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POLITECNICO DI BARI
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
Tesi di laurea in
Antenne e Compatibilità Elettromagnetica
IMPIEGO DEL METODO DEI MOMENTI PER LA PROGETTAZIONE
PARAMETRICA DI ANTENNE PLANARI A LARGA BANDA
USE OF THE METHOD OF MOMENTS FOR THE PARAMETRIC
DESIGN OF PLANARS ANTENNAS IN BROADBAND
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Michele BOZZETTI
Laureando:
Angelo Antonio SALATINO
Anno Accademico 2009/2010
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Obiettivo della tesi:
Studio completo, attraverso il metodo dei momenti (MoM), di una struttura
d’antenna, che consente la trasmissione in larga banda (800-2400 MHz).
Introduzione:
• Antenne ed Onde Elettromagnetiche
• Metodo dei Momenti e funzioni di Rao-Wilton-Glisson
• Analisi della struttura
Anno Accademico 2009/2010
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Antenne ed Onde Elettromagnetiche
Un’antenna trasmittente converte una corrente elettrica tempo variante
propagandola nell’etere sotto forma di campi elettromagnetici ai quali sarà
associata una radiazione di energia elettromagnetica. I campi irradiati
trasporteranno l’informazione fornita dall’apparato trasmittente.
Un’antenna ricevente è, invece, un dispositivo sensibile a campi
elettromagnetici presenti nell’etere e in grado di captare l’informazione a essi
associati e di trasferirla a un dispositivo utilizzatore per il tramite di correnti
suscitate dai campi incidenti.
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Metodi Analitici
Formule a volte non
esprimibili in forma chiusa
Antenne
Metodi numerici
Metodo dei Momenti
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Metodo dei Momenti
Il Metodo dei Momenti è un algoritmo numerico nel dominio della frequenza
che consente la risoluzione in forma approssimata di equazioni integrali,
riducendole ad una equazione matriciale lineare, permettendo di ottenere la
soluzione tramite una semplice inversione della matrice risolvente.
Tale metodo fa ricorso alle funzioni di Rao, Wilton e Glisson (RWG), perché
assicurano il soddisfacimento di varie condizioni elettromagnetiche.
Per analizzare un’antenna con il suddetto metodo occorrono tre passi:
1. Disegno dell’antenna
2. Esecuzione dell’algoritmo di diffusione (scattering)
3. Esecuzione dell’algoritmo di radiazione
L’analisi viene effettuata per intero attraverso l’uso del software di calcolo
MATLAB.
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Disegno dell’antenna
Il Matlab dispone del PDE Toolbox (Partial Differential Equation Toolbox) che
consente di disegnare qualsiasi superficie e di effettuare il meshing
(discretizzazione).
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Esecuzione dell’algoritmo di scattering
rwg1.m
rwg2.m
Conta e crea il vettore degli edge
element
rwg3.m
Calcola la matrice delle impedenze
rwg4.m
Determina la tensione di eccitazione
rwg5.m
Determina la corrente superficiale
efield1.m
efield2.m
efield3.m
Calcola i campi in un punto di
osservazione
Calcola l’intensità di radiazione su
una superficie sferica
Calcola la direttività
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Esecuzione dell’algoritmo di radiazione
Questo tipo di procedura prevede gli stessi codici visti nell’algoritmo di
scattering ad eccezione del rwg4.m.
Si ha che nell’algoritmo di scattering la tensione sulla gola dell’antenna è in
funzione del segnale elettromagnetico ricevuto, mentre nell’algoritmo di
radiazione la tensione è impostata a priori e distribuita attraverso la deltafunction generator.
