01.04.03 – радиофизика *

Специальность
* Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108
 

Целью изучения материала программы - минимум по специальности 01.04.03 - радиофизика является подготовка к деятельности, требующей углубленных фундаментальных и профессиональных знаний, в том числе к научно-исследовательской работе, а при условии освоения дополнительной образовательной программы педагогического профиля - к научно-педагогической деятельности.

В результате изучения материала программы необходимо

  • иметь представление:
  • о структуре современной радиофизики;
  • о тенденциях развития радиофизики, радиоэлектронных систем и устройств;
  • об использовании достижений радиофизики в различных областях науки и техники; знать:
  • дисциплины, обеспечивающие базовую теоретическую подготовку, в том числе: теорию колебаний, теорию информации, теорию волновых процессов, статистическую радиофизику, квантовую радиофизику;
  • основные электромагнитные явления в различных средах и системах, раскрывающие теоретические основы и принципы работы приборов и систем радиоэлектроники;
  • методы и устройства формирования и обработки сигналов;
  • структуру и возможности основных систем передачи и извлечения информации об окружающей среде и объектах, требования к подсистемам и узлам, тенденции изменения этих требований.

1.  Колебания в нелинейных системах с одной степенью свободы.

Приближенные методы анализа нелинейных систем, метод медленно меняющихся ам­плитуд, метод малого параметра, метод фазовой плоскости.

Собственные и вынужденные колебания в нелинейном колебательном контуре.

Физическая картина параметрического возбуждения. Анализ нелинейных параметрических систем. Параметрические генераторы.

Общие свойства автоколебательных систем. Энергетическое рассмотрение. Различные типы автоколебательных систем. Режимы возникновения автоколебаний, методы их анализа. Поведение автоколебательных систем при периодическом внешнем воздействии. Синхронизация, резонанс второго рода. Автоколебательные системы с запаздывающей обратной связью. Устойчивость линеаризированных систем. Критерии устойчивости.

2.  Колебательные системы с двумя степенями свободы.

Основные определения. Парциальные системы, нормальные колебания, связанность. Вынужденные колебания в системе с двумя степенями свободы. Автоколебательная система с двумя степенями свободы, эффект затягивания. Параметрические системы с двумя степенями свободы. Соотношения Менли - Роу.

Системы с N степенями свободы, распределенные колебательные системы.

Динамический хаос. Странные аттракторы.

3. Волны в диспергирующих средах.

Распространение сигнала в диспергирующей среде. Групповая скорость Материальные уравнения среды с дисперсией. Связь между дисперсией и поглощением. Соотношение Крамерса - Кронига. Дисперсия электромагнитных волн в диэлектриках. Диэлектрическая проницаемость и распространение волн в средах со свободными зарядами. Распространение волн в релаксирующих средах. Закон дисперсии и эволюционное уравнение. Распространение электромагнитных волн в средах с учетом пространственной дисперсии. Распространение волн в периодических структурах.

4. Волны в анизотропных средах.

Общие закономерности распространения волн в анизотропных средах. Магнитоактивные анизотропные среды. Тензор диэлектрической проницаемости в магнитоактивной плазме. Гиротропные среды. Распространение радиоволн в ионосферной и космической плазме. Критические частоты.

5.  Волны в неоднородных средах.

Волны в плавно-неоднородных средах. Метод геометрической оптики. Лучевые траектории. Рефракция радиоволн в тропосфере и ионосфере. Ионосферное распространение декаметровых волн. Волны в слоисто-неоднородной магнитоактивной плазме.

6.  Нелинейные явления при распространении волн.

Волны конечной амплитуды в средах без дисперсии. Простые волны Римана. Нелинейные волны в средах с дисперсией. Нелинейные взаимодействия волн в электродинамике и акустике. Генерация гармоник. Условие синхронизма. Трехволновое взаимодействие. Самовоздействие и кросс-модуляция. Селитоны.

7.  Излучение, отражение, преломление и дифракция электромагнитных волн.

Отражение и преломление плоской волны на плоской границе раздела двух сред без потерь. Формулы Френеля. Поляризация при отражении и преломлении. Условие полного прохо­ждения. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение. Наклонное падение волны на границу поглощающей среды. Поверхностный эффект. Приближенные граничные условия Леонтовича. Коэффициент отражения мультислоя. Просветляющие покрытия. Интерференционные фильтры.

