Lo scopo dell’insegnamento è fornire allo studente le conoscenze fondamentali della Radiazione Elettromagnetica e delle Antenne usate nei Sistemi di Telecomunicazioni e in Elettronica.Dopo aver superato l’esame lo…
Scheda dell'insegnamento
Obiettivi formativi
Lo scopo dell’insegnamento è fornire allo studente le conoscenze fondamentali della Radiazione Elettromagnetica e delle Antenne usate nei Sistemi di Telecomunicazioni e in Elettronica.Dopo aver superato l’esame lo studente avrà acquisito competenze sia di tipo teorico che operativo. Avrà profonda conoscenza dei Metodi e dei Modelli (sia analitici che numerici) per la caratterizzazione di molteplici tipi di Antenna e avrà sviluppato abilità pratiche nell’utilizzo di CAD Elettromagnetico e strumentazione di laboratorio.La prima parte del Modulo tratta la modellazione di giunzioni a microonde e di alcuni dispositivi usati nei circuiti a microonde. La seconda parte, più estesa, affronta la modellazione della Radiazione Elettromagnetica e delle Antenne.Argomenti di questo Modulo includono:- metodi matematici per la modellazione della radiazione elettromagnetica;- antenne a filo;- antenne a microstriscia;- antenne ad apertura;- schiere di antenne;- giunzioni passive a microonde;- esercitazioni e laboratorio: modellazione numerica, realizzazione e caratterizzazione strumentale di un dispositivo a microonde o un’antenna.
Programma
Introduzione alle antenne: parametri principali delle antenne, diagramma di radiazione, densità di potenza irradiata, intensità di radiazione, direttività, concetto di apertura ed altezza efficace, polarizzazione, impedenza d'ingresso, resistenza di radiazione, guadagno, efficienza di radiazione, larghezza del fascio, larghezza di banda, campo vicino e campo lontano, formula di Friis, equazioni duali per le sorgenti elettriche e magnetiche.Adattamento di antenne: adattamento in potenza ed uniformità, coefficiente di riflessione e di disadattamento.Antenne a filo: dipolo infinitesimo, campo vicino, campo lontano, direttività, radiazione da distribuzione di correnti arbitrarie, dipolo di lunghezza finita, dipolo a mezz'onda. Impedenza d'antenna: considerazioni teoriche e sperimentali, metodo dei momenti, equazione integrale di Hallen, dipoli accoppiati, impedenza mutua, filo di corrente difronte a piano metallico, antenne a monopolo, dipolo ripiegato, antenna biconica, dipolo corto. Balun, T-match, gamma-match.Array di antenne : array lineare, circolare e planare, moltiplicazione dei diagrammi, array monodimensionale uniforme, array broad side, array end fire, diagramma di radiazione, direttività, larghezza del fascio, direzione dei nulli, fattore di array.Array parassiti: antenna Yagi-Uda.Antenne indipendenti in frequenza ed autocomplementari: antenna log-periodica ed antenna a spirale.Antenne a microstriscia: patch rettangolare.Antenne ad apertura: radiazione da apertura planare, metodo della trasformata di Fourier, metodo del teorema di equivalenza, radiazione da apertura rettangolare, apertura con illuminazione uniforme, apertura con variazione lineare di fase, apertura tapered, irradiazione da guida d'onda rettangolare aperta, antenne a tromba, antenne E-horn, H-horn e piramidale.Antenne a riflettore: antenne a riflettore parabolico, efficienza di apertura, direttività, introduzione alle antenne paraboliche offset, sistemi di antenna a doppio riflettore, sistemi a doppio riflettore sagomato.Antenne come scatteratori, sistemi di Identificazione a Radio Frequenza, modo struttura, modo antenna.Circuiti a microonde: potenza, energia, attenuazione dei modi in guida d'onda, perdite nei conduttori, impedenza superficiale, cavo coassiale, strutture guidanti planari, microstrisce, introduzione alle cavità risonanti, giunzioni a microonde, giunzioni reciproche e senza perdite, matrice di scattering, giunzioni ad una porta e a due porte.Esercitazioni: progettazione ed analisi di modelli di antenne mediante CAD elettromagnetico.Attività di laboratorio: realizzazione dei dispositivi progettati durante le esercitazioni; misura del return loss, insertion loss, di antenne e circuiti a microonde.
Sono propedeutiche la teoria dei campi elettromagnetici, delle linee di trasmissione, delle guide d'onda, delle onde piane e dei circuiti elettrici.
Lezioni teoriche (60% del tempo) vengono alternate ad esercitazioni di laboratorio ed esercitazioni numeriche in aula (30%) con la finalità di acquisire, oltre alla conoscenza e comprensione teorica degli argomenti trattati, sia la capacità di capire e risolvere problemi anche complessi con l’aiuto dei CAD elettromagnetici che l’abilità pratica con la strumentazione del laboratorio.Al fine di stimolare la capacità di elaborare relazioni tecnico/scientifiche e il lavoro in team, è richiesta la produzione di una tesina/report riguardante lo sviluppo e la misura del dispositivo progettato lavorando in piccoli gruppi.Per favorire il contatto con la realtà lavorativa ed applicativa, l’insegnamento è spesso completato con seminari di esperti provenienti preferibilmente dal mondo dell’industria e con visite presso aziende o enti che sviluppano o fanno uso di antenne e dispositivi a microonde.
Modalità d'esame
L’accertamento del processo di apprendimento viene effettuato con continuità durante lo svolgimento delle lezioni, delle esercitazioni e delle attività di laboratorio. Gli studenti sono coinvolti in discussioni e proposte di strategie durante le lezioni teoriche e per lo svolgimento del lavoro di tesina. In base al livello di preparazione percepito il docente può adattare i contenuti dell’insegnamento.Accertamento dei risultati di apprendimento: l'esame è scritto e orale. Vengono assegnate 3 domande a cui lo studente risponde avvalendosi di carta e penna ovvero della lavagna. E' parte integrante dell’esame la presentazione e la discussione del lavoro di tesina di cui è richiesta una relazione scritta. Nella relazione lo studente dovrà illustrare criticamente le scelte fatte e i risultati ottenuti.L’esame è rivolto alla valutazione della padronanza degli argomenti trattati sia dal punto di vista teorico che dal punto di vista operativo. Sono elementi di indagine:- il livello di conoscenza acquisito dei diversi modelli d’antenna e dispositivi a microonde (30% del voto finale);- la capacità di operare con grafici, tabelle, parametri e modelli sia analitici che numerici (30%);- la capacità di impostare la risoluzione di problemi tipici di Ingegneria delle Telecomunicazioni ed Elettronica (10%).Il lavoro e l’esposizione della tesina hanno un peso del 30% sulla valutazione finale.L’attribuzione del voto rifletterà i seguenti quattro livelli di preparazione- sufficiente: conoscenza base dei modelli d’antenna e dei dispositivi a microonde;- adeguata: abilità critica nell’analisi dei modelli e una basilare capacità operativa;- buona: raggiungimento di un buon livello della capacità operativa;- approfondita: padronanza del formalismo matematico, saper fare connessioni e saper impostare la risoluzione di problemi elettromagnetici complessi.
Testi di riferimento
Robert Collin, "Antennas and Radiowave Propagation", McGraw-Hill;Costantine Balanis, "Antenna Theory: Analysis and Design", Wiley & Son;David Pozar, "Microwave Engineering", Wiley;
Codice insegnamento 32376