Декан АВТФ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан АВТФ
В.В.Губарев
“___ ”______________20
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине “Антенны и СВЧ устройства СБЛ”
для студентов, обучающихся по специальности 210800
“Автономные информационные и управляющие системы”
Факультет
автоматики и вычислительной техники
Кафедра
автономных систем и информационной безопасности
Курс 4
Семестр 7,8
Лекции 7 сем. 34 час., 8 сем. 17 час.
Практические занятия 8 сем. 17 час.
Лабораторные работы 7 сем. 34 час., 8 сем. 17 час.
РГР 8 семестр
Курсовая работа 8 семестр.
Самостоятельная работа 63 час.
Зачет 7 семестр
Экзамен 8 семестр
Всего часов 182
2004 г.
г.
Рабочая программа относится к дисциплине национально-регионального
компонента по выбору студента по специальности 210800 «Автономные информационные и управляющие системы» и составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования № 26 ТЕХ/ДС от 10.03.2000 г.
Регистрационный номер ___тех/бак
Цикл ____
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры АСИБ, протокол № __
от «___» ______ 2004 г.
Программу составили
к.т.н., с.н.с.
В.Б. Ромодин
Ст. преподаватель
Л.В. Шебалкова
Заведующий кафедрой
д .т.н., доцент
Ответственный за основную
образовательную программу
В.Н. Легкий
1.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КУРСА
В основу курса “Электродинамика и антенно-фидерные устройства” положены следующие принципы:
 курс входит в число дисциплин, включенных в учебный план направления по решению Ученого Совета ВУЗа;
 основной целью курса является формирование у студента представления о роли и месте антенно-фидерного тракта в составе сложной радиотехнической системы, закрепление умений и навыков расчетной
оценки и измерения основных параметров антенн и СВЧ устройств;
 ядро курса составляют основные понятия прикладной электродинамики, составляющие основу современных методик проектирования антенн и устройств СВЧ, применяемых в автономных информационных
и управляющих системах (АИУС), в том числе в системах ближней
радиолокации.
 для успешного изучения курса студенту необходимо знать основы
векторной алгебры и теории поля, теорию электромагнитного поля,
уравнения Максвелла;
 в курсе выделены два основных раздела: 1) уравнения Максвелла и
основные понятия прикладной электродинамики; 2) методы расчета и
измерения параметров основных типов антенно-фидерных устройств
СВЧ диапазона, применяемых в АИУС;
 в курсе закрепляются умения студента на основе анализа заданных
технических требований грамотно производить выбор типа антенны и
фидерной линии, производить расчет и измерение параметров антенно-фидерной системы, предназначенной для работы в составе заданной АИУС;
 курс имеет практическую часть (практические занятия - 17 часов, лабораторные работы – 51 час, расчетно-графическое задание - 17 часов,
курсовой проект 34 часа). Студенты применяют теоретические знания,
полученные в лекционной части курса, для анализа конкретных антенно-фидерных устройств, проводят измерения параметров на соответствующем оборудовании;
 для проведения лабораторных работ и практических занятий используются методические указания, применяется следующее оборудование: измерители комплексных коэффициентов передачи и отражения
Р4-38 и Р4-11, измерительные линии Р1-4, анализаторы спектра С427, генераторы СВЧ диапазона Г-111, Г-80, компьютеры.
 оценка знаний и умений студентов проводится с помощью зачета (7
семестр) и экзамена (8 семестр), билеты содержат 54 вопроса по основным темам курса.
2. ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА
(ГОС) ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 210800 «АВТОНОМНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ»
для специалиста по направлению подготовки «Автоматизация и управление»,
утвержденного 10.03.2000 г..
1.4.5. Квалификационные требования
Для решения профессиональных задач инженер:
 подготовлен к участию во всех фазах исследования, проектирования,
разработки, изготовления и эксплуатации средств и систем
автоматизации и управления;
 готов к участию в научных исследованиях и выполнению технических
разработок в своей профессиональной области.