Метод Кирхгофа в теории~дифракции. Функция Грина. Условия излучения. Дифракция на отверстии в экране в зонах Френеля и Фраунгофера. Волновые пучки. Угловой спектр. Условие на ребре. Дифракция и рассеяние на металлических и диэлектрических предметах. Дифракция электромагнитных волн на решетках. Асимптотические методы вычисления дифракционных полей. Инте­гральные уравнения электродинамических задач.

Поле заданных токов в дальней зоне. Диаграмма направленности. Поляризационные характеристики антенн. Передающие и приемные антенны в различных диапазонах длин волн и их характеристики.

8.  Электродинамика элементов и устройств СВЧ.

Общие свойства полей в линиях передачи. Передаваемая мощность. Затухание волн в линиях передачи.

Односвязные закрытые линии передачи. Прямоугольный волновод. Круглый волновод. Волноводы со сложной формой поперечного сечения. Многосвязные линии передачи. Основные свойства Т-волн. Коаксиальный волновод. Полосковые, микрополосковые линии передачи.

Классификация замедляющих систем. Плоский диэлектрический волновод. Круглый ди­электрический волновод. Световоды. Основные свойства волн в периодических замедляющих системах. Основные типы периодических замедляющих систем.

Объемные резонаторы. Общие свойства свободных колебаний в резонаторах. Цилиндрические резонаторы. Квазистационарные резонаторы. Диэлектрические резонаторы. Полосковые резонаторы. Возбуждение резонаторов и волноводов.

9.  Вакуумная и твердотельная электроника СВЧ.

Взаимодействие заряженных частиц с электромагнитным полем. Основные уравнения электроники СВЧ и приближенные методы их решения.

Принципы работы приборов СВЧ с кратковременным взаимодействием модулированно­го электронного потока с полем СВЧ (усилители на пролетных клистронах, отражательный клистрон).

Длительное взаимодействие электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в лампах обратной и бегущей волны типа О.

Взаимодействие электронного потока с полем СВЧ в скрещенных электрическом и магнитном полях в магнетроне. Гироприборы.

Принципы работы и устройство полупроводниковых приборов: диодов, полевых и бипо лярных транзисторов, диодов Ганна, лавиннопролетных диодов. Сврхпроводимость. Эффект Джозефсона и его применение в радиофизике.

10.Основы теории СВЧ цепей.

Эквивалентные линии передачи. Аналогия между волноводом и длинной линией. Режи­мы работы линии передачи.

Методы анализа многополюсников СВЧ. Основные свойства многополюсников. Анализ устройств СВЧ с помощью ЭВМ. Декомпозиционные методы.

Типы устройств СВЧ. Взаимные устройства СВЧ. Ферритовые устройства СВЧ. Микро-полосковые устройства СВЧ.

11.  Генерация, усиление и преобразование радиосигналов.

Математические представления радиосигналов. Модулированные колебания и спектры. Основные характеристики и параметры служебных сигналов. Секвентные сигналы. Аналитический сигнал и преобразования Гильберта.

Воздействие детерминированных сигналов на линейные радиоэлектронные цепи: методы анализа линейных цепей; дифференцирование и интегрирование сигналов; воздействие сигна­лов на частотно-избирательные цепи; усилительные устройства; интегральные усилители; эле­менты теории обратной связи; фильтры.

Нелинейные и параметрические цепи: аппроксимация характеристик; отклик нелиней­ной цепи на гармонический сигнал; нелинейное усиление мощности и умножение частоты; по­лучение модулированных колебаний; детектирование модулированных колебаний; преобразо­вание сигналов в параметрических цепях; логарифмирование сигналов.

Генерация колебаний. LC- генераторы, RC - генераторы. Способы стабилизации частоты в автогенераторах.

Элементы импульсной и цифровой техники: логические элементы; интегральные триггеры; делители частоты; интегральные счетчики; шифраторы и дешифраторы; мультивибраторы и одновибраторы; цифровые детекторы.

Дискретная обработка сигналов. Основы теории цифровой фильтрации: цифровое представление сигналов; теорема Котельникова; дискретные сигналы и их спектры; алгоритмы дискретного и быстрого преобразований Фурье; дискретная свертка сигналов; теория Z-преобразования; принципы цифровой фильтрации; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Аналоговые и цифровые системы связи. Системы мобильной связи.

12.  Физические основы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Двухуровневая идеализация. Квантовое и полуклассическое описание взаимодействия двухуровневой системы с полем. Инверсия населенностей. Вынужденные и спонтанные переходы. Ширина линии излучения и факторы уширения спектральной линии.

