Физика и техника СВЧ - Учебно

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ , ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ
Безуглый Б.А.
ФИЗИКА И ТЕХНИКА СВЧ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 011800.62 «Радиофизика»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
Безуглый Б.А. Физика и техника СВЧ. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 011800.62 «Радиофизика», форма
обучения очная. Тюмень, 2011, 15 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины «Физика и техника СВЧ» опубликована на сайте
ТюмГУ: «Физика и техника СВЧ» [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой радиофизики. Утверждено проректором по
учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР:
К.Ф.-М.Н., ДОЦЕНТ
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ РАДИОФИЗИКИ
МИХЕЕВ В.А. ,
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Безуглый Б.А., 2011.
1
1. Пояснительная записка
Дисциплина «Физика и техника СВЧ» в соответствии с ФГОС ВПО по направлению
подготовки 011800.62 «Радиофизика» является дисциплиной профессионального цикла
ООП подготовки бакалавра. СВЧ излучение находит широкое применение в связи, телевидении, радиолокации, медицине, пищевой промышленности и научных исследованиях.
1.1.
Цели и задачи дисциплины
Целью данной дисциплины является теоретическая и практическая подготовка студентов в области физики и техники СВЧ до уровня, позволяющего понимать работу СВЧ
приборов в системах радиосвязи, телевидения и радионавигации и правильно их эксплуатировать.
Задачами дисциплины «Физика и техника СВЧ» являются
 формирование современного понимания природы ЭМ излучения и его применения.
 привитие навыков анализа работы СВЧ приборов с помощью уравнений Максвелла.
1.2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
«Физика и техника СВЧ» является дисциплиной базовой части профессионального
цикла для направления 011800.62 «Радиофизика».
Содержание курса «Физика и техника СВЧ» базируется на знаниях, приобретённых
при изучении следующих дисциплин: разделов «Электричество и магнетизм» общей физики, раздела «Линейные и нелинейные уравнения» методов математической физики, раздела "Электродинамика" теоретической физики. Математической основой курса являются
разделы «Математический анализ», «Векторная и тензорная алгебра», «Дифференциальные уравнения» математики.
1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной дисциплины
В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на формирование следующих компетенций
профессиональных:
– способностью использовать базовые теоретические знания (в том числе по дисциплинам профилизации) для решения профессиональных задач (ПК-1);
– способность к профессиональному развитию и саморазвитию в области радиофизики и электроники (ПК-6).
В области воспитания личности целью подготовки является формирование социально-личностных качеств студентов: целеустремленности, организованности, коммуникативности.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать: современный стандарт ISO децимального деления спектра ЭМ излучения, и
традиционные полосы СВЧ диапазона и основные взаимодействия с веществом; вывод
уравнений Максвелла с помощью алгебры пространства – времени (STA); волновое
2
уравнение; закон сохранения заряда и закон сохранения энергии и импульса (вектор
Умова – Пойнтинга) для ЭМ поля в линейных средах. Принцип работы электровакуумных приборов СВЧ (магнетрон, клистрон, лампа бегущей волны), а также принцип
работы полупроводниковых приборов СВЧ (туннельный диод, диод Гана)

Уметь: анализировать и решать стандартные задачи электродинамики; различать типы
ЭМ волн (TE, TM, и TEM) в линиях передачи; измерять основные характеристики
СВЧ трактов и их элементов (аттенюаторов, вентилей, циркуляторов, направленных
ответвителей); оценить степень достоверности результатов, полученных с помощью
экспериментальных или теоретических методов исследований,

Владеть: приемами и навыками решения конкретных задач электродинамики с использованием алгебры пространства-времени (STA); представлениями о свойствах
электронных материалов (диэлектрики, парамагнетики, полупроводники, проводники,
сверхпроводники, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, ферромагнетики и антиферромагнетики); навыками работы по исследованию структуры электромагнитного поля,
проведению расчетов основных характеристик линий передачи СВЧ.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 6. Форма промежуточной аттестации - экзамен. Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы (з.е.), 108 часов.
Таблица 1.
Вид учебной работы
Всего часов
Аудиторные занятия (всего)
54
Лекции
36
Практические занятия
18
Лабораторные работы
Самостоятельная работа (всего)
54
Вид итогового контроля
экзамен
Общая трудоемкость дисциплины
час
зач.ед.
108
3
3
3. Тематический план
Таблица 2.
1
2
Модуль 1
1.
2.
3.
4.
