Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria...
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POLITECNICO DI BARIFacolt di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
Tesi di laurea inAntenne e Compatibilit Elettromagnetica
IMPIEGO DEL METODO DEI MOMENTI PER LA PROGETTAZIONE
PARAMETRICA DI ANTENNE PLANARI A LARGA BANDA
Relatore:
Chiar.mo Prof. Ing. Michele BOZZETTILaureando:
Angelo Antonio SALATINO
USE OF THE METHOD OF MOMENTS FOR THE PARAMETRIC
DESIGN OF PLANARS ANTENNAS IN BROADBAND
Anno Accademico 2009/20101
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Obiettivo della tesi:
Studio completo, attraverso il metodo dei momenti (MoM), di una strutturadantenna, che consente la trasmissione in larga banda (800-2400 MHz).
Anno Accademico 2009/20102
dantenna, 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
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Unantenna trasmittente converte una corrente elettrica tempo variantepropagandola nelletere sotto forma di campi elettromagnetici ai quali sarassociata una radiazione di energia elettromagnetica. I campi irradiati
Antenne ed Onde Elettromagnetiche
Anno Accademico 2009/20103
associata una radiazione di energia elettromagnetica. I campi irradiatitrasporteranno linformazione fornita dallapparato trasmittente.
Unantenna ricevente , invece, un dispositivo sensibile a campielettromagnetici presenti nelletere e in grado di captare linformazione a essiassociati e di trasferirla a un dispositivo utilizzatore per il tramite di correntisuscitate dai campi incidenti.
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Metodi AnaliticiFormule a volte non esprimibili in forma chiusa
Anno Accademico 2009/20104
Antenne
Metodi numericiMetodo dei Momenti
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Metodo dei Momenti
Il Metodo dei Momenti un algoritmo numerico nel dominio della frequenzache consente la risoluzione in forma approssimata di equazioni integrali,riducendole ad una equazione matriciale lineare, permettendo di ottenere lasoluzione tramite una semplice inversione della matrice risolvente.Tale metodo fa ricorso alle funzioni di Rao, Wilton e Glisson (RWG), perch
Anno Accademico 2009/20105
Tale metodo fa ricorso alle funzioni di Rao, Wilton e Glisson (RWG), perchassicurano il soddisfacimento di varie condizioni elettromagnetiche.
Per analizzare unantenna con il suddetto metodo occorrono tre passi:1. Disegno dellantenna2. Esecuzione dellalgoritmo di diffusione (scattering)3. Esecuzione dellalgoritmo di radiazione Lanalisi viene effettuata per intero attraverso luso del software di calcolo
MATLAB.
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Disegno dellantenna
Il Matlab dispone del PDE Toolbox (Partial Differential Equation Toolbox) che consente di disegnare qualsiasi superficie e di effettuare il meshing (discretizzazione).
Anno Accademico 2009/20106
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Esecuzione dellalgoritmo di scattering
rwg1.m
rwg3.m
rwg2.m
Conta e crea il vettore degli edge element
Calcola la matrice delle impedenze
7
rwg3.m
rwg4.m
efield1.m
rwg5.m
efield3.m
efield2.m
Calcola la matrice delle impedenze
Determina la tensione di eccitazione
Determina la corrente superficiale
Calcola i campi in un punto di osservazione
Calcola lintensit di radiazione su una superficie sferica
Calcola la direttivit
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Esecuzione dellalgoritmo di radiazione
8
Questo tipo di procedura prevede gli stessi codici visti nellalgoritmo discattering ad eccezione del rwg4.m.
Si ha che nellalgoritmo di scattering la tensione sulla gola dellantenna infunzione del segnale elettromagnetico ricevuto, mentre nellalgoritmo diradiazione la tensione impostata a priori e distribuita attraverso la delta-function generator.
