facoltà di ingegneria corso di laurea in ingegneria...

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



Obiettivo della tesi:

Studio completo, attraverso il metodo dei momenti (MoM), di una strutturadantenna, che consente la trasmissione in larga banda (800-2400 MHz).


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



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


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.



Metodi AnaliticiFormule a volte non esprimibili in forma chiusa


Antenne

Metodi numericiMetodo dei Momenti



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


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.



Disegno dellantenna

Il Matlab dispone del PDE Toolbox (Partial Differential Equation Toolbox) che consente di disegnare qualsiasi superficie e di effettuare il meshing (discretizzazione).




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



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.



Analisi della struttura




Disegno della struttura

ffffff ( , , spess)OutIn

pdepoly(x,y); = angolo = tauspess = spessore


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



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


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 ]);



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



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



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.


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.



1,00E+03

1,50E+03

2,00E+03

Resi

Impedenza dellantenna al variare della frequenza


-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



Analisi dellantenna con variazione parametrica


= 0.8 = 0.9 = 1 = 1.2

Il valore di e dello spessore restano invariati.



= 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 ]);


= 0.8

= 0.9

= 1

= 1.2



= 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 ]);


= 0.8

= 0.9

= 1

= 1.2



= 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


= 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.



= 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 ]);


= 0.8

= 0.9

= 1

= 1.2

= 0.8

= 0.9

= 1

= 1.2



= 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


= 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.



= 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 ]);


= 0.8

= 0.9

= 1

= 1.2



= 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.


= 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.



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.


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.




LLAP

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