I campi elettrico e magnetico I campi elettrico E(x, y, z, t) e magnetico H(x, y, z, t) (V/m e A/m rispettivamente) sono, in generale, funzioni delle coordinate spaziali e del tempo. Ipotesi di regime armonico, nella quale sono valide le rappresentazioni basate sui vettori complessi (fasori): E(x, y, z, t) = <[E(x, y, z) exp(jωt)] H(x, y, z, t) = <[H(x, y, z) exp(jωt)] ω è la pulsazione (rad/s). E(x, y, z) = x◦(Exr + jExj ) + y◦(Eyr + jEyj ) + z◦(Ezr + jEzj ) H(x, y, z) = x◦(Hxr + jHxj ) + y◦(Hyr + jHyj ) + z◦(Hzr + jHzj ) Sussistono le equazioni di Maxwell: ∇×E ∇×H ∇·D ∇·B = = = = −jωB − Jim jωD + J + Ji ρ ρm B è l’induzione magnetica, D è lo spostamento elettrico. ρ e ρm sono le densità di carica elettrica e magnetica. J è la densità di corrente elettrica legata al campo E. Ji e Jim sono le densità di corrente elettrica e magnetica impresse. Sussistono le relazioni costitutive: D = E B = µH è la costante dielettrica e µ è la permeabilità magnetica. In generale, si ha: 0 00 0 00 = − j = ◦r = ◦(r − jr ) 0 00 0 00 µ = µ − jµ = µ◦µr = µ◦(µr − jµr ) (◦ e µ◦ sono la costante dielettrica e la permeabilità magnetica nel vuoto). Si ha, inoltre: J = σE (1) dove σ è la conducibilità (S/m). Combinando le equazioni di Maxwell con le relazioni costitutive si ha: ∇ × E = −jωµH − Jim ∇ × H = jωE + σE + Ji Campi magnetici creano vortici di campo elettrico, e viceversa. È cosı̀ consentita la propagazione di potenza elettromagnetica. Equazioni delle onde All’esterno delle sorgenti, Ji = Jim = ρ = ρm = 0. Supponendo che il mezzo sia isotropo: ∇ × ∇ × E = −jωµ∇ × H (2) Per le proprietà dell’algebra vettoriale: ∇∇ · E − ∇2E = −jωµ∇ × H (3) Tenendo conto che ∇ · E = ρ = 0 e ponendo ω 2µ◦[r − jσ/(ω◦)] = k 2 si ha: ∇2 E + k 2 E = 0 (4) Analogamente, si ha: ∇2 H + k 2 H = 0 (5) Si hanno le equazioni di Helmotz, che regolano la propagazione nei mezzi indefiniti. k è detta “costante di propagazione” o “numero d’onda”. Ipotesi di propagazione lungo l’asse z per mezzi privi di perdite ( e µ reali, σ = 0). Soluzioni sono: E = E◦ exp(∓jkz) H = H◦ exp(∓jkz) con: u uµ E◦ t =Z=u H◦ Z prende il nome di “impedenza del mezzo” (Ω). v (6) Si ha un’onda piana. Il campo elettrico e il campo magnetico variano sinusoidalmente: • nel tempo, per un dato valore di z; • lungo la coordinata z, ad un dato istante. L’ambiguità di segno corrisponde alla possibilità di avere propagazione sia nel verso delle z positive (segno -) che nel verso delle z negative (segno +). Nella direzione z e nel verso di propagazione l’onda trasporta potenza elettromagnetica. Propagazione guidata Avviene lungo strutture rettilinee che differiscono tra di loro per la sezione. Esempi di sezioni: La linea di trasmissione è rettilinea e uniforme lungo l’asse z V (z) = V + exp(−γz) + V − exp(γz) (7) I(z) = I + exp(−γz) − I − exp(γz)) (8) Il rapporto V +/I +=V −/I − viene chiamato impedenza caratteristica e si indica con il simbolo ZC . Si distinguono due categorie fondamentali di strutture. 1. Alcune strutture presentano almeno due conduttori paralleli separati. Sono pienamente e univocamente descrivibili con la teoria delle linee di trasmissione. 2. Altre strutture non presentano conduttori separati. In questo caso, non sono definibili una tensione e una corrente. La trattazione deve partire dai concetti di campo elettrico e campo magnetico. Potranno essere riutilizzati concetti propri delle linee di trasmissione dopo aver fissato opportune equivalenze. Nel secondo caso E(x, y, z) = = H(x, y, z) = = Et(x, y, z) + Ez(x, y, z) ΣΣ[enm(x, y) + eznm(x, y)] exp(−jβnmz) Ht(x, y, z) + Hz(x, y, z) ΣΣ[hnm(x, y) + hznm(x, y)] exp(−jβnmz) Ogni modo • Ha sue funzioni enm(x, y), eznm(x, y), hnm(x, y), hznm(x, y) Si determinano dalle equazioni di Helmotz e dalla geometria • Ha una propria costante di propagazione βnm • Porta potenza indipendentemente dagli altri modi (principio di ortogonalità) • Ha una propria frequenza di ’cut-off’, al di sotto della quale non può propagarsi. Il modo con la frequenza di ’cut-off’ più bassa è detto ’fondamentale’.