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Tesi Triennale Slide

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Antenne e Compatibilità Elettromagnetica

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  1. 1. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Tesi di laurea in Antenne e Compatibilità Elettromagnetica Relatore: IMPIEGO DEL METODO DEI MOMENTI PER LA PROGETTAZIONE PARAMETRICA DI ANTENNE PLANARI A LARGA BANDA USE OF THE METHOD OF MOMENTS FOR THE PARAMETRIC DESIGN OF PLANARS ANTENNAS IN BROADBAND Chiar.mo Prof. Ing. Michele BOZZETTI Laureando: Angelo Antonio SALATINO Anno Accademico 2009/2010 1
  2. 2. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 2 Obiettivo della tesi: Studio completo, attraverso il metodo dei momenti (MoM), di una struttura d’antenna, che consente la trasmissione in larga banda (800-2400 MHz). Introduzione: • Antenne ed Onde Elettromagnetiche • Metodo dei Momenti e funzioni di Rao-Wilton-Glisson • Analisi della struttura
  3. 3. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Antenne ed Onde Elettromagnetiche Anno Accademico 2009/2010 3 Un’antenna trasmittente converte una corrente elettrica tempo variante propagandola nell’etere sotto forma di campi elettromagnetici ai quali sarà associata una radiazione di energia elettromagnetica. I campi irradiati trasporteranno l’informazione fornita dall’apparato trasmittente. Un’antenna ricevente è, invece, un dispositivo sensibile a campi elettromagnetici presenti nell’etere e in grado di captare l’informazione a essi associati e di trasferirla a un dispositivo utilizzatore per il tramite di correnti suscitate dai campi incidenti.
  4. 4. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 4 Antenne Metodi Analitici Formule a volte non esprimibili in forma chiusa Metodi numerici Metodo dei Momenti
  5. 5. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 5 Metodo dei Momenti Il Metodo dei Momenti è un algoritmo numerico nel dominio della frequenza che consente la risoluzione in forma approssimata di equazioni integrali, riducendole ad una equazione matriciale lineare, permettendo di ottenere la soluzione tramite una semplice inversione della matrice risolvente. Tale metodo fa ricorso alle funzioni di Rao, Wilton e Glisson (RWG), perché assicurano il soddisfacimento di varie condizioni elettromagnetiche. Per analizzare un’antenna con il suddetto metodo occorrono tre passi: 1. Disegno dell’antenna 2. Esecuzione dell’algoritmo di diffusione (scattering) 3. Esecuzione dell’algoritmo di radiazione L’analisi viene effettuata per intero attraverso l’uso del software di calcolo MATLAB.
  6. 6. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 6 Disegno dell’antenna Il Matlab dispone del PDE Toolbox (Partial Differential Equation Toolbox) che consente di disegnare qualsiasi superficie e di effettuare il meshing (discretizzazione).
  7. 7. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica 7 Esecuzione dell’algoritmo di scattering rwg1.m rwg2.m rwg3.m rwg4.m rwg5.m efield1.m efield2.m efield3.m Conta e crea il vettore degli edge element Calcola la matrice delle impedenze Determina la tensione di eccitazione Determina la corrente superficiale Calcola i campi in un punto di osservazione Calcola l’intensità di radiazione su una superficie sferica Calcola la direttività
  8. 8. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica 8 Esecuzione dell’algoritmo di radiazione Questo tipo di procedura prevede gli stessi codici visti nell’algoritmo di scattering ad eccezione del rwg4.m. Si ha che nell’algoritmo di scattering la tensione sulla gola dell’antenna è in funzione del segnale elettromagnetico ricevuto, mentre nell’algoritmo di radiazione la tensione è impostata a priori e distribuita attraverso la delta-function generator.