Математика, необходимая для
изучения электродинамики и
техники СВЧ: векторная алгебра Гиббса – Хэвисайда и алгебра пространства – времени
(STA). Потенциальные и вихревые поля: теорема Гельмгольца.
Геометрическое произведение.
Связь произведений: внешнего
Грассмана и векторного Гиббса. Понятие мультивектора.
Уравнения Максвелла в формулировке О. Хэвисайда. Закон
Гаусса для электростатического
поля. Закон Ампера – магнитный аналог закона Гаусса. Закон ЭМ индукции Фарадея.
Закон ЭМ индукции Максвелла. Закон Гаусса для магнитного поля
Бивектор Фарадея. Уравнения
Максвелла на языке STA:
F  S и переход к формулировке Хэвисайда.Поле движущихся зарядов.
Магнитная сила и сила Лоренца. Магнитное поле B. Поле
ускоряемого заряда. Конститутивные соотношения. Граничные условия (ГУ). Потоки,
плотности потоков, закон сохранения заряда (вывод из
уравнений Максвелла).
Всего
Модуль 2
1.
2.
3
15
Гармонические поля. Осциллятор Лоренца и простые модели
диэлектриков, про-водников и
плазмы
Однородные плоские ЭМ волны в среде без потерь. Монохроматические волны. Плотность энергии и плотность потока энергии. Характеристическое сопротивление
6
Итого
часов
по теме
Из них в
интерактивной
форме
Итого
количество
баллов
7
8
9
10
Самостоятельная работа*
Лабораторные
занятия*
Семинар
(практические)
занятия
Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.
Лекции*
Тема
недели семестра
№
4
5
4
2
6
12
3
0-15
2
1
3
5
1
0-15
2
1
2
5
1
0-5
4
2
6
12
3
0-5
12
6
18
36
8
0-40
2
2
4
8
2
0-5
4
2
6
12
3
0-10
612
4
3.
4.
(волновой импеданс).
Однородные плоские ЭМ волны в среде с потерями. Распространение волн в хорошо проводящей среде. Распространение волн в произвольном
направлении.
ГУ для векторов ЭМ поля. ГУ
для нормальных и касательных
составляющих векторов магнитного электрического полей.
Всего
Модуль 3
1.
2
3
4
5
2
-
4
6
2
0-5
4
2
4
6
1
0-5
12
6
18
36
8
0-35
2
4
2
8
2
0-5
4
2
2
8
2
0-5
2
-
4
6
2
0-5
2
-
4
6
1
0-5
13
18
Падение плоских волн на границу раздела двух сред
Основы теории направляемых
ЭМ волн.
Прямоугольный металлический
волновод
Волноводы с волнами типа
TEM
Колебательные системы СВЧ.
Объемные резонаторы
Всего
2
-
4
6
1
0-5
12
6
18
36
8
0-25
Итого (часов, баллов):
36
18
54
108
24
0-100
Из них в интерактивной форме
9
15
24
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Модуль 1
1. Математика, необходимая для изучения электродинамики и техники
СВЧ: векторная алгебра Гиббса –
Хэвисайда и алгебра пространства –
времени (STA). Потенциальные и
вихревые поля: теорема Гельмгольца.
Геометрическое произведение. Связь
внешнего произведения Грассмана и
векторного произведения Гиббса. Понятие мультивектора.
2. Уравнения Максвелла в формулировке О. Хэвисайда. Закон Гаусса для
электростатического поля. Закон Ампера – магнитный аналог закона Гаусса. Закон ЭМ индукции Фарадея. Закон ЭМ индукции Максвелла. Закон
Гаусса для магнитного поля
3. Бивектор Фарадея. Уравнения
реферат
тест
Письменные работы
отчет по заданиям самост. работы
студентов
контрольная
работа
ответ на семинаре
коллоквиумы
Устный
опрос
другие формы
Итого количество
баллов
Таблица 3.
№ темы
0-5
0-5
0-5
0-15
0-5
0-5
0-5
0-15
0-5
0-5
5
Максвелла на языке STA: F  S и
переход к формулировке Хэвисайда.4. Поле движущихся зарядов. Магнитная сила и сила Лоренца. Магнитное поле B. Поле ускоряемого заряда.
Конститутивные соотношения. Граничные условия (ГУ). Потоки, плотности потоков, закон сохранения заряда (вывод из уравнений Максвелла).
Всего по модулю 1
Модуль 2
1. Гармонические поля. Осциллятор
Лоренца и простые модели диэлектриков, проводников и плазмы
2. Однородные плоские ЭМ волны в
среде без потерь. Монохроматические
волны. Плотность энергии и плотность потока энергии. Характеристическое сопротивление (волновой импеданс).