Инженер должен знать:
 технологию проектирования, производства и эксплуатации средств и
систем автоматизации и управления;
 технические характеристики и экономические показатели отечественных
и зарубежных образцов программно-технических комплексов систем
автоматизации и управления;
 современные средства вычислительной техники, коммуникаций и связи;
7.1. Требования к профессиональной подготовленности выпускника
Инженер по автоматизации и управлению должен
ЗНАТЬ:
 современные тенденции развития средств и систем автоматизации и
управления;
 принципы, методы и способы комплексирования аппаратных и
программных средств при создании систем автоматизации и управления;
УМЕТЬ:
 строить математические модели технических систем;
 разрабатывать алгоритмическое и программное обеспечение систем
автоматизации и управления объектами различной физической природы;
 разрабатывать нестандартные компоненты систем автоматизации,
организовывать производства новых программных и технических средств
автоматизации;
 использовать
математическое
моделирование
и
системы
автоматизированного проектирования при создании и совершенствовании
программно- технических средств и систем автоматизации и управления;
3. ЦЕЛИ КУРСА
НоСодержание цели
мер
цели
Студент должен иметь представление:
1
о методах решения краевых задач для уравнений Максвелла
2
о методах решения задач возбуждения резонаторов и волноводов
СВЧ диапазона
3
об основных тенденциях развития теории и техники антенн и линейных СВЧ устройств, применяемых в АИУС
Студент должен знать:
4
уравнения Максвелла и основные принципы и теоремы прикладной
электродинамики
5
основные параметры антенн, методы их расчета и измерения
6
методы расчета и измерения параметров основных линий передачи
СВЧ диапазона
Студент должен уметь:
7
на основе анализа заданных технических требований производить
выбор требуемого типа антенны и фидерной линии
9
производить расчет антенно-фидерной системы
10 производить измерение электропараметров антенно-фидерной
системы, предназначенной для работы в составе заданной АИУС
4.СТРУКТУРА КУРСА
Раздел 1: Уравнения Максвелла и основные понятия прикладной электродинамики
Уравнения
Максвелла
Граничные условия,
волновые уравнения
Внутренняя и внешняя граничные задачи электродинамики
Плоские электромагнитные волны
Направляемые
электромагнитные
волны
Объемные
резонаторы
Излучение электромагнитных волн заданными
источниками
Раздел 2: Методы расчета и измерения параметров антенно-фидерных устройств
СВЧ диапазона
Электродинамические основы теории АФУ СВЧ
Уравнение идеальной радиопередачи.
Уравнение радиолокации
Направленность
системы излучателей
Антенна в
режиме радиопередачи
Антенна
в
режиме радиоприема
Измерение
параметров
антенн СВЧ
Линейные излучатели
Вибраторные
антенны
Антенны
бегущей волны
Волноволнощелевые
антенны
Микрополосковые
антенны
Типы линий
передачи
СВЧ
Антенные
системы
специального назначения
Плоские излучатели
Апертурные
антенны
Измерение параметров линий передачи
СВЧ
Сканирующие
антенны СВЧ
Антенные
решетки
ФАР
Антенны нелинейных радиолокаторов
Антенны с частотным сканированием
Антенны
осевого
излучения
5. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Ссылки Часы Темы лекционных занятий
на цели
курса
20
Электродинамика (7 семестр)
1,4
2
Введение.
Предмет и задачи курса. Математический аппарат электродинамики
1,4
4
Основные уравнения электродинамики.
Уравнение Максвелла и их взаимосвязь. Уравнение непрерывности. Волновой характер электромагнитного поля. Баланс энергии электромагнитного поля. Теорема и вектор
Пойнтинга. Граничные условия для электромагнитного поля.
1,4
4
Плоские электромагнитные волны .
Монохроматические волны. Метод комплексных амплитуд в электродинамике.
