Открыт сбор заявок на конкурс для назначения специальных стипендий для аспирантов НИУ ВШЭ (за исключением АШ по экономике) и именной стипендии Е.Т. Гайдара аспирантам АШ по экономике (2024 год).

Delivered by:: School of Electronic Engineering

Type:: Elective course

When:: 2 year, 1 semester

Instructor

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Дисциплина "Антенны, СВЧ устройства и их технологии" направлена на обучение аспирантов общей теории антенн и СВЧ устройств, принципам, теоремам и основным уравнениям для решения внутренних и внешних задач электродинамики, физическим особенностям распространения и излучения электромагнитных волн, теории и конструктивным элементам линий передач и направляющим системам СВЧ диапазона, резонаторам и фильтрам СВЧ, твердотельным, полупроводниковым и электровакуумным СВЧ приборам, проектированию и оптимизации антенн и СВЧ устройств с использованием современных компьютерных технологий. Особое внимание уделяется изучению методов моделирования, а также применению средств вычислительной техники для анализа и синтеза при исследовании и разработке конкретных антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи, работающих на различных физических принципах.

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины является подготовка к сдаче и сдача кандидатского экзамена по специальности в соответствии с научной специальностью подготавливаемой научно-квалификационной работы (диссертации). Задачами освоения дисциплины являются обучение аспирантов вопросам общей теории антенн и СВЧ устройств, принципам, теоремам и основным уравнениям для решения внутренних и внешних задач электродинамики, физическим особенностям распространения и излучения электромагнитных волн, теории и конструктивным элементам линий передач и направляющим системам СВЧ диапазона, резонаторам и фильтрам СВЧ, твердотельным, полупроводниковым и электровакуумным СВЧ приборам, проектированию и оптимизации антенн и СВЧ устройств с использованием современных компьютерных технологий.

Планируемые результаты обучения

Знать: перспективные методы исследования антенн и СВЧ устройств и их применение в научно-исследовательской деятельности
Знать: современные образовательные технологии, методы и средства обучения с целью обеспечения планируемого уровня профессионального развития обучающегося
Знать: методы моделирования антенн и СВЧ устройств для разработки и эксплуатации электронных и радиотехнических систем и систем связи
Знать: перспективы развития антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи, а также передовые технологии в развитии этих систем в научно-исследовательских работах
Знать: методы создания теоретических и математических моделей антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи
Знать: методы математической обработки результатов экспериментальных исследований
Знать: методы анализа и синтеза при исследовании и разработке конкретных антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических устройств и систем связи, работающих на различных физических принципах.
Уметь: выполнять теоретические и экспериментальные исследования антенн и СВЧ устройств с использованием современных программных комплексов
Уметь: организовывать работу исследовательского коллектива в профессиональной деятельности
Уметь: планировать, осуществлять и оценивать учебно-воспитательный процесс в образовательных организациях высшего образования, разрабатывать комплексное методическое обеспечение преподаваемых учебных дисциплин (модулей); использовать результаты научно-исследовательской деятельности в производстве и учебном процессе
Уметь: формулировать перспективные задачи исследования на основе прогнозов направления развития антенн, СВЧ устройств и их технологий для электронных и радиотехнических систем и систем связи
Уметь: использовать передовые отечественные и зарубежные достижения в области электроники, радиотехники и систем связи при проведении научных исследований и разработки перспективных систем и устройств на их основе
Уметь: проводить теоретический анализ электромагнитной совместимости антенн и СВЧ устройств для радиоэлектронной аппаратуры и систем связи с окружающей электромагнитной средой
Владеть: современными методами математического моделирования конкретных антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических устройств и систем связи, работающих на различных физических принципах
Владеть: методологией теоретических и экспериментальных исследований антенн и СВЧ устройств для радиотехнических и телекоммуникационных систем, устройств и компонентов
Владеть: информационно-коммуникационными технологиями при проведении научных исследований в области электроники, радиотехнических систем, устройств и их элементов, радиоматериалов и компонентов
Владеть: методами выбора экспериментально-измерительной базы при проведении научных исследований и проектных работ при создании антенн и СВЧ устройств для электронных и радиотехнических систем и систем связи
Владеть: методами электродинамического анализа и синтеза перспективных антенн и СВЧ устройств
Владеть: технологией внедрения результатов научно-исследовательской и проектной деятельности в производство на предприятиях соответствующего профиля и в учебный процесс

