Microwave Engineering

Obiettivi del corso

Il corso di Ingegneria delle Microonde fornisce agli studenti le conoscenze fondamentali e le competenze pratiche per l’analisi, la progettazione e la caratterizzazione di componenti, circuiti, guide d’onda e antenne a microonde.

Il corso sviluppa la capacità di applicare metodi analitici, numerici e sperimentali a problemi ingegneristici relativi alle onde elettromagnetiche e ai sistemi ad alta frequenza. Le attività di laboratorio, attraverso l’impiego di simulatori elettromagnetici e della strumentazione dedicata alle misure a microonde, consentono di acquisire competenze nella configurazione e calibrazione dei sistemi di misura e nel confronto tra risultati sperimentali, modelli teorici e simulazioni numeriche.

Conoscenza e capacità di comprensione.
Conoscenza degli strumenti e dei metodi per l’analisi, la progettazione e la caratterizzazione sperimentale di guide d’onda, antenne e dispositivi a microonde, con particolare attenzione ai loro principi di funzionamento, al comportamento elettromagnetico e ai principali parametri prestazionali.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Capacità di analizzare componenti e circuiti a microonde e di stabilire connessioni tra differenti problematiche e metodi risolutivi, integrando i concetti teorici con simulazioni numeriche e misure sperimentali. Capacità di formulare e risolvere problemi ingegneristici pratici riguardanti le onde guidate, le reti a microonde, l’adattamento di impedenza, la trasmissione di potenza e la radiazione elettromagnetica.

Autonomia di giudizio.
Capacità di applicare il ragionamento deduttivo e il pensiero critico, nonché di individuare e confrontare i metodi più appropriati per affrontare problemi ingegneristici reali. Capacità di valutare la validità e i limiti dei modelli analitici, delle simulazioni numeriche e dei risultati sperimentali, effettuando scelte appropriate tra approcci alternativi.

Abilità comunicative.
Capacità di comunicare efficacemente concetti tecnici, sia oralmente sia attraverso relazioni scritte, utilizzando un linguaggio tecnico appropriato e garantendo rigore metodologico. Capacità di presentare i risultati di analisi, simulazioni e attività di laboratorio in modo chiaro, strutturato e scientificamente rigoroso.

Capacità di apprendimento.
Capacità di affrontare nuovi problemi attraverso uno studio indipendente e autonomo. Capacità di acquisire autonomamente nuovi concetti, metodi e strumenti e di applicare le conoscenze precedentemente acquisite a problemi e applicazioni non esplicitamente affrontati durante il corso.

Didattica tradizionale (7 CFU, 49 ore). Esercitazioni e attività di laboratorio (2 CFU, 30 ore).

Se il corso verrà erogato in modalità remota o mista, saranno implementati i necessari correttivi rispetto a quanto descritto, in modo da garantire coerenza rispetto agli obiettivi formativi indicati nel Syllabus.

Prerequisiti essenziali:

• Conoscenze di base di calcolo differenziale e integrale.
• Calcolo vettoriale e operatori differenziali (gradiente, divergenza, rotore).
• Concetti di base di carica elettrica, corrente elettrica, campo elettrico e campo magnetico.
• Conoscenze di base della teoria dei campi elettromagnetici (Equazioni di Maxwell).

Prerequisiti importanti:

• Fasori e tecniche di analisi dei circuiti a parametri concentrati.
• Teoria dei campi elettromagnetici, con particolare riferimento alla propagazione delle onde elettromagnetiche.
• Propagazione guidata e linee di trasmissione.

Prerequisiti utili:

• Fondamenti di teoria delle antenne.

