ENEE381 Instructor: T. M. Antonsen Jr.antonsen@umd.edu - PowerPoint PPT Presentation

ENEE381 ¡ ¡ Instructor: ¡T. ¡M. ¡Antonsen ¡Jr.antonsen@umd.edu ¡

Syllabus ¡ ELECTROMAGNETIC ¡WAVE ¡PROPAGATION ¡ ¡ INSTRUCTOR: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡T ¡M. ¡Antonsen ¡Jr. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡antonsen@umd.edu ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ TA: ¡ ¡TBD ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ TIME: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡TuTh ¡11:00 ¡AM ¡– ¡12:15 ¡PM ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Sec ¡0101: ¡F ¡12:00 ¡– ¡12:50 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Sec ¡0102: ¡F ¡ ¡1:00 ¡– ¡1:50 ¡ ¡ ¡ OFFICE ¡HOURS: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(TMA) ¡ by ¡appointment. ¡ ¡ DESCRIPTION: ¡ ¡ ¡ The ¡electromagneBc ¡spectrum: ¡Review ¡of ¡Maxwell's ¡equaBons; ¡the ¡wave ¡ equaBon ¡potenBals, ¡PoynBng's ¡theorem, ¡relaBonship ¡between ¡circuit ¡theory ¡ and ¡fields; ¡propagaBon ¡of ¡electromagneBc ¡waves ¡in ¡homogeneous ¡media ¡and ¡ at ¡interfaces; ¡transmission ¡line ¡theory, ¡waveguides, ¡radiaBon ¡and ¡antennas. ¡

Syllabus ¡ TEXT: ¡ ¡ ¡ IntroducBon ¡to ¡Electrodynamics ¡(4 th ¡ed.), ¡David ¡Griffiths, ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Cambridge ¡University ¡Press. ¡ ¡There ¡will ¡also ¡be ¡a ¡substanBal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡amount ¡of ¡informaBon ¡presented ¡in ¡lecture. ¡ ¡Lecture ¡notes ¡will ¡ ¡ ¡ ¡ ¡be ¡posted. ¡ ¡ ¡ REFERENCE: ¡ ¡ Ramo, ¡Whinnery ¡and ¡VanDuzer, ¡Fields ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Waves ¡in ¡CommunicaBon ¡Electronics, ¡J. ¡Wiley ¡and ¡Sons, ¡Inc. ¡ ¡ HOMEWORK: ¡ ¡ Assignments ¡will ¡be ¡posted ¡on ¡ELMS ¡ ¡ EXAMS: ¡ ¡ ¡ There ¡will ¡be ¡two ¡exams: ¡a ¡midterm ¡and ¡a ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡final ¡exam. ¡Format ¡of ¡exams ¡is ¡TBD. ¡ ¡ Grades ¡will ¡be ¡assigned ¡as ¡follows. ¡ ¡ ¡ Grading: ¡ ¡ ¡Homework: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20% ¡ ¡ ¡Project: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10% ¡ ¡ ¡Exam ¡1: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20% ¡ ¡ ¡Exam ¡2: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20% ¡ ¡ ¡ ¡

