Antenne - Anagrafica della Ricerca, Prodotti della Ricerca e
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Insegnamento Antenne Livello e corso di studio Laura Magistrale in Ingegneria Elettronica (LM29) Settore scientifico disciplinare (SSD) ING-INF/02 Anno di corso 2 Numero totale di crediti 9 Propedeuticità Esame di Microonde. Si fa presente, inoltre, che nell’ambito della teoria delle Antenne si fa massiccio utilizzo dei concetti e delle nozioni apprese nei corsi triennali di base di matematica (Analisi 1 e 2) e di fisica (Fisica II e Campi Elettromagnetici I). Alcuni concetti di base di Campi Elettromagnetici necessari per l’adeguata comprensione del corso vengono richiamati nel modulo I (Richiami di Elettromagnetismo). Eventuali ulteriori richiami saranno effettuati nel corso delle video lezioni laddove necessario. Docente Obiettivi formativi Alessio Monti Facoltà: Ingegneria Nickname: monti.alessio Email: [email protected] (da utilizzare solo per comunicazioni interne e amministrative) Orario di ricevimento: Consultare calendario videoconferenze sul sito d’Ateneo. Il corso è concepito per fornire allo studente gli elementi essenziali per la comprensione dei fenomeni di trasmissione e ricezione del campo elettromagnetico e per la caratterizzazione e il progetto dei più comuni sistemi radianti per usi terrestri e satellitari. Il corso si propone di fornire informazioni di carattere teorico e pratico sulle principali tipologie di antenne e di allineamenti di antenne nonché sulle relative tecniche progettuali. Particolare enfasi è posta sulla comprensione fisica dei fenomeni che caratterizzano la radiazione e la ricezione dei campi elettromagnetici. Questo corso ci colloca nell’ambito delle discipline dei campi elettromagnetici e amplia e approfondisce le conoscenze sui fenomeni di trasmissione e ricezione del campo elettromagnetico acquisite negli ultimi moduli del corso di Campi Elettromagnetici della Laurea Triennale I risultati d’apprendimento attesi sono i seguenti: Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding) - comprensione delle grandezze fisiche usate per caratterizzare una generica antenna, sia in modalità trasmittente che ricevente; - comprensione delle le tecniche analitiche utilizzate per l’analisi delle varie tipologie di antenne; - conoscenza delle metodologie di analisi e di progetto delle tipologie più diffuse di antenne e di allineamenti di antenne, dei rispettivi principi di funzionamento, delle loro caratteristiche e dei loro vantaggi e svantaggi; - comprensione delle modalità di propagazione del campo elettromagnetico in spazio libero in relazione alla banda di frequenze utilizzata, sia per applicazioni terresti che satellitari; - comprensione dei rudimenti della teoria radar. Conoscenze e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding) 1 - capacità di dimensionare un collegamento radio e un semplice sistema radar; - capacità di analisi e di sintesi di un’antenna lineare, di un’antenna a loop, di un allineamento di antenne e di un’antenna ad apertura in base a determinate specifiche progettuali; Autonomia di giudizio (making judgements) - capacità di scegliere una opportuna tipologia di antenne in base alle specifiche progettuali e alle caratteristiche ambientali per comunicazioni terrestri e satellitari; - capacità critica di interpretare i risultati ottenuti durante lo svolgimento di un esercizio numerico sia in termini di coerenza fisica sia in termini di fattibilità ingegneristica della soluzione individuata. Abilità comunicative (communication skills) - sviluppo di un linguaggio scientifico corretto e comprensibile che permetta di esprimere in modo chiaro e privo di ambiguità le conoscenze tecniche acquisite nell’ambito della teoria delle antenne e della teoria della propagazione del campo elettromagnetico in spazio libero. Capacità di apprendere (learning skills) - capacità di applicare le conoscenze acquisite per la risoluzione di problemi non familiari che abbiano come oggetto la trasmissione e la ricezione di informazioni su portante elettromagnetica. Prerequisiti Conoscenza dei fondamenti dell’analisi matematica e delle funzioni vettoriali a più variabili. Conoscenza delle proprietà fondamentali del campo