Corso di Antenne (TLC) Prof. Marco Farina DEB Modalità esame Prova solo orale Testi consigliati C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1997. E. C. Jordan, K. G. Balmain, Electromagnetic waves and radiating Systems, Prentice Hall Inc. Dispense lezioni Lezione introduttiva: richiami E d l t S B nds E B t D D ds D n Q S H J D t H d l I t S D nds B ds B n 0 S B 0 + F q E vB Tutto sui campi EM ed i loro effetti! Relazioni energetiche in un campo elettromagnetico: teorema di Poynting Definiamo la quantità ExH, vettore di Poynting: perché? pensando all’onda piana pare una quantità interessante: è un vettore orientato nella direzione di propagazione. Dimensionalmente è una potenza per unità di area (E in V/m, H in A/m, EH è in VA/m2 cioè Watt/m2) Proviamo a trarre qualcosa dalle equazioni di Maxwell, ipotizzando solo di avere mezzi “senza memoria” (e,m non dipendono dal tempo), isotropi e lineari Distinguiamo le correnti in due classi: quelle impresse (per esempio da un generatore alternato) Ji e quelle indotte dal campo J Relazioni energetiche in un campo elettromagnetico: teorema di Poynting Le equazioni del rotore sono in questo caso E B t H D J Ji t Calcoliamo la divergenza del vettore di Poynting P E H H E E H ...Abbiamo usato un’altra identità Sostituiamo a secondo membro le eq di Maxwell D B P E H E J E Ji t t Relazioni energetiche in un campo elettromagnetico: teorema di Poynting D B H E J E Ji t t Immaginiamo che le correnti indotte J fluiscano in un conduttore con conducibilità s: la legge di Ohm P E E J sE 2 Inoltre, per mezzi lineari, isotropi, senza memoria D eE B mH Esprime la conservazione 1 2 1 2 2 P e E m H s E E J i dell’energia t 2 2 densità di energia del campo elettromagnetico (?) densità di potenza dissipata per effetto termico densità di potenza fornita dal generatore Relazioni energetiche in un campo elettromagnetico: teorema di Poynting Integriamo su un volume per ricavarne la forma integrale: applichiamo il teorema della divergenza P nds S 1 2 1 2 2 e E m H dV s E dV E J i dV t V 2 2 V V Il primo termine è un flusso di energia nel volume per unità di tempo Allora, rileggendo il teorema di Poynting come conservazione dell’energia, leggiamo l’equazione di sopra dicendo che l’energia che forniamo nell’unità di tempo ad una certa regione deve essere uguale alla somma di Potenza dissipata per effetto Joule nei conduttori Potenza immagazzinata dal campo elettromagnetico in tale regione Potenza netta portata via attraverso la superficie di bordo S della regione V dalle onde elettromagnetiche teorema di Poynting: come viaggia l’energia? In un conduttore ideale E ed H sono nulli: quindi P è nullo. Dove viaggia l’energia? Immaginiamo un esperimento: Il campo elettrico e la corrente nel filo sono orientati lungo z: legge di Ohm Ri E Ezu z uz l i l B superconduttore Conduttore reale Il campo magnetico è dato z dalla legge di Biot-Savart H H u i u 2r Il vettore di Poynting Ri 2 P E H Pr u r ur 2rl Cioè viaggia esternamente (nel dielettrico o nel vuoto) e penetra radialmente teorema di Poynting: come viaggia l’energia? Tra l’altro facendone il flusso attraverso un cilindro concentrico, di raggio r: solo la superficie laterale contribuisce: Ri 2 2 P n ds 2 rl Ri 2rl S Pari alla potenza dissipata per effetto Joule Condizioni al contorno Abbiamo le equazioni differenziali. Quali sono le condizioni al contorno? Come si devono comportare i campi quando incontrano un materiale diverso? Le equazioni di Maxwell valgono ovunque: usiamo la loro forma integrale e vediamo che vincoli devono rispettare le soluzioni delle equazioni differenziali (valide nel “punto”) Condizioni al contorno: continuità componente elettrica tangenziale E Supponiamo di avere due mezzi, caratterizzati da permettività (e1, m1) e (e1, m1), rispettivamente 1 t1 Et 2 2 Decomponiamo il campo nelle sue componenti tangenziali (Et) ed ortogonali (En) alla superficie di separazione Usiamo la legge di Faraday, applicata ad un percorso B rettangolare intorno all’interfaccia E dl t Riduciamo l’altezza del rettangolo fino a renderla infinitesima: il contributo alla circuitazione di En diventa nullo, come il flusso B per cui Quindi la componente E dl Et1 Et 2 l t B 0 tangenziale di E deve essere continua all’interfaccia Condizioni al contorno: continuità componente magnetica tangenziale Densità di H Facciamo lo stesso ragionamento per H t1 1 Ht2 corrente J 2 Usiamo la legge di Ampère-Maxwell, applicata ad un percorso rettangolare intorno all’interfaccia D H dl J t Riduciamo l’altezza del rettangolo fino a renderla infinitesima: il contributo alla circuitazione di Hn diventa nullo, come il flusso di D, ed il flusso di J (se si ha una densità finita di corrente J...) H dl H t1 H t 2 l J t D 0 La componente tangenziale di H deve essere continua all’interfaccia Condizioni al contorno: continuità componente elettrica D normale Dn1 Usiamo la legge di Gauss applicata ad un cilindretto 1 Dn 2 2 Facciamo tendere a zero l’altezza del cilindretto, così che si annulli qualunque contributo tangenziale. Se DS è la superficie della base Dn1 Dn 2 S sS D n ds S V Dn1 Dn 2 s Quindi in assenza di cariche libere superficiali s, la componente ortogonale di D è continua, cioè Se s 0 Dn1 Dn 2 e1En1 e 2 En 2 Condizioni al contorno: continuità componente elettrica B normale Bn1 Per B possiamo fare lo stesso, con la semplificazione che non esistono cariche magnetiche 1 Bn 2 La componente ortogonale di B è continua, cioè Bn1 Bn 2 m1H n1 m 2 H n 2 2 Condizioni al contorno: cosa succede in prossimità di un conduttore ideale?? Il campo elettrico interno è nullo 1 E n1 En 2 0 E t1 2 La dimostrazione relativa alla continuità delle componenti tangenziali non cambia: è vera anche qui Quindi: La componente tangenziale di E è nulla sia dentro che in prossimità del conduttore Et1 Et 2 0 Cosa possiamo dire della componente normale? Non conviene ragionare in termini di D nel conduttore... Ma vale sicuramente che e r e 0 En1 e 0 En 2 s Quindi Dn fuori, in prossimità del conduttore ideale è pari alla densità di carica superficiale Condizioni al contorno: cosa succede in prossimità di un conduttore ideale?? Densità di H 1 t1 corrente J Il campo magnetico? Ht2 2 La discussione su B normale non cambia: la componente di B normale è nulla nel conduttore e deve essere nulla anche nelle immediate vicinanze Per quanto riguarda la componente tangenziale, si era assunta una densità di corrente finita. In realtà ora il campo magnetico tangenziale non è generalmente nullo al di fuori del conduttore (è legato ad E normale dalle eq di Maxwell) mentre è sicuramente nullo nel conduttore. Come è possibile? Occorre pensare che J -legata alla densità di carica- non sia finita (del resto l’importante è che I, la corrente -legata alla carica-, sia finita) nel qual caso il flusso sarebbe rimasto finito anche per un’area che tende a zero; si definisce una corrente per unità di larghezza Js [A/m] che scorre su uno strato infinitesimo di spessore: del resto le cariche su un conduttore sono tutte in superficie…. H dl H t1 H t 2 l J t D J s l 0 Condizioni al contorno per un conduttore ideale Quindi B ed H normali sono nulli su un conduttore, mentre H tangenziale è pari alla corrente superficiale Le precedenti relazioni le possiamo riassumere in forma vettoriale (indicando con n la normale alla superficie di separazione) nE 0 Campo elettrico tangenziale nullo nB 0 nD ss Campo di induzione magnetica normale nullo Campo induzione elettrica normale pari alla densità superficiale di carica nH Js Campo magnetico tangenziale pari alla densità di