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Analisi della struttura
Anno Accademico 2009/20109
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Anno Accademico 2009/201010
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Anno Accademico 2009/201011
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Disegno della struttura
ffffff ( , , spess)OutIn
pdepoly(x,y); = angolo = tauspess = spessore
Anno Accademico 2009/201012
X e y sono i vettori che
contengono rispettivamente i valori di ascissa
e ordinata di ogni singolo vertice
h1
h1 + h2
h1 + h2 + h3
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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
Edge totali = 4710
Anno Accademico 2009/201013
0.184584 0.265499 0.264499 0.186413 -0.187413 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.065079 0.0650790.093685 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 ]);
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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 - 0.0000i0
EField =1.0e-003 *-0.0448 - 0.0387i0.5011 - 0.7283i
0
EField =1.0e-003 *0.0034 - 0.0213i0.2396 - 0.1878i
0HField =1.0e-005 *
0HField =1.0e-005 *
0HField =1.0e-006 *
0
Algoritmo di Scattering
14
00
0.5237 - 0.0112i
00
0.1330 - 0.1933i
00
0.6358 - 0.4984i
Poynting =1.0e-008 *0.51690.0145
0
Poynting =1.0e-008 *0.1037
-0.00080
Poynting =1.0e-009 *0.1230
-0.00640
W =5.1709e-009 W =1.0370e-009 W =1.2314e-010U =1.2927e-007 U =2.5925e-008 U =3.0785e-009TotalPower =1.7920e-005 TotalPower =7.9853e-007 TotalPower = 5.8546e-007
GainLogarithmic = 5.0205 GainLogarithmic = 5.3047 GainLogarithmic = 7.7694GainLinear =3.1772 GainLinear =3.3921 GainLinear =5.9833GainLogarithmic = 4.3219 GainLogarithmic = 0.8095 GainLogarithmic = 1.3563
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800 MHz 1600 MHz 2400 MHzImpedance =3.2840e+002 -4.3512e+002i
Impedance =4.0429e+002 -1.4682e+002i
Impedance =7.4949e+002 -7.1005e+002i
FeedPower =5.5253e-004 FeedPower =0.0011 FeedPower =3.5158e-004MaxCurrent =13.8961[A/m] MaxCurrent =13.3156[A/m] MaxCurrent =7.195[A/m]EField =-0.0024 - 0.0011i
0.0013 - 0.0001i-0.0000 - 0.0000i
EField =-0.0027 + 0.0038i
0.0001 - 0.0006i0.0000 + 0.0000i
EField =-0.0017 + 0.0023i
0.0003 - 0.0004i-0.0000 + 0.0000i
Algoritmo di Radiazione
15
-0.0000 - 0.0000i 0.0000 + 0.0000i -0.0000 + 0.0000iHField = 1.0e-005 *-0.3459 + 0.0349i-0.6499 - 0.3044i0.0000 + 0.0000i
HField =1.0e-004 *-0.0014 + 0.0172i-0.0719 + 0.1015i0.0000 + 0.0000i
HField = 1.0e-005 *-0.0674 + 0.1082i-0.4434 + 0.6031i0.0000 + 0.0000i
Poynting =1.0e-007 *-0.00000.00000.1198
Poynting =1.0e-007 *-0.00000.00000.2970
Poynting = 1.0e-007 *-0.0000-0.00000.1086
W =1.1981e-008 W =2.9705e-008 W = 1.0862e-008U =1.1981e-004 U =2.9705e-004 U =1.0862e-004TotalPower =5.5657e-004 TotalPower =0.0011 TotalPower =3.5586e-004GainLogarithmic = 6.1899 GainLogarithmic = 6.7038 GainLogarithmic = 5.462GainLinear =4.1590 GainLinear =5.2985 GainLinear = 3.5172RadiationResistance=330.8019
RadiationResistance =407.7525
RadiationResistance =758.6123
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In ricezione possiede: una corrente maggiore sulla sua gola in 800 MHz; il campo elettrico e magnetico decrescono allaumentare della frequenza; il guadagno dellantenna trova un massimo a 2,4 GHz, mentre per 800 MHze 1,6 GHz pressoch costante.
Anno Accademico 2009/201016
e 1,6 GHz pressoch costante.
In radiazione lantenna possiede: unimpedenza di radiazione la cui parte reale cresce allaumentare dellafrequenza mentre la parte immaginaria fluttuante con un massimo in 2,4GHz; la corrente sulla gola dellantenna ha un massimo in 800 MHz; il guadagno risulta essere massimo in 1,6 GHz.