Плоские однородные волны. Характеристики плоских однородных волн в различных средах (идеальной диэлектрической, в диэлектрике с потерями, в проводящей среде).
Отражение и преломление плоских волн. Законы геометрической оптики и формулы Френеля. Угол Брюстера. Явление полного внутреннего отражения и плоские неоднородные волны. Граничные условия Леонтовича.
1,2,4
6
Электромагнитные волны в направляющих системах .
Направляющие системы и направляемые волны. Типы
направляющих систем. Типы направляемых волн. Теорема
о связи поперечных и продольных компонент поля.
Полые волноводы. Типы волн в полом волноводе прямоугольного и круглого сечений. Дисперсия волн в волноводе. Волна Н10 в прямоугольном волноводе. Понятие о поглощении волн в волноводах. Понятие о волноводах сложного сечения.
Линии передачи с Т-волнами. Связь электродинамических
и электротехнических характеристик Т-волн. Особенности
полей в сечениях коаксиальной полосковой и микрополосковой линий. Затухание в линиях с Т-волнами.
1,2,4
2
1,3,5,9
2
Объемные резонаторы.
Общие свойства электромагнитных полей в объемных резонаторах. Типы полей в простейших резонаторах (прямоугольном, цилиндрическом, квазистационарном).
Излучение электромагнитных волн.
Излучение переменных токов. Электродинамические потенциалы токов. Поле излучения диполя Герца.
Излучение магнитных диполей. Излучение малой рамки с
током. Принцип двойственности. Понятие магнитного тока.
Излучение эквивалентных поверхностных токов. Принцип
эквивалентности. Поле элементарных площадок с эквивалентными токами (магнитным и электрическим). Поле
элемента Гюйгенса.
31
Антенно-фидерные устройства (7 семестр, 14 часов, 8 семестр, 17 часов)
3,5,7
8
Общие вопросы теории антенн.
Антенна в режиме радиопередачи. Поле излучения антенны в дальней зоне. Характеристики поля излучения (амплитудная, поляризационная, фазовая). Действующая длина. Мощность и сопротивление излучения антенны. Коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент
усиления (КУ) антенн. Связь КНД, сопротивления излучения и действующей длины. Входное сопротивление антенны. Метод наведенных ЭДС.
Антенна в режиме приема. Уравнения для связанных антенн. Взаимные, вносимые и полные сопротивления (импедансы). Принцип взаимности и принцип обратимости.
ЭДС, наводимая в приемной антенне. Понятие о шумовых
характеристиках антенн.
Уравнение идеальной радиопередачи. Уравнение радиолокации.
3,5,7,9
5
Направленность системы излучателей (5 часов).
Линейные излучатели. Линейная непрерывная антенна с
равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением. Диаграмма направленности (ДН) и КНД антенны в зависимости от величины коэффициента замедления.
Оптимальные соотношения для КНД. Линейная антенная
решетка (АР) с равномерным амплитудным и линейным
фазовым распределением. Влияние шага решетки на ДН,
КНД. Понятие о синтезе линейного излучателя. Возможности использования ЭВМ.
Плоские излучатели. Метод эквивалентного линейного излучателя. ДН, КНД и коэффициент использования площади (КИП) плоских апертур АР. Влияние структуры плоской АР на характеристики ДН при сканировании.
3,5,7,9
10
Типы антенн СВЧ.
Вибраторные антенны. Типы, характеристики, способы
питания.
Рамочные антенны. Типы, характеристики, способы питания.
Щелевые антенны. Возбуждение одиночных щелей. Волноводно-щелевые антенны.
Микрополосковые антенны. Типы, характеристики, способы питания.
Антенны бегущей волны. Типы, характеристики, способы
питания.
Апертурные антенны. Рупоры (типы, характеристики, питание). Зеркальные и линзовые антенны (типы зеркальных
и линзовых антенн).
