Le antenne sono componenti fondamentali dei moderni sistemi di comunicazioni wireless per ambienti ‘smart’, quali sistemi pervasivi per calcolo e informazione distribuiti, sistemi spaziali avanzati, sistemi di trasporto intelligenti. Il corso si propone di presentare una selezione di argomenti avanzati nel settore dell’ingegneria delle antenne, comprendenti tecniche analitiche e numeriche: teoria e applicazioni delle strutture periodiche; antenne risonanti e a onda viaggiante per sistemi di comunicazione terrestri e spaziali; array smart e MIMO; metodi numerici basati su formulazioni differenziali (differenze finite nel tempo e in frequenza) e integrali al contorno (metodo dei momenti); verranno inoltre illustrati i principali CAD elettromagnetici commerciali per il progetto di antenne basati sulle tecniche illustrate.
scheda docente materiale didattico
Cenni e richiami introduttivi:
Sistemi algebrici lineari e relativa soluzione. Decomposizione ai valori singolari di matrici a valori complessi. Proprietà fondamentali della radiazione elettromagnetica. Teoremi di unicità, reciprocità ed equivalenza e relative applicazioni nell’ambito dei fenomeni radiativi. Parametri caratteristici delle antenne. Allineamenti di antenne.
Reti equivalenti trasverse e metodo della risonanza trasversa:
Linee di trasmissione TE, TM e TEM. Applicazioni delle reti equivalenti trasverse alle strutture dielettriche multistrato. Il grounded dielectric slab (GDS). Equazione di risonanza trasversa. Equazione di dispersione dei modi TM e TE del GDS. Soluzione grafica dell’equazione di dispersione. Soluzioni proprie e improprie. Onde superficiali TM e TE. Onde leaky. Campo lontano generato da sorgenti elementari in strutture dielettriche multistrato.
Antenne stampate a microstriscia:
Introduzione, principi operativi, metodi di alimentazione e caratteristiche radiative. Tecniche di progetto e formule CAD. Campo lontano e diagramma di radiazione (derivazione con metodi approssimati basati sulla sovrapposizione degli effetti e la reciprocità). Impedenza di ingresso: modelli circuitali e sviluppo in autofunzioni. Antenne a larga banda e multi banda, miniaturizzazione.
SECONDA PARTE
Strutture periodiche:
Introduzione e teoria di base (armoniche spaziali e teorema di Floquet-Bloch). Diagrammi di Brillouin. Proprietà spettrali delle armoniche spaziali: armoniche proprie e improprie. Analisi di Bloch.
Antenne a onda leaky (Leaky-wave antennas, “LWAs”):
Caratteristiche generali e classificazione. Tecniche di progetto per antenne a onda leaky monodimensionali (1D-LWAs) uniformi e periodiche. Antenne a cavità di tipo Fabry-Perot. Caratteristiche generali di antenne a onda leaky bidimensionali (2D LWAs).
Array per comunicazioni wireless:
Caratterizzazione dei canali wireless. Arrays e diversità nel tempo, nella frequenza e nello spazio. Introduzione ai sistemi Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO).
Metodi numerici basati sulle equazioni integrali al contorno e metodo dei momenti (MoM):
Rappresentazioni integrali al contorno dei campi elettromagnetici ed equazioni integrali di superficie. Equazioni integrali ai potenziali misti nello spazio libero. MoM applicato alle equazioni integrali ai potenziali misti nello spazio libero: funzioni base e di test di tipo Rao-Wilton-Glisson. Equazioni integrali ai potenziali misti in strutture dielettriche multistrato. Metodo dello “spectral domain” per la derivazione delle funzioni di Green spettrali in strutture multistrato. Integrali di Sommerfeld, estrazioni asintotiche e singolarità spaziali. Metodi di accelerazione per il calcolo numerico di integrali e serie in elettromagnetismo. MoM in strutture periodiche nello spazio libero.
ESERCITAZIONE NUMERICHE
CAD elettromagnetici:
Ansys HFSS e CST Microwave Studio: introduzione e caratteristiche generali.
Analisi di antenne a microstriscia e a onda leaky. Analisi di strutture periodiche selettive in frequenza.
• Appunti delle lezioni a cura del docente
Programma
PRIMA PARTECenni e richiami introduttivi:
Sistemi algebrici lineari e relativa soluzione. Decomposizione ai valori singolari di matrici a valori complessi. Proprietà fondamentali della radiazione elettromagnetica. Teoremi di unicità, reciprocità ed equivalenza e relative applicazioni nell’ambito dei fenomeni radiativi. Parametri caratteristici delle antenne. Allineamenti di antenne.
Reti equivalenti trasverse e metodo della risonanza trasversa:
Linee di trasmissione TE, TM e TEM. Applicazioni delle reti equivalenti trasverse alle strutture dielettriche multistrato. Il grounded dielectric slab (GDS). Equazione di risonanza trasversa. Equazione di dispersione dei modi TM e TE del GDS. Soluzione grafica dell’equazione di dispersione. Soluzioni proprie e improprie. Onde superficiali TM e TE. Onde leaky. Campo lontano generato da sorgenti elementari in strutture dielettriche multistrato.