3. Однородные плоские ЭМ волны в
среде с потерями. Распространение
волн в хорошо проводящей среде.
Распространение волн в произвольном
направлении
4. ГУ для векторов ЭМ поля. ГУ для
нормальных и касательных составляющих векторов магнитного электрического полей.
Всего по модулю 2
Модуль 3
1. Падение плоских волн на границу
раздела двух сред
2. Основы теории направляемых ЭМ
волн.
3. Прямоугольный металлический
волновод
4. Волноводы с волнами типа TEM
5. Колебательные системы СВЧ. Объемные резонаторы
Всего
Итого
0-5
0-5
0-40
0-5
0-5
0-5
0-5
0-10
0-5
0-5
0-5
0-5
0-35
0-5
0-5
0-5
0-5
0-5
0-5
0-5
0-5
0-5
0-5
0-25
0 – 100
Планирование самостоятельной работы студентов
Таблица 4.
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1
Геометрическая алгебра. Геометрическое произведение.
Связь векторной алгебры
Гиббса – Хэвисайда с геометрической алгеброй. Мультивекторы, псевдоскаляр и
псевдовекторы. Симметрии.
Параллельность и перпенди-
Виды СРС
обязательные
дополнительные
работа с литературой,
источниками
работа с литературой,
источниками
Реферат:
Алгебра
электромагнетизма
(алгебра Гиббса и
Хевисайда, геометрическая алгебра, и алгебра пространства-
Неделя
семестра
1-5
Объем
часов
Кол-во
баллов
8
0-20
6
кулярность. Магнитуды. Геометрические интерпретации.
Метрика. Повороты. Дифферен-цирование скалярных и
векторных полей.
1.2 Алгебра пространства – времени (STA). Мультивекторы,
псевдо-скаляры и псевдовекторы. Метрика пространства –
времени. Вращения в пространстве – времени. Основные тождества геометрической алгебры.
1.3 Уравнения Максвелла в формулировке О. Хэвисайда. Закон Гаусса для электростатического поля. Закон Ампера –
магнитный аналог закона
Гаусса. Закон ЭМ индукции
Фарадея. Закон ЭМ индукции
Максвелла. Закон Гаусса для
магнитного поля. Бивектор
Фарадея. Уравнения Максвелла на языке STA:
F  S и переход к формулировке Хэвисайда.
1.4 Поле движущихся зарядов.
Магнитная сила и сила Лоренца. Магнитное поле B.
Поле ускоряемого заряда. Конститутивные
соотношения. Граничные
условия. Потоки, плотности
потоков, закон сохранения
заряда (вывод из уравнений
Максвелла).
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
2.2
2.3
2.4
Гармонические поля. Осциллятор Лоренца и простые модели диэлектриков, проводников и плазмы
Однородные плоские ЭМ
волны в среде без потерь.
Монохрома-тические волны.
Плотность энергии и плотность потока энергии. Характеристическое сопротивление
(волновой импеданс).
Однородные плоские ЭМ
волны в среде с потерями.
Распространение волн в хорошо проводящей среде. Распространение волн в произвольном направлении
ГУ для векторов ЭМ поля.
ГУ для нормальных и касательных составляющих векторов магнитного электрического полей.
Всего по модулю 2:
времени (STA))
Реферат: Анализ соглашений в гибридной алгебре Гиббса и
Хевисайда и их уточнение
4
0-5
Реферат: Уравнения
Максвелла в форму
лировке О. Хэвисайда в интегральной и
дифференциальной
форме.
8
0-10
8
0-10
28
0-45
4
0-2
4
0-2
4
0-2
4
0-2
16
0-8-
работа с литературой,
источниками
7
Модуль 3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
работа с литературой,
источниками
Падение плоских волн на границу раздела двух сред
Основы теории направляемых
ЭМ волн.
Прямоугольный металлический волновод
Волноводы с волнами типа
TEM
Колебательные системы СВЧ.
Объемные резонаторы
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
2
0-4
2
0-4
2
0-4
2
0-4
2
0-4
10
54
0-20
0-73
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами.
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Физическая электроника
Полупроводниковая электроника
Квантовая радиофизика
Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1.4
2.2
2.3
2.4
3.1
3.2
3.3
3.4
…
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины.
Модуль 1.
Тема 1.1. Геометрическая алгебра. Геометрическое произведение. Связь векторной алгебры Гиббса – Хэвисайда с геометрической алгеброй. Мультивекторы, псевдоскаляр и псевдовекторы. Симметрии. Параллельность и перпендикулярность.
