ITALIANO

Vengono affrontati con rigore matematico li meccanismi che influenzano il collegamento tra antenne. Sono quindi trattate la radiazione, la propagazione e la ricezione di un segnale elettromagnetico, prima “in spazio libero” e successivamente in presenza di ostacoli. Saranno quindi introdotti e trattati i concetti di riflessione, diffrazione, e diffusione. Infine, viene introdotto il problema della sintesi di antenne.

• R.E. Collin “Antennas and Radiowave Propagation”, Mc Graw Hill
• G. Franceschetti, “Electromagnetics: theory, techniques, and engineering paradigms” (Plenum Press, 1997)
• Stutzman, Thiele “Antenna Theory and Design”, Wiley 3rd ed.
• C. Balanis, “Antenna theory”, Wiley, 4th ed
• Harrington “Time Harmonic Electromagnetic Fields”, IEEE Press

Acquisizione di competenze riguardo l’influenza di sorgenti e ostacoli sul collegamento wireless. Formulazione matematicamente rigorosa di modelli e metodi di analisi di problemi di diffrazione, diffusione e riflessione.
Analisi del comportamento di antenne elettricamente grandi. Introduzione al problema di sintesi delle antenne.

Fondamenti teorici dell’elettromagnetismo applicato (Laurea magistrale, Campi Elettromagnetici)

Lezioni frontali

Esame orale

• Introduzione al corso; richiami sulle equazioni di Maxwell nel dominio del tempo e della frequenza.
• Richiami sul potenziale vettore e riduzione delle eq. di Maxwell all’equazione di Helmoltz vettoriale.
• L’equazione di Helmoltz scalare; risoluzione in coordinate cartesiane e in coordinate cilindriche, proprietà delle funzioni di Bessel; risoluzione in coordinate sferiche, polinomi di Legendre, proprietà delle onde sferiche.
• Campo irradiato da un dipolo elementare. Campo irradiato da un filo di corrente. Campo irradiato da una distribuzione planare di corrente.
• Espansione in onde piane e spettro di onde piane. Valutazione con il metodo della fase stazionaria del campo irradiato da un’apertura.
• Potenziale vettore di una sorgente tridimensionale di estensione finita. Campo lontano, pattern di radiazione.
• Parametri delle antenne in trasmissione e in ricezione: altezza efficace, direttività, guadagno, resistenza di irradiazione, area efficace.
• Array lineari: analisi del fattore di array.
• Antenne filiformi: equazione di Hallén. Elettromagnetismo numerico: metodo dei momenti.
• Campo diffuso da un cilindro conduttore per onda piana incidente polarizzata TM e per filo di corrente. Corrente indotta sul cilindro. Cilindro dielettrico.
• Introduzione all’ottica geometrica (espansione in serie di potenze inverse della frequenza dei campi): equazione dell’eiconale; equazione dei raggi; tracciamento dei raggi in un mezzo omogeneo e in un mezzo non omogeneo; cammino ottico; principio di Fermat; riflessione e rifrazione; equazione del trasporto; ampiezza del campo lungo un tubo di flusso.
• Collegamento tra antenne in presenza di ostacoli: la diffrazione. L’approssimazione di ottica fisica. Diffrazione da un semipiano c.e.p.. Le funzioni di transizione (GTD e UTD). Esempi di uso dei coefficienti di diffrazione in geometrie realistiche.
• Il principio di Huygens e il teorema di equivalenza. Piano assorbitore con foro gaussiano. Ellissoidi di Fresnel.
• Antenne ad apertura rettangolare e circolare. Direttività di un’apertura.
• Antenne a tromba.
• Antenne a parabola.
• Propagazione a microonde e onde millimetriche: attenuazione da pioggia: formule teoriche ed empiriche. Assorbimento da gas atmosferici e limiti di utilizzo delle onde millimetriche.

Italian

The main mechanisms affecting the link between antennas are addressed within mathematical framework. Hence, the radiation, propagation and reception of an electromagnetic signal first "in free space" and then in presence of obstacles are dealt with. The concepts of reflection, diffraction, and diffusion will then be introduced and treated. Finally, the problem of antenna synthesis is introduced.

• R.E. Collin “Antennas and Radiowave Propagation”, Mc Graw Hill
• G. Franceschetti, “Electromagnetics: theory, techniques, and engineering paradigms” (Plenum Press, 1997)
• Stutzman, Thiele “Antenna Theory and Design”, Wiley 3rd ed.
• C. Balanis, “Antenna theory”, Wiley, 4th ed
• Harrington “Time Harmonic Electromagnetic Fields”, IEEE Press

Acquisition of skills about the influence of sources and obstacles on the wireless connection. Mathematically formulation of models and methods of analysis of diffraction, diffusion and reflection problems.
Analysis of the behavior of electrically large antennas. Introduction to the synthesis problem of the antennas.

Theoretical foundations of applied electromagnetism (Master's Degree, Electromagnetic Fields)

Classroom lessons

Oral exam

• Introduction to the course; recalls on Maxwell's equations in time and frequency domain.
• Recalls on the potential vector and reduction of the eq. of Maxwell to the Helmoltz vector equation.
• The Helmoltz scalar equation; solving in Cartesian coordinates and in cylindrical coordinates, properties of the Bessel functions; solving in spherical coordinates, Legendre polynomials, properties of spherical waves.
• Field radiated by an electric elementary dipole. Field radiated by a current wire. Field radiated by a planar current distribution.
• Expansion in plane waves and spectrum of plane waves. Evaluation by the stationary phase method of the radiated field by an aperture.
• Potential vector of a three-dimensional source of finite extension. Far field, radiation pattern.
• Parameters of the transmitting and receiving antennas: effective height, directivity, gain, irradiation resistance, effective area.
• Linear arrays: analysis of the array factor.
• Wire-like antennas: Hallén equation. Numerical electromagnetism: method of moments.
• Scatted field by a conducting cylinder when the incident field is a TM plane wave or a the field radiated by current wire. Induced current on the cylinder. Dielectric cylinder.
• Introduction to geometric optics (series expansion of inverse power of field frequency): eiconal equation; ray equation; tracing of the rays in a homogeneous medium and in a non-homogeneous medium; optical path; Fermat's principle; reflection and refraction; transport equation; amplitude of the field along a flow tube.
• Link between antennas in the presence of obstacles: diffraction. The approximation of physical optics. Diffraction from a semi-plane c.e.p .. The transition functions (GTD and UTD). Examples of use of diffraction coefficients in realistic geometries.
• The Huygens principle and the equivalence theorem. Absorber table with Gaussian hole. Fresnel ellipsoids.
• Rectangular and circular antennas. Directivity of an opening.
• Horn antennas.
• Parabolic antennas.
• Microwave and millimeter wave propagation: rain attenuation: theoretical and empirical formulas. Absorption from atmospheric gases and limits of use of millimeter waves.