Antenne stampate a microstriscia:
Introduzione, principi operativi, metodi di alimentazione e caratteristiche radiative. Tecniche di progetto e formule CAD. Campo lontano e diagramma di radiazione (derivazione con metodi approssimati basati sulla sovrapposizione degli effetti e la reciprocità). Impedenza di ingresso: modelli circuitali e sviluppo in autofunzioni. Antenne a larga banda e multi banda, miniaturizzazione.
SECONDA PARTE
Strutture periodiche:
Introduzione e teoria di base (armoniche spaziali e teorema di Floquet-Bloch). Diagrammi di Brillouin. Proprietà spettrali delle armoniche spaziali: armoniche proprie e improprie. Analisi di Bloch.
Antenne a onda leaky (Leaky-wave antennas, “LWAs”):
Caratteristiche generali e classificazione. Tecniche di progetto per antenne a onda leaky monodimensionali (1D-LWAs) uniformi e periodiche. Antenne a cavità di tipo Fabry-Perot. Caratteristiche generali di antenne a onda leaky bidimensionali (2D LWAs).
Array per comunicazioni wireless:
Caratterizzazione dei canali wireless. Arrays e diversità nel tempo, nella frequenza e nello spazio. Introduzione ai sistemi Multiple-Input/Multiple-Output (MIMO).
Metodi numerici basati sulle equazioni integrali al contorno e metodo dei momenti (MoM):
Rappresentazioni integrali al contorno dei campi elettromagnetici ed equazioni integrali di superficie. Equazioni integrali ai potenziali misti nello spazio libero. MoM applicato alle equazioni integrali ai potenziali misti nello spazio libero: funzioni base e di test di tipo Rao-Wilton-Glisson. Equazioni integrali ai potenziali misti in strutture dielettriche multistrato. Metodo dello “spectral domain” per la derivazione delle funzioni di Green spettrali in strutture multistrato. Integrali di Sommerfeld, estrazioni asintotiche e singolarità spaziali. Metodi di accelerazione per il calcolo numerico di integrali e serie in elettromagnetismo. MoM in strutture periodiche nello spazio libero.
ESERCITAZIONE NUMERICHE
CAD elettromagnetici:
Ansys HFSS e CST Microwave Studio: introduzione e caratteristiche generali.
Analisi di antenne a microstriscia e a onda leaky. Analisi di strutture periodiche selettive in frequenza.
Testi Adottati
Materiale didattico:• Appunti delle lezioni a cura del docente
Bibliografia Di Riferimento
Testi di consultazione: • C. A. Balanis, Antenna theory, analysis and design. New York, NY: Wiley Interscience, 2005, 3a ed. • Y.T. Lo, S.W. Lee, Antenna Handbook. Antenna theory, Volume II, Van Nostrand Reinhold, 1993 • D. R. Jackson, “Microstrip Antennas,” Ch. 7 of Antenna Engineering Handbook, J. L. Volakis, Editor, McGraw Hill, 2007. • D. R. Jackson, S. A. Long, J. T. Williams, and V. B. Davis, “Computer-Aided Design of Rectangular Microstrip Antennas,” Ch. 5 of Advances in Microstrip and Printed Antennas, • K. F. Lee and W. Chen, Eds., John Wiley, 1997 • D. Guha e Y. M. M. Antar, Eds., Microstrip and printed antennas: New trends, techniques and applications. Wiley, 2011. • R. E. Collin and F. J. Zucker, Antenna theory. New York, NY: McGraw-Hill, 1969. • D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication, Cambridge University Press, 2005. • K. F. Warnick, Numerical methods for engineering: An introduction using Matlab and computational electromagnetics. Raleigh, NC: SciTech Publishing Inc, 2011. • D. B. Davidson, Computational electromagnetics for RF and microwave engineering. New York: Cambridge University Press, 2011. • R. C. Booton, Computational methods for electromagnetics and microwaves. New York, NY: Wiley, 1992, 2a ed. • A. F. Peterson, S. L. Ray e R. Mittra, Computational methods for electromagnetics. New York: IEEE Press, 1997.Modalità Erogazione
Sono previste: lezioni frontali, seminari, simulazioni con software elettromagnetici commerciali Nel caso di un prolungamento dell’emergenza sanitaria da COVID-19 saranno recepite tutte le disposizioni che regolino le modalità di svolgimento delle attività didattiche. In particolare si applicherà la seguente modalità: didattica a distanza.Modalità Frequenza
Sono previste: lezioni frontali, seminari, simulazioni con software elettromagnetici commercialiModalità Valutazione
La valutazione è basata su due domande orali aperte sugli argomenti trattati nel corso. È prevista una prova in itinere, non obbligatoria, che consiste di una domanda aperta sulla prima parte del corso. In caso di esito positivo della prova in itinere, la prova orale finale sarà basata su una sola domanda aperta sulla seconda parte del corso.