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Основные принципы, задачи и уравнения электродинамики
Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной форме. Уравнения Максвелла для нестационарных и монохроматических полей. Уравнение непрерывности. Перестановочная инвариантность уравнений Максвелла. Классификация сред. Стационарные электромагнитные поля. Электро- и магнитостатика. Волновые уравнения и уравнения Гельмгольца. Граничные условия. Энергия электромагнитного поля. Теорема Умова-Пойнтинга. Векторные и скалярные потенциалы электромагнитного поля. Внутренние и внешние задачи электродинамики. Теорема единственности. Теорема взаимности. Теорема эквивалентности. Принцип двойственности. Метод эквивалентных электрических и магнитных токов поляризации. Принцип электродинамического подобия.
Тема 2. Распространение и излучение электромагнитных волн. Антенны и излучатели
Плоские электромагнитные волны в однородной изотропной среде и в изотропной среде с потерями. Поляризация электромагнитных волн. Электромагнитные процессы на границе раздела сред. Преломление волн на границе с гиротропной средой. Поле источника, расположенного на Земле (задача Зоммерфельда). Формула Шулейкина-Ван-Дер-Поля. Поле источника, поднятого над Землей. Интерференционные формулы. Квадратичная формула Введенского. Критерий Рэлея для гладкой поверхности. Основные методы расчета поля на пересеченной местности. Основные задачи теории антенн. Излучение элементарного электрического и магнитного вибраторов, элементарного щелевого вибратора, источника Гюйгенса. Особенности распространения радиоволн и конструкций антенн сантиметрового, миллиметрового и оптического диапазонов.
Тема 3. Направляющие системы. Волноводы
Общий метод исследования собственных волн регулярных линий передачи. Характеристики волн в линиях передачи. Особенности некоторых направляемых волн. Прямоугольные волноводы. Круглые волноводы. Диэлектрические волноводы. Световоды. Коаксиальные линии. Полосковые и микрополосковые волноводы.
Тема 4. Резонаторы и фильтры СВЧ
Резонаторы с одним элементом связи. Явление резонанса. Резонаторы бегущей волны. Эквивалентные схемы резонатора с одним элементом связи. Добротность резонаторов. Волноводные, коаксиальные и полосковые резонаторы. Квазистационарные резонаторы. Открытые и квазиоптические резонаторы. Прототипы фильтров с оптимальными частотными характеристиками. Замены частотной переменной при расчетах фильтров. Применение отрезков линий передачи в фильтрах СВЧ. Фильтры СВЧ с четвертьволновыми связями на диэлектрических резонаторах.
Тема 5. Конструктивные элементы линий передач и трактов СВЧ
Соединение линий передач СВЧ. Изгибы и скрутки линий передач. Переходы между линиями передачи. СВЧ нагрузки. Делители мощности. Управляющие устройства СВЧ. Использование ферритов в СВЧ устройствах. Согласование антенн с передающими и приемными устройствами. Устройства согласования.
Тема 6. Численные методы электродинамики
Формулировка задач и этапы их решения. Классы внутренних задач электродинамики и их математическая формулировка. Программы численного решения внутренних задач электродинамики.
Тема 7. Теория электронных приборов и активных СВЧ устройств
Физические процессы в электронных приборах СВЧ. Особенности усиления, генерации и преобразования сигналов. Наведенные и конвекционные заряды и токи. Теорема Шокли-Рамо и ее следствия. Влияние пространственного заряда. Электровакуумные, полупроводниковые и твердотельные приборы СВЧ.
Тема 8. Матричное описание СВЧ устройств
Основные матрицы для описания СВЧ устройств. Принцип взаимности СВЧ устройств. Анализ устройств СВЧ методом декомпозиции и проекционным методом.
Тема 9. Электровакуумные приборы СВЧ
