Министерство образования и науки Российской федерации

Томский государственный университет систем

управления и радиоэлектроники

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой

радиотехники

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по УР

Л.А. Боков «»2010 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по курсу

« ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН»

Для специальности 210302 – Радиотехника Учебный план набора 2006г. и последующих лет Факультет - радиотехнический.

Профилирующая кафедра - Радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) Курс - второй Семестр - Распределение учебного времени.

Лекции - 51 час.

Практические занятия - 17 час.

Лабораторные занятия -17 час.

Всего ауд. занятий - 85 час.

Общая трудоемкость - 170 час.

Самостоятельная работа - 85 час.

Экзамен –4 семестр

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. Рабочая программа составлена с учетом требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста – 654200 «Радиотехника» для специальности 210302 (200700) - Радиотехника, утвержденного 17.03.2000 г. (рег. №151тех/дс) 2. Рабочая программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры СВЧ и КР, протокол № 1 от 30 августа 2010 г.

3. Разработчик, проф. каф. СВЧиКР _ А.Е. Мандель Зав. обеспечивающей.каф. СВЧиКР, профессор _ С.Н. Шарангович 4. Рабочая программа согласована с факультетом, профилирующей и выпускающей кафедрой специальности, соответствует действующему плану занятий Декан РТФ, профессор _ А.С. Задорин Зав. профилирующей и выпускающей каф. РЗИ, профессор _ А.С. Задорин Срок действия рабочей программы – 31.12.2013 г.

1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ.

1.1. Цели и задачи дисциплины Дисциплина “Электродинамика и распространение радиоволн” является базовой дисциплиной в образовании радиоинженера. Она дает основу для последующего изучения таких специальных дисциплин, как “Устройства СВЧ и антенны ”, “Радиотехнические системы”, “Оптические устройства в радиотехнике”, “Радиооптоэлектронные сети и устройства”, разделов ряда курсов, касающихся высокочастотных узлов приемно-усилительных устройств, передающих устройств, высокоскоростных систем связи, электромагнитной совместимости.

Целью преподавания дисциплины является подготовка специалистов в области создания и обеспечения функционирования радиоэлектронных устройств, основанных на использовании электромагнитных колебаний и волн, и предназначенных для передачи, приема и обработки информации.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

• изучение студентами фундаментальных законов, описывающих электромагнитное поле;

• освоение математического аппарата и методов электродинамического описания явлений и процессов в радиоэлектронных устройствах различного назначения;

• изучение законов распространения электромагнитных волн в свободном пространстве и направляющих системах.

1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения курса студенты должны:

знать методы решения уравнений Максвелла при описании процессов излучения, распространения и дифракции радиоволн в различных средах и структурах; знать способы и особенности распространения радиоволн различных диапазонов вблизи поверхности Земли, в тропосфере и ионосфере, а также в волноводных структурах.

уметь примененять законы электродинамики к решению задач антенноволноводной техники, задач электромагнитной совместимости радиоаппаратуры и е узлов, оценки параметров систем связи; проводить расчеты полей и на этой основе определять интегральные параметры элементов и узлов аппаратуры.

иметь навыки решения электродинамических задач (в рамках группового проектного обучения).

1.3. Перечень обеспечивающих дисциплин.

Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами в процессе изучения дисциплин: «Физика», «Высшая математика».

1.4 Объем дисциплины и виды учебной работы Дисциплина изучается в 4-м семестре.

Основные законы электродинамики Энергетические соотношения в электромагнитном поле Квазистационарные электромагнитные Монохроматические электромагнитные Плоские волны в однородных средах Краевые задачи электродинамики Излучение электромагнитных волн Регулярные волноводы Дифракция электромагнитных волн Общие вопросы распространения Распространение земных радиоволн Влияние тропосферы на распространение Влияние ионосферы на распространение Электромагнитное поле и его основные характеристики. Историческая справка о развитии представлений об электромагнитном поле. Электродинамика, как базовая дисциллина радиоэлектронных специальностей.

Основные положения и теоремы векторного анализа, как математической базы электродинамики.

Уравнения Максвелла в интегральной форме. Полный ток и его составляющие.

Непрерывность линий полного тока. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме.

Материальные уравнения. Среды с анизотропией свойств. Среды с временной и пространственной дисперсией, их значение в практике. Нелинейные среды, их описание и роль для практики.

Условия для векторов электромагнитного поля на границе раздела сред.

2.2. Энергетические соотношения в электромагнитном поле - 3 часа.

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Общее уравнение баланса энергии в электромагнитном поле. Плотность электрической и магнитной энергии. Вектор Пойнтинга.Перенос энергии и групповая скорость в электромагнитном поле.

