NUMERICAL METHODS FOR ELECTROMAGNETIC FIELDS AND CIRCUITS

ING-IND/31 - 9 CFU - 1° semestre

Docenti titolari dell'insegnamento

SALVATORE ALFONZETTI
Email: alfo@dieei.unict.it
Edificio / Indirizzo: Edificio 3 (Polifunzionale) - piano 5 / DIEEI - viale A. Doria 6 - 95125 Catania
Telefono: 095.738.2320
Orario ricevimento: Lunedì 17-20; martedì 18-20
GIOVANNI AIELLO
Email: giovanni.aiello@dieei.unict.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Ingegneria Elettrica Elettronica e Informatica - 5° piano Edificio Polifunzionale di Ingegneria - Viale Andrea Doria 6, 95125 Catania
Telefono: 0957382335
Orario ricevimento: martedì 16.00 - 17.00, mercoledì 10.00 - 11.00, venerdì 10.00 - 11.00


Obiettivi formativi

Nella progettazione di dispositivi nei vari settori dell’ingegneria, sono utilizzate grandezze fisiche che, in genere, variano sia nello spazio che nel tempo. La complessità delle equazioni (differenziali) cui tali grandezze devono soddisfare, è tale da consentirne solo una risoluzione approssimata con tecniche numeriche, in cui le grandezze fisiche di interesse sono discretizzate sia spazialmente che temporalmente. Tali tecniche sono tanto importanti che si può sicuramente affermare che non esiste industria (elettronica, meccanica, aerospaziale, elettromeccanica, ecc.) o centro di ricerca di dimensioni medio-grandi che non sia dotato di strumenti CAD (Computer Aided Design) basati su di esse.

 

Conoscenze e capacità di comprensione.

Nel corso degli studi di Ingegneria l’allievo ingegnere matura sufficienti esperienze nella discretizzazione di grandezze temporali, ma, forse, non altrettanto nella discretizzazione di grandezze spaziali o spazio-temporali.

Scopo del corso di “Metodi numerici per campi elettromagnetici e circuiti” è appunto quello di studiare tecniche per la discretizzazione spazio-temporale. Tali tecniche hanno una valenza che va ben al di là dell’ambito dell’Ingegneria Elettrica ed Elettronica, nella quale, peraltro, esistono diverse applicazioni in cui l’approccio circuitale è inappropriato, quali ad esempio il calcolo di antenne e linee di trasmissione per telecomunicazioni (cavi coassiali, guide d’onda), il calcolo del comportamento elettrico e termico di transistori di potenza e la verifica della compatibilità elettromagnetica di svariati dispositivi elettronici ed elettrici.

 

Conoscenze e capacità di comprensione applicate.

Il corso tratterà prevalentemente del metodo degli elementi finiti (FEM) che, ideato negli anni sessanta, ha ormai completamente soppiantato il metodo delle differenze finite e si è affermato come il più potente metodo numerico per la risoluzione di problemi di campo. L’idea di base del metodo consiste nel suddividere il dominio spaziale in cui occorre determinare l’andamento di alcune grandezze di interesse in un gran numero di sottodomini di forma semplice, detti appunto elementi finiti (tetraedri e parallelepipedi in 3D, oppure triangoli e parallelogrammi in 2D), in cui si presuppone che le grandezze abbiano andamenti egualmente semplici (lineare, quadratico, etc.) esprimibili in funzione dei valori assunti dalla grandezza in questione nei vertici dell’elemento finito (nodi). Questo processo di discretizzazione spaziale porta a trasformare il sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali in un sistema algebrico le cui incognite sono i valori nodali. La risoluzione di tale sistema consente di ottenere una soluzione il cui grado di accuratezza cresce all’aumentare del numero di elementi finiti (ma con un conseguente maggior costo computazionale).

