Электромагнитные поля и волны в современных телекоммуникациях

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: 3-й курс, 3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Закирова Эльмира Алексеевна, Нефедов Владимир Николаевич

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 64

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

на формирование высокой профессиональной культуры разработчика, конструктора, технолога и организатора проектирования и производства (управленца). Дисциплина «Электромагнитные поля и волны в современных телекоммуникациях» используется для выполнения выпускных квалификационных работ и в дальнейшей трудовой, научно-исследовательской деятельности. Настоящая дисциплина относится к циклу профессиональных дисциплин и блоку дисциплин, обеспечивающих подготовку бакалавра. Изучение данной дисциплины базируется на теоретических курсах физики и математики. Основные положения дисциплины «Электромагнитные поля и волны в современных телекоммуникациях» используется в дальнейшем при выполнении проектных работ, междисциплинарных курсовых работ, а также при подготовке выпускных квалификационных работ бакалавра. Целью освоения дисциплины «Электромагнитные поля и волны в современных телекоммуникациях» является обучение студентов основам электродинамики, общей теории распространения электромагнитных волн в различных средах и на границах их раз-дела, общим свойствам распространения электромагнитных волн в направляющих элек-тродинамических системах (волноводных и замедляющих систем). В результате освоения дисциплины студент должен знать место и роль современной электродинамики в развитии передовых отраслей науки и техники, современных телекоммуникациях, а также тенденции и перспективы применения электродинамики и сверхвысокочастотных передающих линий в смежных областях науки и техники, современных телекоммуникациях. Критерии оценки работы на семинарских занятиях: знание материала, умение излагать материал, умение решать задачи, умение дополнять ответы, умение задавать существенные вопросы и формулировать проблему, умение готовить и презентовать доклады, посещаемость. Критерии оценки ответа на экзамене: наличие сданного вовремя домашней работы, знание материала (суть, основные теории, подходы, методы, устройства, технологии), умение выделить существенное, умение логически и

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины «Электромагнитные поля и волны в современных телекоммуникациях» является обучение студентов основам электродинамики, общей теории распространения электромагнитных волн в различных средах и на границах их раз-дела, общим свойствам распространения электромагнитных волн в направляющих электродинамических системах (резонаторных, волноводных и замедляющих систем).
В результате освоения дисциплины «Электромагнитные поля и волны в современных телекоммуникациях» студент приобретает следующие компетенции: • Способен учиться, приобретать новые знания, умения, в том числе в обла-сти, 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 инфо-коммуникационной техники и технологий; • Способен выполнять экспериментальные исследования объектов професси-ональной 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: основные законы электро-динамики в интегральной, дифференциальной и комплексной форме
Уметь: применять основные законы электродинамики для анализа различных полей: электромагнитное поле в поляризованной среде, электростатическое поле, поле в проводящей среде и поле в несовершенных диэлектриках.
Владеть: методами решения уравнений Максвелла с учётом граничных условий для различных типов полей.
Знать: основные законы магнитно-го поля. Векторный и скалярный потенциал магнитного поля. Переменное электромагнитное поле и электродинамические потенциалы.
Уметь:применять основные законы электродинамики к расчёту переменного электромагнитного поля в проводящей среде и идеальном диэлектрике.
Владеть:методами расчёта переменного электромагнитного поля с использованием электродинамических потенциалов.
Знать: особенности структуры электромагнитных полей и волн, распространяющихся в волноводах прямоугольного и кругло-го 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 структ-ры электромагнитных полей и волн, распространяющихся в раз-личных 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 метро-логического 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 метро-логического оборудования.
Знать: методы согласования электродинамических систем с внеш-ними 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: 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 метро-логического 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

