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Campi elettromagnetici

05AGPNX

A.A. 2023/24

2021/22

Campi elettromagnetici

Il trasporto dell'informazione, in qualunque sistema di telecomunicazioni, elettronico o fotonico, avviene tramite la propagazione di onde elettromagnetiche. Tali fenomeni sono descritti dalle equazioni di Maxwell, il cui studio metodologico costituisce un punto fondamentale di tutti i curricula in ingegneria elettronica.

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Transfer of information in any telecommunication, electronic or photonic system takes place via propagation of electromagnetic waves. These phenomena are described by Maxwell's equations, whose methodological study constitutes a key aspect of all curricula in electrical, electronic engineering.

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L'insegnamento ha come obiettivo l'apprendimento degli aspetti fondamentali della propagazione ondosa. Per quanto riguarda la progagazione guidata, lo studente alla fine dell'insegnamento dovrebbe essere in grado di analizzare circuiti a parametri distribuiti (calcolo del coefficiente di riflessione, calcolo della potenza trasferita al carico, soluzione delle linee mediante uso della carta di Smith, risposta di una linea di trasmissione ad un impulso di tensione o corrente); caratterizzare la propagazione in una guida d'onda rettangolare (modo fondamentale, modi superiori, progetto di una guida in funzionamento monomodale); caratterizzare un generico dispositivo a microonde mediante la matrice di diffusione. Per quanto riguarda la propagazione libera, lo studente alla fine dell'insegnamento dovrebbe essere in grado di descrivere matematicamente il campo elettromagnetico e la sua polarizzazione in termini di onde piane nel vuoto e in mezzi materiali; correlare i parametri di propagazione dell'onda ai parametri costitutivi del mezzo; caratterizzare la riflessione e trasmissione di onde piane incidenti su una interfaccia piana per incidenza normale ed obliqua; calcolare le condizioni di radiazione in campo lontano; calcolare il campo elettromagnetico irradiato da una antenna a dipolo; caratterizzare una generica antenna in termini di diagramma di radiazione, direttività e resistenza di radiazione; utilizzare la formula di trasmisione di Friis nel caso di un collegamento ideale tra due antenne; calcolare il diagramma di rdiazione di una schiera di antenne lineari; descrivere il funzionamento di un sistema di comunicazioni via satellite e calcolarne il bilancio di potenza.

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Knowledge of Maxwell's equations and of basic aspects of wave propagation. Analysis of distributed parameters circuits; design of matching circuits; design of a mono-modal rectangular waveguide. Analysis of microwaves devices with scattering parameters. Definition of antenna parameters (gain, bandwidth, polarization). Friis equation. Linear arrays analysis.

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Conoscenza delle leggi fondamentali che regolano i circuiti elettrici. Analisi di reti in regime sinusoidale. Nozioni elementari di fisica sulle grandezze elettriche, magnetiche ed elettromagnetiche, e sulle proprieta' energetiche del campo elettromagnetico. Matematica di base e capacita' di calcolo con numeri complessi e vettori. Calcolo integrale e differenziale di campi vettoriali. Funzioni di variabile complessa e trasformata di Fourier. Conoscenze di base su equazioni differenziali a derivate ordinarie del secondo ordine.

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Basic circuit theory. Ability to solve problems on the time-harmonic analysis of linear networks (sinusoidal regime). Fundamentals of physics on electrical, magnetic and electromagnetic quantities and on the energy properties of the electromagnetic field. Basic math and calculus: complex numbers and vector quantities. Differential and integral calculus of vector fields. Functions of complex variable and Fourier transforms. Basic knowledge on ordinary differential equations of second order.

