Teaching activities

Students can find here some information on the the courses I am involved in, spanning from their contents to additional didactic material (books, exams and solutions...).

For any question relative to the courses, please send me an email, ring me or knock at my office door.

 

Objectives of the course

The main objective of the course is to provide the basic concepts of electromagnetic theory and to discuss the most common applications.
 

Contents

Main topics:

  • Basics of scalar and vector fields and vector differential operators. Review of electrostatics and magnetostatics in free space and in materials.
  • Maxwell’s Equations. Definition of time-varying regime. Integral and differential forms of Faraday's law, Ampere-Maxwell’s law and Gauss laws. Poynting’s theorem. Maxwell’s equation in sinusoidal steady state regime.
  • Plane waves. Definition and main properties of plane waves. Plane wave solution of Maxwell’s equations in lossless and lossy media. Polarization of plane waves. Propagation in dielectrics and good conductors. Orthogonal incidence of plane waves on double-layer structures.
  • Transmission lines. Transmission line equations and their solution in terms of voltage and current waves and associated fields. Characteristics and input impedances. Incident and reflected waves. Reflection and transmission coefficients and standing wave ratio. Power balance and impedance matching networks. Lossy transmission lines.

Solution of problems will be proposed for all theory topics such as calculation of electric and magnetic fields distribution of static and of time varying sources, calculation of the characteristics of propagation of plane waves in different media, calculation of the main parameters and of the waves propagating in a transmission linesm calculation of the power transfer along a lossy transmission line.

Prerequisites: trigonometry, calculus with complex numbers and vectors, differential and integral calculus.
 

Books

  • B. Guru and H. Hiziroglu, Electromagnetic field theory fundamentals, Editor: Cambridge University Press, Year: 2004, ISBN: 0521830168

 

Didactic material

Exams

Years 2015

Years 2016

Years 2017

 

Introduzione

Il trasferimento di informazione da un punto a un altro: concetti generali. Caratteristiche dei segnali: segnali sinusoidali, segnali modulati. Propagazione guidata e propagazione irradiata: campi di applicazione. Lo spettro elettromagnetico.

Propagazione guidata

Materiali costituenti i mezzi trasmissivi: conduttori, dielettrici e loro proprietà fisiche. Linee a due conduttori: circuito equivalente, onda di tensione e corrente, impedenza caratteristica, potenza disponibile del generatore. Disadattamento, onda diretta e riflessa, coefficiente di riflessione, onde stazionarie. Cenni sui circuiti per l’adattamento. Linee con perdite, circuito equivalente, attenuazione per unità di lunghezza (decibel e neper), dipendenza dell’attenuazione con la frequenza. Diafonia. Tipologie di linee: bifilari, coassiali etc. Cenni su applicazioni della trasmissione lungo linee a due conduttori: telefono, ADSL, CATV, power-line. Guide d’onda dielettriche (fibre ottiche): principi di funzionamento, tipologie in uso, banda passante e attenuazione, campi di applicazione, la rete mondiale di comunicazioni ottiche, i cavi ottici sottomarini. Altre tipologie di linee: guide d’onda metalliche, principi di funzionamento, circuito equivalente, banda passante e attenuazione, applicazioni.

Propagazione irradiata

Il vuoto come mezzo trasmissivo, cosa cambia in presenza dell’ambiente reale. Campi scalari e vettoriali, introduzione alle grandezze specifiche, campo elettrico e magnetico. Introduzione alle equazioni di Maxwell e alla soluzione generale delle onde, densità di potenza, radiazione di una sorgente puntiforme. Le antenne: parametri principali delle antenne. Cenni su applicazioni della propagazione irradiata: collegamenti fissi e mobili, dalle onde lunghe all’ultravioletto.

 

Books

  • G. G. Gentili, C. Riva, Appunti di onde elettromagnetiche con esercizi, Libreria Clup.

 

Didactic material

Per i gli esercizi sulle linee di trasmissione (propagazione guidata), fare riferimento ai temi d'esame del corso "Electromagnetic fields" e ai temi d'esame con soluzione riportati qui di seguito.

Temi d'esame con soluzione

A. 2011

A. 2012

 

Introduzione ai campi elettromagnetici, elettrostatica e magnetostatica

Richiami sui vettori e sulle operazioni vettoriali. Campi scalari e vettoriali. Operatori: flusso e integrale di linea (e circuitazione). Operatori differenziali vettoriali (gradiente, divergenza, rotore). Teorema della divergenza e di Stokes. Proprietà integrali dei campi di tipo gradiente e rotore. Teorema di Helmholtz.