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1.Основные законы электромагнитного поля в интегральной, дифференциальной и комплексной формах. Граничные условия для векторов электромагнитного поля на границе раздела двух сред. Электромагнитное поле в поляризующейся среде. Электростатическое поле. Электрическое поле в проводящей среде. Поле в несовершенных диэлектриках.
Основные законы электромагнитного поля в интегральной форме (закон сохранения зарядов, теорема Гаусса, закон магнитной индукции, закон полного тока, закон электромагнитной индукции). Операции второго порядка (дивергенция, ротор, градиент, оператор Набла – пространственного дифференцирования – векторный оператор, таблица операций второго порядка). Законы электромагнитного поля в дифференциальной форме (закон сохранения зарядов, первое уравнение Максвелла – закон полного тока, второе уравнение Максвелла – закон электромагнитной индукции, третье уравнение Максвелла – отсутствие магнитных зарядов, четвертое уравнение Максвелла - теорема Гаусса). Граничные условия векторов электромагнитного поля на границе раздела двух сред. Уравнения электромагнитного поля в комплексной форме. Электромагнитное поле в поляризующейся среде. Вектор поляризации. Уравнение вязкости среды. Вектор электрической индукции. Связь векторов напряженности электрического поля, электрической индукции и вектора поляризации.Электростатическое поле. Потенциальное поле. Потенциал электрического поля. Уравнение Лапласа. Уравнение Пуассона. Поле электрическо-го диполя. Электрическое поле в проводящей среде (закон Ома, закон Джоуля - Ленца, законы Кирхгофа). Граничные условия на разделе двух сред. Энергия и силы в электрическом поле. Аналогия поля в проводящей среде и в диэлектрике. Метод моделирования полей. Поле в несовершенных диэлектриках. Электрические свойства и параметры среды.
Раздел 2. Магнитное поле. Векторный и скалярный потенциалы магнитного поля. Переменное электромагнитное поле. Электродинамические потенциалы. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде. Переменное поле в идеальном диэлектрике. Электромагнитное поле идеального излучателя.
Магнитное поле. Векторный потенциал. Уравнение Пуассона для векторного потенциала Закон Био-Савара-Лапласа. Примеры вычисления вектора магнитной индукции. Связь между векторами магнитной индукции, вектором намагниченности и вектором напряженности магнитного поля. Граничные условия на разделе двух сред. Скалярный потенциал магнитного поля. Уравнение для вычисления скалярного магнитного потенциала. Аналогия магнитного поля и электрического поля в диэлектрике. Собственная и взаимная индуктивность контуров. Энергия магнитного поля. Действующие силы в магнитных полях.Переменное электромагнитное поле. Теорема Умова-Пойинтинга. Комплексные параметры среды. Теорема Умова-Пойинтинга в комплексной форме. Электро-динамические потенциалы. Уравнение Даламбера для вычисления векторного потенциала. Переменное электромагнитное поле в проводящей среде. Переменное поле в идеальном диэлектрике. Электромагнитное поле идеального излучателя.
Раздел 3. 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 лини-ям.
Раздел .4. Распространение электромагнитных волн в прямоугольном и круг-лом 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 сечений.
Раздел 5.Замедляющие системы. Основные конструкции замедляющих си-стем 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 6. 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 резона-торов. Области применения полых резонаторов.
Раздел 7.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 8.Коэффициент отражения и свойства стоячих волн. 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 9. Дифракция и излучение электромагнитных волн. Антенны СВЧ. Технические характеристики антенн.
Дифракция и излучение электромагнитных волн. Поле элементарного излучателя – диполя Герца. Диаграммы направленности. Магнитный диполь и его поле излучения. Антенны СВЧ. Излучение из прямоугольного волновода. Метод Гюйгенса-Кирхгофа. Рупорные антенны. Технические характеристики антенн.
Раздел 10.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 11.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.

Элементы контроля

домашняя работа
аудиторная работа
Лекции проводятся в онлайн-формате.
самостоятельная работа
экзамен
Дистанционный формат экзамена. Экзамен проводится в устной форме (опрос по материалам курса). Экзамен проводится на платформе Jitsi (http://meet.miem.hse.ru/). К началу экзамена необходимо подключиться к аудитории, в которой будет про-ходить экзамен. Преподаватель в начале экзамена высылает на корпора-тивные почты студентов билеты и распределение номеров билетов среди студентов. Предоставляется время на подготовку к экзамену 40 минут. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка Jitsi. Студент обязан при ответе на экзаменационный билет включить ка-меру и микрофон. Во время экзамена студентам запрещено пользоваться конспектами и подсказками. По истечении времени на подготовку, преподаватель вызывает студентов по алфавитному списку. Слушает ответ на билет, задаёт вопросы и выставляет оценку за экзамен по данной дисциплине.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.13 * аудиторная работа + 0.25 * домашняя работа + 0.12 * самостоятельная работа + 0.5 * экзамен

Программа дисциплины