ANTENNAS AND RADIOPROPAGATION

Il corso si propone di introdurre i concetti fondamentali e le tecniche operative proprie dell'Elettromagnetismo Applicato, tenendo in considerazione le più rilevanti applicazioni nell'ambito dell'ingegneria elettronica. Nella prima parte del corso, 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 di onde elettromagnetiche in diversi ambienti di interesse, ovvero in linee di trasmissione, in strutture planari dielettriche multistrato, in interfacce miste metallo-dielettriche, nel plasma freddo etc. Nella seconda parte del corso, invece, l'attenzione si sposta verso l'analisi teorica e la progettazione delle sorgenti per il campo elettromagnetico, ovvero delle antenne, caratterizzate sia in trasmissione che in ricezione. Per concluderre, nel corso si fa cenno ai meccanismi fondamentali di radiopropagazione e alla progettazione di semplici link satellitari.

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 di uso nel corso.

1) Le equazioni di Maxwell (EdM)

• Equazioni di Maxwell (EdM) nel dominio del tempo.
• Cariche nel campo elettromagnetico e forza di Lorentz.
• Equazione di continuità.
• Relazioni costitutive nel dominio del tempo.
• Condizioni al contorno per il campo elettromagnetico.
• Introduzione al formalismo nel dominio della frequenza. Caso particolare fasoriale.
• Teorema di Poynting nei domini di tempo e frequenza. Bilancio energetico e vettore di Poynting.
• Teorema di Unicità nei domini del tempo e della frequenza.
• Modello di Lorentz per le relazioni costitutive di dielettrici non polari.
• Modello classico per le relazioni costitutive dei conduttori.
• Modello classico per le relazioni costitutive del plasma freddo e senza collisioni.

2) Equazione d'onda e studio delle onde piane

• Equazione d'onda (e di Helmholtz) inomogenea 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: relazioni e parametri fondamentali.
• Classificazione delle onde piane: uniformi e non uniformi.
  • Onde piane uniformi in mezzi non dispersivi e non dissipativi.
  • Onde piane non uniformi in mezzi non dispersivi e non dissipativi (casi TE e TM).
  • Onde piane uniformi in mezzi non dispersivi e dissipativi.
• Spettro di onde piane e dominio trasformato del numero d'onda.
• Mezzi dispersivi e non dispersivi. Velocità di fase.
• Velocità di gruppo e pacchetti d'onda: battimento, pacchetti d'onda 1D e 3D.

3) Linee di trasmissione e tecniche di adattamento

• Generalità sulle linee di trasmissione: derivazione dei parametri di linea dalle EdM.
• Equazioni dei telegrafisti nei domini del tempo e della frequenza.
• Soluzioni in termini di onde viaggianti e stazionarie.
• Linee di trasmissione con piccole perdite e condizione di Heaviside.
• Linee di trasmissione terminate su un carico generico.
  • Espressioni della tensione e della corrente di linea.
  • Coefficiente di riflessione, ROS (VSWR), formula del trasporto d'impedenza, potenza.
  • Caso particolare: linea di trasmissione terminata sulla propria impedenza caratteristica.
  • Caso particolare: linea di trasmissione terminata in circuito aperto.
  • Caso particolare: linea di trasmissione terminata in cortocircuito.
• Carta di Smith come trasformazione conforme di coordinate.
• Massimo trasferimento di potenza e adattamento d'impedenza.
• Adattamento d'impedenza mediante un trasformatore in quarto d'onda.
• Adattamento d'impedenza mediante uno stub serie in cortocircuito.
• Adattamento d'impedenza mediante uno stub serie in circuito aperto.
• Adattamento d'impedenza mediante uno stub parallelo in cortocircuito.
• Adattamento d'impedenza mediante uno stub parallelo in circuito aperto.

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

• Studio dell'incidenza di onde piane su singola interfaccia planare dielettrica.
  • Prima e seconda legge di Snell dalle EdM.
  • Incidenza normale: caso TEM.
  • ​Incidenza obliqua: casi TE e TM.
  • Coefficienti di Fresnel.
• Studio dettagliato della riflessione totale e dell'angolo di Brewster.
• Linee di trasmissioni equivalenti TE e TM per lo studio della propagazione in mezzi multistrato planari.
• 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: sviluppo di Luneburg-Klein, ottica geometrica, principio di Fermat, equazioni iconale e dei raggi.

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.
• Meccanismi di radiopropagazione in dipendenza dalla frequenza.

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).

(Studium) https://studium.unict.it/dokeos/2020/main/document/document.php?cidReq=18484&curdirpath=/shared_folder

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.