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Introduzione (0.5 CFU) Onde e fasori (0.5 CFU) Linee di trasmissione (1.5 CFU): Modello a parametri concentrati. Equazioni delle linee e loro soluzione. Transitori su linee di trasmissione. Linee nel dominio della frequenza. Carta di Smith. Adattamento di impedenza. Linee con perdite. Matrice di diffusione ( 0.5 CFU): Definizione dei parametri di diffusione e loro applicazioni. Guide d'onda metalliche (1 CFU): Introduzione e concetti fondamentali. Soluzione generale per modi TEM, TE e TM. Linea modale e parametri della linea modale. Guida d'onda rettangolare, guida circolare e cavo coassiale. Discontinuita' dielettriche e metalliche. Equazioni di Maxwell e polarizzazione (1 CFU): Equazioni di Maxwell nel dominio del tempo e della frequenza. Definizione di polarizzazione. Studio della polarizzazione nel dominio dei fasori. Propagazione delle onde piane nel vuoto e nei mezzi materiali (1 CFU): Equazione d¿onda nel vuoto e soluzione. Onde piane in mezzi senza perdite. Parametri caratteristici. Onde piane in mezzi con perdite. Riflessione piana: coefficienti di riflessione di Fresnel. Antenne ed equazione della trasmissione (1 CFU): Cenni alla irradiazione in spazio libero. Condizioni di campo lontano. Diagramma di irradiazione. Parametri di antenna. Irradiazione da un dipolo elementare. Antenne in trasmissione. Antenne in ricezione. Equazione della trasmissione. Schiere di antenne (0.5 CFU): Schiere lineari. Definizione del fattore di schiera. Schiere broaside ed endfire. Cenni ai sistemi di comunicazione via satellite (0.5 CFU)

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¿ Introduction (0.5 CFU) ¿ Waves and phasors (0.5 CFU). ¿ Transmission lines (2 CFU): Lumped-element circuit model. Transmission lines equations and solution. Transient on transmission lines. Frequency domain. Smith Chart. Impedance matching. Scattering Matrix. Lossy transmission lines. ¿ Scattering Matrix (0.5 CFU): Definition of scattering parameters and their applications. ¿ Maxwell¿s equations and polarization (1 CFU): Time-domain and frequency-domain Maxwell¿s equations. Definition of polarization (linearly, circularly, elliptically polarized fields). ¿ Plane waves and fields in media (1 CFU): General plane wave solution. Plane waves in a lossless medium. Basic plane wave parameters. Plane wave reflection from a medium interface : Fresnel coefficients. ¿ Hollow metallic waveguides (1 CFU): Introduction and basic concept. General solution for TEM, TE and TM waves. Modal equivalent line and its parameters. Rectangular waveguide, circular waveguide and coaxial waveguide. Dielectric and metallic discontinuities. ¿ Antennas and Friis equation (1 CFU): Radiation in free-space. Far-filed conditions. Radiation pattern. Antenna parameters. Elementary dipole radiation. Transmitting and receiving antennas. Friis equation. ¿ Antennas array (0.5 CFU): Linear array. Array factor. broadside and endfire array.

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Sono previste 6 ore di lezione e 1.5 ore di esercitazione alla settimana. I laboratori saranno organizzati in orari liberi dalle lezioni istituzionali con una suddivisione in gruppi che puo' cambiare da un laboratorio all'altro. LABORATORI (2 CFU) Laboratorio 1: Transitori su linee di trasmissione (3 ore) Laboratorio 2: Misura di parametri scattering di componenti in microstriscia mediante analizzatore di reti (3ore) Laboratorio 3: Simulazione della propagazione in guida d'onda rettangolare con un software commerciale (3ore) Laboratorio 4: Simulazione del diagramma di irradiazione di una antenna a trombino con un software commerciale (3ore) Sara' possibile effettuare la prenotazione sul sito del LED dove sara' inserito il calendario con i turni di ciascun laboratorio.

