L'insegnamento si propone di fornire elementi teorici e pratici per la caratterizzazione numerica e sperimentale di circuiti a microonde e di antenne. L'insegnamento fornisce inoltre un'introduzione all'utilizzo di software commerciali "full-wave" (Ansys HFSS e CST Microwave Studio) e di MATLAB per il calcolo numerico nell'elettromagnetismo applicato. Al termine del corso lo studente sarà in grado di caratterizzare numericamente semplici dispositivi a microonde e pianificare una misura, in ambito elettromagnetico, scegliendo la strumentazione, la componentistica e la tecnica più adatte.
scheda docente materiale didattico
Equazioni delle linee di trasmissione e loro soluzione. Impedenza, ammettenza e coefficienti di riflessione. Linee di trasmissione associate alle onde TM, TE e TEM. Rapporto d’onda stazionaria. Esempi di utilizzo della tecnica delle linee di trasmissione. Carta di Smith. Adattamento di un carico a una linea. Esercizi svolti sulle linee di trasmissione.
Strutture a simmetria cilindrica. Guide d’onda cilindriche metalliche. Cenni sui problemi agli autovalori. Propagazione dei modi. Guide rettangolari. Modo fondamentale TE10 della guida d’onda rettangolare. Esercizi svolti sulla propagazione guidata.
Problema deterministico. Funzioni di Green. Campo elettromagnetico prodotto da una distribuzione di correnti impresse nello spazio libero: soluzione generale e sue approssimazioni a grande distanza.
Risonatori a cavità
Cenni sui risonatori cilindrici: calcolo delle frequenze di risonanza e profili di campo.
Rappresentazioni circuitali in alta frequenza
Matrici di impedenza, ammettenza, scattering e trasmissione (ABCD). Reti a due porte di alcuni semplici componenti a microonde
Strutture periodiche
Cenni storici. Proprietà geometriche di base. Teorema di Floquet-Bloch. Armoniche spaziali. Diagramma di Brilluoin. Analisi di Bloch: rete equivalente longitudinale della cella unitaria; costante di propagazione e impedenza di Bloch.
Introduzione all’elettromagnetismo computazionale e utilizzo di software per la simulazione elettromagnetica
Cenni di elettromagnetismo computazionale: metodi numerici basati sulle formulazioni differenziali e integrali nel dominio del tempo e della frequenza. Descrizione dei simulatori elettromagnetici commerciali: Ansys HFSS, CST Microwave Studio. Cenni sull’utilizzo di MATLAB nel calcolo numerico per l’elettromagnetismo applicato. Esperienze di calcolo numerico con simulatori elettromagnetici commerciali e MATLAB: caratterizzazione numerica e circuitale di superfici selettive in frequenza e metasuperfici, caratterizzazione numerica e circuitale di discontinuità in guida d’onda rettangolare (iride capacitiva); studio analitico/numerico della propagazione elettromagnetica in strutture periodiche in guida d’onda rettangolare.
Introduzione all’uso di un banco didattico a microonde
Descrizione dei componenti. Esperienze sperimentali con banco didattico. Misure di frequenza, lunghezza d’onda e rapporto d’onda stazionaria. Misure di impedenza di un carico passivo. Cenni sulle misure di antenne.
- Pozar, David M. Microwave Engineering, 4th Edition. Hoboken, NJ: J. Wiley, 2012.
- Appunti dalle lezioni, a cura del docente
Programma
Richiami introduttivi su Linee di trasmissione, Guide d’onda e Campo generato da correnti impresseEquazioni delle linee di trasmissione e loro soluzione. Impedenza, ammettenza e coefficienti di riflessione. Linee di trasmissione associate alle onde TM, TE e TEM. Rapporto d’onda stazionaria. Esempi di utilizzo della tecnica delle linee di trasmissione. Carta di Smith. Adattamento di un carico a una linea. Esercizi svolti sulle linee di trasmissione.
Strutture a simmetria cilindrica. Guide d’onda cilindriche metalliche. Cenni sui problemi agli autovalori. Propagazione dei modi. Guide rettangolari. Modo fondamentale TE10 della guida d’onda rettangolare. Esercizi svolti sulla propagazione guidata.
Problema deterministico. Funzioni di Green. Campo elettromagnetico prodotto da una distribuzione di correnti impresse nello spazio libero: soluzione generale e sue approssimazioni a grande distanza.
Risonatori a cavità
Cenni sui risonatori cilindrici: calcolo delle frequenze di risonanza e profili di campo.
Rappresentazioni circuitali in alta frequenza
Matrici di impedenza, ammettenza, scattering e trasmissione (ABCD). Reti a due porte di alcuni semplici componenti a microonde
Strutture periodiche
Cenni storici. Proprietà geometriche di base. Teorema di Floquet-Bloch. Armoniche spaziali. Diagramma di Brilluoin. Analisi di Bloch: rete equivalente longitudinale della cella unitaria; costante di propagazione e impedenza di Bloch.
Introduzione all’elettromagnetismo computazionale e utilizzo di software per la simulazione elettromagnetica
Cenni di elettromagnetismo computazionale: metodi numerici basati sulle formulazioni differenziali e integrali nel dominio del tempo e della frequenza. Descrizione dei simulatori elettromagnetici commerciali: Ansys HFSS, CST Microwave Studio. Cenni sull’utilizzo di MATLAB nel calcolo numerico per l’elettromagnetismo applicato. Esperienze di calcolo numerico con simulatori elettromagnetici commerciali e MATLAB: caratterizzazione numerica e circuitale di superfici selettive in frequenza e metasuperfici, caratterizzazione numerica e circuitale di discontinuità in guida d’onda rettangolare (iride capacitiva); studio analitico/numerico della propagazione elettromagnetica in strutture periodiche in guida d’onda rettangolare.
Introduzione all’uso di un banco didattico a microonde
Descrizione dei componenti. Esperienze sperimentali con banco didattico. Misure di frequenza, lunghezza d’onda e rapporto d’onda stazionaria. Misure di impedenza di un carico passivo. Cenni sulle misure di antenne.
Testi Adottati
- G. Gerosa, P. Lampariello, "Lezioni di Campi elettromagnetici", Edizioni Ingegneria 2000, seconda edizione, 2006- Pozar, David M. Microwave Engineering, 4th Edition. Hoboken, NJ: J. Wiley, 2012.
- Appunti dalle lezioni, a cura del docente
Modalità Erogazione
Sono previste: lezioni frontali, esercitazioni, simulazioni con software elettromagnetici commerciali, laboratori sperimentaliModalità Valutazione
La valutazione è basata su una prova scritta della durata di 90 minuti, costituita da una domanda aperta riguardante la descrizione di un’esperienza numerica o sperimentale affrontata nel corso. “Nel periodo di emergenza COVID-19 l’esame di profitto sarà svolto secondo quanto previsto all’art.1 del Decreto Rettorale n°. 703 del 5 maggio 2020, cioè in modalità ORALE”