Course ¡Outline ¡ Topic ¡ ¡ ¡ ¡ Textbook ¡SecUons ¡ ¡ Topic ¡ ¡ ¡ ¡ Textbook ¡SecUons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Review ¡of ¡EM ¡fields ¡ ¡ ¡ ¡ Plane ¡wave ¡soluUon ¡of ¡ ¡ MagneBc ¡inducBon ¡ ¡ ¡7.1, ¡7.2 ¡ Maxwell's ¡equaUons ¡ ¡ ¡ Displacement ¡current ¡ ¡7.3 ¡ Waves ¡in ¡1D ¡ ¡ ¡ ¡ ¡9.1 ¡ Maxwell's ¡equaBons ¡ ¡7.3 ¡ Sinusoidal ¡fields/phasors ¡ ¡9.1 ¡ ConsBtuaBve ¡relaBons ¡ ¡7.3 ¡ ElectromagneBc ¡waves ¡ ¡ ¡9.2 ¡ Boundary ¡condiBon ¡ ¡ ¡7.3 ¡ Power ¡flow ¡ ¡ ¡ ¡ ¡9.2 ¡ ¡ ¡ Boundary ¡condiBons ¡ ¡ ¡9.2 ¡ ConservaUon ¡Laws ¡ Waves ¡in ¡media ¡ ¡ ¡ ¡9.3 ¡ Charge ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8.1 ¡ Waves ¡incident ¡on ¡disconBnuiBes ¡9.3 ¡ Energy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8.1 ¡ Dispersion ¡and ¡absorpBon ¡ ¡ ¡9.4 ¡ Momentum ¡ ¡ ¡ ¡8.2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Course ¡Outline ¡(2) ¡ Guided ¡Waves ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Modes ¡and ¡Cut-­‑off ¡frequencies ¡ ¡9.5 ¡ Resonators ¡ ¡ ¡ ¡(Supplemental) Planar ¡waveguides ¡ ¡ ¡ ¡ ¡9.5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Hollow ¡rectangular ¡wave ¡guides ¡ ¡9.5 ¡ RadiaUon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Dielectric ¡wave ¡guides ¡ ¡ ¡ ¡9.5 ¡ PotenBals ¡and ¡fields ¡ ¡ ¡10.1, ¡10.2 ¡ ¡ ¡ Basics ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡11.1 ¡ RelaUon ¡between ¡field ¡ ¡ ¡ (Supplemental) ¡ Dipole ¡antennas ¡ ¡ ¡ ¡11.1 ¡ and ¡circuit ¡theory ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ RadiaBon ¡from ¡fixed ¡currents ¡ ¡11.1 ¡ ¡ ¡ RadiaBon ¡be ¡moving ¡charges ¡ ¡11.2 ¡ Transmission ¡lines ¡ ¡ ¡ (Supplemental ¡ ¡ ¡ Wave ¡EquaBon ¡ ¡ ¡ ¡ ReflecBon ¡of ¡waves ¡ ¡ ¡ ¡ Pulses ¡and ¡transients ¡ ¡ ¡ ¡ ReflecBon ¡of ¡sinusoidal ¡waves ¡ ¡ Standing ¡waves ¡ ¡ ¡ ¡ Smith ¡Chart ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Dispersive ¡Lines ¡ ¡ ¡ ¡ Networks ¡

Overview ¡ The ¡goal ¡of ¡the ¡course ¡is ¡to: ¡ Introduce ¡ ¡the ¡phenomena ¡of ¡wave ¡of ¡ wave ¡propagaBon ¡ Develop ¡an ¡understanding ¡of ¡the ¡ properBes ¡of ¡ElectromagneBc ¡waves ¡ Learn ¡how ¡to ¡solve ¡problems ¡involving ¡ wave ¡propagaBon ¡ ¡ PropagaBon ¡ PolarizaBon ¡

ReflecBon ¡and ¡RefracBon ¡

DiffracBon ¡and ¡Interference ¡ Incident ¡Beam ¡

Dispersion ¡and ¡AjenuaBon ¡ Pulses ¡contain ¡a ¡spectrum ¡ of ¡frequencies. ¡ ¡ ¡ ¡ In ¡dispersive ¡media ¡ different ¡frequency ¡ components ¡propagate ¡ with ¡different ¡speeds. ¡ ¡ Pulses ¡spread ¡out. ¡ ¡ Losses ¡lead ¡to ¡ajenuaBon ¡

Guided ¡Waves ¡ Pasternak ¡ ¡Enterprizes ¡ hjps://www.pasternack.com/ ¡ Wikiprdia ¡