Un'altra parte del corso è dedicata a presentare i principali concetti e risultati della teoria delle linee di trasmissione operanti sia in regime transitorio sia in regime sinusoidale, con particolare riguardo alle linee a due conduttori. Al fine di chiarire i contenuti di questi argomenti e mettere lo studente in condizione di applicarli, nel corso delle lezioni sono svolti diversi problemi di linee di trasmissione e descritti alcuni approcci numerici alla loro analisi.

Infine, il corso si propone anche di fornire una breve, ma non superficiale, introduzione alla teoria dei filtri elettrici sia passivi sia attivi e alla loro realizzazione, nonché alla teoria delle antenne e delle onde elettromagnetiche dandone le principali definizioni e i più importanti concetti.

 

Autonomia di giudizio.

Il corso intende anche stimolare e accrescere l’attitudine ad esercitare le capacità critiche e di giudizio dello studente. Difatti, l’individuazione della strategia più appropriata alla risoluzione di un determinato problema da affrontare con tecniche numeriche, in relazione alla sua natura e alle grandezze da calcolare, impone allo studente di effettuare un esame attento del problema e una riflessione sulle conoscenze già acquisite atte a risolverlo. A soluzione ottenuta, lo studente è chiamato altresì a verificare la correttezza della soluzione ricavata sulla base del risultato, anche approssimativo, atteso.

Un ulteriore fonte di acquisizione di autonomia di giudizio è costituito dalla capacità di fornire una spiegazione a possibili risultati inizialmente inattesi, il che contribuisce ulteriormente a migliorare la comprensione del metodo di calcolo utilizzato e a sviluppare nel corso della preparazione all’esame dell’insegnamento, la capacità di formulare delle ipotesi sulla forma attesa della soluzione di un problema, sia pure disponendo su di esso di informazioni non esaustive.

 

Abilità comunicative.

Uno dei risultati che si prefigge il corso è l’apprendimento del corretto uso sia della terminologia sia degli strumenti matematici e delle conoscenze fisiche, appresi nei corsi propedeutici, necessari alla risoluzione di specifici problemi di campo. Nel corso delle lezioni, particolare cura è stata ovviamente dedicata alle unità di misura delle grandezze elettriche e al loro utilizzo. Una parte significativa dei risultati teorici del corso sono dimostrati, contribuendo ulteriormente ad accrescere la comprensione dei risultati stessi e delle loro implicazioni, nonché del loro appropriato e flessibile utilizzo nella risoluzione dei problemi. Questo stimola e fa progredire l’abilità comunicativa dello studente, ponendolo in grado di dialogare con chiarezza e senza incertezze sia con soggetti acculturati nella disciplina sia con soggetti che non lo siano, fornendo ad entrambe le categorie valide argomentazioni.

 

Capacità di apprendere.

L’attività di studio richiesto dal corso, tradizionalmente ed equamente suddiviso tra l’acquisizione di concetti e di risultati teorici e il progressivo aumento della abilità di risoluzione di specifici problemi, conduce a un miglioramento della capacità di riflessione e di apprendimento dello studente. Specificatamente, l’analisi di problemi di campo aventi caratteristiche differenti, comporta da parte dello studente l’affinamento della capacità di individuazione della strategia risolutiva più idonea.

Tutto ciò determina un accrescimento della facoltà di classificazione dei problemi e il rafforzamento di un proprio ed efficace metodo di studio, che gli tornerà sicuramente utile in futuro.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Le conoscenze da acquisire durante il corso sono il contenuto delle lezioni frontali svolte in aula dai docenti e gli argomenti sono dettagliatamente elencati nel programma del corso, con riferimenti espliciti alle parti in cui sono trattati nei testi consigliati. Le esemplificazioni svolte dai docenti in aula che seguono la spiegazione teorica di un nuovo argomento e l’attività di apprendimento svolta autonomamente dallo studente, rappresentano il mezzo mediante il quale egli impara ad applicare gli argomenti di teoria trattati a lezione.

Lo studente è inoltre invitato ad approfondire gli argomenti trattati, usando materiali diversi da quelli proposti, soprattutto per ciò che riguarda la fase di studio personale, sviluppando così la capacità di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso.

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.