Магнитуды. Геометрические интерпретации. Метрика. Повороты. Дифференцирование скалярных и векторных полей.
Математика, необходимая для изучения электродинамики и техники СВЧ: векторная
алгебра Гиббса – Хэвисайда и алгебра пространства – времени (STA). Потенциальные и
вихревые поля: теорема Гельмгольца. Геометрическое произведение. Связь произведений:
внешнего Грассмана и векторного Гиббса. Понятие мультивектора.
Тема 1.2. Алгебра пространства – времени (STA). Мультивекторы, псевдоскаляры и псевдовекторы. Метрика пространства – времени. Вращения в пространстве – времени. Основные тождества геометрической алгебры.
Уравнения Максвелла в формулировке О. Хэвисайда. Закон Гаусса для электростатического поля. Закон Ампера – магнитный аналог закона Гаусса. Закон ЭМ индукции Фарадея. Закон ЭМ индукции Максвелла. Закон Гаусса для магнитного поля.
Тема 1.3. Уравнения Максвелла в формулировке О. Хэвисайда. Закон Гаусса для
электростати-ческого поля. Закон Ампера – магнитный аналог закона Гаусса. Закон
ЭМ индукции Фарадея. Закон ЭМ индукции Максвелла. Закон Гаусса для магнитного поля. Бивектор Фарадея. Уравнения Максвелла на языке STA: F  S и переход
к формулировке Хэвисайда.
Бивектор Фарадея. Уравнения Максвелла на языке STA: F  S и переход к формулировке Хэвисайда.
8
Тема 1.4. Поле движущихся зарядов. Магнитная сила и сила Лоренца. Магнитное
поле B. Поле ускоряемого заряда. Конститутивные соотношения. Граничные условия. Потоки, плотности потоков, закон сохранения заряда (вывод из уравнений
Максвелла).
Модуль 2.
Тема 2.1. Гармонические поля. Осциллятор Лоренца и простые модели диэлектриков, проводников и плазмы.
Тема 2.2. Однородные плоские ЭМ волны в среде без потерь. Монохроматические
волны. Плотность энергии и плотность потока энергии. Характеристическое сопротивление (волновой импеданс).
Тема 2.3. Однородные плоские ЭМ волны в среде с потерями. Распространение
волн в хорошо проводящей среде. Распространение волн в произвольном направлении.
Тема 2.4. ГУ для векторов ЭМ поля. ГУ для нормальных и касательных составляющих векторов магнитного электрического полей.
Модуль 3.
Тема 3.1. Падение плоских волн на границу раздела двух сред.
Падение плоских волн на границу раздела двух сред. Фо́рмулы Френе́ля определяют
амплитуды и интенсивности преломлённой и отражённой электромагнитной волны при
прохождении через плоскую границу раздела двух сред с разными показателями преломления.
Тема 3.2. Основы теории направляемых ЭМ волн.
Связь между продольными и поперечными составляющими полей в однородной
направляющей системе.
Тема 3.3. Прямоугольный металлический волновод.
Тема 3.4. Волноводы с волнами типа TEM. Коаксиальные линии. Распространение волн типа ТЕМ.
Тема 3.5. Колебательные системы СВЧ. Объемные резонаторы.
Добротность. Анализ полей в резонаторах посредством решения уравнения Гельмгольца для составляющих электрического и магнитного поля при равенстве нулю тангенциальной составляющей электрического поля на стенках резонатора. Основные типы колебаний в прямоугольном резонаторе.
6. Планы семинарских занятий.
1. Исследование распространения электромагнитных волн в реальных средах.
2. Исследование электромагнитных полей элементарных излучателей.
3. Исследование параметров электромагнитных волн в прямоугольном волноводе.
4. Исследование СВЧ объемных резонаторов.
5. Отражательный клистрон.
6. Объемный резонатор.
9
7. Исследование отражения и преломления плоской ЭМ волны на границе раздела двух сред.
8. Исследование поперечно-намагниченного феррита (ферритовый вентиль).
9. Исследование микрополосковые линий передачи.
10. Исследование объемного резонатора на основе геликоновых волн.
11. Исследование параметров магнитоплазменных волн методом скрещенных
катушек.
12. Влияние плоской проводящей поверхности земли на диаграмму направленности антенны.
13. Затухание и дисперсия в линиях передачи.
14. Элементарный магнитный вибратор (щелевая антенна).
15. Исследование прямоугольного металлического волновода.
16. Распространение сигналов в средах с дисперсией.
17. Измерительная линия.
7. Лабораторный практикум.