corrente superficiale Ma occorrono tutte? Unicità della soluzione Dobbiamo distinguere tra problemi “interni” (in una regione finita) ed “esterni” (tutto lo spazio: tipico delle antenne) Concentriamoci per il momento sui problemi interni: immaginiamo di avere due soluzioni delle equazioni di Maxwell E,H,J ed Eo,Ho,Jo, in condizioni di linearità Scriviamo il teorema di Poynting per il campo E1 E E0 ; H1 H H 0 J1 J J 0 n in un dato volume V contenuto in una superficie S, cioè S Ma occorrono tutte? Unicità della soluzione 1 1 2 2 2 P n ds e E m H dV s E 1 1 1 dV E1 J 1dV t V 2 2 S V V Ip. 1: la sorgente del primo campo (J) è identica alla sorgente del secondo J J 0 t in V J1 0 In pratica i due campi (E,H) ed (E0,H0) sono generati dalla stessa sorgente, quindi la “sorgente differenza” è nulla sempre Ip. 2: le componenti tangenziali sul bordo del volume (S) o del campo elettrico o del campo magnetico, coincidono E n E0 n o H n H 0 n t su S In pratica, abbiamo indicato con n la solita normale alla superficie, e chiediamo che le componenti tangenziali dei due campi (E,H) ed (E0,H0) coincidono sul bordo della regione S. Come conseguenza su tutto il bordo, la componente tangenziale di E1 o di H1 diventa zero, ed il flusso del vettore di Poynting sparisce Ma occorrono tutte? Unicità della soluzione Quindi rimaniamo con 1 1 2 2 2 e E m H dV s E 1 1 1 dV t V 2 2 V Che afferma che che l’energia elettromagnetica immagazzinata dal campo E1 H1 (integrale a primo termine) può essere o stazionaria o decrescere: infatti il secondo termine, essendo l’integrando positivo o nullo, è negativo o nullo Se però in un qualunque unico istante (es t=0) i campi coincidono, cioè E=Eo ed H=Ho in tutto il volume V, l’energia immagazzinata da E1,H1 in quel momento è ovviamente nulla. Ma abbiamo appena detto che l’energia (quantità positiva) può solo decrescere o rimanere uguale; non potendo decrescere sotto zero, non può che restare E=Eo ed H=Ho per ogni t Unicità della soluzione Quindi perché la soluzione delle equazioni di Maxwell sia unica per problemi spazialmente limitati occorre e basta •Assegnare le condizioni iniziali in tutto il volume •Assegnare o le componenti tangenziali di H o quelle di E su S per ogni istante Risultato notevole! Può spaventare il fatto che, almeno in un istante iniziale, occorre assegnare il campo ovunque; considerate però che con sorgenti sinusoidali, in regime permanente (dove le condizioni iniziali non servono più e osserviamo le soluzioni, anch’esse sinusoidali, da un tempo arbitrariamente lungo) quanto detto dimostra che basta assegnare il campo tangenziale su una superficie in E oppure in H per avere la soluzione univocamente determinata!! Regime permanente armonico Immaginiamo un semplice circuito LR, con un generatore di corrente R i i i0 cos(t ) VR V? L VL Vogliamo calcolare la tensione misurata ai capi del generatore Regime permanente armonico Legge di K. alle Maglie: V? VR VL La corrente che scorre è sempre i data (Legge di K. per le R correnti), per cui: i Legge di Ohm i i0 cos(t ) VR VR iR i0 R cos(t ) VL V? Relazione per gli induttori di VL L Li0sint dt quindi V? i0 R cost Li0sint In generale, per un circuito lineare, a sorgenti armoniche corrisponderanno risposte armoniche con la stessa frequenza, con fasi diverse V? i0 R cost Li0 cost / 2 L Regime permanente armonico: i fasori Un espediente utile: l’uguaglianza di Eulero e j cos jsin cos Re e jt Allora potremo scrivere, per esempio oppure j ( t ) j j t 2 Re e 2 e sint cos(t ) Re e 2 REGOLA 1: In pratica, invece delle funzioni armoniche, useremo la parte reale dell’esponenziale complesso Il vantaggio: integrazioni e differenziazioni banali, e le equazioni integrodifferenziali nel tempo che descrivono circuiti con memoria, divengono algebriche Di fatto, useremo