Course Syllabus
Obiettivi
Questo corso si propone di fornire conoscenze di base ed avanzate sulla fisica e tecnologia delle radiazioni elettromagnetiche non ionizzanti, con particolare riguardo all'intervallo di frequenze comprendente onde radio e microonde. Saranno anche coperti alcuni argomenti relativi a specifiche applicazioni, ed alla protezione sanitaria dagli effetti della radiazione elettromagnetica.
Al termine del corso verranno raggiunti i seguenti obiettivi:
Conoscenza e capacità di comprensione: Lo studente acquisirà conoscenze approfondite sui principi fisici delle radiazioni elettromagnetiche non ionizzanti, e sui meccanismi di generazione, propagazione e rivelazione delle onde radio e microonde.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate: Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze teoriche per analizzare sistemi basati sull'emissione e ricezione di radiazione elettromagnetica, valutare soluzioni tecnologiche e valutare problematiche di protezione sanitaria.
Autonomia di giudizio: Lo studente svilupperà capacità critica nell'interpretare dati sperimentali e nel valutare l'idoneità di diverse tecnologie elettromagnetiche per specifiche applicazioni.
Abilità comunicative: Lo studente sarà in grado di comunicare efficacemente concetti complessi relativi alle radiazioni elettromagnetiche utilizzando linguaggio tecnico appropriato.
Capacità di apprendimento: Lo studente acquisirà metodologie per l'aggiornamento autonomo sulle evoluzioni tecnologiche nel campo delle radiazioni elettromagnetiche e delle normative di sicurezza.
Contenuti sintetici
Richiami di elettromagnetismo e sulle onde. Onde piane nei mezzi non dissipativi. Riflessione e trasmissione. Propagazione guidata. Linee di trasmissione. Accoppiamento di impedenza. Parametri S. Sorgenti e campi di radiazione. Antenne. Diffrazione. Sistemi di antenne. Tecnologia delle radiocomunicazioni. Interazione della radiazione con la materia. Aspetti di protezione sanitaria. Onde nei plasmi. Ionosfera. Radiazione infrarossa e sua trasmissione nell'atmosfera.
Programma esteso
Cenni storici sulla scoperta della radiazione elettromagnetica. Spettro elettromagnetico. Potenziali di ionizzazione. Radiazione ionizzante e non-ionizzante.
Richiami di elettromagnetismo. Equazioni di Maxwell. Legge di Faraday. Legge di Ampere-Maxwell. Leggi di Gauss per il campo elettrico ed il campo magnetico. Potenziali. Forza di Lorentz. Relazioni costitutive nel vuoto e nei mezzi materiali. Condizioni al contorno alle interfacce. Densità di corrente. Conservazione della carica. Conservazione dell'energia e teorema di Poynting.
Richiami sulla teoria della propagazione ondulatoria. Parametri caratteristici di un'onda sinusoidale. Relazione di dispersione. Velocità di fase e di gruppo, e loro interpretazione fisica.
Onde piane nei mezzi non dissipativi. Onda diretta e riflessa. Onde monocromatiche. Quantità caratteristiche delle onde monocromatiche. Densità e flusso di energia. Impedenza d'onda. Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Propagazione obliqua. Cenni alle onde in mezzi dissipativi e disomogenei.
Riflessione e trasmissione perpendicolare all'interfaccia tra due materiali. Rappresentazione matriciale dei campi. Impedenza d'onda e coefficiente di riflessione. Formalismo matriciale per la propagazione e la diffusione. Coefficienti di Fresnel. Potenza trasmessa e riflessa. Caso della lamina di dielettrico. Incidenza obliqua. Leggi di Snel. Riflessione totale e angolo critico. Fibre ottiche.
Guide d'onda. Modello di propagazione nelle guide d'onda cave. Modi TE e TM e loro discretizzazione. Coefficiente di propagazione in guida e frequenza di taglio. Velocità di fase e di gruppo. Componenti trasverse dei campi. Scelta delle dimensioni della guida. Impedenza caratteristica per i modi TE e TM.