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Analisi della struttura
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Disegno della struttura
α = angolo
τ = tau
spess = spessore
In
f ( α,fffff
τ, spess)
Out
pdepoly(x,y);
X e y sono i
vettori che
contengono
rispettivamente i
valori di ascissa
e ordinata di ogni
singolo vertice
h1 + h2 + h3
h1 + h2
h1
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Edge totali =
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4710
Codice ottenuto:
pdepoly([-0.000500 -0.090247
0.089247 0.183584 -0.184584 0.265499 -0.264499 -0.186413
0.187413 0.087418 -0.086418
0.090247 -0.089247 -0.183584
0.184584 0.265499 0.264499
0.186413 -0.187413 -0.087418
0.086418 ],[0.000000 0.031728
0.031728 0.065079 0.065079
0.093685 0.093685 0.066079
0.066079 0.030728 0.030728 0.031728 -0.031728 -0.065079 0.065079 -0.093685 -0.093685 0.066079 -0.066079 -0.030728 0.030728 ]);
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Algoritmo di
Scattering
800 MHz
1600 MHz
2400 MHz
MaxCurrent =2.1188[A/m]
MaxCurrent =0.2932[A/m]
MaxCurrent =0.17674[A/m]
EField =
-0.0001 - 0.0001i
0.0020 - 0.0000i
0
HField =1.0e-005 *
0
0
0.5237 - 0.0112i
EField =1.0e-003 *
-0.0448 - 0.0387i
0.5011 - 0.7283i
0
HField =1.0e-005 *
0
0
0.1330 - 0.1933i
EField =1.0e-003 *
0.0034 - 0.0213i
0.2396 - 0.1878i
0
HField =1.0e-006 *
0
0
0.6358 - 0.4984i
Poynting =1.0e-008 *
0.5169
0.0145
0
Poynting =1.0e-008 *
0.1037
-0.0008
0
Poynting =1.0e-009 *
0.1230
-0.0064
0
W =5.1709e-009
U =1.2927e-007
TotalPower =1.7920e-005
W =1.0370e-009
U =2.5925e-008
TotalPower =7.9853e-007
W =1.2314e-010
U =3.0785e-009
TotalPower = 5.8546e-007
GainLogarithmic = 5.0205 GainLogarithmic = 5.3047 GainLogarithmic = 7.7694
GainLinear =3.1772
GainLinear =3.3921
GainLinear =5.9833
GainLogarithmic = 4.3219 GainLogarithmic = 0.8095 GainLogarithmic = 1.3563
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Algoritmo di
Radiazione
800 MHz
1600 MHz
2400 MHz
Impedance =3.2840e+002 - Impedance =4.0429e+002 - Impedance =7.4949e+002 4.3512e+002i
1.4682e+002i
7.1005e+002i
FeedPower =5.5253e-004 FeedPower =0.0011
FeedPower =3.5158e-004
MaxCurrent =13.8961[A/m] MaxCurrent =13.3156[A/m] MaxCurrent =7.195[A/m]
EField =
EField =
EField =
-0.0024 - 0.0011i
-0.0027 + 0.0038i
-0.0017 + 0.0023i
0.0013 - 0.0001i
0.0001 - 0.0006i
0.0003 - 0.0004i
-0.0000 - 0.0000i
0.0000 + 0.0000i
-0.0000 + 0.0000i
HField = 1.0e-005 *
HField =1.0e-004 *
HField = 1.0e-005 *
-0.3459 + 0.0349i
-0.0014 + 0.0172i
-0.0674 + 0.1082i
-0.6499 - 0.3044i
-0.0719 + 0.1015i
-0.4434 + 0.6031i
0.0000 + 0.0000i
0.0000 + 0.0000i
0.0000 + 0.0000i
Poynting =1.0e-007 *
Poynting =1.0e-007 *
Poynting = 1.0e-007 *
-0.0000
-0.0000
-0.0000
0.0000
0.0000
-0.0000
0.1198
0.2970
0.1086
W =1.1981e-008
W =2.9705e-008
W = 1.0862e-008
U =1.1981e-004
U =2.9705e-004
U =1.0862e-004
TotalPower =5.5657e-004 TotalPower =0.0011
TotalPower =3.5586e-004
GainLogarithmic = 6.1899 GainLogarithmic = 6.7038 GainLogarithmic = 5.462
GainLinear =4.1590
GainLinear =5.2985
GainLinear = 3.5172
RadiationResistance
RadiationResistance
= RadiationResistance
=
=330.8019
407.7525
758.6123
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In ricezione possiede:
• una corrente maggiore sulla sua gola in 800 MHz;
• il campo elettrico e magnetico decrescono all’aumentare della frequenza;
• il guadagno dell’antenna trova un massimo a 2,4 GHz, mentre per 800 MHz
e 1,6 GHz è pressoché costante.
In radiazione l’antenna possiede:
• un’impedenza di radiazione la cui parte reale cresce all’aumentare della
frequenza mentre la parte immaginaria è fluttuante con un massimo in 2,4
GHz;
• la corrente sulla gola dell’antenna ha un massimo in 800 MHz;
• il guadagno risulta essere massimo in 1,6 GHz.
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Impedenza dell’antenna al variare della frequenza
2,00E+03
1,50E+03
R
e
s
i
s
t
e
n
z
a
1,00E+03
5,00E+02
Reale
Immaginario
0,00E+00
780
800
820
1560
1600
1640
2340
2400
2460
-5,00E+02
Ω
-1,00E+03
-1,50E+03
Frequenza Hz
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Analisi dell’antenna con variazione parametrica
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
Il valore di ‘α’ e dello ‘spessore’ restano invariati.