2.3.Квазистационарные электромагнитные поля - 4 часа.

Условие квазистационарности электромагнитных полей и области применения таких полей в радиоэлектронике. Квазистационарные электрические поля. Их описание и методы расчета. Методы прямого интегрирования, разделения переменных и функций комплексного переменного при решении уравнения Лапласа. Метод зеркальных изображений при наличии плоских границ раздела с металлом и диэлектриком. Потенциальные коэффициенты, частичные емкости и их расчет.

Квазистационарные магнитные поля. Векторный потенциал поля и его расчет.

Расчет индуктивностей и коэффициентов взаимной индукции в системе многих тел.

2.4. Монохроматические электромагнитные поля и волны -4 часа Комплексные амплитуды поля. Уравнения Максвелла в символической форме.

Комплексные диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.

Вектор Пойнтинга в символической форме. Уравнения баланса энергии в символической форме.

2.5. Плоские волны в однородных средах. - 5 часов Волновое уравнение. Общее выражение для поля плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении. Волновой вектор и волновое число.

Фронт волны. Поперечный характер поля плоской волны. Взаимная ориентация векторов поля и волнового вектора. Волновое сопротивление. Общее выражение для поля плоской волны в среде без потерь. Поляризация плоской волны.

Особенности структуры плоской волны в среде с потерями. Коэффициент затухания.

Волны в анизотропных средах. Обыкновенная и необыкновенная волны. Плоские волны в гиротропных средах. Эффект Фарадея.

Лемма Лоренца и теорема взаимности.

2.6. Излучение электромагнитных волн. - 4 часа Постановка задачи об излучении. Электродинамические потенциалы. Уравнения для электродинамических потенциалов.

Определение электродинамических потенциалов по заданным зарядам и токам.

Запаздывание электродинамических потенциалов.

Элементарный электрический излучатель. Его векторный потенциал, поле в дальней и ближней зонах. Диаграмма направленности и сопротивление излучения электрического излучателя.

Элементарный магнитный излучатель. Магнитные токи и заряды. Уравнения Максвелла с учетом мгнитных токов и зарядов. Принцип перестановочной двойственности.

Поле элементарного магнитного излучателя. Его диаграмма направленности и сопротивление излучения.

2.7. Краевые задачи электродинамики - 5 часов.

Падение плоских волн на границу раздела двух сред. Случаи горизонтально и вертикально поляризованных волн. Законы Снеллиуса и формулы Френеля. Явление полной поляризации. Отражение и преломление волн на границе с металлом.

Граничные условия Леонтовича.

2.8. Регулярные волноводы - 5 часов.

Понятие регулярного волновода. Классификация волн. Мембранные уравнения и граничные условия для мембранных функций. Типы волн и их критические частоты.

Фазовые и групповые скорости волн в волноводе. Дисперсия волн. Волновые сопротивления Е и Н волн. Затухание волн в волноводах.

Прямоугольный волновод. Основная волна прямоугольного волновода, ее структура поля и параметры. Диаграмма типов волн в прямоугольном волноводе и выбор его размеров. Возбуждение волн в волноводе.

Круглый волновод. Типы волн круглого волновода. Основная волна круглого волновода.

Коаксиальные и полосковые линии передачи.

2.9. Об`мные резонаторы -2 часа.

Общие принципы построения об"мных резонаторов. Определение резонансной частоты и добротности резонатора. Примеры прямоугольных и цилиндрических объемных резонаторов.

2.10. Дифракция электромагнитных волн -2 часа.

Понятие явления дифракции электромагнитных волн. Приближение ГюйгенсаКирхгофа в описании явления дифракции. Зоны Френеля. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Принцип Бабине. Дифракция Френеля на щели.

2.11. Общие вопросы распространения радиоволн - 2 часа.

Классификация радиоволн по диапазону и способу распространения. Формулы идеальной радиопередачи и множитель ослабления. Определение области пространства, существенной при распространении радиоволн.

2.12. Распространение земных радиоволн - 4часа.

Расчет поля при поднятых антеннах в зоне прямой видимости.

Интерференционная формула и формула Введенского. Диаграммы направленности поднятых антенн. Учет сферичности земли при распространении радиоволн в зоне освещенности. Приведенные высоты и их использование при расчете поля.

Расчет поля при низко расположенных антеннах. Постановка задачи. Структура поля вблизи поверхности Земли. Формула Шулейкина-Ван-дер-Поля.

Дифракция волн на однородной сферической Земле. Одночленная дифракционная формула и условия е применимости.