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There will be 6 hours of lectures and 1.5 hours excercises every week. Four summary discussions will be organized after each main topic: transmission lines, plane waves and plane waves reflection, hollow metallic waveguides, antennas and arrays. LABORATORIES (2 CFU) 1. Transient on transmission lines. 2. Scattering parameters measurements of microstrip components with vector analyzer (during the class ). 3. Simulation of the propagation in a waveguide with a commercial software (CST). 4. Simulation of the Radiation pattern of an horn antenna with a commercial software (CST).

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F.T. Ulaby, U. Ravaioli, Fondamenti di campi elettromagnetici, Pearson, 8a ed., gennaio 2021. D. Pozar, Microwave Engineering, Addison Wesley, 3rd edition, 2005. P. Savi, Microwave and antennas, CLUT, 2019. Sul portale della didattica saranno disponibili: le informazioni e gli avvisi riguardanti gli aspetti organizzativi del corso, le slides utilizzate a lezione ed un formulario.

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F.T. Ulaby, Fondamenti di campi elettromagnetici, McGraw-Hill, 2004. D. Pozar, Microwave Engineering, Addison Wesley, 3rd edition, 2005. P.Savi, "Microwave and antennas¿, CLUT, 2019. On the website you can find: info concerning the organization of the course, the slides of the lectures and a formula collection in pdf format.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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L'esame consiste in una prova orale (valutata in trentesimi con massimo 30/30). La prova orale (durata 30 minuti circa) consiste in domande di teoria e nella soluzione di problemi relativi agli argomenti svolti. Il voto finale e' dato dal voto della prova orale a cui si sommano gli eventuali punti di laboratorio (0.5 trentesimi per ogni laboratorio frequentato). Si potra' avere 30 e lode solo con 30 di orale e almeno due laboratori frequentati. Non è possibile utilizzare libri di testo o appunti durante l'esame (si puo' solo utilizzare il formulario disponibile sul sito del corso). Per effettuare la prenotazione all'esame, verra' inviato a fine corso un link ad una tabella excel con un elenco di date e ciascuno potra' prenotarsi nella data desiderata.

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Exam: Compulsory oral exam;

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EXAM STRATEGY The examination consist of a written text (50%, evaluated in thirtieth) and an oral examination (50%, evaluated in thirtieth). In the written text (2hours) the solution of two or three excercises is required. Refers to textbooks or notes is not allowed during the written test ( a Formula collection used during the course will be given). In the oral examination (15 minutes approximately) a question related to the theoretical aspects or a solution of a simple problem will be asked. The written test must be positive (>=18/30) in order to be admitted to the oral test. EVALUATION CRITERIA The final mark is the average of the written (50%) and oral (50%) text plus the marks relative to the laboratories. (0.5 thirtieth for each lab).

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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L'esame consiste in una prova orale (valutata in trentesimi con massimo 30/30). La prova orale (durata 30 minuti circa) consiste in domande di teoria e nella soluzione di problemi relativi agli argomenti svolti. Il voto finale e' dato dal voto della prova orale a cui si sommano gli eventuali punti di laboratorio (0.5 trentesimi per ogni laboratorio frequentato). Si potra' avere 30 e lode solo con 30 di orale e almeno due laboratori frequentati. Non e' possibile utilizzare libri di testo o appunti durante l'esame (si puo' solo utilizzare il formulario disponibile sul sito del corso). Per effettuare la prenotazione all'esame, verra' inviato a fine corso un link ad una tabella excel con un elenco di date e ciascuno potra' prenotarsi nella data desiderata.

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Exam: Compulsory oral exam;

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EVALUATION CRITERIA The final grade will be the oral test evaluation. The oral test cover all the topic of the course (lessons and exercises). In the oral examination some questions related to the theoretical aspects and a solution of a simple problem will be asked. The oral test will be approximately 30 minutes and, when the candidate is not in Politecnico, it will be performed with the help of Virtual Classroom. Refers to textbooks or notes is not allowed during the oral test ( Formula collection given during the course is allowed).

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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Exam: Compulsory oral exam;

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EVALUATION CRITERIA The final grade will be the result of the oral test (max. 30lode/30)

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