ANTENNAS AND RADIOPROPAGATION

Conoscenze e comprensione (Knowledge and understanding):

Il corso introduce i concetti fondamentali e le tecniche operative proprie dell'Elettromagnetismo Applicato, tenendo in considerazione le più rilevanti applicazioni nell'ambito dell'ingegneria elettronica. Partendo dall'imprescindibile sostrato teorico dell'elettrodinamica classica, ovvero le Equazioni di Maxwell e le condizioni al contorno per il campo elettromagnetico, gli studenti sono guidati verso lo studio e la comprensione della propagazione guidata e libera di onde elettromagnetiche, tenendo presenti i anche i principali meccanismi di radiopropagazione e le consolidate tecniche di progettazione.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione (Applying knowledge and understanding):

Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di studiare la propagazione di onde elettromagnetiche in diversi ambienti di interesse ingegneristico (in linee di trasmissione, in strutture planari dielettriche multistrato, in interfacce miste metallo-dielettriche, in plasmi freddi etc.), nonché di condurre l'analisi teorica e la progettazione di alcune tipologie basilari di antenne, caratterizzate sia in trasmissione che in ricezione.

Autonomia di giudizio (Making judgements):

A conclusione del corso, lo studente dovrà essere in grado di sfruttare le conoscenze acquisite per la soluzione di semplici problemi di progettazione elettromagnetica, riuscendo di volta in volta a comprendere quale modello, fra quelli studiati, sia il più adeguato e accurato per ottenere una soluzione.

Abilità comunicative (Communication skills):

A conclusione del corso, ci si aspetta che lo studente sia in grado di trattare in modo esaustico, organico e ordinato i concetti di base trattati. In aggiunta, si richiede che lo studente sappia utilizzare le metodologie e le tecniche discusse nel corso per la soluzione di esercizi applicativi.

Capacità di apprendimento (Learning skills):

Lo studente sarà in grado di ampliare in autonomia le proprie conoscenze sulla teoria dei campi elettromagnetici, delle antenne e della radiopropagazione, sia attraverso l’approfondimento dei testi di riferimento, sia per mezzo di articoli su riviste scientifiche specializzate, nonché tramite gli spunti offerti dalle attività seminariali organizzate all’interno dell’insegnamento.

Il corso include sia lezioni teoriche che esercitazioni di laboratorio o al calcolatore.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel Syllabus.

- Conoscenza del calcolo differenziale e integrale per funzioni scalari e vettoriali in più variabili.

- Conoscenza degli argomenti principali del corso di Fisica II (Elettrostatica, Magnetostatica e Ottica).

- Conoscenze di Teoria dei Circuiti e di Teoria dei Segnali.

Sebbene la frequenza delle lezioni non sia obbligatoria, è fortemente consigliata.

0) Brevi richiami sugli operatori differenziali e sulle coordinate curvilinee ortogonali

• Operatori differenziali del primo e del secondo ordine: gradiente, divergenza, rotore, derivata direzionale, Laplaciano (scalare e vettoriale).
• Panoramica dei sistemi di riferimento curvilinei ortogonali, coefficienti metrici, operatori differenziali nei casi speciali d'interesse (cartesiano, cilindrico e sferico).
• Riepilogo dei teoremi della divergenza e del rotore. Identità vettoriali fondamentali in uso nel corso.

1) Le equazioni di Maxwell

• Equazioni di Maxwell, cariche e forza di Lorentz generalizzata nel dominio del tempo.
• Forme globale e locale per le equazioni del campo EM.
• Equazione di continuità della corrente nel dominio del tempo. Interdipendenza delle Equazioni di Maxwell.
• Relazioni costitutive per i mezzi materiali (Modello di Lorentz per dielettrici, modello per conduttori, plasma freddo).
• Condizioni al contorno per il campo EM.
• Campi EM nel dominio della trasformata di Fourier. Caso particolare fasoriale.
• Relazioni energetiche per il campo EM: teorema di Poynting nei domini di tempo e frequenza. (*) Definizione di SAR.
• (*) Teorema di unicità nei domini di tempo e frequenza.

2) Equazione d'onda e studio delle onde piane

• Equazione d'onda (e di Helmholtz) inomogenea a partire dalle equazioni di Maxwell in presenza di sorgenti.
• Teoria dei potenziali elettrodinamici e condizione di invarianza di gauge di Lorentz.
• Soluzione del problema di Helmholtz omogeneo in coordinate cartesiane: onde piane.
• Polarizzazione delle onde piane: lineare, circolare ed ellittica.
• Fronti equi-fase ed equi-ampiezza in onde piane: relazioni e parametri fondamentali.
• Classificazione delle onde piane e "complex waves".
• Spettro di onde piane e dominio trasformato del numero d'onda.
• Dispersione di un pacchetto d'onda. Velocità di fase e di gruppo.