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α = 70.53
spess = 1mm
pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.157085 -0.158085 -0.217446 0.216446 0.258844 -0.258844 0.265499 0.265499 0.214618 -0.213618 -0.159913 0.160913 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 0.157085 0.158085 0.217446 -0.216446 -0.258844 0.258844 0.265499 -0.265499 -0.214618 0.213618
0.159913 -0.160913 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.055711 0.055711 0.076697
0.076697 0.091686 0.091686 0.093685 0.093685 0.075697 0.075697 0.056711 0.056711 0.030728
0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.055711 -0.055711 -0.076697 -0.076697 -0.091686 -0.091686 0.093685 -0.093685 -0.075697 -0.075697 -0.056711 -0.056711 -0.030728 -0.030728 ]);
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
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α = 70.53 °
spess = 1mm
pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.165918 -0.166918 -0.241296 0.240296 0.264499 0.265499
0.238467 -0.237467 -0.168746 0.169746 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.165918 0.166918
0.241296 -0.240296 -0.264499 -0.265499 -0.238467 0.237467 0.168746 -0.169746 -0.087418 0.086418
],[0.000000 0.031728 0.031728 0.058834 0.058834 0.085129 0.085129 0.093685 0.093685 0.084129
0.084129 0.059834 0.059834 0.030728 0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.058834 -0.058834 -0.085129 0.085129 -0.093685 -0.093685 -0.084129 -0.084129 -0.059834 -0.059834 -0.030728 -0.030728 ]);
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
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α = 70.53
spess = 1mm
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
Per τ = 0.8 e τ = 0.9 a seguito della discretizzazione si
ottengono rispettivamente 19404 e 8974 edge totali, ed il
metodo diventa impraticabile a causa dell’eccessiva richiesta di
memoria.
Matlab restituisce il seguente errore:
??? Out of memory. Type HELP MEMORY for your options.
τ = 1.2
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α = 70.53
spess = 1mm
pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.174751 -0.175751 -0.265499 0.265499 0.263084 -0.263084 0.177580 0.178580 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.174751 0.175751 0.265499 -0.265499 0.263084 0.263084 0.177580 -0.178580 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.061956
0.061956 0.093685 0.093685 0.093185 0.093185 0.062956 0.062956 0.030728 0.030728 -0.031728 0.031728 -0.061956 -0.061956 -0.093685 -0.093685 -0.093185 -0.093185 -0.062956 -0.062956 0.030728 -0.030728 ]);
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
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α = 70.53 °
spess = 1mm
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
L’antenna in ricezione possiede:
• sulla gola una corrente maggiore in 800 MHz;
• il campo elettrico e magnetico decrescono all’aumentare
della frequenza;
• il guadagno dell’antenna trova un massimo a 2,4
GHz, mentre per 800 MHz e 1,6 GHz è pressoché costante.
In radiazione l’antenna possiede:
• un’impedenza la cui parte reale e la parte immaginaria
fluttuano al variare della frequenza;
• la corrente sulla gola dell’antenna ha un massimo in 1600
MHz;
• il guadagno è maggiore in 1,6 GHz.
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α = 70.53 °
spess = 1mm
pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.192418 -0.193418 -0.265499 -0.264499 -0.195246 0.196246
0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.192418 0.193418 0.265499 0.264499 0.195246 -0.196246 0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.068202 0.068202 0.093685 0.093685 0.069202
0.069202 0.030728 0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.068202 -0.068202 -0.093685 -0.093685 -0.069202
-0.069202 -0.030728 -0.030728 ]);
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
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α = 70.53 °
spess = 1mm
τ = 0.8
τ = 0.9
τ=1
τ = 1.2
L’antenna in ricezione possiede:
• sulla gola una corrente maggiore in 800 MHz;
• il campo elettrico e magnetico decrescono all’aumentare
della frequenza;
• il guadagno per questo tipo di antenna è pressoché
costante.
In radiazione l’antenna possiede:
• un’impedenza di radiazione la cui parte reale e immaginaria
sono fluttuanti, ma in modo più contenuto rispetto al caso di τ
= 1;
• la corrente sulla gola dell’antenna ha un massimo in 800
MHz;
• il guadagno risulta essere maggiore in 2,4 GHz.
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Conclusioni:
La tecnica del MoM attraverso le funzioni RWG si mostra come un valido
strumento per l’analisi di un qualsiasi tipo di antenna, purché a sviluppo
superficiale. Infatti, per antenne filiformi presenta delle difficoltà legate all’uso di
PDE Toolbox, in quanto esso genera una discretizzazione automatica e molto
fitta; ciò comporta l’impossibilità del calcolo.
Sviluppi futuri:
Uno sviluppo futuro, interessante, sarebbe quello di implementare un algoritmo
che a partire dalla struttura data e dai limiti imposti dalla macchina generi una
discretizzazione ad hoc salvaguardando sia il livello di accuratezza dei calcoli
riguardanti i parametri costitutivi sia il carico computazionale attribuito al
calcolo e all’inversione della matrice delle impedenze.
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LLAP
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