2.13. Влияние тропосферы на распространение радиоволн - 3 часа Строение тропосферы. Е электрические параметры. Распространение волн в плавно-неоднородной среде. Явление рефракции. Эквивалентный радиус Земли при учете рефракции. Сверхрефракция. Тропосферные волноводы.

Микроструктура тропосферы. Рассеяние радиоволн на тропосферных неоднородностях. Дальнее тропосферное распространение. Особенности сигналов при ДТР. Особенности распространения оптических волн в тропосфере. Поглощение и рассеяние оптических волн.

Методы расчета линий связи на основе ДТР.

2.14. Влияние ионосферы на распространение радиоволн - 2 часа.

Строение ионосферы. Физические причины образования в ионосфере ионизированных слоев. Электрические параметры слоев. Критические и максимальные частоты. Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере.

Особенности распространения в ионосфере волн различных диапазонов. Выбор оптимальных рабочих частот.

Измерение коэффициентов отражения злектромагнитных волн от различных поверхностей - 4 часа Самостоятельная работа студентов предполагает углубленное изучение разделов дисциплины, которые связаны с выполнением практических занятий, лабораторных работ и самостоятельное освоение ряда теоретических вопросов при подготовке к сдаче экзамена (75 часов) вынесенных на самостоятельную проработку На самостоятельную проработку выносятся следующие вопросы лекционного курса:

а) Волны в анизотропных средах. Эффект Фарадея. – 4 час.

б) Элементарный магнитный излучатель – 2 час.

в) Круглый волновод. Типы волн круглого волновода. – 2 час.

6 МЕТОДИКА ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Осуществляется в соответствии с Положением о порядке использования рейтинговой системы для оценки успеваемости студентов (приказ ректора 25.02.2010 № 1902) и основана на бально- рейтинговой системы оценки успеваемости, действующей с г., которая включает текущий контроль выполнения элементов обьема дисциплины по элементам контроля с подведением текущего рейтинга (раздел 8) и итоговый контроль.

Правила формирования пятибалльных оценок за каждую контрольную точку (КТ1, КТ2) осуществляется путем округления величины, рассчитанной по формуле:

Итоговый контроль освоения дисциплины осуществляется на экзамене по традиционной пятибалльной шкале. Обязательным условием перед сдачей экзамена является выполнение студентом необходимых по рабочей программе для дисциплины видов занятий: выполнение и защита результатов лабораторных работ, сдача контрольных работ.

Формирование итоговой суммы баллов осуществляется путем суммирования семестровой (до 70 баллов) и экзаменационной составляющих (до 30 баллов).

7 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

При изучении дисциплины “Электродинамика и распространение радиоволн” рекомендуется использовать учебные пособия [1-4] из списка основной учебной литературы охватывающие все разделы программы, а также использовать дополнительную литературу для более глубокого изучения отдельных разделов курса [5-8]. Перечисленные ниже источники имеются в библиотеке ТУСУРа и доступны студентам.

8 ПРИМЕНЕНИЕ БАЛЬНО-РЕЙТИНГОВОЙ СИСТЕМЫ

занятиях Выполнение и защита работ Контрольные работы на практических занятиях Выполнение и защита результатов лабораторных работ Темы контрольных работ:

1. Уравнения Максвелла. Материальные уравнения.

2. Квазистационарные поля 3. Плоские волны в однородных средах 4. Излучение электромагнитых волн 5. Регулярные волноводы Тема коллоквиума Электромагнитные поля и волны

9.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

9.1.Основная литература 1.Б.М. Петров Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник для вузов. - М.: Горячая линия- Телеком, 2007.-558 с. (100) 2. Л.А.Боков Электромагнитные поля и волны: Уч.пособие. –Томск: Том. гос. унт систем управления и радиоэлектроники, 2003-214 с. (50) 3. А.Е.Мандель, В.А.Замотринский Распространение радиоволн: Уч.пособие. – Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2006.--164 с. (50) 4. Замотринский В.А., Падусова Е.В., Соколова Ж.М., Шангина Л.И.

Электромагнитные поля и волны: Уч.пособие. –Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2006.-175с. (40) 9.2. Дополнительная литература 5. В.В. Никольский, Т.И. Никольская Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие для вузов - М., Наука, 1989.-543 с. (30) 6. С.И.Баскаков Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие для вузов - М.:высшая школа, 1992.-416 с. (50) 7. Черенкова Е.Л., Чернышов О.В. Распространение радиоволн: Учебник для ВУЗов- М. : Радио и связь, 1984. – 271 с. (3) 8. Г.П.Грудинская. Распространение радиоволн: Учебное пособие для вузов -М., Высшая школа, 1975.-279 с. (3)