструкции антенн подвижной связи.
Раздел 2.10. Технические особенности и конструкции антенн диапазонов КВЧ и СВЧ.
Особенности распространения радиоволн диапазонов КВЧ и СВЧ. Основные технические средства связи в диапазонах КВЧ и СВЧ. Радиорелейные системы передачи прямой видимости. Спутниковые системы передачи. Однозеркальная осесимметричная антенна. Примеры реализации зеркальных антенн. Двухзеркальные осесимметричные антенны. Антенные системы Кассегрена и Грегори. Тропосферные радиорелейные системы передачи

Элементы контроля

лабораторная работа 1
лабораторная работа 2
лабораторная работа 3
лабораторная работа 4
экзамен
Преподаватель вправе освободить от прохождения экзамена студентов, с выставлением им во время сессии оценки по промежуточной аттестации, соответствующей накопленной оценке без учёта веса экзамена (то есть сумма весов всех элементов контроля, за исключением экзамена, приравнивается к единице). Преподаватель объявляет свое решение не позднее, чем на последнем занятии до экзамена. Для объявления оценок могут быть использованы официальные каналы передачи информации, используемые в процессе обучения. По желанию студентов, они могут отказаться от выставления оценки без проведения экзамена и сдать его, о чем сообщают преподавателю не позднее последнего занятия. Экзамен проводится в устной форме (опрос по материалам курса). Экзамен проводится на платформе Jitsi https://meet.miem.hse.ru К экзамену необходимо подключиться согласно расписанию. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка Jitsi. Для участия в экзамене студент обязан: поставить на аватар свою фотографию, явиться на экзамен согласно точному расписанию, при ответе включить камеру и микрофон. Во время экзамена студентам запрещено: выключать камеру, пользоваться конспектами и подсказками. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение более одной минуты. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи подразумевает использование усложненных заданий.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.12 * лабораторная работа 1 + 0.12 * лабораторная работа 2 + 0.13 * лабораторная работа 3 + 0.13 * лабораторная работа 4 + 0.5 * экзамен

Программа дисциплины