Prerequisiti richiesti

Il prerequisito richiesto è aver seguito e superato un corso di base di Elettrotecnica.



Frequenza lezioni

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria.



Contenuti del corso

1. Campi elettromagnetici

Equazioni di Maxwell in forma differenziale ed in forma integrale. Campo di densità di corrente stazionario, potenziale scalare elettrico, equazione di Laplace, condizioni al contorno di tipo Dirichlet e Neumann. Campo elettrostatico, equazione di Poisson. Campo magnetostatico, potenziale vettore magnetico. Campo elettromagnetico quasi-stazionario, problemi di correnti indotte e di effetto pelle.

Metodi numerici per il calcolo di campi elettromagnetici. Il metodo delle differenze finite (FDM), postprocessamento FDM. Il metodo degli elementi finiti (FEM). Formulazione variazionale per l’equazione scalare di Poisson in 2D. Elementi triangolari del primo ordine, funzioni di forma, coordinate locali, triangolo standard. Matrici di Dirichlet e di metrica per un elemento finito. Condizioni al contorno di tipo Dirichlet, Neumann e misto. Costruzione del sistema risolvente e sua risoluzione. Valutazione di quantità integrali (flussi, energie, forze). Elementi triangolari di ordine superiore. Formule di integrazione nel triangolo standard. Matrici universali in forma razionale. Elementi triangolari a lati curvi. Elementi quadrangolari. Quadratura di Gauss per domini triangolari e quadrangolari. Elementi tetraedrali ed esaedrali. Elementi finiti vettoriali di tipo edge.

Funzione di Green per l’equazione di Poisson. Formule di Green. Il metodo degli elementi di contorno (BEM). Integrazione di funzioni singolari. Metodi ibridi: FEM-BEM e FEM-DBCI (Dirichlet Boundary Condition Iteration).

2. Linee di trasmissione

Circuiti a parametri distribuiti. Parametri di una linea bifilare. Equazioni dei telegrafisti in regime sinusoidale. Onda progressiva e regressiva. Costante di propagazione, costante di attenuazione, costante di fase, impedenza caratteristica. Coefficiente di riflessione, linea adattata. Bilancio energetico. Linee a λ/2 e a λ/4. Linee prive di perdite, rapporto d’onda stazionario (ROS). Analisi nel dominio del tempo e di Laplace. Linee multiconduttore.

3. Filtri elettrici.

Funzione caratteristica di un filtro. Filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda ed arersta banda. Trasformazioni di frequenza; filtro passa-basso di riferimento. Approssimazioni di Butterworth e di Chebyshev. Sintesi di filtri a scala LC. Filtri attivi del primo e del secondo ordine. Cella biquadratica. Filtri di Sallen-Key. Filtri a retroazione negativa. Esempi di progetto.

4. Teoria delle antenne

Principali tipi di antenne e loro caratteristiche. Antenne a dipolo elettrico ed a dipolo magnetico. Parametri di un’antenna trasmittente: diagramma di radiazione, resistenza di radiazione, lunghezza efficace, funzioni di direttività e di guadagno. Parametri di un’antenna ricevente: area efficace, fattori di adattamento di potenza e di polarizzazione, fattore di antenna. Antenna a dipolo a λ/2 ed antenna unipolare a λ/4. Schiere di antenne.



Testi di riferimento

1. P. P. Silvester, R. L. Ferrari: “Finite elements for electrical engineers”, 3rd edition, Cambridge University Press, 2003.

