устройства свч и антенны

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
«Согласовано»
«Утверждаю»
___________________
Руководитель ООП
по специальности 210601
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ»
Направление подготовки специалиста
210601.65 – радиоэлектронные системы и комплексы
Квалификация выпускника: специалист
Форма обучения: очная
Составители: доцент каф. ЭС Л.Я. Родос,
доцент каф. ЭС В.Л. Гулюшин
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Составитель
Научный редактор
доцент Л.Я. Родос
доцент В.Л. Гулюшин
профессор В.А. Шпенст
2
УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ
1. Цели и задачи дисциплины
Целями освоения дисциплины «Устройства СВЧ и антенны» являются: усвоение
теории излучения, распространения и приема электромагнитных волн, принципов
функционирования СВЧ трактов и антенн и методов их расчета, знакомство с
современными методами проектирования устройств СВЧ и антенн, особенностями
экспериментального исследования их характеристик.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к дисциплинам базовой части профессионального цикла
С3 и основывается на знаниях, полученных при изучении предшествующих курсов:
математики, физики, основ теории цепей, электродинамики и распространения
радиоволн и взаимосвязана с дисциплинами: устройства генерирования и
формирования сигналов, устройства приема и преобразования сигналов, основы теории
радиолокационных систем, основы теории систем передачи информации.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование:
 общекультурных компетенций
ОК1. Владение культурой мышления, способностью к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения
ОК2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и
письменную речь
ОК3. Способность к кооперации с коллегами, работе в коллективе
ОК4. Способность находить организационно-управленческие решения в нестандартных
ситуациях и готовность нести за них ответственность
ОК5. Способность стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и
мастерства
ОК6. Способность критически оценивать свои достоинства и недостатки, намечать
пути и выбирать средства развития достоинств и устранения недостатков
ОК8. Способность владеть основными методами, способами и средствами получения,
хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как
средством управления информацией
ОК9. Способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях

общепрофессиональных компетенций
ПК1. Способность представлять адекватную современному уровню знаний научную
картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных
наук и математики
ПК2. Способность выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в
ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий
физико-математический аппарат
ПК3. Готовность учитывать современные тенденции развития электроники,
измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в
профессиональной деятельности
ПК 4. Способность владеть методами решения задач анализа и расчета
характеристик электрических цепей
3
ПК 5. Способность владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных
В результате освоения дисциплины студент должен:
• Знать: принципы функционирования устройств СВЧ и антенн, аналитические и
численные методы их расчета, конструкции типовых узлов тракта и типов антенн
• Уметь: выполнять расчеты основных характеристик элементов СВЧ тракта и
параметров антенн различных типов
• Владеть: приемами экспериментального исследования характеристик устройств СВЧ
и антенн, методами обработки результатов эксперимента
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 6 зачётных единиц.
Вид учебной работы
Всего часов
Всего
216
Семестры
9,10
216
Аудиторные занятия: в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ), в том числе в
интерактивной форме:
Лабораторные работы
Самостоятельная работа: в том числе
Контрольные работы
Курсовой проект
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лекциям, практическим,
лабораторным работам
Работа с литературой
Вид промежуточной аттестации (зачёт,
экзамен)
Общая трудоёмкость
216час.
6 зач. ед.
88
44
12
88
44
12
32
128
32
128
44
44
16
16
68
216
68
Зачет,
экзамен
216
6
6
4
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ Наименование раздела
п/п
дисциплины
1
2
1 Введение
2
3
4
5
Содержание раздела
3
Роль и значение антенных устройств в
радиосистемах.
Особенности
конструирования
устройств СВЧ и антенн. Вопросы автоматизации
проектирования.
Проблемы
электромагнитной
совместимости. История развития теории и техники
антенн.
Регулярные
линии
Типы линий передачи: проводные, коаксиальные,
передачи
волноводные,
полосковые.
Типы
волн,
электромагнитной
распространяющихся в линиях передач, Основные
энергии
и
их технические характеристики линий передачи: Полоса
технические
пропускания, волновое сопротивление, электрическая
характеристики
прочность, затухание электромагнитной энергии,
дисперсионные свойства.
Нерегулярные линии
Неоднородности в линиях передач. Коэффициент
передачи. Линии
отражения. Коэффициенты бегущей и стоячей волны.