Физические особенности работы и конструктивное исполнение электровакуумных приборов СВЧ. СВЧ триоды и лучевые тетроды. Принципы статического и динамического управления электронным потоком. Электронные пушки. Пролетные и отражательные клистроны. Магнетронные генераторы. Усилители и генераторы на лампах бегущей (ЛБВ) и обратной волны (ЛОВ). Основы дифракционной электроники, оротрон. Приборы гиротронного типа, пениотрон. Параметрическое усиление. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Основы вакуумной микроэлектроники. Терагерцовые приборы и технологии.
Тема 10. Замедляющие системы и метаматериалы
Физические особенности и распространение волн в замедляющих системах. Соотношения между фазовой и групповой скоростями. Теорема Флоке. Волны электрического и магнитного типа, соотношения между составляющими поля волны. Параметры замедляющих систем и распределение поля. Методы измерения дисперсионных характеристик и сопротивления связи. Электродинамический метод расчета замедляющих систем. Выражения для проводимостей электрического и магнитного типа. Метод многопроводных линий и его развитие. Понятие волновой проводимости. Метод эквивалентных линий. Представление периодической замедляющей системы в виде цепочки четырехполюсников. Замена замедляющей системы однородной эквивалентной линией. Поперечная разность потенциалов и токи в проводниках эквивалентной линии. Выражения для параметров эквивалентной линии. Волновое сопротивление эквивалентной линии. Традиционное и нетрадиционное применение замедляющих систем и метаматериалов.
Тема 11. Твердотельные и полупроводниковые приборы СВЧ
Физические особенности работы и конструктивное исполнение твердотельных и полупроводниковых приборов СВЧ. Электронные процессы в полупроводниках. Понятие отрицательной электронной проводимости. Устройство и эквивалентная схема СВЧ диода. Детекторные и смесительные диоды. Диоды с управляемой емкостью, умножительные диоды и варикапы. Туннельные диоды. Переключательные диоды. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Диоды Ганна. Конструкции и параметры усилителей и генераторов на полупроводниковых и твердотельных приборах СВЧ. Биполярные и полевые СВЧ транзисторы. Эквивалентные схемы и частотные характеристики. СВЧ устройства на транзисторах.
Тема 12. Компьютерное моделирование и оптимизация СВЧ приборов и устройств на основе современных компьютерных технологий
Теоретические основы работы программы AWR Design Environment (Microwave Office). Формулировка электромагнитной задачи. Описание моделируемой структуры. Разбиение форм на ячейки. Формулировка и алгоритм метода моментов. Формирование матрицы моментов и ее численное решение. Теоретические основы работы программы HFSS. Дискретизация пространства. Вариационная формулировка метод конечных элементов. Базисные функции и интерполяционные формулы. Вывод и решение СЛАУ. Теоретические основы работы программы CST Microwave Studio. Метод конечного интегрирования и метод конечных разностей во временной области. Параметризация модели и ее оптимизация при проектировании трехмерных СВЧ устройств. Моделирование большеразмерных объектов методом интегральных уравнений. Визуализация и экспорт результатов анализа.

Элементы контроля

Реферат / презентация
Реферат пишется самостоятельно и докладывается с презентацией на практическом занятии. Возможна подготовка реферата и презентации на английском языке.
Экзамен
В ходе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: <b>ОПК-8, ОПК-9, ПК-3, ПК-4, ПК-5, ПК-6</b>
Практические занятия
Самостоятельная работа
Обучающиеся занимаются самостоятельной подготовкой к практическим занятиям и экзамену по заданным темам с использованием материалов лекций и рекомендованной литературы.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (I семестр)
0.25 * Практические занятия + 0.25 * Реферат / презентация + 0.5 * Экзамен

Antenns, UHF Devices and Technologies

Instructor

Программа дисциплины

Аннотация

Цель освоения дисциплины

Планируемые результаты обучения

Содержание учебной дисциплины

Элементы контроля

Промежуточная аттестация

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

Рекомендуемая дополнительная литература