Сканирующие антенны. Антенны с частотным сканированием (типы). Фазированные антенные решетки (ФАР), типы и способы построения. Роль эффектов взаимного влияния. Возможности использования ЭВМ.
3,5,7,9
4
Антенные системы специального назначения .
Специфика работы антенн систем ближней локации. Понятие «суммарной» диаграммы направленности антенной
системы СБЛ.
Нелинейная радиолокация, общие понятия. Требования к
антеннам НРЛ.
Антенны радиолучевых систем охраны периметра.
Антенны радиолокаторов, работающих за преградами (системы обнаружения мин, «полицейские» радиолокаторы).
6,10
2
2,6,10
2
Антенные измерения .
Измерения в дальней зоне. Полигонные измерения. Измерения в закрытых помещениях. Безэховые камеры.
Измерения в ближней зоне. Структура стенда измерения
амплитудно-фазового распределения. Методы восстановления ДН антенн по результатам измерений в ближней
зоне.
Линии передачи СВЧ .
Нормированное описание обобщенной линии передачи
СВЧ.
Типы линий. Технические характеристики. Выбор типа
линий.
Темы практических занятий
Ссылки на
цели курса
5,7,9
5,7,9
5,7,9
Часы Темы
5,7,9
5,7,9
5,7,9
5,7,9
5,7,9
2
2
2
2
3
2
2
2
ДН и КНД линейной антенны
ДН и КНД линейной антенной решетки
Синтез ДН специальной формы методом парциальных диаграмм
Расчет резонансной волноводно-щелевой антенны
Расчет нерезонансной волноводно-щелевой антенны
Расчет ДН и КНД рупорных антенн
Расчет микрополоскового излучателя
Расчет плоской микрополосковой антенной решетки
Деятельность студента. Решая задачи, студент:
-использует соответствующие методические материалы, представляющие собой
макет расчета задачи в системе MathCAD
-программирует задачу в среде MathCAD
-производит расчет при различных исходных данных
-анализирует и оценивает полученные результаты
Темы лабораторных работ
7 семестр, 34 час.
Ссылки на Часы Темы
цели курса
6,10
4
Исследование структуры электромагнитного поля в
прямоугольном волноводе
6,10
4
Исследование элементов волноводного тракта
6,10
4
Электромагнитные поля элементарных излучателей
2,6,10
4
Практическое применение объемных резонаторов
1,2,6
4
Моделирование направляющих систем
1,2,6
4
Моделирование элементов фидерных линий
1,3,5
4
Моделирование микрополосковых антенных решеток
1,3,5
6
Моделирование волноводно-щелевых антенных решеток
8 семестр, 17 час.
Ссылки
Чана цели сы
курса
3,5,10
4
Темы
Измерение входных характеристик антенн различных
типов
3,5,10
4
Измерение ДН и КУ пирамидального рупора
3,5,10
4
Антенны эллиптической поляризации
3,5,10
5
Методы антенных измерений
Деятельность студента. Выполняя лабораторную работу, студент:
- изучает конструкцию, принципы действия антенн, объемных резонаторов и
элементов СВЧ тракта, распространение электромагнитных волн и распределение поля в СВЧ тракте;
- проводит измерение S – параметров и диаграмм направленности антенн
различных типов;
- проводит моделирование направляющих систем различных типов (волновод, коаксиальная линия, микрополосковая линия), элементов тракта (волноводно-коаксиальные переходы, волноводно-микрополосковые переходы,
микрополосковые делители мощности) и антенн (рупорная, микрополосковый излучатель, микрополосковая антенная решетка, волноводно-щелевая
антенная решетка) с помощью Agilent High Frequency Structure Simulator 5.6,
позволяющего рассчитывать S-параметры, поля в любом сечении структуры, диаграммы направленности антенн, коэффициенты направленного действия и коэффициенты усиления;
- анализирует полученные данные,
- оформляет итоговый отчет (схемы измерений, таблицы измеренных значений, графики, выводы),
- защищает выполненную работу, отвечает на контрольные вопросы.