13.  Мазеры.

Мазер на пучке молекул аммиака. Сортировка молекул пучка в неоднородных полях. Условие самовозбуждения. Другие типы мазеров на пучках молекул и атомов.

Двухуровневые, трехуровневые и четырехуровневые мазеры. Методы получения инвер­сии. Резонаторные мазеры. Коэффициент и площадь усиления отражательного и проходного мазеров. Условия усиления и генерации. Выходная мощность трехуровневого мазера и способы ее оптимизации.

Мазер бегущей волны. Замедляющие структуры мазеров.

Радиоспектроскопия. Магнитный и ядерный квадрупольный резонанс. Мессбауэровская спектроскопия.

14.  Лазеры.

Физические основы генерации оптического излучения. Закон Бугера и его нарушения. Лазеры на основе кристаллов и стекол. Лазеры на высококонцентрированных средах.Полупроводниковые лазеры. Методы получения инверсии. Инжекция неравновесных носите­лей. Гомолазер. Гетеролазеры на одно - и двух - сторонней гетероструктурах. Возбуждение пучком быстрых электронов. Лазеры на внутризонных переходах. Основные характеристики.

Лазеры на газах и парах. Атомные, молекулярные и ионные лазеры. Газодинамические лазеры. Лазеры на самоограниченных переходах. Лазеры на азоте.

Динамика лазерной генерации. Классификация режимов генерации. Переходные процессы в лазерах. Скоростные уравнения одномодового лазера. Пичковый режим многомодового лазера. Режим стационарной генерации.

15. Лазеры и нелинейно-оптические явления.

Поляризация среды в мощных оптических полях. Изменение прозрачности среды. Многофотонное поглощение. Самофокусировка лазерного излучения. Вынужденное комбинационное рассеяние света. Вынужденное рассеяние Манделынтама-Бриллюэна. Оптическое де­тектирование. Генерация второй гармоники. Параметрическая генерация.

16.  Оптические методы обработки информации.

Оптическая связь. Оптические и оптоэлектронные интегральные схемы. Электро- и магнитооптические эффекты и их применение для управления светом. Оптическая бистабильность. Оптические процессоры. Среды и системы оптической записи и воспроизведения информации. Голографические методы обработки информации. Методы и приборы для оптиче­ской диагностики природных объектов, физических явлений и технологических процессов.

17.  Акустика.

Звуковые волны в жидкостях и газах. Продольные и поперечные волны в изотропном твердом теле. Способы возбуждения звука. Дифракция и рефракция света на ультразвуке. Акустооптические дефлекторы, сканеры, модуляторы, фильтры, процессоры, корреляторы. Взаимодействие волн пространственного заряда с акустическим полем. Акустоэлектрический эффект. Принципы работы акустоэлектронных устройств (усилители звука, линии задержки, фильтры, конвольверы, запоминающие устройства).

18. Корреляционный и спектральный анализ случайных процессов.

Случайные процессы. Непрерывные и дискретные случайные процессы. Полное и частичное описание случайных процессов. Гауссовский случайный процесс. Комплексный гауссовский случайный процесс. Разложение Каруэна-Лоэва. Измерение параметров случайных процессов.

Автокорреляционная функция и ее свойства. Примеры автокорреляционных функций. Спектральная плотность мощности случайного процесса, теорема Винера-Хинчина. Взаимные корреляционные функции и взаимные спектральные плотности. Корреляционная матрица выборочных функций. Оценивание автокорреляции и взаимной корреляции. Методы оценки спек­тральной плотности мощности дискретного случайного процесса.

Марковские процессы. Уравнение Чепмена-Колмогорова. Стохастические дифференциальные уравнения. Уравнение Ланжевена. Уравнение Фоккера-Планка. Важнейшие Марковские процессы. Процесс Орнштейна-Уленбека и Винеровский процесс. Дважды стохастические случайные процессы. Скрытые марковские модели.

19. Случайные процессы в линейных системах и средах.

Анализ линейных систем во временной и частотной областях. Взаимная корреляционная функция случайных процессов на входе и выходе линейной системы. Взаимная спектральная плотность случайных процессов на входе и выходе линейной системы.

Оптимальные линейные системы. Критерий оптимальности. Оптимизация систем путем подбора их параметров. Оптимальные системы, максимизирующие отношение сигнал/шум. Со­гласованный фильтр. Оптимальные системы, минимизирующие средний квадрат ошибки. Оп­тимальный фильтр Винера.