  9. 9. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 9 Analisi della struttura
  10. 10. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 10
  11. 11. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 11
  12. 12. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica In Out Anno Accademico 2009/2010 12 Disegno della struttura f ( αf,f fτff, spess) pdepoly(x,y); X e y sono i vettori che contengono rispettivamente i valori di ascissa e ordinata di ogni singolo vertice α = angolo τ = tau spess = spessore h1 + h2 + h3 h1 + h2 h1
  13. 13. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Edge totali = Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 13 4710 Codice ottenuto: pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.183584 -0.184584 - 0.265499 -0.264499 -0.186413 0.187413 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.183584 0.184584 0.265499 0.264499 0.186413 -0.187413 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.065079 0.065079 0.093685 0.093685 0.066079 0.066079 0.030728 0.030728 - 0.031728 -0.031728 -0.065079 - 0.065079 -0.093685 -0.093685 - 0.066079 -0.066079 -0.030728 - 0.030728 ]);
  14. 14. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica 800 MHz 1600 MHz 2400 MHz MaxCurrent =2.1188[A/m] MaxCurrent =0.2932[A/m] MaxCurrent =0.17674[A/m] EField = -0.0001 - 0.0001i 0.0020 - 0.0000i 14 0 EField =1.0e-003 * -0.0448 - 0.0387i 0.5011 - 0.7283i 0 EField =1.0e-003 * 0.0034 - 0.0213i 0.2396 - 0.1878i 0 HField =1.0e-005 * 0 0 0.5237 - 0.0112i HField =1.0e-005 * 0 0 0.1330 - 0.1933i HField =1.0e-006 * 0 0 0.6358 - 0.4984i Poynting =1.0e-008 * 0.5169 0.0145 0 Poynting =1.0e-008 * 0.1037 -0.0008 0 Poynting =1.0e-009 * 0.1230 -0.0064 0 W =5.1709e-009 W =1.0370e-009 W =1.2314e-010 U =1.2927e-007 U =2.5925e-008 U =3.0785e-009 TotalPower =1.7920e-005 TotalPower =7.9853e-007 TotalPower = 5.8546e-007 GainLogarithmic = 5.0205 GainLogarithmic = 5.3047 GainLogarithmic = 7.7694 GainLinear =3.1772 GainLinear =3.3921 GainLinear =5.9833 GainLogarithmic = 4.3219 GainLogarithmic = 0.8095 GainLogarithmic = 1.3563 Algoritmo di Scattering
  15. 15. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica 15 800 MHz 1600 MHz 2400 MHz Impedance =3.2840e+002 - Impedance =4.0429e+002 - 4.3512e+002i 1.4682e+002i Impedance =7.4949e+002 - 7.1005e+002i FeedPower =5.5253e-004 FeedPower =0.0011 FeedPower =3.5158e-004 MaxCurrent =13.8961[A/m] MaxCurrent =13.3156[A/m] MaxCurrent =7.195[A/m] EField = EField = EField = -0.0024 - 0.0011i -0.0027 + 0.0038i -0.0017 + 0.0023i 0.0013 - 0.0001i 0.0001 - 0.0006i 0.0003 - 0.0004i -0.0000 - 0.0000i 0.0000 + 0.0000i -0.0000 + 0.0000i HField = 1.0e-005 * -0.3459 + 0.0349i -0.6499 - 0.3044i 0.0000 + 0.0000i HField =1.0e-004 * -0.0014 + 0.0172i -0.0719 + 0.1015i 0.0000 + 0.0000i HField = 1.0e-005 * -0.0674 + 0.1082i -0.4434 + 0.6031i 0.0000 + 0.0000i Poynting =1.0e-007 * -0.0000 0.0000 0.1198 Poynting =1.0e-007 * -0.0000 0.0000 0.2970 Poynting = 1.0e-007 * -0.0000 -0.0000 0.1086 W =1.1981e-008 W =2.9705e-008 W = 1.0862e-008 U =1.1981e-004 U =2.9705e-004 U =1.0862e-004 TotalPower =5.5657e-004 TotalPower =0.0011 TotalPower =3.5586e-004 GainLogarithmic = 6.1899 GainLogarithmic = 6.7038 GainLogarithmic = 5.462 GainLinear =4.1590 GainLinear =5.2985 GainLinear = 3.5172 RadiationResistance RadiationResistance = =330.8019 407.7525 RadiationResistance = 758.6123 Algoritmo di Radiazione
  16. 16. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 16 In ricezione possiede: • una corrente maggiore sulla sua gola in 800 MHz; • il campo elettrico e magnetico decrescono all’aumentare della frequenza; • il guadagno dell’antenna trova un massimo a 2,4 GHz, mentre per 800 MHz e 1,6 GHz è pressoché costante. In radiazione l’antenna possiede: • un’impedenza di radiazione la cui parte reale cresce all’aumentare della frequenza mentre la parte immaginaria è fluttuante con un massimo in 2,4 GHz; • la corrente sulla gola dell’antenna ha un massimo in 800 MHz; • il guadagno risulta essere massimo in 1,6 GHz.
  17. 17. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 17 R e s i s t e n z a Ω Frequenza Hz Reale Immaginario Impedenza dell’antenna al variare della frequenza
  18. 18. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 18 Analisi dell’antenna con variazione parametrica τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 Il valore di ‘α’ e dello ‘spessore’ restano invariati.