elettrostatico, magnetostatico ed elettromagnetico. Al riguardo, si consiglia di rivedere tali nozioni, propedeutiche per l’apprendimento e l’approfondimento della teoria delle antenne; a tal fine, si possono utilizzare i testi già consultati per la preparazione agli esami di base dell’area matematica (Analisi 1 e 2) e fisica (Fisica 2 e Campi Elettromagnetici) sostenuti in precedenza. Contenuti del corso e scansione settimanale consigliata Modulo 1 – Richiami di elettromagnetismo (Settimana 1) Richiami di elettromagnetismo: equazioni di Maxwell, equazione di continuità e relazioni costitutive. Modulo 2 – Funzione di Green e radiatori elementari (Settimana 1) Potenziali elettrodinamici. Funzione di Green: funzione di Green per lo spazio libero. Radiazione da dipolo elettrico infinitesimo e radiazione da dipolo magnetico infinitesimo. Modulo 3 – Caratteristiche delle antenne (Settimana 2) Introduzione. Caratteristiche delle antenne: caratteristiche elettriche e caratteristiche radiative. Modulo 4 – Antenne in ricezione (Settimana 2) Antenne in ricezione: teorema di reciprocità, area e lunghezza efficace e rumore nei sistemi di comunicazione e temperatura di rumore di un’antenna. Modulo 5 – Separazione tra le regioni di campo e formula di Friis (Settimana 2) Separazione tra le regioni di campo: regione di campo vicino, regione di campo di Fresnel e regione di campo di Fraunhofer. Formula di Friis. Modulo 6 – Antenne filari (Settimane 3-4) Antenne a dipolo: dipolo corto non infinitesimo, dipolo a mezz’onda, balun. Antenne filari poste in prossimità di conduttori ideali infinitamente estesi: teoria delle immagini e effetti di un piano di massa reale. Altri tipi di antenne filari. Modulo 7 – Antenne a spira (Settimana 5) Antenne a spira: piccola spira di corrente, spira circolare con corrente uniforme, spira circolare con corrente non uniforme. Antenne a spira poligonali. Antenne a spira con ferrite Modulo 8 – Allineamenti di antenne (Settimane 6-8) Fattore di allineamento. Allineamenti uniformi unidimensionali e bidimensionali: allineamenti broadside e endfire e condizione di Hansen-Woodyard. Allineamenti non uniformi: allineamenti binomiali e polinomiali di Schelkunoff, allineamenti di Chebyshev. Allineamenti parassiti: Allineamenti di Yagi-Uda e Allineamenti logperiodici. Modulo 9 – Antenne ad apertura (Settimane 9-10) Radiazione da apertura piana: metodo della trasformata di Fourier. Radiazione da apertura rettangolare e circolare: campo uniforme con variazione lineare di fase e campo rastremato. Principi di equivalenza: principio del campo equivalente di Love. Radiazione da guida d’onda rettangolare e circolare. Antenne a tromba rettangolare, circolare e piramidale. Antenne a tromba corrugate. Radiazione da fenditura e allineamenti di 2 fenditure Modulo 10 – Antenne a riflettore parabolico (Settimana 11) Ottica geometrica. Lenti a microonde. Antenne a riflettore parabolico: perdite di potenza nelle antenne a riflettore parabolico, polarizzazione incrociata e feed a bassa polarizzazione incrociata. Ottica fisica. Riflettori offset e sistemi a doppio riflettore. Modulo 11 – Antenne in microstriscia (Settimana 12) Introduzione. Caratteristiche delle antenne in microstriscia: meccanismo di radiazione e caratteristiche principali, onde superficiali, tecniche di eccitazione. Antenne a patch rettangolare: modello a LdT e modello a cavità. Gli studenti che devono sostenere l'esame di Antenne con un numero ridotto di CFU, poiché parzialmente riconosciuto all’atto dell’immatricolazione (c.d. integrazioni), sono invitati ad contattarmi in piattaforma ed inviarmi il programma dell’esame già sostenuto. In tal modo, potrò valutare esattamente i moduli da assegnare per il sostenimento dell'esame in forma ridotta. Materiali di studio · Materiali didattici a cura del docente. Testi consigliati: · C. Balanis, “Antenna theory, analysis and design”, Wiley-Interscience, 3rd edition. · Robert E. Collin, “Antennas and Radiowave Propagation”, Mcgraw-Hill College, 4rd edition. Metodi didattici Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide e dispense, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti degli esercizi risolti e dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ognuna delle lezioni. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici e testi di appelli d’esame precedenti, utili per prendere confidenza con la tipologia d’esame scritto. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove il docente individua i temi e gli argomenti più significativi dei vari moduli del corso e interagisce con gli studenti iscritti proponendo lo svolgimento di esercizi. Modalità di verifica dell’apprendimento L’esame consiste di norma nello svolgimento di una prova scritta tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti. La prova d’esame prevede 2 esercizi numerici e 1 domanda di teoria da svolgere in 90 minuti. Ciascuna domanda dell'esame scritto ha un punteggio massimo di 11 punti, per un totale di 33 punti corrispondenti ad una valutazione pari a 30 e lode. Per il superamento dell'esame è comunque necessario ottenere una votazione almeno sufficiente (maggiore o uguale a 6/11) alla domanda di teoria. Gli esercizi presenti nelle prove d'esame riguarderanno i moduli per cui sono presenti esercizi in piattaforma (caricati come file singolo all'interno del modulo corrispondente). Gli esercizi riguarderanno i seguenti moduli: Caratteristiche delle antenne; Separazione tra le regioni di campo e formula di Friis; Antenne filari; Antenne a loop; Allineamenti di antenne; Antenne ad apertura. Gli argomenti delle domande di teoria, invece, possono riguardare tutti i moduli del corso. Per lo svolgimento degli esami è consentito l'utilizzo del formulario del corso caricato in piattaforma. Gli studenti sono invitati a stampare il formulario e a portarlo con sé il giorno dell'esame. Si invitano gli studenti ad usare in modo sistematico il formulario sin dalle prime fasi della preparazione dell'esame, in modo da prendere progressivamente confidenza con questo prezioso strumento. Si fa notare, infine, che in piattaforma è stata caricata una simulazione d'esame e diverse tracce d'esame assegnate nei precedenti appelli. Criteri per l’assegnazione dell’elaborato finale L’assegnazione dell’elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 - Lezione 1 Richiami sulle equazioni di Maxwell in forma differenziale e in forma integrale nel dominio del tempo; Richiami sulle equazioni di Maxwell nel dominio della frequenza; Richiami sul teorema di Poynting nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 - Lezione 2 Richiami sull’equazione delle onde e sulle relative soluzioni, quali l’onda piana uniforme e l’onda sferica; richiami sull’equazione di continuità. Materiali didattici a cura del docente 3 Modulo 1 - Lezione 3 Relazioni costitutive nel dominio e della frequenza per diversi tipi di materiali passivi, i.e., bi-anisotropi, anisotropi, semplicemente isotropi, spazialmente e temporalmente dispersivi e non dispersivi, stazionari e omogenei. Esempi di relazione costitutive di materiali comunemente utilizzati. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 – Lezione 4 Proprietà dei materiali dielettrici e conduttori; Relazioni di Kramers-Kronig; Condizioni al contorno per materiali dielettrici e conduttori. Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 1 Problema di radiazione: potenziali elettrodinamici e funzione di Green; Funzione di Green per lo spazio libero; Risoluzione del problema di radiazione per il dipolo di Hertz. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 2 – Lezione 2 Potenza totale, reale e reattiva generata dal dipolo di Hertz; concetto di distanza elettrica e di sfera radiante; Risoluzione del problema di radiazione per il dipolo magnetico infinitesimo; Confronto tra dipolo elettrico e magnetico infinitesimo. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 1 Definizione di antenna; Spettro elettromagnetico e classificazione; Panoramica sulle tipologie di antenne; Distinzione tra caratteristiche elettriche e radiative di un’antenna; Caratteristiche elettriche: impedenza d’ingresso, efficienza di radiazione, frequenze di risonanza, coefficiente di riflessione, rapporto d’onda stazionaria, larghezza di banda d’impedenza. