ANTENNE E RADIOPROPAGAZIONE

ING-INF/02 - 9 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GINO SORBELLO


Obiettivi formativi

Le lezioni mirano a fornire gli strumenti concettuali e le tecniche per la descrizione dei fenomeni elettromagnetici classici con particolare riferimento all’irradiazione e alla propagazione dei segnali elettromagnetici. Il corso mira all'acquisizione delle metodologie di base per studio, analisi e dimensionamento di strutture guidanti e antenne


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L'insegnamento prevede sia lezioni frontali sia laboratori sperimentali mirati ad approfondire i contenuti delle lezioni.


Prerequisiti richiesti

Conoscenze di base del calcolo differenziale ed integrale . Conoscenza del calcolo fasoriale e vettoriale. Operatori differenziali. Conoscenza del concetto di carica, corrente, campo elettrico e magnetico. Conoscenze delle tecniche di analisi dei circuiti elettrici a parametri concentrati.



Frequenza lezioni

Non obbligatoria ma consigliata.



Contenuti del corso

Equazioni di Maxwell e principi generali

Introduzione all’elettromagnetismo. Cenni storici, rilevanza ed applicazioni. Equazioni di Maxwell nel dominio del tempo: forma integrale e forma differenziale. Densità di carica e densità di corrente. Forza di Lorentz. Condizioni di raccordo sulle superfici di discontinuità. Equazioni di Maxwell in regime sinusoidale. Rappresentazione fasoriale. Polarizzazione del campo elettromagnetico. Relazioni costitutive. Proprietà dei mezzi materiali. Mezzi normali. Mezzi dispersivi nel tempo. Relazione costitutiva per un plasma freddo e senza collisioni. Energia del campo elettromagnetico. Vettore di Poynting. Unicità della soluzione (nel dominio del tempo e della frequenza). Condizioni di risonanza, condizioni di radiazione all’infinito.

Propagazione libera

 

Onda piana. Velocità di fase e velocità di gruppo. Soluzione di onda piana nel DF. Condizioni di onda piana. Onde piane omogenee ed onde piane non omogenee. Riflessione e trasmissione su un’interfaccia piana.

Incidenza normale. Caso di buon conduttore: profondità di penetrazione. Leggi di Snell. Coefficienti di Fresnel per polarizzazione parallela (TM) e polarizzazione ortogonale (TE). Caso di mezzi senza perdite. Trasmissione totale (angolo di Brewster) e riflessione totale (angolo limite).

Propagazione attraverso l’atmosfera (pro­pa­gazione per onda superficiale e per onda ionosferica).

Propagazione guidata

Linee di trasmissione.

Strutture guidanti a simmetria cilindrica longitudinale e contorno metallico.

Modi TEM. Tensione e corrente su una linea di trasmissione. Equazioni dei telegrafisti nel dominio del tempo e della frequenza. Soluzione dell’equazione dei telegrafisti. Velocità di fase. Parametri primari e secondari di una linea di trasmissione.

Soluzione in forma progressiva e in forma stazionaria. Coefficiente di riflessione.

Definizione di impedenza, formula del trasporto di impedenza. Andamento di tensione e corrente su una linea: carico adattato, carico reattivo, carico generico. Rapporto d’onda stazionaria (ROS). Problema dell’adattamento. Metodi per il trasferimento massimo di potenza: trasformatore a un quarto d’onda.

Guide d’onda

Modi TE e modi TM. Equazione d’onda o di Helmholtz per i potenziali di modo e loro proprietà. Linee di trasmissione equivalenti. Dispersione nelle guide d’onda e frequenze di taglio. Modo fondamentale e modi superiori. Calcolo dei modi TE e TM in guida d’onda rettangolare.

Dimensionamento della guida rettangolare. Modo fondamentale TE 10 .

Irradiazione e ricezione del campo elettromagnetico

Potenziali elettromagnetici. Trasformazioni di Gauge. Calcolo del potenziale vettore e del campo irradiato dal dipolo elettrico elementare in un mezzo omogeneo. Condizioni di zona lontana. Campo irradiato da una spira di corrente elementare.

Campo irradiato da un’antenna filiforme: antenna a mezz'onda.

Parametri di una antenna: altezza efficace , resistenza di ingresso e resistenza di irradiazione. Direttività, guadagno.

Antenne in ricezione. Adattamento in polarizzazione e adattamento in potenza.

Area efficace.

Formula del collegamento (propagazione nello spazio libero, attenuazione di spazio libero). Sorgenti immagine.

Laboratorio

Studio problemi elettromagnetici mediante CAD numerici; misura della frequenza di risonanza e del diagramma di radiazione di antenne*. Onde piane: leggi di Snell/coefficienti di Fresnel (incidenza normale CAD numerico, incidenza obliqua esperienza in laboratorio). Polarizzazione.

TESI DI LAUREA: Gli argomenti segnati con asterisco (*) possono essere oggetto di approfondimento nell’ambito di tesi di laurea.



Testi di riferimento

1. F. T. Ulaby, U. Ravaioli Fundamentals of Applied Electromagnetics (7th Edition), Pearson Education

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

3. G. Manara, A. Monorchio, P. Nepa, “Appunti di Campi Elettromagnetici”, SEU , Pisa

4. Franceschetti, “Campi Elettromagnetici”, Boringhieri

5. Fawwaz T. Ulaby, “Fondamenti di campi elettromagnetici - Teoria e applicazioni”, Mcgraw-Hill


Altro materiale didattico

Il materiale didattico è disponibile su studium.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Equazioni di Maxwell. Interdipendenza delle equazioni di Maxwell.3 cap. 1 
2Relazioni costitutive. Mezzi dispersivi. Mezzo normale.3 cap. 1, 4 cap. 1 
3Equazioni di Maxwell Generalizzate. Equazioni di Maxwell in forma integrale. Discontinuita' dei vettori campo/induzione. Definizione intrinseca degli operatori gradiente, divergenza e rotore.3 cap. 1.3, 4 cap. 1.2, appunti su studium e 1 cap. 3 
4Considerazioni energetiche sui campi.3 cap. 1.4 
5Laboratorio 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Esame orale.

La prova orale consta tipicamente di alcune domande: in genere una domanda su ogni parte in cui è suddiviso il corso.

Il voto complessivo tiene conto dell'autonomia di esposizione, della capacità di ragionamento (durante l'esame si interagisce con il docente), della capacità di collegare argomenti diversi tra loro, della proprietà di linguaggio tecnico e della capacità espressiva dello studente.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Le domande dell'esame orale verteranno sugli argomenti di cui alla voce "contenuti del corso".




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