передачи конечной
Принципы
узкополосного
и
широкополосного
длины. Методы
согласования. Ограничения на ширину полосы
согласования линий
согласования. Связь КПД и электрической прочности
передачи
линии передачи с коэффициентом стоячей (бегущей)
волны.
Теоретические
вопросы
проектирования СВЧ
элементов и узлов
трактов. Общая теория
пассивных
многополюсников
Двухполюсники оконечные устройства
в линиях передачи
6
Четырехполюсники
7
Шестиполюсники
Волновые матрицы рассеяния и передачи.
Матрицы сопротивлений и проводимостей. Основные
свойства
матриц
(взаимности,
геометрической
симметрии и пр.) Физический смысл коэффициентов
матриц. Экспериментальное определение элементов
матриц
Основные
свойства
двухполюсников.
Закорачивающие поршни, согласованные нагрузки,
индикаторы мощности (детекторные и термисторные
головки), объемные резонаторы
Основные свойства четырехполюсников. Переходы в
линиях
передачи.
Вращающиеся
сочленения.
Согласующие
устройства
(диафрагмы,
штыри,
реактивный контур и трансформатор). Аттенюаторы,
фазовращатели, поляризаторы. Проходные резонаторы.
Фильтры СВЧ. Теоретические основы использования
ферритов
в
устройствах
СВЧ.
Невзаимные
четырехполюсники.
Ферритовые
фазовращатели,
вентили, поляризаторы.
Основные свойства взаимных (тройники) и
невзаимных (циркуляторы) шестиполюсников
5
№ Наименование раздела
п/п
дисциплины
8 Восьмиполюсники
Содержание раздела
Основные свойства восьмиполюсников. Гибридные
Т- и кольцевые мосты. Щелевой и квадратный мост.
Направленные ответвители. Циркулятор на эффекте
Фарадея. Фазовый циркулятор.
9
Электродинамические
основы теории антенн.
Параметры антенн
Поле излучения элементарных излучателей (диполь
Герца, магнитный диполь, элемент Гюйгенса).
Постановка задачи о поле излучения заданной системы
сторонних источников. Теорема эквивалентности.
Амплитудная,
фазовая,
поляризационная
характеристики
поля
излучения
антенны.
Коэффициенты: направленного действия, полезного
действия, усиления антенны. Рабочая полоса частот,
сопротивление излучения, мощность излучения,
входное сопротивление антенны.
10
Излучение
вибраторных антенн
Идеальный линейный излучатель. Постановка
задачи об излучении симметричного вибратора.
Применение теории длинных линий для анализа
излучения вибратора. Характеристики излучения
вибратора: функция направленности, мощность и
сопротивление излучения. Расчет активной и
реактивной составляющих входного сопротивления
вибратора. Несимметричный вибратор. Принцип
двойственности, применительно к расчету щелевой
антенны. Микрополосковые вибраторы
и их
эквивалентные схемы.
11
Излучение линейной
системы источников
Линейный источник излучения с равномерным
амплитудно-фазовым
распределением
тока
возбуждения. Теорема умножения. Режимы и
характеристики излучения линейного источника.
Оптимальная
длина
линейного
источника.
Эквидистантная линейная антенная решетка. Расчет
характеристик решетки. Неэквидистантные решетки.
Фазовое сканирование диаграммы направленности
линейной решетки.
Диаграмма направленности двух связанных
активных вибраторов. Собственное, взаимное и
вносимое сопротивление вибраторов. Активный и
пассивный вибраторы. Рефлектор и директор. Влияние
Земли на характеристики излучения вибратора.
Влияние Земли на характеристики линейной антенной
решетки.
12
Синтез линейных
антенных систем по
заданной диаграмме
направленности
Постановка
задачи
синтеза.
Критерии
оптимальности
синтезируемых
диаграмм.
Преобразование Фурье и метод парциальных диаграмм.
Сверхнаправленность.
6
№ Наименование раздела
п/п
дисциплины
13 Плоские излучающие
поверхности и
решетки излучателей
Содержание раздела
Расчет поля излучения антенны методом
эквивалентных поверхностных токов. Характеристики
излучения идеальной, плоской прямоугольной и
круглой поверхностей. Влияние законов распределения
амплитуды и фазы поля по апертуре на характеристики
излучения. Плоские фазированные антенные решетки.
Методы оптимизации характеристик фазированных
антенных решеток.
14
Антенны в режиме
приема
Принцип взаимности. Симметричный вибратор в
поле плоской волны. Параметры приемных антенн.
Передача мощности между двумя антеннами.