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1,00E+03
1,50E+03
2,00E+03
Resi
Impedenza dellantenna al variare della frequenza
Anno Accademico 2009/201017
-1,50E+03
-1,00E+03
-5,00E+02
0,00E+00
5,00E+02
780 800 820 1560 1600 1640 2340 2400 2460
istenza
Frequenza Hz
Reale
Immaginario
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Analisi dellantenna con variazione parametrica
Anno Accademico 2009/201018
= 0.8 = 0.9 = 1 = 1.2
Il valore di e dello spessore restano invariati.
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
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 0.2136180.159913 -0.160913 -0.087418 0.086418 ],[0.000000 0.031728 0.031728 0.055711 0.055711 0.0766970.076697 0.091686 0.091686 0.093685 0.093685 0.075697 0.075697 0.056711 0.056711 0.0307280.030728 -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 ]);
Anno Accademico 2009/201019
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.165918 -0.166918 -0.241296 0.240296 0.264499 0.2654990.238467 -0.237467 -0.168746 0.169746 0.087418 -0.086418 0.090247 -0.089247 -0.165918 0.1669180.241296 -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 0.0841290.084129 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 ]);
Anno Accademico 2009/201020
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
-
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
Per = 0.8 e = 0.9 a seguito della discretizzazione siottengono rispettivamente 19404 e 8974 edge totali, ed ilmetodo diventa impraticabile a causa delleccessiva richiesta di
Anno Accademico 2009/201021
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
metodo diventa impraticabile a causa delleccessiva richiesta dimemoria.
Matlab restituisce il seguente errore:
??? Out of memory. Type HELP MEMORY for your options.
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
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 0.0619560.061956 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 ]);
Anno Accademico 2009/201022
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
Lantenna in ricezione possiede: sulla gola una corrente maggiore in 800 MHz; il campo elettrico e magnetico decrescono allaumentare della frequenza; il guadagno dellantenna trova un massimo a 2,4
Anno Accademico 2009/201023
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
il guadagno dellantenna trova un massimo a 2,4 GHz, mentre per 800 MHz e 1,6 GHz pressoch costante.
In radiazione lantenna possiede: unimpedenza la cui parte reale e la parte immaginaria fluttuano al variare della frequenza; la corrente sulla gola dellantenna ha un massimo in 1600 MHz; il guadagno maggiore in 1,6 GHz.
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
pdepoly([-0.000500 -0.090247 0.089247 0.192418 -0.193418 -0.265499 -0.264499 -0.195246 0.1962460.087418 -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 0.0692020.069202 0.030728 0.030728 -0.031728 -0.031728 -0.068202 -0.068202 -0.093685 -0.093685 -0.069202-0.069202 -0.030728 -0.030728 ]);
Anno Accademico 2009/201024
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
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= 70.53 spess = 1mm
= 0.8
Lantenna in ricezione possiede: sulla gola una corrente maggiore in 800 MHz; il campo elettrico e magnetico decrescono allaumentare della frequenza; il guadagno per questo tipo di antenna pressoch costante.
Anno Accademico 2009/201025
= 0.8
= 0.9
= 1
= 1.2
costante.
In radiazione lantenna possiede: unimpedenza di radiazione la cui parte reale e immaginaria sono fluttuanti, ma in modo pi contenuto rispetto al caso di = 1; la corrente sulla gola dellantenna ha un massimo in 800 MHz; il guadagno risulta essere maggiore in 2,4 GHz.
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Conclusioni:La tecnica del MoM attraverso le funzioni RWG si mostra come un validostrumento per lanalisi di un qualsiasi tipo di antenna, purch a svilupposuperficiale. Infatti, per antenne filiformi presenta delle difficolt legate alluso diPDE Toolbox, in quanto esso genera una discretizzazione automatica e moltofitta; ci comporta limpossibilit del calcolo.
Anno Accademico 2009/201026
fitta; ci comporta limpossibilit del calcolo.
Sviluppi futuri:Uno sviluppo futuro, interessante, sarebbe quello di implementare un algoritmoche a partire dalla struttura data e dai limiti imposti dalla macchina generi unadiscretizzazione ad hoc salvaguardando sia il livello di accuratezza dei calcoliriguardanti i parametri costitutivi sia il carico computazionale attribuito alcalcolo e allinversione della matrice delle impedenze.
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Anno Accademico 2009/201027
LLAP