3) Linee di trasmissione e tecniche di adattamento

• Generalità sulle linee di trasmissione: derivazione dei parametri di linea dalle equazioni di Maxwell.
• Equazioni dei telegrafisti e soluzioni nei domini del tempo e della frequenza. Linee con piccole perdite.
• Linee di trasmissione terminate su un carico generico, coefficiente di riflessione, ROS (VSWR), trasporto di impedenza.
• Carta di Smith, massimo trasferimento di potenza e adattamento d'impedenza mediante trasformatori in quarto d'onda e stub.

4) Riflessione e trasmissione di onde piane e interfacce planari multistrato

• Studio dell'incidenza di onde piane su singola interfaccia planare dielettrica; leggi di Snell-Cartesio, coefficienti di Fresnel.
• Linee di trasmissioni equivalenti TE e TM per lo studio della propagazione in mezzi multistrato planari.
• Studio dettagliato della riflessione totale e dell'angolo di Brewster. (*) Cenni alle guide dielettriche.
• Studio dell'interfaccia planare singola aria-buon conduttore: incidenza normale (TEM). Skin depth. Condizione di impedenza di Leontovich.
• Studio delle strutture multistrato planari mediante l'uso delle matrici ABCD.
• (*) Brevi cenni all'approssimazione in alta frequenza del campo elettromagnetico (ottica geometrica).

5) Teoria della radiazione e delle antenne

• Sorgenti del campo elettromagnetico: cariche e correnti oscillanti nel tempo.
• Sommario della teoria dei potenziali elettrodinamici.
• Condizione di radiazione all'infinito o di Sommerfeld.
• Soluzione del problema di Helmholtz non omogeneo e funzione di Green scalare dello spazio libero.
• Approssimazioni della funzione di Green con la distanza: zona di campo reattivo, di Fresnel e di Fraunhofer (far-field).
• Studio dettagliato della radiazione di un dipolo elementare in spazio libero e approssimazione di far-field.
• Teorema di dualità in elettromagnetismo. Applicazione alla radiazione di una spira elementare.
• Antenna isotropica, direttiva e omnidirezionale.

6) Antenne in trasmissione e in ricezione

• Parametri fondamentali delle antenne trasmittenti.
• Calcolo dei parametri d'antenna di dipoli e spire.
• Studio delle antenne filari sottili di dimensione finita.
• Teorema delle immagini. Applicazioni alla radiazione in presenza di piano di massa.
• Antenne a monopolo.
• Teorema di reciprocità.
• Parametri fondamentali delle antenne in ricezione.
• (*) Teorema fondamentale sulla relazione fra i parametri di un'antenna in trasmissione e in ricezione.
• Formula di Friis per il collegamento radio.
• Equazione del RADAR monostatico.
• (*) Progetto di un link satellitare: antenna noise temperature, G/T, EIRP.
• Elementi di radiopropagazione: onda diretta, rifratta, diffratta, superficiale, ionosferica.

7) Laboratorio, simulazione e CAD

• Misura dei coefficienti di Fresnel.
• Scripting MATLAB per problemi di elettromagnetismo applicato.
• Flusso di progetto in un CAD elettromagnetico e applicazioni alle antenne.

Elettromagnetismo applicato:

[1] C. A. Balanis, "Advanced Engineering Electromagnetics", Wiley.

[2] G. Franceschetti, "Campi Elettromagnetici", Bollati Boringhieri.

[3] G. Gerosa, P. Lampariello, "Lezioni di Campi Elettromagnetici", Edizioni Ingegneria 2000.

[4] J. Van Bladel, "Electromagnetic Fields", 2nd edition, IEEE Press Series on EM Wave Theory.

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

Fondamenti di antenne:

[6] C. A. Balanis, "Antenna Theory: Analysis and Design", Wiley.

[7] F. S. Marzano, N. Pierdicca, "Fondamenti di Antenne", Carocci.

[8] S. J. Orfanidis, "Electromagnetic Waves and Antennas", vol. II (Antennas).

Prove scritta e orale.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Le domande richieste più di frequente ricalcano il programma dettagliato del corso.