НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

         “УТВЕРЖДАЮ”
       Декан факультета

“___ ”______________2006 г.

РАБОЧАЯ  ПРОГРАММА
по  дисциплине __УСТРОЙСТВА СВЧ И антенны_________________ 
для студентов, обучающихся по специальности (направлению) __________

210303 – бытовая радиоэлектронная аппаратура
номер и наименование специальности (направления)
Факультет_______радиотехники, электроники и физики_________________
Кафедра ____________________РПиРПУ____________________________
Курс ___________3_____________ Семестр ___________6__________________

Лекции _____12______ час.				Экзамен _____6 сем______
Лабораторные
занятия _____8______ час.				Зачет __________________
Контр. работы __________
Курсовая работа  _40 __час.
РГР _________________ час.				Самостоятельная 
Индивид. занятия ____ час.				работа ______110______ час.
Всего часов _____170_____

2006 г.
Рабочая программа составлена на основании __государственного образовательного  стандарта   высшего   профессионального  образования по направлению   210300 – радиотехника_______________________________
Индекс __№_ ГОС  152 тех/бак  от 17.03.2000 г.__________________________
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ___РПиРПУ___
Протокол  № ___   от    “____” ___октября___ 2006  г.

Программу составил:		     	                   Горбачев А.П.,  д.т.н., доцент
Ф. И. О., должность, уч. степень, звание

Заведующий кафедрой                                             Киселёв А.В.
Ответственный за основную
образовательную программу                                 Лявданский  С.Е.
Эксперт НМЦ                                   			   Лявданский  С.Е.

1. Особенности курса

•	Курс входит в федеральный компонент общепрофессиональных дисциплин направления. 
•	Целью курса изучение принципа действия устройств СВЧ, а также теории и техники антенных систем различного назначения.
•	Ядро курса составляют электродинамические задачи возбуждения, канализации, преобразования и излучения электромагнитных волн.
•	Для успешного изучения курса студенту необходимо: 
-	знать основы теории электричества и магнетизма, электростатику и магнитостатику в вакууме и веществе, уравнения Максвелла и математической физики;
-	в совершенстве владеть векторным анализом и методами теории функций комплексного переменного;
-	иметь прочные знания по дисциплине “Электродинамика и распространение радиоволн”. 
•	Курс имеет практическую часть (лабораторные занятия в лаборатории устройств СВЧ и антенн – 17 час). 

2. Требования государственного образовательного стандарта

                                           1.3.5. Квалификационные требования

      Для компетентного и ответственного решения профессиональных задач бакалавр:
-	изучает специальную литературу и другую научно-техническую информацию, достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области устройств СВЧ и антенн;
-	участвует в проведении  по заданной программе экспериментальных исследований устройств СВЧ и антенн различного назначения;
-	выполняет математическое моделирование устройств СВЧ и антенн по типовым методикам.
   Бакалавр должен знать:
-	действующие стандарты, положения и инструкции по эксплуатации оборудования, программам испытаний, оформлению технической документации;
-	технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных разработок в области техники СВЧ;
-	основное лабораторное оборудование и принципы его действия;
-	средства вычислительной техники для моделирования устройств СВЧ и антенн.

                   7.1. Требования к профессиональной подготовленности бакалавра

            Бакалавр по направлению подготовки “Радиотехника” должен:
-знать:
-	математический аппарат и численные методы, физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципа действия радиоэлектронных средств;
-	состав и возможности современных радиоэлектронных средств различного назначения;
-уметь применять:
-	методы исследования и проектирования радиоэлектронных средств;
-	методы измерений, стандартных испытаний и технического контроля качества продукции;
-	методы и компьютерные системы проектирования и исследования  радиотехнических устройств и систем. 
3. Цели курса

№
	
Содержание цели	
Студент будет иметь представление:	
1	о множестве задач возбуждения, канализации и излучения электромагнитных сигналов и методах их решения в зависимости от особенностей конкретной радиотехнической системы;
	