Linee di trasmissione a due conduttori. Modello a parametri distribuiti. Equazioni dei telegrafisti. Impedenza caratteristica. Costante di propagazione. Soluzioni armoniche. Significato fisico dell'impedenza caratteristica. Onda diretta e riflessa. Coefficiente di riflessione. Onde stazionarie. Rapporto d'onda stazionaria. Impedenza d'ingresso. Attenuazione lungo la linea.
Teorema del massimo trasferimento di potenza. Circuiti di accoppiamento. Circuiti a L, Pi e T.
Parametri S. Misura con analizzatore di reti. Coefficienti di riflessione in ingresso e uscita. Grafico di Smith e sua interpretazione.
Potenziali elettromagnetici e trasformazioni di gauge. Gauge di Lorenz. Equazioni d'onda per i potenziali. Potenziali ritardati. Dipendenza armonica: equazioni di Helmholtz. Funzione di Green e soluzione generale alle equazioni di Helmholtz. Derivazione del campo elettrico e del campo magnetico dai potenziali elettromagnetici. Approssimazione di Fraunhofer. Vettore di radiazione. Campi di radiazione.
Definizione di antenna. Circuito equivalente. Densità di potenza ed intensità di radiazione. Radiatore isotropo. Guadagno in direttività, guadagno in potenza e guadagno d'antenna. Funzione di irradiazione. Diagrammi di radiazione cartesiani e polari. Utilizzo dei diagrammi di radiazione. Potenza irradiata efficace (ERP). Potenza irradiata efficace isotropa (EIRP).
Basi di teoria delle antenne lineari. Intensità di radiazione di un'antenna lineare. Dipolo hertziano e dipolo marconiano. Guadagno e potenza irraggiata del dipolo hertziano. Antenna hertziana. Antenna hertziana a mezz'onda. Antenna marconiana a quarto d'onda. Antenne ad onda viaggiante. Antenne a spira.
Principio di Huygens-Fresnel e sua applicazione alla diffrazione. Diffrazione di Fresnel e di Fraunhofer. Diffrazione da fenditura singola. Diffrazione da apertura circolare e criterio di Rayleigh. Diffrazione da reticolo. Diffrazione da ostacoli e bordi. Applicazioni tecnologiche.
Teoria dei sistemi di antenne rettilinee. Array di antenne a mezz’onda parallele. Studio dell’array factor nel caso di antenne equidistanti. Studio dell’array factor nel caso di un sistema uniforme di antenne in fase. Studio dell’array factor nel caso di un sistema uniforme di antenne sfasate. Sistema di antenne rettilinee con distribuzione disuniforme di correnti. Sistema di antenne ad alta direttività.
Trasmissioni radio. Modulazione di ampiezza, di frequenza e di fase. Codifiche analogiche e digitali. Tecniche delle telecomunicazioni personali: sistemi di 1,2,3,4,5 generazione.
Interazione delle onde elettromagnetiche con la materia. Fenomeni di polarizzazione elettrica. Costante dielettrica relativa e sua dipendenza dalla frequenza. Applicazione ai tessuti corporei. Modello di Lorentz per i dielettrici. Indice di rifrazione. Modello di Drude per i conduttori. Perdite di energia. Tangente di perdita. Onde piane nei mezzi dissipativi. Attenuazione. Profondità di pelle. Propagazione nei dielettrici e nei conduttori.
Specific Absorbtion Rate (SAR) e rapporto con il vettore densità di potenza. SAR nel corpo umano. Risposta fisiologica all'aumento della temperatura dei tessuti dovuta all'interazione con i campi EM. Danni di tipo deterministico sistemico e localizzati. Sistema della limitazione: linee guida, normativa internazionale e nazionale. Epidemiologia ed ipotesi di danni stocastici.
Plasma. Descrizione elettromagnetica dei plasmi. Calcolo dei parametri costitutivi. Propagazione di onde piane in un plasma omogeneo.
Propagazione in un mezzo non omogeneo ed isotropo in approssimazione di frequenza molto alta. Propagazione di onde radio nella ionosfera. Equazioni d’onda per un mezzo non omogeneo. Formazione della ionosfera. Il sistema Terra-Sole. Finestra radio.
Radiazione infrarossa. Trasmissione atmosferica della radiazione infrarossa. Assorbimento. Il Sole. Variazione della densità elettronica con l’altezza. Lo strato di Chapman. La struttura della ionosfera. Influenza della ionosfera sulla propagazione delle onde radio.