  19. 19. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 19 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.157085 -0.158085 -0.217446 0.216446 0.258844 -0.258844 - 0.265499 0.265499 0.214618 -0.213618 -0.159913 0.160913 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 - 0.157085 0.158085 0.217446 -0.216446 -0.258844 0.258844 0.265499 -0.265499 -0.214618 0.213618 0.159913 -0.160913 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.055711 0.055711 0.076697 0.076697 0.091686 0.091686 0.093685 0.093685 0.075697 0.075697 0.056711 0.056711 0.030728 0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.055711 -0.055711 -0.076697 -0.076697 -0.091686 -0.091686 - 0.093685 -0.093685 -0.075697 -0.075697 -0.056711 -0.056711 -0.030728 -0.030728 ]);
  20. 20. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 20 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.165918 -0.166918 -0.241296 0.240296 0.264499 0.265499 0.238467 -0.237467 -0.168746 0.169746 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.165918 0.166918 0.241296 -0.240296 -0.264499 -0.265499 -0.238467 0.237467 0.168746 -0.169746 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.058834 0.058834 0.085129 0.085129 0.093685 0.093685 0.084129 0.084129 0.059834 0.059834 0.030728 0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.058834 -0.058834 -0.085129 - 0.085129 -0.093685 -0.093685 -0.084129 -0.084129 -0.059834 -0.059834 -0.030728 -0.030728 ]);
  21. 21. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 21 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 Per τ = 0.8 e τ = 0.9 a seguito della discretizzazione si ottengono rispettivamente 19404 e 8974 edge totali, ed il metodo diventa impraticabile a causa dell’eccessiva richiesta di memoria. Matlab restituisce il seguente errore: ??? Out of memory. Type HELP MEMORY for your options.
  22. 22. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 22 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.174751 -0.175751 -0.265499 0.265499 0.263084 -0.263084 - 0.177580 0.178580 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.174751 0.175751 0.265499 -0.265499 - 0.263084 0.263084 0.177580 -0.178580 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.061956 0.061956 0.093685 0.093685 0.093185 0.093185 0.062956 0.062956 0.030728 0.030728 -0.031728 - 0.031728 -0.061956 -0.061956 -0.093685 -0.093685 -0.093185 -0.093185 -0.062956 -0.062956 - 0.030728 -0.030728 ]);
  23. 23. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 23 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 L’antenna in ricezione possiede: • sulla gola una corrente maggiore in 800 MHz; • il campo elettrico e magnetico decrescono all’aumentare della frequenza; • il guadagno dell’antenna trova un massimo a 2,4 GHz, mentre per 800 MHz e 1,6 GHz è pressoché costante. In radiazione l’antenna possiede: • un’impedenza la cui parte reale e la parte immaginaria fluttuano al variare della frequenza; • la corrente sulla gola dell’antenna ha un massimo in 1600 MHz; • il guadagno è maggiore in 1,6 GHz.
  24. 24. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 24 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.192418 -0.193418 -0.265499 -0.264499 -0.195246 0.196246 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.192418 0.193418 0.265499 0.264499 0.195246 -0.196246 - 0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.068202 0.068202 0.093685 0.093685 0.069202 0.069202 0.030728 0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.068202 -0.068202 -0.093685 -0.093685 -0.069202 -0.069202 -0.030728 -0.030728 ]);
  25. 25. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 25 α = 70.53 ° spess = 1mm τ = 0.8 τ = 0.9 τ = 1 τ = 1.2 L’antenna in ricezione possiede: • sulla gola una corrente maggiore in 800 MHz; • il campo elettrico e magnetico decrescono all’aumentare della frequenza; • il guadagno per questo tipo di antenna è pressoché costante. In radiazione l’antenna possiede: • un’impedenza di radiazione la cui parte reale e immaginaria sono fluttuanti, ma in modo più contenuto rispetto al caso di τ = 1; • la corrente sulla gola dell’antenna ha un massimo in 800 MHz; • il guadagno risulta essere maggiore in 2,4 GHz.
  26. 26. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 26 Conclusioni: La tecnica del MoM attraverso le funzioni RWG si mostra come un valido strumento per l’analisi di un qualsiasi tipo di antenna, purché a sviluppo superficiale. Infatti, per antenne filiformi presenta delle difficoltà legate all’uso di PDE Toolbox, in quanto esso genera una discretizzazione automatica e molto fitta; ciò comporta l’impossibilità del calcolo. Sviluppi futuri: Uno sviluppo futuro, interessante, sarebbe quello di implementare un algoritmo che a partire dalla struttura data e dai limiti imposti dalla macchina generi una discretizzazione ad hoc salvaguardando sia il livello di accuratezza dei calcoli riguardanti i parametri costitutivi sia il carico computazionale attribuito al calcolo e all’inversione della matrice delle impedenze.
  27. 27. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Anno Accademico 2009/2010 27 LLAP

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