Темы для курсовых работ
Ссылки на
цели курса
3,5,7,9
3,5,7,9
3,5,7,9
3,5,7,9
3,5,7,9
3,5,7,9
Часы Темы
3,5,7,9
3,5,7,9
3,5,7,9
3,6,9
34
34
34
34
34
34
34
34
34
34
Синфазная волноводно-щелевая антенна
Волноводно-щелевая антенна бегущей волны
Прямоугольный микрополосковый излучатель
Круглый микрополосковый излучатель
Кольцевой микрополосковый излучатель
Синфазная антенна на микрополосковых излучателях
Микрополосковая антенна круговой поляризации
Рупорная антенна
Вибраторная антенна
Делитель мощности для антенной решетки
Темы расчетно- графических работ соответствуют темам курсовых работ.
Деятельность студента. Выполняя РГР задачи, студент:
- выбирает метод расчета соответствующей антенны;
- рассчитывает электропараметры антенны;
- анализирует полученные результаты;
-выводит результаты расчетов в виде двумерных и трехмерных графиков и таблиц;
-составляет расчетно-пояснительную записку объемом 5-10 м.п. листов.
Выполняя курсовую работу, студент:
- оценивает назначение антенны в составе радиотехнической системы;
- рассматривает основные требования, предъявляемые к антенным устройствам;
- перечисляет особенности, достоинства и недостатки рассматриваемой антенны;
- выбирает метод расчета соответствующей антенны;
- рассчитывает электропараметры антенны;
- анализирует полученные результаты;
-выводит результаты расчетов в виде двумерных и трехмерных графиков и таблиц;
- описывает технологию изготовления и применяемые специальные материалы;
-составляет расчетно-пояснительную записку объемом 10-15 м.п. листов.
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
6.1. Литература.
6.1.1. Основная литература.
6.1.1.1. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие.-М.: Наука, 1973 г.
6.1.1.2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для вузов.-М: Высшая
школа, 1988г.
6.1.1.3. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник для вузов.-: Энергия, 1975
г.
6.1.2. Дополнительная литература.
6.1.2.1. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов по направлению "Радиотехника" /Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, В.С. Филиппов, Р.А. Грановская; Ред. Д.И. Воскресенский; Под ред. Воскресенского Д.И. - 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Радиотехника,
2003.- 629 с.: ил.
6.1.2.2. Антенны и устройства СВЧ: [Учебник для вузов по направлению "Радиотехника"] /Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев;
Моск. гос. авиац. ин-т (техн. ун-т); Под ред. Воскресенского Д.И. - М.: МАИ,
1999.- 526 с.: ил. - ISBN 5-7035
6.1.2.3. Электродинамический расчет характеристик излучения полосковых антенн /Б.А. Панченко, С.Т. Князев, Ю.Б. Нечаев, В.И. Николаев; ]. - М.: Радио и
связь, 2002.- 253 с.
6.1.2.4. Антенны и устройства СВЧ: Проектирование фазированных антенных
решеток / Д.Н. Воскресенский, В.А. Гостюхин и др. Под ред. Д.И. Воскресенско-
го, -М.: Радио и связь, 1981 г.
6.1.2.5. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Радио и связь, 1983 г.
6.1.2.6. Сазонов Д.М. и др. Устройства СВЧ: Учебное пособие /Под редакцией
Д.М. Сазонова.-М.: Высшая школа, 1981 г.
6.1.2.7. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств
/С.И. Бахарев, В.И. Вольман и др., под ред. В.И. Вольмана.-М.: Радио и связь,
1982 г.
6.2.Перечень сборников задач и методических материалов.
6.2.1. Ромодин В.Б., Шебалкова Л.В. Методическое руководство к лабораторным
работам по курсу «Электродинамика и антенно-фидерные устройства СБЛ» для
студентов 4 курса АВТФ специальностей 210800 и 075500.- Новосибирск, НГТУ,
2002.
7. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И СИСТЕМА ОЦЕНКИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СТУДЕНТА
Для допуска к зачету студент должен выполнить и защитить лабораторные работы 7 семестра, для допуска к экзамену студент должен выполнить и защитить
лабораторные работы 8 семестра, принять участие в практических занятиях, выполнить РГР и курсовую работу
Перечень контрольных вопросов по курсу
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
7.7.
7.8.
7.9.
7.10.
7.11.
7.12.
7.13.
7.14.
7.15.
7.16.
7.17.
7.18.
7.19.
7.20.
7.21.
Векторы электромагнитного поля.
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме.
Уравнения Максвелла в интегральной форме.
Статические и стационарные поля.
Уравнение непрерывности, закон сохранения заряда.
Граничные условия для векторов электромагнитного поля.
Уравнение Максвелла в комплексной форме.
Баланс энергии электромагнитного поля.
Вектор Пойнтинга.
Однородные волноводные уравнения.
Характеристики плоских однородных волн в различных средах.
Поляризация электромагнитных волн.
Нормальное падение плоской волны на границу раздела.
Наклонное падение волны на границу раздела двух сред.
Явление полного внутреннего отражения.
Приближенные граничные условия Леонтовича.
Волновые уравнения для направляемых волн.
Типы направляемых волн.
Теорема о связи поперечных и продольных компонент поля.
Типы волн в полом волноводе прямоугольного и круглого сечений.
Волна Н/0 в прямоугольном волноводе.
7.22. Особенности полей в сечениях линий передачи с Т-волнами.
7.23. Характеристики электромагнитных волн в замедляющих системах.
7.24. Типы полей в простейших объемных резонаторах.
7.25. Приближение Кирхгофа в теории дифракции.
7.26. Квазистационарное приближение в теории рассеяния.
7.27. Векторный и скалярный электродинамические потенциалы.
7.28. Излучение поля Герца.
7.29. Принцип перестановочной двойственности уравнений Максвелла.
7.30. Поле элементарного магнитного излучателя.
7.31. Поле элемента Гюйгенса.
7.32. Ближняя, промежуточная, дальняя зоны излучения.
7.33. Амплитудная, поляризационная, фазовая характеристики поля из; учения.
7.34. Сопротивление излучения, КНД, КУ, действующая длина, эффективная
поверхность антенны.
7.35. Входное сопротивление антенны. Метод наведенных ЭДС.
7.36. Взаимные, вносимые и полные сопротивления, шумовые характеристики антенны.
7.37. Диаграмма направленности и КНД непрерывного линейного излучателя.
7.38. Влияние амплитудного и фазового распределения на характеристики
антенны.
7.39. Направленные свойства линейной антенной решетки.
7.40. Методы синтеза линейных излучателей.
7.41. Диаграмма направленности, КНД и КИП плоских апертур и плоских
антенных решеток.
7.42. Влияние структуры плоской АР на характеристики направленности при
сканировании.
7.43. Вибраторные антенны.
7.44. Рамочные антенны.
7.45. Щелевые антенны. Волноводно-щелевые антенны.
7.46. Сканирование в волноводно-щелевых антеннах.
7.47. Конструкции и способы возбуждения одиночных печатных излучателей.
7.48. Направленные свойства и поляризация печатных антенн. Печатные антенные решетки.
7.49. Антенны бегущей волны. Типы, характеристики, способы питания.
7.50. Рупорные антенны. Типы, характеристики, способы питания.
7.51. Типы и направленные свойства зеркальных и линзовых антенн.
7.52. Плоские фазированные антенные решетки. Типы, способы питания.
7.53. Типы линий передачи СВЧ и их электрические характеристики.
7.54. Способы описания режима линии передачи конечной длины с помощью нормированных амплитуд.