2	о различиях в подходах к решению вопросов излучения электромагнитных волн для волноводных, коаксиально-полосковых и диэлектрических структур;	
3	об основах теории излучения электромагнитных волн, интенсивно развиваемой в настоящее время;	
4	об основах моделирования волновых процессов в различных устройствах СВЧ.	
Студент будет знать:	
5	принципы двойственности и эквивалентности в теории антенн;	
6	сочетание методов электродинамики и теории цепей;	
7	типовые узлы и элементы антенно-фидерных трактов;	
8	методы расчета диаграмм направленности антенн и коэффициента их направленного действия;	
9	методы  расчета входного импеданса  устройств СВЧ и антенн;	
10	методы расчета параметров рассеяния устройств СВЧ;  	
Студент будет уметь:	
11	находить запаздывающие векторные электродинамические потенциалы;	
12	проводить кулоновскую калибровку векторного потенциала;	
13	пользоваться леммой Лоренца и теоремой взаимности;	
14	определять фазовый центр антенны любого типа;	
15	рассчитывать поляризационные характеристики антенн;	
16	находить входное сопротивление устройств СВЧ и антенн с целью обеспечения его согласования с источником сигнала;	
17	рассчитывать матрицу рассеяния многополюсного устройства СВЧ;	
18	пользоваться принципом декомпозиции и аппаратом волновых матриц;	
19	прогнозировать изменение характеристик устройств СВЧ и антенн при изменении параметров конструкционных материалов;	
20	выбирать способы обеспечения электрической прочности антенно-фидерных трактов;	
21	выдвигать и проверять гипотезы об условиях протекания токов проводимости и смещения в конкретных фрагментах устройств СВЧ и антенн;	
22	пользоваться системным подходом при постановке и решении задач излучения и дифракции электромагнитных волн;	
23	Представлять результаты решения отдельных задач, выполненную курсовую работу в удобной для восприятия форме с элементами рекламы и дизайна.	