2. S. Alfonzetti: " Dispense del corso sui metodi numerici".

3. R. Schaumann, M. E. Van Valkenburg: "Design of analog filters". OUP, New York, 2001.

4. Wai-Kai Chen: " Passive, Active and Digital Filters. Taylor&Francis.

5. Clayton R. Paul: " Analysis of Multiconductor Lines". Wiley.

6. G. Miano, A. Maffucci: " Transmission Lines and Lumped Circuits". Academic Press.

7. G. Franceschetti: " Electromagnetics: theory, techniques and engineering paradigms". Plenum Press, New York, 1997.

8. S. Ramo, J. R. Whinnery, T. Van Duzer: "Fields and waves in communication electronics", 3rd edition, 1977.


Altro materiale didattico

http://studium.unict.it/dokeos/2021/



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Equazioni di Maxwell in forma differenziale ed in forma integrale. Campo di densità di corrente stazionario, potenziale scalare elettrico, equazione di Laplace, condizioni al contorno di tipo Dirichlet e Neumann. Campo elettrostatico, equazione di Poisson. Campo magnetostatico, potenziale vettore magnetico. Campo elettromagnetico quasi-stazionario, problemi di correnti indotte e di effetto pelle.7,8 
2Metodi numerici per il calcolo di campi elettromagnetici. Il metodo delle differenze finite (FDM), postprocessamento FDM. Il metodo degli elementi finiti (FEM). Formulazione variazionale per l’equazione scalare di Poisson in 2D. Elementi triangolari del primo ordine, funzioni di forma, coordinate locali, triangolo standard. Matrici di Dirichlet e di metrica per un elemento finito. Condizioni al contorno di tipo Dirichlet, Neumann e misto. Costruzione del sistema risolvente e sua risoluzione.1,2 
3Valutazione di quantità integrali (flussi, energie, forze). Elementi triangolari di ordine superiore. Formule di integrazione nel triangolo standard. Matrici universali in forma razionale. Elementi triangolari a lati curvi. Elementi quadrangolari. Quadratura di Gauss per domini triangolari e quadrangolari. Elementi tetraedrali ed esaedrali. Elementi finiti vettoriali di tipo edge.1,2 
4Funzione di Green per l’equazione di Poisson. Formule di Green. Il metodo degli elementi di contorno (BEM). Integrazione di funzioni singolari. Metodi ibridi: FEM-BEM e FEM-DBCI (Dirichlet Boundary Condition Iteration).1,2 
5Circuiti a parametri distribuiti. Parametri di una linea bifilare. Equazioni dei telegrafisti in regime sinusoidale. Onda progressiva e regressiva. Costante di propagazione, costante di attenuazione, costante di fase, impedenza caratteristica. Coefficiente di riflessione, linea adattata. Bilancio energetico. Linee a lamba mezzi e a lamba quarti. Linee prive di perdite, rapporto d’onda stazionario (ROS). Analisi nel dominio del tempo e di Laplace. Linee multiconduttore.5,6 
6Funzione caratteristica di un filtro. Filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda ed arersta banda. Trasformazioni di frequenza; filtro passa-basso di riferimento. Approssimazioni di Butterworth e di Chebyshev. Sintesi di filtri a scala LC. Filtri attivi del primo e del secondo ordine. Cella biquadratica. Filtri di Sallen-Key. Filtri a retroazione negativa. Esempi di progetto.3,4 
7Principali tipi di antenne e loro caratteristiche. Antenne a dipolo elettrico ed a dipolo magnetico. Parametri di un’antenna trasmittente: diagramma di radiazione, resistenza di radiazione, lunghezza efficace, funzioni di direttività e di guadagno. Parametri di un’antenna ricevente: area efficace, fattori di adattamento di potenza e di polarizzazione, fattore di antenna. Antenna a dipolo a lamba mezzi ed antenna unipolare a lamba quarti. Schiere di antenne.


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame consiste di una sola prova orale, durante la quale al candidato sono rivolte alcune domande riguardanti gli argomenti svolti a lezione dai due docenti e nella quale è discusso un elaborato di fine corso opzionalmente preparato dalla studente. La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Le domande poste agli studenti durante la prova orale riguardano gli aspetti principali degli argomenti trattati a lezione: metodi numerici per il calcolo di campi elettrici e magnetici stazionari, quasi stazionari e comumque variabili, linee di trasmissione sia regime transitorio sia in regime sinusoidale, elementi della teoria dei filtri elettrici analogici sia passivi sia attivi, elementi di onde elettromagnetiche e di teoria delle antenne.




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