ITALIANO

L’obiettivo principale è affrontare con rigore matematico la trattazione dei meccanismi che influenzano i collegamenti wireless, sia per quanto riguarda la propagazione del segnale elettromagnetico che i componenti passivi (antenne) necessari per la sua trasmissione e ricezione, tenendo conto delle più attuali applicazioni nei sistemi di telecomunicazioni cellulari di 5° generazione e nelle reti di Internet-Of-Things. Sono quindi trattate la radiazione, la propagazione e la ricezione del campo elettromagnetico, sia “in spazio libero” che in scenari realistici, dove intervengono diversi ostacoli geometrici che modificano la radio-copertura. Inoltre, si considera l'analisi, le caratteristiche e le prestazioni di antenne di grandi dimensioni rispetto la langhezza d'onda di lavoro.

A. McNamara, Pistorius, Malherbe, "Introduction to the Uniform Geometrical Theory of Dffraction", Artech House
B. Bertoni, "Radio Propagation for modern Wireless System", Pearson Education
C. Franceschetti, "Electromagnetics Theory, Techniques, and Engineering Paradigms", Plenum Press
D. Collin, "Antennas and Radiowave Propagation ", Mc Graw Hill

Al termine del corso, lo studente deve essere in grado :
di conoscere la formulazione matematica di modelli e metodi di analisi dei problemi di propagazione,
di saperli applicare a scenari di collegamento non troppo complessi,
di comprendere il comportamento di antenne elettricamente grandi,
di saper scegliere una tipologia di antenna a partire da requisiti di specifica generali.

Fondamenti teorici dell’elettromagnetismo applicato forniti dall'insegnamento di Campi Elettromagnetici LM

Lezioni frontali

Prova orale.
Requisiti minimi per il superamento: comprensione dei meccanismi fondamentali di propagazione (riflessione, diffrazione, diffusione) attraverso la loro modellizzazione matematica, conoscenza degli aspetti fondamentali dell'irradiazione delle antenne ad array e a riflettore.
Parametri di valutazione: capacità di collegamenti critici, capacità di sintesi, rigore matematico della formulazione delle risposte.
La valutazione è collegiale e comporta un'unica votazione finale.

• Irradiazione di sorgenti. Parametri delle antenne in trasmissione. Campionamento del campo in zona lontana (1CFU)
• Array di antenne: array lineare e uniforme: Calcolo della direttività nel caso Broadside, Endfire e Woodyard Hansen. Array polinomiale, di Dolf Chebyshev Array superdirettivi. Sintesi di Fourier . Array bidimensionali: Mutuo accoppiamento. Stima della mutua impedenza. Array parassiti: Antenna Yagi-Uda. Antenne a larga banda (1,5 CFU)
• Antenne ad apertura: spettro di onde piane e correnti equivalenti. Misure in zona vicina. campo irradiato da un’apertura rettangolare, apertura circolare, direttività. (1,5 CFU)
• Antenne a tromba. Antenna a riflettore parabolico. Campo di apertura. direttività (0.5 CFU)
• Ottica Geometrica. Raggi. Soluzione per la fase. Potenza Cammino ottico. Principio di Fermat. Riflessione da superficie piana. Campo riflesso. Collegamento per riflessione. Effetto della rugosità superficiale. Riflessione da superficie curva.(1 CFU)
• Estensione della GO. Principio di Fermat generalizzato. Campo diffratto. Teorema di equivalenza per campi scalari. Teorema di equivalenza e ottica geometrica, Volume significativo per il collegamento in spazio libero. Ellissoidi di Fresnel (1CFU)
• Onda piana su semipiano assorbente. Campo diffratto, Onda sferica su semipiano assorbente
Approccio spettrale per la soluzione. Filo di corrente uniforme: onda cilindrica. Riflessione da piano cep di onda cilindrica. Diffrazione da semipiano cep di onda piana. Collegamento per diffrazione (1,5 CFU)
• Armoniche cilindriche. Diffusione da un cilindro cep. Diffusione da cilindro dielettrico. Mutua interazione . Equazione integrale dello scattering. Effetto della pioggia e delle idrometeore sul collegamento. Attenuazione. (0.5 CFU)
•Equazione di Hallen. Soluzione asintotica. Soluzione numerica: metodo dei momenti. Stabilità (0.5CFU)