Учебным планом ООП не предусмотрен.
8. Примерная тематика курсовых работ.
Учебным планом ООП не предусмотрена.
9. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
Для успешного освоения материала студентам выдаётся комплект контрольных заданий для самостоятельного решения. Набор заданий формируется лектором. Лектор проводит консультации, проверяя корректность предложенных решений.
Примеры тематики контрольных заданий :
1.
Определить резонансную длину волны основного типа колебания в кубическом резонаторе со сторонами 2 см. Ответ: 1,414 см.
10
2.
Определить резонансные частоты колебаний типов Е и Н в цилиндрическом E010 H111 резонаторе, диаметр и длина которого одинаковы и равны 5
см. Ответ: 4,593 и 4,622 ГГц соответственно.
3.
Какой тип колебаний является основным в прямоугольном резонаторе с
размерами a= 2 см, b = 4 см, l = 3 см? Определить его резонансную частоту.
Какой тип колебаний является ближайшим высшим? Найти его резонансную частоту. Ответ: Н011 6,25 ГГц; Е110, 8,38 ГГц. …..
4. Какие типы волн могут распространяться в квадратном волноводе со стороной 1 см при частоте 10 ГГц? Волновод заполнен диэлектриком с относительной проницаемостью  =2,6.
5. Какие типы волн могут распространяться в заполненном воздухом прямоугольном волноводе сечением 104 см при частоте f = 5 ГГц?
Примерные темы рефератов:
1.
Алгебра электромагнетизма (алгебре Гиббса и Хевисайда, геометрическая алгебра, и алгебра протсранства-времени (STA)) Keywords: Electromagnetics, electromagnetism, vectors, dyads, dyadics, polyadic, multivectors, , bivectors, Clifford
algebra, geometric algebra, geometric calculus, quaternions, exterior calculus, exterior algebra, differential forms, exterior forms, spinor, spinors, tensors, Maxwell,
Grassmann, Hamilton, Cayley, , Gibbs, Heaviside, Cartan, de Rham
2.
Связь векторной алгебры Гиббса – Хэвисайда с геометрической алгеброй.
3.
Основные тождества геометрической алгебры
4.
Уравнения Максвелла в формулировке О. Хэвисайда в интегральной и дифференциальной форме.
5.
Анализ соглашений в гибридной алгебре Гиббса и Хевисайда и их уточнение»
Примерные вопросы к экзамену.
1. Современный стандарт ISO децимального деления спектра ЭМ излучения, и традиционные полосы СВЧ диапазона.
2. Происхождение ЭМ излучения. Поперечное электрическое поле ускоряемого электрического заряда; вывод Безуглого.
3. Основные взаимодействия ЭМ излучения с веществом и классификация сред по осциллятору Х. Лоренца (диэлектрики, проводники, бесстолкновительная плазма).
4. Геометрическая алгебра. Геометрическое произведение. Связь векторной алгебры
Гиббса – Хэвисайда с геометрической алгеброй.
5. Мультивекторы, псевдоскаляр и псевдовекторы. Симметрии. Параллельность и перпендикулярность. Магнитуды. Геометрические интерпретации. Метрика. Повороты.
Дифференцирование скалярных и векторных полей.
11
6. Алгебра пространства – времени (STA). Мультивекторы, псевдоскаляры и псевдовекторы. Метрика пространства – времени. Вращения в пространстве – времени.
7. Основные тождества геометрической алгебры. Уравнения Максвелла в формулировке
О. Хэвисайда.
8. Закон Гасса для электростатического поля. Закон Ампера – магнитный аналог закона
Гаусса.
9. Закон ЭМ индукции Фарадея. Закон ЭМ индукции Максвелла. Закон Гаусса для магнитного поля.
10. Бивектор Фарадея. Уравнения Максвелла на языке STA: F  S и переход к формулировке Хэвисайда.
11. Законы сохранения в электродинамике. Закон сохранения заряда.
12. Закон сохранения энергии – импульса ЭМ поля. Вектор Умова – Пойнтинга.
13. Получить волновое уравнение из уравнений Максвелла для вакуума.
14. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Угол диэлектрических потерь
15. Плоские ЭМ волны и их характеристики.
16. Затухание ЭМ волн в различных средах. Коэффициент распространения.
17. Волновой характер переменного ЭМ поля. Уравнение Гельмгольца.
18. Понятие характеристического сопротивления. Плотность потока мощности в плоской
ЭМ волне.
19. Граничные условия для векторов ЭМ поля.
20. Длинные линии. Вывод телеграфных уравнений.