4. Структура курса

1
	
Принципы функционирования устройств СВЧ и антенн	

2
	
Типовые узлы и элементы устройств СВЧ, принцип декомпозиции	

3
	
Аналитические методы анализа и синтеза антенн	

4
	
Типы  антенн	

5
	     
           Автоматизация проектирования устройств СВЧ и антенн	

5. Содержание курса

Ссылки на цели курса	
Часы	
Темы лекционных занятий	
1,2,6,
22	4	Принципы функционирования устройств СВЧ и антенн. Поля и волны в направляющих системах. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Объемные сторонние источники электромагнитного поля. 	
7,10,13
16,18,
21	14	Типовые узлы и элементы устройств СВЧ, принцип декомпозиции. Типы линий передачи СВЧ. Параметры линий передачи. Элементы трактов СВЧ. Согласованные нагрузки. Реактивные нагрузки. Изоляторы для коаксиального тракта. Сочленения линий передачи. Вращающиеся сочленения. Повороты и скрутки линий передачи. Отражающие элементы волноводных трактов (зазоры, штыри, диафрагмы, стыки и пр.).
 Многополюсники СВЧ. Матричное описание многополюсников. Соотношения между матрицами многополюсника. Идеальные и реальные волновые матрицы передачи и рассеяния. Условия обратимости, симметрии, унитарности.  Принцип декомпозиции. 
Четырехполюсные устройства СВЧ. Анализ каскадных четырехполюсников классической матрицей передачи (цепной  или А-матрицей). А-матрицы элементарных четырехполюсников.  Фильтрующие и согласующие цепи СВЧ. Фильтры-прототипы с максимально плоскими и равнопульсирующими (Чебышевскими) частотными характеристиками. Конструктивная реализация реактивных элементов фильтров-прототипов. Широкополосное согласование вещественных нагрузок с помощью реактивных четырехполюсников. Управляющие четырехполюсные устройства СВЧ, их классификация. Механические и электронные выключатели, коммутаторы, аттенюаторы и фазовращатели. 
Восьмиполюсные устройства СВЧ. Делители и сумматоры мощности. Направленные ответвители, фильтры и мосты. Типы направленности. Минимально и неминимально фазовые четырехполюсники и восьмиполюсники. Симметрия восьмиполюсников, метод суперпозиции синфазного и противофазного возбуждений (зеркальных изображений).
Ферритовые устройства СВЧ. Вентили и циркуляторы. Ферритовые фазовращатели и коммутаторы. Фильтры с ферритовыми резонаторами. 
Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. Особенности конструкций на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Мембранные технологии на СВЧ.	
3,5,8,
9,11,12
13,23	14	Аналитические методы анализа и синтеза антенн. Объемные сторонние источники электромагнитного поля. Запаздывающие векторные электродинамические потенциалы. Поверхностные сторонние источники электромагнитного поля., Принцип эквивалентности. Поля произвольной системы токов. Лемма Лоренца. Теорема взаимности. Электромагнитные поля излучающих систем в дальней, промежуточной и ближней зонах. Фазовый центр, нормированная диаграмма направленности по полю и по мощности.
Элементарные излучатели. Электрический диполь (диполь Герца) и  параметры его электромагнитного поля. Магнитный диполь и принцип двойственности. Элементарные электрические и магнитные рамки. Элементарный источник однонаправленного излучения. Элемент Гюйгенса. Элементарный турникетный излучатель.
Теория вибраторных антенн. Электрический вибратор. Внутренняя и внешняя задача теории вибраторов. Интегральное уравнение Халлена для вибратора. Распределение тока и заряда вдоль вибратора. Расчет поля излучения и диаграммы направленности вибратора. Сопротивление излучения и коэффициент направленного действия вибратора. Расчет мощности излучения и входного сопротивления вибратора методом наводимых ЭДС. Магнитный вибратор. Щелевой вибратор в плоском бесконечном экране. Электромагнитное излучение двух связанных вибраторов. Множитель направленности системы. Теорема перемножения. Собственные и взаимные импедансы вибраторов. Влияние плоской проводящей поверхности на параметры вибраторов, метод зеркальных отображений. Множители влияния “земли” на диаграмму направленности горизонтального и вертикального симметричных вибраторов. Система из активного и пассивного вибраторов, режим рефлектора и директора. Расчет тока в пассивном вибраторе, его влияние на диаграмму направленности. 
Параметры антенн. Векторная комплексная характеристика направленности антенны. Поляризационные свойства, главная и кроссполяризационная составляющие поляризации. Поляризационный эллипс. Фазовая характеристика направленности, фазовый центр. Коэффициент направленного действия (КНД). Ширина луча и уровень боковых лепестков. Зависимость КНД от ширины луча и уровня боковых лепестков. Коэффициент усиления антенны, нормированный входной импеданс, интенсивность излучения в терминах нормированных напряжений и токов. Рабочая полоса частот антенны.
Приемные антенны. Применение принципа взаимности к изучению приемных антенн. Принцип обратимости процессов приема и передачи. Влияние поляризации на уровень принимаемого сигнала. Эффективная площадь антенны. Шумовая температура приемной антенны.
Методы создания остронаправленных антенн. Линейная дискретная и непрерывная излучающая система. Основные определения и исходные соотношения. Характеристика направленности идеального линейного излучателя, режим излучения, ширина луча, КНД, Зависимость ширины лепестка от направления излучения, ширина лепестка при осевом излучении. Условие оптимальности линейной антенны с замедленной фазовой скоростью возбуждения. Влияние формы амплитудного распределения и фазовых искажений на параметры линейной антенны. Линейные и квадратичные фазовые искажения. Характеристика направленности эквидистантной антенной решетки. Главные максимумы и явление “ослепления” антенной решетки. Входной импеданс излучателей, расчет мощности и коэффициента усиления антенной решетки. Плоские излучающие раскрывы и массивы излучателей (плоские антенные решетки). Основные определения и исходные соотношения. Теорема эквивалентности и расчет электромагнитного поля антенны с плоским раскрывом. Множитель направленности и КНД прямоугольного раскрыва. Отклонение луча плоского раскрыва при линейном изменении фазового распределения возбуждения. 
 	