Italian

The main gola is to address the phenomena affecting wireless links by a mathematical point of view, as far as both the propagation of the electromagnetic signal and the passive components (antennas) necessary for its transmission and reception are concerned, by taking into account their applications to the 5th generation cellular telecommunications systems and the Internet-Of-Things networks. The radiation, propagation and reception of the electromagnetic field are then dealt with, both "in free space" and in realistic scenarios, where different obstacles can modify the radio coverage. Furthermore, we analyze the radiation performance of antennas large compared to the working wavelength.

A. McNamara, Pistorius, Malherbe, "Introduction to the Uniform Geometrical Theory of Dffraction", Artech House
B. Bertoni, "Radio Propagation for modern Wireless System", Pearson Education
C. Franceschetti, "Electromagnetics Theory, Techniques, and Engineering Paradigms", Plenum Press
D. Collin, "Antennas and Radiowave Propagation ", Mc Graw Hill

At the end of the course, the student will be able:
to know the mathematical formulation of models and methods for the analysis of propagation problems,
to apply them in not too complex links ,
to understand the behavior of electrically large antennas,
to choose a type of antenna starting from general specification requirements.

Theoretical foundations of applied electromagnetism provided by the LM Electromagnetic Fields teaching

Classroom lessons

Oral exam.
Minimum requirements for passing: understanding the
fundamental propagation phenomena (reflection, diffraction, scattering) by their mathematical modeling, understanding of the fundamental aspects of irradiation of array and reflector antennas.
Evaluation parameters: ability to make critical connections, ability to synthesize, mathematical rigor in the formulation of the answers. The evaluation is collegial and involves a single final score.

• Radiation from a source. Antenna parameter in trasmission. Far field sampling (1CFU)
• Antenna Arrays: Uniform one-dimensionl array: Direttivity for the case of Broadside, Endfire e Woodyard Hansen. Polynomial Array , Chebyshev Array, Superdirective Array. Fourier synthesis. Two-dimensional Array: Mutual coupling. Estimation of mutual impedance. Parasitic
Array: Yagi-Uda Antenna . Wide band antennas (1,5 CFU)
• Aperture Antennas: plane wave spectrum and equivalent current. Near-field measurement. Field radiated from a rectangular and circular aperture. Directivity. (1,5 CFU)
• Horn Antennas . Paraboloidal Reflector: Aperture Field and Directivity. (0.5 CFU)
• Ray optics. Rays. Phase solution. Power. Optical path. Fermat's principle. Flat surface reflection: Reflected field. Link by reflection. Effect of surface roughness. Curved surface reflection(1 CFU)
• GO Extension. Generalized Fermat's principle. Diffracted field. Equivalence theorem for scalar fields. Equivalence theorem and ray optics. Significant volume for the connection in free space. Fresnel ellipsoids (1CFU)
• Plane wave on an absorbent half-plane. Diffracted field, Spherical wave on absorbent half plane
Spectral approach to the solution. Uniform current wire: cylindrical wave. Reflection of a cylindrical wave from a perfect electrical conductor (pec) plane. Diffraction of a plane wave from a pec half plane. Diffraction Link (1.5 CFU)
• Cylindrical harmonics. Scattering from a pec cylinder. Scattering from a dielectric cylinder. Mutual interaction. Scattering integral equation. Effect of rain and hydrometeors on the link. Attenuation. (0.5 CFU)
• Hallen equation. Asymptotic solution. Numerical solution: method of moments. Stability (0.5CFU)