Prerequisiti
Conoscenze di elettromagnetismo; conoscenze generali acquisite nel corso del triennio di corsi di laurea tecnico-scientifici.
Modalità didattica
21 lezioni da due ore, svolte in modalità erogativa in presenza, che includeranno ove possibile una o due lezioni ad impostazione seminariale tenute in videoconferenza da esperti del settore pubblico e privato.
Materiale didattico
Documentazione in formato "slide" fornita dal docente.
Testi di elettromagnetismo classico (ad esempio: J.D.Jackson, Elettrodinamica classica).
S. J. Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale, eventualmente supportato dalla presentazione volontaria di un breve testo di approfondimento su argomenti omogenei a quelli del corso; sono valutati il possesso delle nozioni fornite e le relative competenze e la capacità di esposizione utilizzando un linguaggio corretto.
Non sono previste prove in itinere.
L'esame sarà tenuto in italiano, o a richiesta in inglese per studenti Erasmus.
Orario di ricevimento
Su appuntamento, da concordarsi per email con il docente del corso.
I recapiti del docente sono i seguenti:
prof. Emilio Martines, edificio U2, terzo piano, stanza 3026, email: emilio.martines@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
This course aims to provide basic and advanced knowledge of the physics and technology of nonionizing electromagnetic radiation, with emphasis on the frequency range including radio waves and microwaves. Some topics related to specific applications, and health protection from the effects of electromagnetic radiation will also be covered.
At the end of the course the following objectives will be achieved:
Knowledge and understanding: Students will acquire in-depth knowledge of the physical principles of non-ionizing electromagnetic radiation, generation mechanisms, propagation and detection of radio waves and microwaves.
Applying knowledge and understanding: Students will be able to apply theoretical knowledge to analyze systems based on the emission and detection of electromagnetic radiation, evaluate technological solutions, and assess health protection issues.
Making judgements: Students will develop critical skills in interpreting experimental data and evaluating the suitability of different electromagnetic technologies for specific applications.
Communication skills: Students will be able to effectively communicate complex concepts related to electromagnetic radiation using appropriate technical language.
Learning skills: Students will acquire methodologies for autonomous updating on technological developments in the field of electromagnetic radiation and safety regulations.
Contents
Recalls of electromagnetism and waves. Plane waves in non-dissipative media. Reflection and transmission. Guided propagation. Transmission lines. Impedance coupling. S-parameters. Radiation sources and fields. Antennas. Diffraction. Systems of antennas. Radio communications technology. Interaction of radiation with matter. Aspects of health protection. Waves in plasmas. Ionosphere. Infrared radiation and its transmission in the atmosphere.
Detailed program
Historical background on the discovery of electromagnetic radiation. Electromagnetic spectrum. Ionization potentials. Ionizing and non-ionizing radiation.
Recalls of electromagnetism. Maxwell's equations. Faraday's law. Ampere-Maxwell's law. Gauss' laws for electric field and magnetic field. Potentials. Lorentz force. Constitutive relations in vacuum and in material media. Boundary conditions at interfaces. Current density. Charge conservation. Energy conservation and Poynting's theorem.
Recalls on the theory of wave propagation. Characteristic parameters of a sine wave. Dispersion relation. Phase and group velocities, and their physical interpretation.
Plane waves in nondissipative media. Forward and backward wave. Monochromatic waves. Characteristic quantities of monochromatic waves. Energy density and energy flux. Wave impedance. Linear, circular and elliptical polarization. Oblique propagation. Hints at waves in dissipative and inhomogeneous media.
Reflection and transmission perpendicular to the interface between two materials. Matrix representation of the fields. Wave impedance and reflection coefficient. Matrix formalism for propagation and scattering. Fresnel coefficients. Transmitted and reflected power. Case of a dielectric slab. Oblique incidence. Snel's laws. Total reflection and critical angle. Optical fibers.
Waveguides. Propagation model in hollow waveguides. TE and TM modes and their discretization. Propagation coefficient in guide and cutoff frequency. Phase and group velocities. Transverse components of the fields. Choice of guide dimensions. Characteristic impedance for TE and TM modes.
