Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры | УТВЕРЖДАЮ декан факультета ________________ |
Протокол от № 10 Заведующий кафедрой _____________________ |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Высокочастотная электродинамика»
Специальность 013900 (СД.04)
Направление 511500 (ОПД. Ф.05)
Разработчик:
доцент, канд. физ.-мат. наук ______________________
Рецензент:
профессор, доктор физ.-мат. наук __________________
Санкт - Петербург - 2003 г.
1. Организационно-методический раздел
1.1. Цель изучения дисциплины: Обучение студентов методам исследования электромагнитных полей, относящихся к диапазону сверхвысоких частот; подготовка к восприятию других дисциплин радиофизики.
1.2. Задачи курса: Изучение основных разделов высокочастотной электродинамики; обеспечение базы для выполнения лабораторных работ; развитие навыков самостоятельного решения практических задач.
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника:
Дисциплина “Высокочастотная электродинамика” является базовой в подготовке профессионального радиофизика и служит основой для изучения других радиофизических дисциплин.
1.4. Требования к уровню освоения дисциплины «Высокочастотная электродинамика»:
- знать содержание дисциплины «Высокочастотная электродинамика» и иметь достаточно полное представление о возможностях применения его разделов в различных прикладных областях науки и техники;
- уметь исследовать собственные волны в волноводах и замедляющих системах и собственные колебания в резонаторах, владеть методами учета конечной проводимости стенок металлических систем, исследовать проблемы возбуждения волноводов и резонаторов в соответствии с программой курса.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
| Всего аудиторных занятий | 54 ч. |
| из них: - лекций | 54 ч. |
| Самостоятельная работа студента | 50 ч. |
| Итого (трудоемкость дисциплины) | 104 ч. |
Изучение дисциплины по семестрам: |
| |
6 семестр: лекции - 54 ч., экзамен. |
| |
3. Содержание дисциплины
3.1. Темы дисциплины, их краткое содержание и виды занятий
6 семестр
I. Основные положения макроскопической электродинамики: 8 ч. лекций.
Уравнения Максвелла. Граничные условия. Материальные уравнения. Энергетические
соотношения. Уравнения поля и энергетические соотношения для
монохроматических процессов. Комплексная теорема Умова-Пойнтинга. Теоремы единственности для внутренних и внешних задач электродинамики. Принцип излучения. Принцип предельной амплитуды. Потенциалы электромагнитного поля.
Принцип перестановочной двойственности. Принцип поляризационной
двойственности.
II. Общая теория регулярных волноводов и резонаторов: 16 ч. лекций.
Цилиндрические волны. Волны поперечно-электрического (ТЕ)
и поперечно-магнитного (ТМ) типов в регулярных волноводах. Граничные
частоты. Фазовая и групповая скорости волн в волноводах.
Волноводы конкретных видов. Прямоугольный волновод. Граничные частоты и конфигурация поля для ТЕ и ТМ-типов волн, токи на стенках. Вырождение волн. Концепция Бриллюена.
Круглый волновод. Граничные частоты и конфигурация поля для ТЕ и ТМ-типов волн, токи на стенках. Вырождение волн. Коаксиальный волновод. Волноводные волны и кабельная волна.
Свободные колебания прямоугольного резонатора.
III. Возбуждение волноводов: 12 ч. лекций.
Лемма Лоренца. Теоремы взаимности. Понятие магнитного тока и магнитного диполя.
Ортогональность собственных векторных функций регулярного волновода. Энергетическая независимость собственных волн регулярного волновода.
Общая теория возбуждения бесконечного регулярного волновода. Возбуждение полубесконечного волновода. Возбуждение токами и щелями.
Расчет коэффициента возбуждения волны с наинизшей критической частотой
в прямоугольном волноводе (пример).
IV. Общая теория волноводов и резонаторов с учетом конечной
проводимости стенок: 12 ч. лекций.
Приближенные граничные условия Леонтовича. Скин-эффект.
Влияние конечной проводимости стенок волновода на затухание поля.
Возможность аномальной зависимости затухания от частоты при колебаниях
ТЕ-типа в круглом волноводе.
Расчет коэффициента затухания волны с наинизшей критической частотой
в прямоугольном волноводе (пример).
Влияние конечной проводимости стенок на свободные колебания резонатора.
V. Медленные волны: 6 ч. лекций.
Замедление диэлектрической пластиной. Поверхностные волны. Коэффициент замедления. Гребенчатые замедляющие системы.
Симметричная волна в спиральном волноводе.
3.2. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы:
· Комплексные амплитуды.