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 2 Caratteristiche di radiazione: campo elettromagnetico irradiato, intensità di radiazione, potenza totale irradiata, diagramma di radiazione tridimensionale e bidimensionale, larghezza del fascio a mezza potenza, direttività, guadagno e purezza di polarizzazione; Caratteristiche elettriche del dipolo elettrico infinitesimo e del dipolo magnetico infinitesimo; Resistenza di perdita del dipolo elettrico infinitesimo. Materiali didattici a cura del docente Modulo 3 – Lezione 3 Caratterizzazione delle antenne riceventi: area efficace e lunghezza efficace; Teorema di reciprocità per le antenne riceventi nel caso di adattamento di impedenza e di polarizzazione. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 1 Teorema di reciprocità per le antenne riceventi nel caso di disadattamento di impedenza e/o di polarizzazione; Rumore termico di un resistore e di un amplificatore; Temperatura di rumore di un amplificatore; Temperatura di rumore del sistema. Materiali didattici a cura del docente Modulo 4 – Lezione 2 Rumore d’antenna; Temperatura d’antenna e relativo andamento in frequenza; Esercizio svolto e commentato; · Materiali didattici a cura del docente Modulo 5 – Lezione 1 Separazione tra le regioni di campo; Campo di zona vicina; Campo di zona intermedia (o di Fresnel); Campo di zona lontana (o di Fraunhofer); Formula di Friis; Equazione Radar; Esempi svolti e commentati. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 6 – Lezione 1 Introduzione alle antenne lineari; Dipolo infinitesimo; Dipolo corto; Dipolo di lunghezza finita (prima parte); · Materiali didattici a cura del docente Modulo 6 – Lezione 2 Dipolo di lunghezza finita (seconda parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 6 – Lezione 3 Dipolo di lunghezza finita (terza parte); Reattanza di ingresso delle antenne lineari; Dipolo a mezz’onda; Dispositivi di adattamento da linea sbilanciata a bilanciata (balun): balun a trasformatore, balun a induttanza, ugly balun, sleeve balun, folded balun. 4 · Materiali didattici a cura del docente Modulo 6 – Lezione 4 Antenne filari in prossimità di conduttori ideali; Dipolo elettrico infinitesimo verticale posto su conduttore ideale; Principio delle immagini; Scalloping. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 6 – Lezione 5 Dipolo elettrico infinitesimo orizzontale posto su conduttore ideale; Monopolo in quarto d’onda (antenna marconiana); Dipolo con riflettore; Effetti del terreno. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 6 – Lezione 6 Altri tipi di antenne filari: dipolo ripiegato, dipolo sleeve, dipolo conico. Esercizi svolti e commentati. · Materiali didattici a cura del docente · Modulo 7 – Lezione 1 Introduzione sulle antenne a loop; Caratteristiche del dipolo magnetico infinitesimo; Antenne a loop circolare con corrente costante (prima parte). Materiali didattici a cura del docente Modulo 7 – Lezione 2 Antenna a loop circolare con corrente costante (seconda parte); Funzioni di Bessel; Loop elettricamente piccoli, elettricamente intermedi e elettricamente grandi; Antenne a loop circolare con corrente non costante; Antenne a loop poligonali. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 7 – Lezione 3 Antenne a loop caricate con ferrite; Fattore di de-magnetizzazione; Esercizi svolti e commentati. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 1 Introduzione agli allineamenti di antenne; Fattore di array; Principio di moltiplicazione del pattern di radiazione; Allineamenti 1D uniformi (prima parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 2 Allineamenti 1D uniformi (seconda parte); Spazio del visibile; Allineamenti 1D uniformi broadside (prima parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 3 Allineamenti 1D uniformi broadside (seconda parte); Allineamenti 1D uniformi broadside di tipo collineare; Allineamenti 1D uniformi end-fire; Condizione di Hansen-Woodyard. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 4 Confronto tra Allineamenti broadside ed endfire; Allineamenti 2D uniformi; Sintesi degli Allineamenti: sintesi di Fourier. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 5 Allineamenti binomiali e polinomiali; Sintesi di Schelkunoff. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 6 Allineamenti di Chebyshev; Esercizi svolti e commentati. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 8 – Lezione 7 Allineamenti parassiti: antenne Yagi-Uda e antenne log-periodiche. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 9 – Lezione 1 Introduzione sulle antenne ad apertura; Metodo della trasformata di Fourier; Redazione da apertura planare; Metodo del dominio spettrale. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 9 – Lezione 2 Metodo di Rayleigh della fase stazionaria; Radiazione da apertura rettangolare con campo impresso uniforme; Radiazione da apertura circolare con campo impresso uniforme. · Materiali didattici a cura del docente 5 Modulo 9 – Lezione 3 Radiazione da apertura rettangolare con campo uniforme a variazione lineare di fase; Radiazione da apertura rettangolare con campo rastremato; Principi di equivalenza (prima parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 9 – Lezione 4 Principi di equivalenza (seconda parte); Richiami sulla propagazione guidata in guida. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 9 – Lezione 5 Guide d’onda aperte; Antenne ad horn rettangolare: horn nel piano E, horn nel piano H e horn piramidale; Horn conici. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 9 – Lezione 6 Antenne a tromba corrugate; Antenne a fessura; Allineamenti di antenne a fenditure in guida d’onda: allineamenti risonanti. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 9 – Lezione 7 Allineamenti di antenne a fenditure in guida d’onda: allineamenti non risonanti. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 10 – Lezione 1 Introduzione alle antenne a riflettore parabolico; Cenni sull’ottica geometrica; Lenti a microonde. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 10 – Lezione 2 Principio di funzionamento delle antenne a riflettore parabolico; perdite nelle antenne a riflettore parabolico (prima parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 10 – Lezione 3 Perdite nelle antenne a riflettore parabolico (seconda parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 10 – Lezione 4 Perdite nelle antenne a riflettore parabolico (terza parte); Polarizzazione incrociata nelle antenne a riflettore parabolico; feed a bassa polarizzazione incrociata: guida d’onda circolare, feed dual-mode e horn conico corrugato; Ottica fisica; Riflettori parabolici offset; Sistemi a doppio riflettore. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 11 – Lezione 1 Introduzione alle antenne a microstriscia; Meccanismo di radiazione e caratteristiche delle antenne a microstriscia (prima parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 11 – Lezione 2 Meccanismo di radiazione e caratteristiche delle antenne a microstriscia (seconda parte); Onde superficiali; Compromessi di progetto; Tecniche di alimentazione: linea a microstriscia, cavo coassiale e accoppiamento mediante fenditure; Modello a linea di trasmissione per antenne a patch rettangolare (prima parte). · Materiali didattici a cura del docente Modulo 11 – Lezione 3 Modello a linea di trasmissione per antenne a patch rettangolare (seconda parte); Modello a cavità di antenne a patch rettangolare. Confronti tra i due metodi e la soluzione esatta basata sul metodo dei momenti. · Materiali didattici a cura del docente Modulo 12 – Lezione 1 Richiami sulle antenne; richiami sulle caratteristiche elettriche delle antenne; impedenza di ingresso; frequenze di risonanza; coefficiente di riflessione alla porta d’ingresso; larghezza di banda; efficienza di radiazione. Modulo 12 – Lezione 2 Richiami sulle caratteristiche di radiazione delle antenne; campo radiato in zona lontana; larghezza del fascio a mazza potenza; direttività; guadagno; polarizzazione; antenne in ricezione; esercizi svolti. Modulo 12 – Lezione 3 Richiami sulla formula di Friis; problemi di compatibilità elettromagnetica e di telecomunicazioni; separazione in regione di campo; regione di campo vicino; regione di Fresnel; regione di Fraunhofer. 6 Modulo 12 –Lezione 4 Richiami sull’equazione radar; radar cross section; esercizi svolti. Riepilogo – Lezione 1 Introduzione sulle antenne; richiami sulle caratteristiche elettriche delle antenne; impedenza di ingresso; frequenze di risonanza; coefficiente di riflessione alla porta d’ingresso; larghezza di banda; efficienza di radiazione. 7