Clock ¡DistribuBon ¡Network ¡ ¡ ¡H-­‑Tree ¡ ¡ System ¡of ¡transmission ¡lines ¡ ¡ Each ¡chip ¡is ¡the ¡same ¡distance ¡ from ¡the ¡clock ¡ ¡ Line ¡widths ¡halve ¡at ¡each ¡ juncBon ¡to ¡reduce ¡reflecBons ¡ Courtesy ¡Prof. ¡Bruce ¡Jacob ¡

RadiaBon ¡and ¡Antennas ¡ By ¡Maveric149 ¡(Daniel ¡Mayer) ¡-­‑ ¡From ¡Radio ¡ towers ¡on ¡Sandia ¡Peak.JPG. ¡AlteraBons ¡to ¡ image: ¡cropped ¡out ¡periphery ¡of ¡image., ¡CC ¡ BY-­‑SA ¡3.0, ¡hjps://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=74044022 ¡

Review ¡of ¡StaBc ¡Fields ¡ StaBc: ¡not ¡changing ¡in ¡Bme ¡ r, ¡E(r) ¡ For ¡us: ¡changing ¡sufficiently ¡slowly ¡ q 1 , ¡r 1 ¡ q 2 , ¡r 2 ¡ Start ¡with ¡Coulomb’s ¡Law ¡for ¡the ¡electric ¡field ¡ q i , ¡r i ¡ Point ¡Charges ¡ ( ) q i r − r i 1 ∑ E ( r ) = 4 πε 0 ch arg es − i 3 r − r i r, ¡E(r) ¡ Force ¡on ¡charge ¡q ¡ F = q E ( r ) ConBnuous ¡charge ¡distribuBons ¡ r’ ¡ ( ) ρ ( ′ r ) r − ′ r 1 d 3 ′ ∫ E ( r ) = r 4 πε 0 V 3 r − ′ r q = d 3 ′ d ′ r ρ ( ′ r )

ElectrostaBc ¡or ¡not? ¡ Circuit ¡vs ¡Transmission ¡line? ¡ When ¡the ¡switch ¡is ¡closed ¡ how ¡long ¡unBl ¡current ¡flows ¡ on ¡R? ¡ ! Δ t = L / c ! Δ t = 3.3 × 10 − 9 s = 3.3 ns L=1m, ¡c ¡= ¡3 ¡x10 8 ¡m/s ¡ How ¡long ¡unBl ¡current ¡reaches ¡steady ¡ state? ¡ ¡ ¡Depends ¡on ¡reflecBons. ¡ AC ¡source, ¡ ¡What ¡load ¡does ¡ source ¡see? ¡ If ¡ ¡L ¡< ¡< ¡wavelength ¡= ¡c/f ¡ ¡then ¡R ¡ However, ¡once ¡L ¡= ¡wavelength/4 ¡ load ¡is ¡transformed. ¡

Some ¡Examples ¡ Comcast ¡signal: ¡55.25 ¡ MHz ¡to ¡553 ¡ MHz ¡ ¡ Wavelength ¡at ¡553 ¡MHz ¡ ¡= ¡ ¡0.54 ¡m ¡ ¡ Verizon ¡5G ¡signal: ¡28 ¡GHz ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Wavelength ¡at ¡28 ¡GHz ¡ ¡= ¡ ¡0.01 ¡m ¡ ¡ Infrared ¡laser: ¡ ¡3 ¡x ¡ ¡10 14 ¡Hz ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Wavelength ¡= ¡1 ¡micron ¡= ¡10 -­‑6 ¡m ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Bohr ¡Radius ¡= ¡5.29x10 -­‑11 ¡m ¡<< ¡1 ¡micron ¡wavelength ¡ ¡ Laser ¡field ¡in ¡atom ¡is ¡electrostaBc ¡ ¡ ¡ Fork ¡in ¡microwave ¡oven: ¡ ¡f ¡= ¡2 ¡GHz ¡ ¡ ¡Wavelength ¡= ¡0.15 ¡m ¡>> ¡fork ¡prong ¡ ¡