· Координата разделения.
· Принцип перестановочной двойственности.
· Поперечно-электрический (
) и поперечно-магнитный (
) типы решений уравнений Максвелла.
· Распространяющиеся и местные волны в регулярных волноводах.
· Критические частоты.
· Фазовая и групповая скорости распространяющихся волн.
· Концепция Бриллюена в прямоугольном волноводе.
· Основные свойства 
волны в коаксиальном волноводе.
· Собственные частоты волноводных резонаторов.
· Теоремы взаимности.
· Понятие магнитного тока и магнитного диполя.
· Общие принципы возбуждения бесконечного регулярного волновода.
· Возбуждение токами и щелями.
· Приближенные граничные условия Леонтовича.
· Понятие сильного скин-эффекта.
· Коэффициенты затухания и волн.
· Медленные волны. Поверхностные волны.
· Коэффициент замедления волн в диэлектрической пластине.
· Коэффициент замедления волн в гребенчатой структуре.
· Коэффициент замедления симметричной волны в спиральном волноводе.
3.3. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу
· Уравнения Максвелла для монохроматических процессов. Связь между комплексными амплитудами и энергетическими характеристиками полей.
· Потенциалы электромагнитного поля.
· Принцип перестановочной двойственности.
· Принцип поляризационной двойственности.
· Волны поперечно-электрического () и поперечно-магнитного () типов в регулярных волноводах с идеально проводящими стенками.
· Связь векторов поля и граничных условий с мембранными и волновыми функциями.
· Распространяющиеся и местные волны в регулярных волноводах. Критические частоты.
· Энергетические свойства распространяющихся и местных волн в регулярных волноводах.
· Фазовая и групповая скорости распространяющихся волн.
· Поперечно-магнитные волны в прямоугольном волноводе. Мембранные функции и критические частоты. Электрические и магнитные силовые линии волн 
и 
.
· Поперечно-электрические волны в прямоугольном волноводе. Мембранные функции и критические частоты. Электрические и магнитные силовые линии волн 
и 
.
· Концепция Бриллюена (на примере волны в прямоугольном волноводе).
· Поперечно-магнитные волны в круглом волноводе. Мембранные функции и критические частоты. Электрические и магнитные силовые линии волн 
и 
· Поперечно-электрические волны в круглом волноводе. Мембранные функции и критические частоты. Электрические и магнитные силовые линии волн 
и .
· Структура электрического и магнитного полей в коаксиальном волноводе. Волноводные волны и (кабельная) волна.
· Собственные частоты волноводных резонаторов. Основные колебания в прямоугольном резонаторе.
· Лемма Лоренца и теоремы взаимности.
· Понятие магнитного тока и магнитного диполя.
· Условие ортогональности и норма собственных волн регулярного волновода. Физический смысл этих понятий.
· Связь условия ортогональности и нормы собственных волн регулярного волновода с условием ортогональности и нормой мембранных функций.
· Возбуждение бесконечного регулярного волновода (поля вне области, занятой токами) .
· Возбуждение бесконечного регулярного волновода (поля в области, занятой токами).
· Общие принципы возбуждения бесконечного регулярного волновода.
· Возбуждение токами и щелями.
· Коэффициент возбуждения волны в прямоугольном волноводе.
· Возбуждение полубесконечного волновода.
· Приближенные граничные условия Леонтовича. Понятие сильного скин-эффекта.
· Учет конечной проводимости стенок регулярного волновода. Коэффициенты затухания и волн.
· Зависимость коэффициентов затухания и волн от частоты.
· Расчет коэффициента затухания волныв прямоугольном волноводе.
· Влияние конечной проводимости стенок на свободные колебания резонатора.
· Замедление волн диэлектрической пластиной.
· Замедление волн гребенчатой структурой.
· Симметричная волна в спиральном волноводе.
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, слайд - фильмов, кино и видео – фильмов
Компьютерный вариант некоторых разделов курса.
4.2. Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы.
4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и контроля
Стандартно оборудованные лекционные аудитории.
4.4. Литература
1. "Электромагнитные волны". М., Радио и связь, 1988.
2. "Высокочастотная электродинамика". М., Наука, 1966.
3. Никольский и распространение радиоволн. М., Наука,
1973.
4. Леонтович труды. Теоретическая физика. М., Наука, 1985.
5. , Лифшиц сплошных сред. М., Наука, 1982.
6. Гинзбург электромагнитных волн в плазме. М., Наука, 1967.
7. Теория волноводов. Методы решения волноводных задач. М., Радио и связь, 1981.