20. Обнаружение и измерение параметров сигналов в шумах.

Обнаружение полностью известного сигнала в шуме. Рабочие характеристики приемника. Сигналы с нежелательными параметрами: испытание сложных гипотез. Обнаружение сигнала с неизвестной случайной фазой в шуме. Рабочие характеристики приемника в случае рав­номерного распределения фазы.

21. Случайные поля и волны.

Двумерные дискретные случайные процессы. Итерационные методы восстановления и экстраполяции двумерных сигналов. Пространственно-временные сигналы. Фильтрация в пространстве волновое число-частота. Формирование цуга во временной и частотной областях для сигналов с дискретным временем. Обнаружение плоских волн на фоне шума.

22. Информационные процессы и системы.

Общая модель системы связи. Основные компоненты системы связи и их характеристики. Принципы кодирования источников и каналов.

Кодирование в дискретных каналах. Постановка задачи кодирования в дискретном канале. Неравенство Фано. Информационная емкость дискретных каналов без памяти. Пропускная способность дискретных каналов и ее связь с информационной емкостью. Теоремы кодирова­ния для дискретных каналов без памяти.

Кодирование в непрерывных каналах. Непрерывные каналы и теоремы кодирования в непрерывных каналах. Пропускная способность непрерывного канала с аддитивным гауссовым шумом.

23.  Компьютерная радиофизика.

Компьютерные методы моделирования явлений, анализа, синтеза и тестирования радио­физических систем и устройств. Автоматизация физического эксперимента. Компьютерные технологии.

24. Радиофизические методы исследований.

Микроволновые, радиоголографические, ультразвуковые и другие методы томографии и диагностики. Экологический мониторинг. Радиофизические приборы и методы, моделирование процессов и систем методами радиофизики.

Основная литература

  1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М., 1981.
  2. Мигулин В.В. и др. Основы теории колебаний. М.: Наука, 1988.
  3. Кравченко И.Т. Теория волновых процессов: Учебное пособие. Изд. 2-е исправ. - М.: Еди- ториал УРСС, 2003.
  4. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукое А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979.
  5. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высш. шк., 1990.
  6. Демидчик В.И. Электродинамика СВЧ. Мн.: Университетское, 1992.
  7. Никольский В.В., Никольская Г.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.
  8. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.
  9. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990.
  10. Мэйтленд А., Данн М. Введение в физику лазеров М.: Наука, 1978.
  11. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 2004.
  12. Рытов СМ. Введение в статистическую радиофизику: В 2 ч. М., 1976. Ч 1.
  13. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. М.: Сов. Радио, 1976.
  14. Колесник В.Д., Полтырев Г.Ш. Курс теории информации. М.: Наука, 1982.
  15. Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. М.: Сов. Радио, 1974.
  16. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. М.: Мир, 1986.
  17. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. М.: Атомиздат, 1979.
  18. Акаев А.А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая щкола, 1988.
  19. Оптическая голография. Под ред. С. Коуфилда. Т. 1,2.- М. Мир, 1982.
  20. Гальярди P.M., Карп Ш. Оптическая связь. М.: Связь, 1978.
  21. Кайно Г. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М.: Мир, 1990.
  22. Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир, 1976.
  23. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. М.:Высш. шк., 2000.
  24. Кураев А.А., Попкова Т.П., Синицин А.К. Электродинамика и распространение радио- волн.Мн., Бестпринт, 2004.
  25. Кугушев A.M., Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиоэлектроники. М., МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.
  26. А. Оппенгейм, Р.Шафер. Цифровая обработка сигналов. Техносфера, Москва, 2006.

Дополнительная литература

  1. Андреев В.З. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1982.
  2. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
  3. Железняков В.В. Электромагнитные волны в космической плазме. М.: Наука, 1977.
  4. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высш. шк., 1978.
  5. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир, 1977.
  6. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1989.           
  7. Рабинович М.И., Трубецков Д.М. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.
  8. Микроэлектронные устройства СВЧ/ Под ред. Г.И.Веселова. М.: Высш. шк., 1988.
  9. Кларк Дж. мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987.
  10. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Высшая школа, 1973.
  11. Гауэр Дж. Волоконные системы связи. М.: Радио и связь, 1989.
  12. Гончаренко A.M., Редько В.П. Введение в интегральную оптику. Мн.: Наука и техника, 1975.
  13. Р. Гонсалес, Р.Вудс. Цифровая обработка изображений. Техносфера, Москва, 2005