14,15,
17,20,
21,22	14	Типы антенн. Многовибраторные антенны, способы питания вибраторов. Несимметричные вибраторы и способы их питания. 
Щелевые антенны. Полуволновые щелевые антенны, кольцевые щелевые антенны.
Частотно-независимые антенны. Способы увеличения рабочей полосы частот антенны. Принцип построения частотно-независимых антенн, эффект автоматической “отсечки” излучающих токов. Эквиугольные спиральные структуры. Частотно-независимые спиральные антенны. Архимедовские спиральные антенны. Логарифмические широкодиапазонные антенны. Вибраторные логопериодические антенны.
Антенны бегущей волны, их общие свойства. Диэлектрические стержневые антенны. Спиральные антенны. Импедансные

антенны. Директорные антенны. Ребристо-стержневые антенны.
Апертурные антенны, их общие свойства. Излучение открытого конца волновода. Рупорные антенны, секториальные, пирамидальные и конические рупоры. Оптимальные рупоры и их связь с фазовыми искажениями.
Линзовые антенны и их принцип действия. Уравнение и характер профиля замедляющей и ускоряющей линзы. Замедляющие радиолинзы с искусственным диэлектриком. Конструкция и параметры ускоряющей металло-пластинчатой линзы. Зонирование линз. Применение радиолинз в рупорных антеннах. Линза Люнеберга.
Зеркально-параболические антенны, конструкция, принцип действия. Уравнение и характер профиля зеркала. Распределение поля в раскрыве зеркала. Распределение поверхностных токов проводимости (электрических токов). Расчет диаграммы направленности антенны. Явление кроссполяризации. Учет фазовых ошибок в раскрыве зеркала. Оптимальность зеркально-параболических антенн. Частотная зависимость КНД параболического зеркала. Облучатели зеркально-параболических антенн: вибраторные, щелевые, волноводно-рупорные, линейные. Управление диаграммой направленности зеркальной антенны. Реакция зеркала на облучатель. Эффект “затенения”. Способы устранения реакции зеркала на облучатель. Двухзеркальные, перископические, переменного профиля, сферические, рупорно-параболические антенны. Специальные формы зеркал.
Сканирующие антенные решетки. Управление диаграммой направленности фазированных антенных решеток. Схемы последовательного и параллельного питания излучателей ФАР. Распределители квази-оптического типа. Эффекты в секторе сканирования ФАР: закон косинуса для изменения КНД, рассогласование излучателей, искажение диаграммы направленности, “ослепление” ФАР. Многолучевые антенные решетки. Диаграммообразующие устройства: последовательные (матрица Бласса), параллельные (матрица Батлера), комбинированные (матрица Нолена).
Коротковолновые антенны. Особенности конструктивной реализации. Настроенные и диапазонные вибраторные коротковолновые антенны. Уголковая антенна Пистолькорса. Синфазные горизонтальные антенны. Ромбические антенны. Антенны бегущей волны с элементами связи. 
Антенны средних (СВ), длинных (ДВ), и сверхдлинных (СДВ) волн. Г- и Т-образные антенны. Распределение тока и напряжения в длинноволновой антенне. Система заземления. П-образная антенна и антенны со многими снижениями. Особенности антенн сверхдлинных волн. Антенна-мачта. Приемные антенны ДВ и СВ: рамочная, ферритовая.	
6,9,10,
19	5	Автоматизация проектирования устройств СВЧ и антенн. Общие сведения об организации вычислительных процессов. Структура и особенности декомпозиционных алгоритмов анализа и синтеза. Библиотеки базовых элементов и особенности управления базами данных. Основополагающие численные методы и особенности их использования на СВЧ. Типовые пакеты прикладных программ. Системы автоматизированного проектирования (САПР) устройств СВЧ и антенн. Учет факторов электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств при проектировании устройств СВЧ и антенн. Радиочастотный ресурс и его использование. Основные регламентирующие документы в области электромагнитной совместимости. Роль международных и национальных сертификатов по электромагнитной совместимости при организации производства устройств СВЧ и антенн.	