21. Входное и волновое сопротивление коаксиальной и двухпроводной линий.
22. Классификация, основанная на поведении прибора (варисторы, варикапы, диоды с
управляемым импедансом, диоды с отрицательным сопротивлением. Лавинные, времяпролетные диоды, СВЧ биполярные транзисторы, полевые транзисторы, диоды с
точечным контактом)
23. Распространение ЭМ волн в прямоугольных волноводах. Классификация типов волн.
24. Полупроводниковые СВЧ приборы. Классификация, основанная на типе структуры
устройства (p-n переходы, барьер Шоттки, p-i-n диоды)
25. Длина волны в волноводе. Фазовая и групповая скорости. Критическая длина волны.
26. Возбуждение волноводов и связь их с другими цепями.
27. Транзисторы с p-n переходом (n -p-n транзистор)
28. Смесители и детекторы на диодах с барьером Шоттки
29. Генерирование и усиление СВЧ колебаний. Сущность статического динамического
управления электронным потоком
30. измерители КСВ, спектроанализаторы и измерительные линии.
31. Основные характеристики полосковых линий и распространение волн в них.
32. Вольтамперная характеристика диода с идеальным с p-n переходом
33. Коаксиальные лини передачи и моды ЭМ волны в них.
10. Образовательные технологии.
Лекции, семинары, собеседования по темам рефератов, презентации, подготовленные
студентами.
11.
11.1.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Orfanidis S.J. Electromagnetic Waves and Antennas, Rutgers, 2010 – 794 p.
2. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника» Высшая школа 1992 – 416 с.
12
3. Vold T.G: An introduction to geometric calculus and its application to electrodynamics Am.
J. Phys. vol. 61(6) 491-513 (1993).
11.2.
Дополнительная литература:
4. Безуглый Б. А. и др. Полупроводниковые СВЧ – приборы. Изд. ТюмГУ, 1999 – 52 с.
5. Baylis W.E., Electrodynamics: A Modern Geometric Approach (Progress in Mathematical
Physics Birkhäuser, 1998
6. John F. Lindner, Electromagnetism with Spacetime Algebra, Wooster, 2011 – 139 p
7. Doran C. J. L, Lasenby A. N. Geometric Algebra for Physicists. Cambridge University
Press, 2003 – 592 p
8. Григорьев А.. Д. Электродинамика и техника СВЧ Высшая школа 1990 – 335 с
9. Данилин А. А. Измерения в технике СВЧ. Радиотехника. 2008 – 184 с
10.
11.3.
Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. Электронная библиотека Попечительского совета механикоматематического факультета Московского государственного университета http://lib.mexmat.ru
2. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
12. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины
(модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, компьютерный класс
или аудитория для практических занятий, лекционная аудитория.
13
Дополнения и изменения к рабочей программе на 2011 / 2012 учебный год
Коды компетенции
В рабочую программу вносятся следующие изменения: В п. 1.3. УМК – рабочей программы по дисциплине «Физика и техника СВЧ», составленной для студентов
направления 011800.62 «Радиофизика» очной формы обучения, вносятся следующие изменения в виде «Карты компетенций дисциплины»:
ПК-1
Формулировка компетенции
способность
использовать
базовые теоретические
знания (в том
числе по
дисциплинам
профилизации) для
решения
профессиональных
задач
Результаты обучения по уровням освоения материала
Виды
занятий
Результаты обучения в целом
минимальный
базовый
повышенный
Знает: современный стандарт
ISO децимального деления
спектра ЭМ излучения, и традиционные полосы СВЧ диапазона и основные взаимодействия с веществом; вывод
уравнений Максвелла с помощью алгебры пространства
– времени (STA); волновое
уравнение; закон сохранения
заряда и закон сохранения
энергии и импульса (вектор
Умова – Пойнтинга) для ЭМ
поля в линейных средах.
Принцип работы электровакуумных приборов СВЧ (магнетрон, клистрон, лампа бегущей волны), а также принцип работы полупроводниковых приборов СВЧ (туннельный диод, диод Гана)
традиционные полосы
СВЧ диапазона; волновое уравнение; закон
сохранения заряда и закон сохранения энергии
и импульса (вектор Умова – Пойнтинга) для ЭМ
поля в линейных средах;
принцип работы некоторых электровакуумных
приборов СВЧ.