15
Вибраторные и
щелевые антенны
Симметричные и несимметричные вибраторы.
Петлевой и турникетный вибраторы. Уголковая антенна
Пистолькорса. Ромбическая антенна. Синфазная
горизонтальная диапазонная антенна. Проволочные
антенны и антенны – мачты. Частотно-независимые
антенны:
логарифмические,
логопериодические,
спиральные. Антенны бегущей волны: директорные,
спиральные, диэлектрические и импедансные. Щелевые
антенны с резонаторами. Волноводные многощелевые
антенные решетки. Методы питания и согласования
вибраторных и щелевых антенн.
16
Апертурные антенны
Открытый конец прямоугольного и круглого
волновода.
Секториальные,
пирамидальные
и
конические рупорные антенны. Оптимальная рупорная
антенна, согласование с волноводом. Параболические
антенны. Характеристики излучения. Облучатели
параболических зеркальных
антенн. Способы
формирования суммарных и разностных диаграмм
направленности. Многомодовые облучатели. Реакция
зеркала на облучатель. Двухзеркальные антенны
Кассегрейна,
Грегори.
Способы
сканирования
диаграммы направленности в зеркальной антенне.
Линзовые антенны. Ускоряющие и замедляющие
линзы. Зонирование линзовых антенн. Линзы с
широкоугольным качанием диаграммы направленности.
17
Антенные решетки
Плоские фазированные антенные решетки. Типы
излучателей. Способы питания антенных решеток.
Активные решетки. Дискретное фазирование. Рабочая
полоса частот антенной решетки. Многолучевые
антенные решетки.
Электромагнитная совместимость. Требования к
величине взаимной развязки близко расположенных
излучателей.
7
5.2. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1.
2.
Наименование
дисциплины
раздела
Лекц.
Практ. Лабор.
зан.
работы
СРС*
Всего
час.
1
6
7
Введение
Регулярные линии передачи
электромагнитной энергии и их
технические характеристики
Нерегулярные линии передачи.
Линии передачи конечной
длины. Методы согласования
линий передачи
Теоретические вопросы
проектирования СВЧ
элементов и узлов трактов.
Общая теория пассивных
многополюсников
Двухполюсники - оконечные
устройства в линиях передачи
Четырехполюсники
Шестиполюсники
8
Восьмиполюсники
2
9
Электродинамические основы
теории антенн. Параметры
антенн
2
2
8
12
10
Излучение вибраторных антенн
2
2
6
10
11
Излучение линейной системы
источников
4
8
16
Синтез линейных антенных
систем по заданной диаграмме
направленности
2
10
12
Плоские излучающие
поверхности и решетки
излучателей
4
10
14
14
Антенны в режиме приема
2
8
10
15
Вибраторные и щелевые
антенны
2
4
6
12
16
Апертурные антенны
4
8
6
22
17
Антенные решетки
2
10
12
3.
4.
5.
12
13
1
3
2
10
15
12
24
10
16
2
6
8
2
6
8
2
6
8
6
16
4
4
8
2
8
4
4
Примечание: СРС – самостоятельная работа студентов
8
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
№ раздела
дисциплины
8
2.
8
3.
4.
5.
6.
7.
8.
6
6
14
16
15
11
Наименование лабораторных работ
Изучение конструкции и исследование характеристик
направленных ответвителей
Изучение конструкций и исследование характеристик
мостовых устройств
Исследование фильтров СВЧ
Исследование ферритовых устройств СВЧ
Исследование директорной антенны
Исследование рупорных антенн
Исследование волноводной щелевой антенны
Исследование диэлектрической антенны
7. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
4
Вычисление
коэффициентов
волновых
матриц (на примере конкретного утройства)
2.
3
3.
10
4.
3
5
13
6
16
Определение
характеристик
согласующих
устройств при помощи диаграммы полных
сопротивлений
Применение метода вектора Пойнтинга для
расчета мощности и сопротивления излучения
вибратора конечной длины
Расчет устройств согласования антенны с линией
передачи
Расчет влияния случайных ошибок возбуждения
антенн
с
плоским
раскрывом
на
их
характеристики излучения
Расчет апертурных антенн
Тематика практических занятий (семинаров)
Трудоемкость
(час.)
2
2
2
2
2
2
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
8.1. Основная литература
1. Пименов Ю.В.Техническая электродинамика: учеб. пособие/ Ю.В. Пименов, В.И.