Parte 1: Fondamenti di elettromagnetismo (richiami) [7 ore]

[Didattica frontale: 7 ore]

• Equazioni di Maxwell
• Onde elettromagnetiche
• Condizioni al contorno e riflessione delle onde
• Linee di trasmissione
• Potenza elettromagnetica e teorema di Poynting

Parte 2: Propagazione guidata e mezzi di trasmissione [32,5 ore]

[Didattica frontale: 17,5 ore – Esercitazioni e Laboratorio: 15 ore]

• Propagazione guidata in guide d’onda metalliche rettangolari e circolari
• Perdite nelle guide d’onda
• Cavità risonanti
• Linee a microstriscia
• Guide d’onda dielettriche a lastra
• Fibre ottiche

Attività di laboratorio

• Circuiti a microonde
• Matrice di impedenza Z e matrice di scattering S
• Analizzatore di reti vettoriale (VNA)
• Calibrazione a una porta e a due porte
• Caratterizzazione di dispositivi a microonde a una, due, tre e quattro porte
• Caratterizzazione sperimentale di componenti a microonde e/o progettazione di componenti a microonde mediante strumenti CAD elettromagnetici

Parte 3: Mezzi anisotropi [7 ore]

[Didattica frontale: 7 ore]

• Mezzi reciproci e non reciproci
• Plasma magnetizzato
• Propagazione elettromagnetica nel plasma magnetizzato
• Rotazione di Faraday

Parte 4: Antenne a microonde [29 ore]

[Didattica frontale: 14 ore – Esercitazioni e Laboratorio: 15 ore]

• Sorgenti equivalenti
• Antenne ad apertura
• Antenne a tromba
• Riflettori parabolici
• Antenne a microstriscia

Attività di laboratorio:

• Camera anecoica e sistemi di misura per antenne
• Misura del guadagno e del diagramma di radiazione
• Progettazione di antenne a microonde mediante strumenti CAD elettromagnetici

Parte 5: Seminari e approfondimenti su tematiche emergenti [3,5 ore]

[Didattica frontale: 3,5 ore]

• Strutture periodiche, cristalli fotonici e metasuperfici
• Seminari e approfondimenti su tematiche di interesse per l’ingegneria delle microonde, anche in collaborazione con aziende, università e centri di ricerca

Contributo dell’insegnamento agli obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile

Gli argomenti trattati nel corso e le competenze acquisite contribuiscono alla formazione di professionisti in grado di affrontare problemi tecnologici e progettuali nel campo delle microonde e dei sistemi ad alta frequenza, favorendo lo sviluppo di soluzioni innovative e tecnologicamente avanzate.

Il corso contribuisce in particolare agli Obiettivi 4 (Istruzione di qualità) e 9 (Imprese, innovazione e infrastrutture) dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile.

[1] R. Sorrentino e G. Bianchi, "Microwave and RF Engineering", John Wiley & Sons 2010

[2] R. E. Collin, "Foundations for Microwave Engineering" (IEEE Press)

[3] C. G. Someda, "Electromagnetic Waves", CRC Press.

[4] S. J. Orfanidis, "Electromagnetic Waves and Antennas" (http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/)

[5] F. T. Ulaby, U. Ravaioli "Fundamentals of Applied Electromagnetics" (7th Edition), Pearson Education

Prova orale. Discussione di una o due esperienze e/o esercitazioni di laboratorio, anche sulla base e/o con il supporto di relazioni scritte preparate dagli studenti. Dalla discussione delle esperienze e delle relazioni potranno scaturire domande su argomenti direttamente collegati alle attività svolte.

La valutazione dell'apprendimento potrà essere effettuata anche online, qualora le condizioni lo richiedano.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

Discussione delle esperienze e delle esercitazioni di laboratorio, anche sulla base delle relazioni preparate dagli studenti. Le domande tipiche potranno riguardare i seguenti argomenti:

• Frequenze di cutoff e banda di funzionamento unimodale delle guide d’onda.
• Campi elettromagnetici nelle cavità risonanti.
• Fattore di qualità di una cavità risonante.
• Concetto di giunzione a microonde.
• Rappresentazione di una giunzione a microonde mediante i parametri di scattering (S) e di impedenza (Z).
• Misure mediante Vector Network Analyzer (VNA) e tecniche di calibrazione.
• Metodi di misura del guadagno delle antenne, inclusi il metodo del confronto, il metodo della sostituzione e il metodo delle tre antenne.
• Rotazione di Faraday e propagazione delle onde elettromagnetiche in mezzi magnetizzati.
• Giunzioni non reciproche e principio di funzionamento del circolatore.
• Teoria, principi di funzionamento e principali caratteristiche delle antenne a microstriscia.
• Modifica e adattamento di simulazioni elettromagnetiche per ulteriori analisi dei parametri di scattering e/o dei diagrammi di radiazione.