Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Аспирантура 2020/2021

Статус: Курс по выбору

Направление: 11.06.01. Электроника, радиотехника и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

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

Когда читается: 2-й курс, 1 семестр

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Елизаров Андрей Альбертович

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 40

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

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

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.

Планируемые результаты обучения

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

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

Реферат / презентация
Реферат пишется самостоятельно и докладывается с презентацией на практическом занятии. Возможна подготовка реферата и презентации на английском языке.
Экзамен
В ходе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: ОПК-8, ОПК-9, ПК-3, ПК-4, ПК-5, ПК-6
Практические занятия
Самостоятельная работа
Обучающиеся занимаются самостоятельной подготовкой к практическим занятиям и экзамену по заданным темам с использованием материалов лекций и рекомендованной литературы.

Промежуточная аттестация

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

Программа дисциплины