Ссылки на цели курса	
Часы	
Темы лабораторных занятий, в том числе в терминальном классе	

Студент:	
5,7,9,
11,16,
19,21,
23	4	Исследование симметричных вибраторов.	-знакомится  с измерительной аппаратурой и порядком ее использования;
-исследует  характеристики вибраторов;
-проводит сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований;
-объясняет причины отклонений результатов измерений от теории;
-оформляет отчет о работе;
делает выводы по результатам работы.	
7,8,9,
15,21,
22,23	4	Исследование поляризационных свойств антенн.	-знакомится с измерительной аппаратурой и порядком ее применения;
-исследует поляризационные характеристики антенн;
-проводит сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований;
-объясняет причины расхождений результатов измерений и компьютерного моделирования;
-оформляет отчет о работе;
-делает выводы по результатам работы.	
6,7,9,
12,13,
14,16,
19,20,
23	4	Исследование согласования и направленности различных типов антенн 	-знакомится с измерительной аппаратурой и правилами ее калибровки; 
-исследует частотные характеристики согласования и направленности; 
-проводит сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований;
-объясняет причины расхождений результатов измерений и прогнозируемых значений параметров;
-оформляет отчет о работе;
-делает выводы по результатам работы.	
4,6,7,
10,16,
17,18,
23	4	Исследование и компьютерное моделирование полосковых направленных ответвителей.	-знакомится с пакетом прикладных программ;
-проводит  расчет рабочих параметров ответвителей;
-исследует частотные характеристики промоделированных устройств;
-объясняет причины отклонений результатов измерений и компьютерного моделирования;
-оформляет результаты работы;
-делает выводы по результатам работы.	

Ссылки на цели курса	  

Часы	
  Курсовая работа

Студент:	
5,6,7,
8,9,10,
11,12,
13,14,
15,16,
17,18,
19,20,
21,22,
23	40	Проектирование узла СВЧ или антенны	-анализирует техническое задание по теме;
-обосновывает порядок расчета проектируемого узла или антенны;
-рассчитывает характеристики проектируемого устройства или антенны;
-прорабатывает вопросы конструктивной реализации проектируемого устройства; 
-делает выводы по результатам проектирования;
-оформляет эскиз спроектированного изделия и пояснительную записку.

                                          6. Список литературы

1.	Устройства СВЧ и антенны/ Под ред. Д.И.Воскресенского. – М.: Радиотехника, 2006. – 376 с.: ил.
2.	Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М., Пономарев Л. И. Антенны и устройства СВЧ. -  М.: Изд-во МАИ, 1999, 528с.
3.	Антенны и устройства СВЧ/ Под ред. Д. И. Воскресенского.- М.: Радио и связь, 1994, 592с.
4.	Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988, 432с.
5.	Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Наука, 1989, 544с.
6.	Панченко Б. А., Нефедов Е. И. Микрополосковые антенны. – М.: Радио и связь, 1986, 144с.
7.	Автоматизированное проектирование устройств СВЧ/ Под ред. В. В. Никольского. – М.: Радио и связь, 1982, 272с.
8.	Антенны УКВ/ Под ред. Г. З. Айзенберга. – М.: Связь, 1977, том 1, 2, 856с.
9.	Антенны и устройства СВЧ/ Под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1981, 547с.
10.	Кочержевский Г. Н., Ерохин Г. А., Козырев Н. Д. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989, 463с.
11.	Горбачев А.П. Электромагнитно связанные линии передачи и их применение в антенных системах. Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002, 76 с.
12.	Горбачев А.П. Многоэлементные печатные вибраторные антенны. Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004, 72 с.
13.	Воронин Е. Н., Горбачев А. П. Многолучевые антенные решетки и их применение. Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000, 39 с.
14.	Горбачев А. П. Многоэлементные направленные ответвители и их применение в радиотехнике. Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996, 98 с.

Приложение

Фрагмент  контролирующих  материалов

Вариант 1.

1.	Найдите оптимальное соотношение параметров полоскового четвертьволнового направленного ответвителя.
2.	Выведите формулу для диаграммы направленности вибраторной  антенны.
3.	Определите оптимальную форму Е-плоскостного секториального рупора.

Вариант 2.

1.	Найдите по заданным размерам резонансную частоту полоскового направленного фильтра бегущей волны.
2.	Укажите место формирования излучающих щелей в прямоугольном волноводе с волной .
3.	Определите коэффициент фазы  волны, распространяющейся в ускоряющей металло-пластинчатой линзе.