Two-conductor transmission lines. Distributed parameter model. Telegraphers' equations. Characteristic impedance. Propagation constant. Harmonic solutions. Physical meaning of characteristic impedance. Forward and backward waves. Reflection coefficient. Standing waves. Standing wave ratio. Input impedance. Attenuation along the line.
Maximum power transfer theorem. Coupling circuits. L, Pi and T circuits.
S-parameters. Measurement with a network analyzer. Input and output reflection coefficients. Smith's graph and its interpretation.
Electromagnetic potentials and gauge transformations. Lorenz gauge. Wave equations for potentials. Retarded potentials. Harmonic dependence: Helmholtz equations. Green's function and general solution to Helmholtz equations. Derivation of electric field and magnetic field from electromagnetic potentials. Fraunhofer approximation. Radiation vector. Radiation fields.
Definition of antenna. Equivalent circuit. Power density and radiation intensity. Isotropic radiator. Gain in directivity, gain in power and antenna gain. Radiation function. Cartesian and polar radiation diagrams. Use of radiation diagrams. Effective radiated power (ERP). Effective isotropic radiated power (EIRP).
Basics of linear antenna theory. Radiation intensity of a linear antenna. Hertzian dipole and Marconian dipole. Gain and radiated power of the Hertzian dipole. Hertzian antenna. Hertzian half-wave antenna. Marconian quarter-wave antenna. Travelling wave antennas. Loop antennas.
Huygens-Fresnel principle and its application to diffraction. Fresnel and Fraunhofer diffraction. Diffraction from single slit. Diffraction from circular aperture and Rayleigh's criterion. Diffraction from grating. Diffraction from obstacles and edges. Technological applications.
Theory of linear antenna systems. Arrays of parallel half-wave antennas. Study of the array factor in the case of equidistant antennas. Study of the array factor in the case of a uniform in-phase antenna system. Study of the array factor in the case of a uniform system of phase-shifted antennas. System of linear antennas with disuniform distribution of currents. System of antennas with high directivity.
Radio transmissions. Amplitude, frequency and phase modulation. Analog and digital coding. Personal telecommunication techniques: 1,2,3,4,5 generation systems.
Interaction of electromagnetic waves with matter. Phenomena of electrical polarization. Relative dielectric constant and its dependence on frequency. Application to body tissues. Lorentz model for dielectrics. Refractive index. Drude's model for conductors. Energy losses. Loss tangent. Plane waves in dissipative media. Attenuation. Skin depth. Propagation in dielectrics and conductors.
Specific Absorbtion Rate (SAR) and relationship with the power density vector. SAR in the human body. Physiological response to increased tissue temperature due to interaction with EM fields. Systemic and localized deterministic damage. Limitation system: guidelines, international and national regulations. Epidemiology and stochastic damage hypothesis.
Plasma. Electromagnetic description of plasmas. Calculation of constitutive parameters. Propagation of plane waves in a homogeneous plasma.
Propagation in an inhomogeneous and isotropic medium in very high frequency approximation. Propagation of radio waves in the ionosphere. Wave equations for an inhomogeneous medium. Formation of the ionosphere. The Earth-Sun system. Radio window.
Prerequisites
Knowledge of electromagnetism; general knowledge acquired during the three years of a technical-scientific bachelor's degree.
Teaching form
21 two-hour lectures delivered in face-to-face delivery mode ("modalità erogativa"), which will include where possible one or two seminar-style lectures delivered via videoconference by public and private sector experts.
Textbook and teaching resource
Documentation in slide format provided by the lecturer.
Classical electromagnetism textbooks (for example: J.D.Jackson, Classical Electrodynamics).
S. J. Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas
Semester
Second semester
Assessment method
Oral examination, possibly supported by the voluntary presentation of a short in-depth text on topics similar to those of the course; possession of the knowledge provided and related skills and the ability to expound using correct language are evaluated.
There will be no partial tests during the course.
The examination will be held in Italian, or in English on request for Erasmus students.
Office hours
By appointment, to be defined by email with the course lecturer.
The contact details of the lecturers are as follows:
prof. Emilio Martines, U2 building, third floor, room 3026, email: emilio.martines@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
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Emilio Martines