Forza e carica elettrica. Legge di Coulomb. Campo elettrico, densità di flusso elettrico e legge di Gauss. Il potenziale elettrostatico. Relazioni costitutive: campi nei mezzi materiali. Cenni agli aspetti molecolari e alla struttura atomica della materia. Condizioni al contorno sui campi elettrostatici all’interfaccia fra 2 mezzi. Energia elettrostatica. Capacità elettrica 2D e 3D. Concetto di corrente elettrica e legge di Ohm. Resistenza elettrica, legge di Joule. Metodo delle immagini per la soluzione dei campi elettrostatici.

Forze magnetiche e il campo magnetico stazionario. Il campo magnetico nei mezzi materiali

Relazioni costitutive: aspetti molecolari. Condizioni al contorno sui campi magnetostatici all’interfaccia fra 2 mezzi. Energia magnetostatica. Induttanza 2D e 3D, esterna ed interna.

Equazioni di Maxwell

Definizione di regime tempo variante. Legge di Faraday. Flusso dei vettori densità di flusso elettrico e magnetico. Legge di Ampere-Maxwell. Legge di conservazione della carica in forma integrale e differenziale. Relazione costitutive dei mezzi. Anisotropia e dispersione. Condizioni al contorno. Enunciazione dei teoremi di unicità e di Poynting. Regime stazionario sinusoidale: fasori e vettori fasori. Equazioni di Maxwell in regime stazionario sinusoidale.

Introduzione alle onde piane

Funzioni d’onda in regime sinusoidale. L’onda piana: proprietà fondamentali. Onde in mezzi senza perdite. Onde in mezzi con perdite: l’effetto pelle. Riflessione delle onde con incidenza normale e in mezzi senza perdite. Mezzi stratificati e i fenomeni di interferenza. Strati in lambda/4 e in lambda/2.

Linee di trasmissione in regime tempo variante

Linee di trasmissione: distribuzioni dei campi e.m. in una generica sezione. Linee TEM e Quasi TEM. Tensioni e correnti nelle linee di trasmissione. Equazioni delle linee di trasmissione nel dominio del tempo. Onde di tensione e corrente. Velocità di propagazione, impedenza caratteristica e coefficiente di riflessione. Transitorio su una linea di trasmissione.

Linee di trasmissione in regime sinusoidale

Equazioni delle linee di trasmissione in regime sinusoidale. Equivalente circuitale. Onde di tensione e corrente. Velocità di propagazione, impedenza caratteristica e coefficiente di riflessione. Rapporto d’onda stazionaria. Impedenza. Stato stazionario su una linea. Studio dei massimi e minimi dell’inviluppo della tensione lungo una linea di trasmissione. Flusso di potenza. e trasferimento di potenza ad un carico. Il diagramma di Smith.

Linee con perdite

Equivalente circuitale di un tratto di linea con perdite. Significato fisico dei parametri. Resistenza e conduttanza per unità di lunghezza. Linee con piccole perdite. Impedenza caratteristica e costante di propagazione in una linea con piccole perdite. Bilancio di potenza nelle linee con perdite.

 

Books

  • C. Riva, G. G. Gentili, Appunti di campi elettromagnetici, Quarta edizione, LibreriaClup.
  • B. Guru, H. Hiziroglu, Electromagnetics Field Theory Fundamentals, Second Edition, Cambridge.
  • Ramo, Whinnery, Van Duzer, Fields and waves in communication electronics, John Wiley.
  • Ulaby, Fundamentals of Applied Electromagnetics, Prentice Hall.
  • Conciauro, Introduzione alle onde elettromagnetiche, McGraw-Hill.
  • N.N. Rao, Elements of engineering electromagnetics, Pearson.
  • D’Amico, Gentili, Esercizi di campi elettromagnetici, CUSL.