традиционные полосы СВЧ
диапазона и основные взаимодействия с веществом; волновое уравнение; закон сохранения заряда и закон сохранения энергии и импульса
(вектор Умова – Пойнтинга)
для ЭМ поля в линейных средах. Принцип работы электровакуумных приборов СВЧ
(магнетрон, клистрон, лампа
бегущей волны), а также
принцип работы полупроводниковых приборов СВЧ (туннельный диод, диод Гана)
Умеет: анализировать и решать стандартные задачи
электродинамики; различать
типы ЭМ волн (TE, TM, и
TEM) в линиях передачи; измерять основные характери-
решать некоторые задачи
электродинамики; измерять основные характеристики СВЧ трактов и
их элементов (аттенюаторов, вентилей, цирку-
анализировать и решать отдельные задачи электродинамики; различать типы ЭМ
волн (TE, TM, и TEM) в линиях передачи; измерять основные характеристики СВЧ
современный стандарт ISO
децимального деления спектра ЭМ излучения, и традиционные полосы СВЧ диапазона и основные взаимодействия с веществом; вывод уравнений Максвелла с
помощью алгебры пространства – времени (STA);
волновое уравнение; закон
сохранения заряда и закон
сохранения энергии и импульса (вектор Умова –
Пойнтинга) для ЭМ поля в
линейных средах. Принцип
работы электровакуумных
приборов СВЧ (магнетрон,
клистрон, лампа бегущей
волны), а также принцип
работы полупроводниковых
приборов СВЧ (туннельный
диод, диод Гана)
анализировать и решать
стандартные задачи электродинамики; различать
типы ЭМ волн (TE, TM, и
TEM) в линиях передачи;
измерять основные характе-
лекции,
практические
занятия,
самостоятельная
работа
студентов.
Оценочные средства
рефераты;
контрольные работы; вопросы для
сдачи
экзамена.
14
Коды компетенции
ПК-6
Формулировка компетенции
способность
к профессиональному
развитию и
саморазвитию в области радиофи-
Результаты обучения по уровням освоения материала
Виды
занятий
Результаты обучения в целом
минимальный
базовый
повышенный
стики СВЧ трактов и их элементов (аттенюаторов, вентилей, циркуляторов, направленных ответвителей); оценить степень достоверности
результатов, полученных с
помощью экспериментальных
или теоретических методов
исследований
ляторов, направленных
ответвителей); оценить
степень достоверности
результатов, полученных
с помощью экспериментальных методов исследований
трактов и их элементов (аттенюаторов, вентилей, циркуляторов, направленных ответвителей); оценить степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или теоретических методов исследований
Владеет: приемами и навыками решения конкретных
задач электродинамики с использованием алгебры пространства-времени
(STA);
представлениями о свойствах
электронных
материалов;
навыками работы по исследованию структуры электромагнитного поля, проведению
расчетов основных характеристик линий передачи СВЧ.
некоторыми навыками
решения предложенных
задач электродинамики с
использованием алгебры
пространства-времени
(STA); некоторыми
представлениями о свойствах электронных материалов; навыками работы по исследованию
структуры электромагнитного поля, проведению расчетов основных
характеристик линий
передачи СВЧ.
основные взаимодействия с веществом; волновое уравнение; закон
сохранения заряда и закон сохранения энергии
и импульса (вектор Умова – Пойнтинга) для ЭМ
отдельными приемами и основными навыками решения
отдельных задач электродинамики с использованием алгебры пространства-времени
(STA); представлениями о
свойствах электронных материалов; навыками работы по
исследованию структуры
электромагнитного поля, проведению расчетов основных
характеристик линий передачи СВЧ.
ристики СВЧ трактов и их
элементов (аттенюаторов,
вентилей, циркуляторов,
направленных ответвителей); оценить степень достоверности результатов,
полученных с помощью
экспериментальных или
теоретических методов исследований
приемами и навыками решения конкретных задач
электродинамики с использованием алгебры пространства-времени (STA); представлениями о свойствах
электронных материалов;
навыками работы по исследованию структуры электромагнитного поля, проведению расчетов основных
характеристик линий передачи СВЧ.
основные взаимодействия с
веществом; волновое уравнение; закон сохранения заряда
и закон сохранения энергии и
импульса (вектор Умова –
Пойнтинга) для ЭМ поля в
линейных средах.
основные взаимодействия с
веществом; волновое уравнение; закон сохранения
заряда и закон сохранения
энергии и импульса (вектор
Умова – Пойнтинга) для ЭМ
поля в линейных средах.
Знает: основные взаимодействия с веществом; волновое
уравнение; закон сохранения
заряда и закон сохранения
энергии и импульса (вектор
Умова – Пойнтинга) для ЭМ
поля в линейных средах.