Вольман., А.Д. Муравцов. -М.: Радио и связь, 2002.
2. Семенов Н.А. Техническая электродинамика: учеб. пособие/ Н.А. Семенов.-М.:
Связь, 1973.
3. Марков Г.Т. Антенны. Изд.2: учеб. пособие/ Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов.-М.: Энергия
1975.
4. Драбкин А.Л. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие/ А.Л. Драбкин, В.Л.
Зузенко, А.Г. Кислов.- М.: Сов. Радио, 1972.
8.2. Дополнительная литература
5. Сазонов Д.М. Устройства СВЧ: учебник/ Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.А.
Мишустин.-М.: Высшая школа, 1981.
9
6. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и
излучающих элементов: учеб. пособие/ под. ред. Д.И. Воскресенского.- М.: Сов. Радио,
1972.
7. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: учеб.
пособие/ под. ред. Д.И. Воскресенского,- М.: Радио и связь, 1981.
8.
Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие/ Г.Н.
Кочержевский.- М.: Связь,1977.
9. Вендик О.Г. Антенны с электрическим сканированием: учеб. пособие/ О.Г. Вендик.М.: Сайнс-Пресс, 2002.
Литература для выполнения контрольных и курсовых работ.
10. Фельдштейн А.Л. Справочник по элементам волноводной техники: учеб. пособие/
А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.Н. Смирнов.- М.: Сов Радио, 1967.
11.
Справочник по элементам полосковой техники: справ./ под ред. А.Л.
Фельдштейна.-М.: Связь.1979.
12. Жук. М.С. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и
фидерных устройств, ч 2: учеб. пособие/ М.С. Жук, Ю.Б. Молочков.- М.: Энергия, 1973.
13. Малорацкий Л.Г. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях:
учеб. пособие/Л.Г. Малорацкий, Л.Р. Явич.- М.:
8.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным текстам ряда
научных журналов с 2007 по 2009 г. )
8.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественные и зарубежные библиотеки
1.
Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
2.
Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3.
Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы
им. М.И.Рудомино http://www.libfl.ru
4.
Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5.
Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6.
Государственная публичная научно-техническая библиотека http://www.gpntb.ru
7.
Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского
отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8.
Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANet
http://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковского
http://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного
университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная
библиотека
Санкт-Петербургского
Государственного
Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
10
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной
аудитории, снабженной мультимедийными средствами для презентаций лекций,
видеофайлов практических занятий и демонстрационных лабораторных работ.
Проведение лабораторных занятий требует наличия специализированных
учебных стендов по заявленной номенклатуре лабораторных работ, оснащённых
современной контрольно-измерительной аппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом
рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки специалиста 210601.65
«Радиоэлектронные системы и комплексы».
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Изучение дисциплины производится в тематической последовательности.
Студенты очной формы обучения работают в соответствии с временным режимом,
установленным учебным рабочим планом для данных форм обучения. Информация о
временном графике работ сообщается преподавателем на установочной лекции.
Преподаватель дает указания также по
организации самостоятельной работы
студентов, срокам выполнения лабораторных работ и проведения тестирования.
Дисциплина «Устройства сверхвысокой частоты и антенны», как указывалось выше,
является базовой дисциплиной. В связи с этим, приступая к ее изучению, необходимо
восстановить в памяти основные сведения из курса общей физики, математики и
указанных выше специальных дисциплин.
Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню
содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы насыщен математическими
соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна,
поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы.
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с
содержанием каждой из них по программе учебной дисциплины. При первом чтении
следует стремиться к получению общего представления об изучаемых вопросах, а
также отметить трудные и неясные моменты. При повторном изучении темы
необходимо освоить все теоретические положения, математические зависимости и
выводы. Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться
запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности,
а не на уровне отдельных явлений, способствует наиболее глубокому и прочному
усвоению материала. Для более эффективного запоминания и усвоения изучаемого
материала, полезно иметь рабочую тетрадь (можно использовать лекционный
конспект) и заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые
незнакомые термины и названия, формулы, уравнения, математические зависимости и
их выводы. Целесообразно систематизировать изучаемый материал, проводить
обобщения разнообразных фактов, сводить их в таблицы. Подобная методика облегчает
запоминание и уменьшает объем конспектируемого материала. До тех пор пока тот или
иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий
конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к
экзамену.
Разработал:
доцент кафедры электронных систем
Л.Я. Родос
В.Л. Гулюшин
11