 

Didactic material

Esercizi

Esercizi di riepilogo elettrostatica e magnetostatica

Eserciziario A. Ratti e M. Savino

Temi d'esame

AA. 2002-2003       AA. 2004-2005       AA. 2005-2006

AA. 2006-2007       AA. 2007-2008       AA. 2008-2009

Temi d'esame con soluzione

AA. 2005-2006       AA. 2006-2007

AA. 2007-2008       AA. 2008-2009

 

Onde in spazio libero

Richiami sulle equazioni di Maxwell, sulle funzioni d’onda e su alcuni teoremi dell’elettromagnetismo. Equazioni di Maxwell nel dominio del numero d’onda. Onde piane uniformi e non uniformi (onde in mezzi ideali, buoni dielettrici, buoni conduttori, mezzi qualsiasi, onde nei plasmi). Polarizzazione delle onde (polarizzazione lineare, circolare, ellittica). Riflessione e trasmissione delle onde piane (angolo critico, angolo di polarizzazione). Multistrati (effetto tunnel, effetto guidante). Decomposizione di un campo assegnato in onde piane

Onde guidate

I potenziali di Hertz e la propagazione guidata: modi in mezzo omogeneo (TE, TM, TEM). Onde ibride. Velocità di fase e di gruppo (dispersione temporale). La guida d’onda rettangolare. La guida d’onda circolare. Propagazione guidata da uno slab dielettrico: le fibre ottiche (slab lineare, guida circolare a salto d’indice).

Radiazione

I potenziali ritardati e la radiazione elettromagnetica. Il dipolo Hertziano, campi vicini e campi lontani. Diagramma di radiazione e parametri di antenna (cenni).

 

Books

  • G. G. Gentili, C. Riva, Appunti di onde elettromagnetiche con esercizi, Libreria Clup.
  • D. M. Pozar, Microwave Engineering, J. Wiley.
  • U.S. Inan, A.S. Inan, Electromagnetic waves, Prentice Hall.
  • G. Conciauro, Introduzione alle onde elettromagnetiche, McGraw-Hill.
  • C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, J. Wiley.
  • R. E. Collin, Field Theory af Guided Waves, IEEE Press.
  • C. G. Someda, Electromagnetic Waves, Chapman & Hall

 

Didactic material

Temi d'esame

AA. 2004-2005-2006 (Vecchio corso "Onde Elettromagnetiche - B")

AA. 2006-2007

Temi d'esame con soluzione

A. 2010

A. 2011

 

Objectives of the course

The content of the course is organized in a way that fits the actual position of a communication engineer. As a consequence the course does not have a too applicative approach (useful in practice, but limited in the education), neither a too theoretical one (one can get to the bottom of a specific topic through the scientific literature). The result is a course where, first, the physic of the phenomena is duly introduced and, second, the theory behind them is addressed.
 

Contents

The electromagnetic spectrum: frequency bands and spectrum management.
Characterization of the radio channel in terms of single and multiple wave components: direct, reflected, diffracted and diffused waves; wave polarization.
Wave propagation in the real environment:

  • Propagation in the ionosphere and impact on Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Refraction, attenuation, Faraday rotation, phase and group delay. The role of the Earth magnetic field.
  • Propagation in the presence of the ground: direct, reflected, surface and evanescent wave components, knife edge diffraction, Fresnell's ellipsoid.
  • Propagation in the non-ionized atmosphere (troposphere) and impact on radio relay links, and Earth to space (HAPs, LEO, MEO, GEO satellites, Deep Space probes) links. Clear air propagation: refraction, attenuation and scintillation. Propagation through clouds. Adverse weather disturbances: attenuation, depolarization, electromagnetic interference due to hydrometeors.

Atmospheric and extra-atmospheric noise sources. Impact on the signal detection.
Statistical characterization of the radio channel: the link budget.Fade mitigation techniques (i.e. site, frequency and time diversity, link power control).
Free space optical wave propagation: the optical channel, transmitters and receivers. Advantages and limitations of FSO. Impairments due to hydrometeors (fog and clouds), and to clear air (turbulence). Applications: ground links, Earth to space links.
Indoor applications: Visible Light Communication (VLC).

 

Books

  • J.A. Richards, Radiowave propagation. An introduction for the non specialists, Springer
  • J.E. Allnutt, Satellite to ground radiowave propagation, IET
  • C. Levis, J. T. Johnson, F. L. Teixeira, Radiowave Propagation: Physics and Applications , Wiley
  • A. Paraboni, M. D’Amico, Radiopropagazione, McGraw-Hill

 

Didactic material

Exams with solutions

Examples

Exam of July 1st, 2016

Exam of July 18th, 2016

Exam of September 5th, 2016

Exam of July 7th, 2017

Exam of July 20th, 2017

Exam of September 5th, 2017

Problems with solutions

Plane waves