лекции,
практические
занятия,
самостоятельная
работа
Оценочные средства
рефераты;
контрольные работы; вопросы для
сдачи
экзамена.
15
Коды компетенции
Формулировка компетенции
Результаты обучения по уровням освоения материала
Виды
занятий
Результаты обучения в целом
минимальный
зики и электроники
Умеет: анализировать и самостоятельно решать стандартные задачи электродинамики;
оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или теоретических
методов исследований
Владеет: приемами и навыками решения конкретных
задач электродинамики; представлениями о свойствах
электронных
материалов;
навыками работы по исследованию структуры электромагнитного поля, проведению
расчетов основных характеристик линий передачи СВЧ.
Заведующий кафедрой радиофизики
поля в линейных средах.
анализировать и самостоятельно решать некоторые задачи электродинамики; оценивать степень достоверности результатов, полученных с
помощью экспериментальных методов исследований
приемами и навыками
самостоятельного решения некоторых задач
электродинамики; навыками самостоятельной
работы по исследованию
структуры электромагнитного поля, проведению расчетов основных
характеристик линий
передачи СВЧ.
базовый
Оценочные средства
повышенный
студен-
анализировать и самостоятельно решать основные
стандартные задачи электродинамики; оценивать степень
достоверности результатов,
полученных с помощью экспериментальных или теоретических методов исследований
приемами и навыками самостоятельного решения конкретных задач электродинамики; представлениями о
свойствах электронных материалов; навыками самостоятельной работы по исследованию структуры электромагнитного поля, проведению
расчетов основных характеристик линий передачи СВЧ.
тов.
анализировать и самостоятельно решать стандартные
задачи электродинамики;
оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или теоретических методов исследований
приемами и навыками самостоятельного решения конкретных задач электродинамики; представлениями о
свойствах электронных материалов; навыками самостоятельной работы по исследованию структуры
электромагнитного поля,
проведению расчетов основных характеристик линий передачи СВЧ.
В.А.Михеев
Протокол заседания кафедры радиофизики № 2 от 28.10.2011
16
Дополнения и изменения к рабочей программе на 2014 / 2015 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения: В п. 11.1. УМК – рабочей
программы по дисциплине «Физика и техника СВЧ», составленной для студентов направления 011800.62 «Радиофизика» очной формы обучения, вносятся следующие изменения:
1. Горелик, Г. С. Колебания и волны [Электронный ресурс] : учебное пособие /
Г. С. Горелик. - М.:
Физматлит,
2007.
- 656 с. Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=68389
2. Иродов, И. Е. Волновые процессы. Основные законы [Электронный ресурс] : учебное пособие / И. Е. Иродов. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 264 с. Режим
доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=95483
В п. 11.2. УМК – рабочей программы по дисциплине «Физика и техника СВЧ», составленной для студентов направления 011800.62 «Радиофизика» очной формы обучения,
вносятся следующие изменения:
1. Леденев, А. Н. Физика. В 5 кн. Кн. 4. Колебания и волны. Оптика [Электронный ресурс] : учебное пособие / А. Н. Леденев. - М.: Физматлит, 2005. - 256 с. Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=69234
2. Иродов, И. Е.. Волновые процессы: основные законы : учеб. пособие для студентов
физ. спец. вузов/ И. Е. Иродов. - 5-е изд., испр.. - Москва: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2010. - 263 с.
3. Зегря, Г. Г. Основы физики полупроводников [Электронный ресурс] / Г. Г. Зегря,
В. И. Перель.
М.:
Физматлит,
2009.
336
с.
Режим
доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=68394
4. Васильев, А. Г.. СВЧ транзисторы на широкозонных полупроводниках: учеб. пособие для студентов вузов, обуч. по напр. подготовки 210100 "Электроника
и наноэлектроника"/ А. Г. Васильев, Ю. В. Колковский, Ю. А. Концевой. - Москва:
Техносфера, 2011. - 256 с
5. Электроника / - М. : Техносфера, 2011. - № 4(110). - 117 с. - ISSN 0132-3784 ; То же
[Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=221001
6. Демиховский, В. Я.. Физика квантовых низкоразмерных структур/ В. Я. Демиховский, Г. А. Вугальтер. - Москва: Логос, 2000. - 248 с.
7. Известия Томского политехнического университета / под ред. В.А. Власов - Томск :
Томский политехнический университет, 2006. - Т. 309, № 6. - 256 с. - ISSN 1684-8519
;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=99212
Заведующий кафедрой радиофизики
В.А. Михеев
Протокол заседания кафедры радиофизики № 3 от 10.11.2014
17