nei conti tutto l’esponenziale, recuperando la parte reale solo alla fine Regime permanente armonico: i fasori infatti d jt e je jt dt e jt e jt dt j Notiamo che in qualunque operazione ci ritroviamo exp(jt) a fattore: perché non sottintenderlo? Questa sarà la nostra REGOLA 2: sottintendiamo l’esponenziale nel tempo (così il tempo non compare più da nessuna parte esplicitamente) Quel che rimane, lo chiamiamo Fasore ed è generalmente un numero complesso: per esempio Il fasore corrispondente a Acos(t) è A j Il fasore corrispondente a Asin(t) è Ae 2 Quindi, quando rivogliamo la grandezza nel tempo, moltiplichiamo il fasore per exp(jt) e prendiamo la parte reale del risultato. Vediamolo per il nostro semplicissimo esempio Regime permanente armonico: i fasori In termini fasoriali la corrente che scorre nel circuito è semplicemente i0 e VˆR i0 R VˆL ji0 L … il cappelletto solo per ricordare che sto usando il trucco dei fasori e che le quantità possono essere complesse. Quindi Vˆ? R jLi0 Se vogliamo recuperare l’espressione nel tempo? Semplice! V? (t ) Re Vˆ?e jt i0 Re R jLcost jsin t i0 R cost Li0sint Equazioni di Maxwell in regime armonico permanente Basta rimpiazzare le derivate nel tempo con prodotti per j E jB D B 0 L’equazione di Helmholtz Diventa (nota, non 2 E 2 H jD J 1 E c t 2 usiamo il cappelletto per semplificare le notazioni…) 2 2 2E 2 E c La quantità /c si definisce numero d’onda, e si indica con k; si definisce anche un vettore d’onda, come un vettore di modulo k e direzione corrispondente al vettore di Poynting 2 Ek E 0 2 Onde piane in regime armonico permanente Vediamo il caso dell’onda piana: immaginiamo di avere un campo elettrico tutto in x e che dipende solo dalla coordinata z x E( z) Ex ( z)u x L’equazione d’onda per il campo elettrico diventa semplicemente 2 z 2 Ex k 2 Ex 0 z La soluzione è una combinazione di esponenziali in k Ex E e jkz E e jkz Volendo recuperare l’espressione nel tempo, per esempio della componente progressiva (assumiamo E+ reale (E0) per semplificare) z Ex (t ) Re(Ex e jt ) Re(E e j t kz ) E0 cos t c Polarizzazione onde piane Fin qui abbiamo visto onde piane con una sola componente di campo E, e che quindi oscillano sempre in uno stesso piano: queste si dicono polarizzate linearmente (anche ovviamente se con due componenti di campo E, purché l’oscillazione avvenga in un piano) Un insieme di onde piane propagantesi nella stessa direzione, ma con orientazioni e fasi arbitrarie dei campi, generano un’onda non polarizzata Due onde piane, stessa freq, ma diverse ampiezze fasi ed orientazioni (ma con relazioni prefissate) producono un’ onda polarizzata ellitticamente Polarizzazione onde piane Infatti, se per esempio abbiamo z z E x E1 cos t E y E2 cos t v v Notiamo che, mettendoci in un punto (es z=0) z0 E x E1 cost E y E2 cost Che è l’equazione parametrica di una ellisse. Se Y è /2 ed E1=E2 è proprio una circonferenza: polarizzazione circolare Polarizzazione onde piane Infatti, nella polarizzazione circolare avremo z E x E1 cos t v y t 0, z 0 x z E y E1sin t v y t ,z0 2 x Polarizzazione onde piane In termini di fasori avremmo (pol. Ellittica) Ex E1e jkz E y E 2 e j ( kz ) Nota: fin qui abbiamo parlato di c come velocità di fase dell’onda em nel vuoto o in aria; il discorso resta valido in generale con l’accorgimento di usare la giusta velocità Polarizzazione onde piane Polarizzazione Lineare Polarizzazione Circolare Radiazione: condizioni al contorno nel tempo Cosa succede quando la regione S in cui si risolvono le eq di Maxwell è all’infinito? Campi e variazioni, nonché le interazioni si propagano con velocità finita Quindi la condizione al contorno su un contorno infinito, nel tempo, è che il campo all’infinito sia sempre nullo Radiazione: condizioni al contorno in frequenza In frequenza all’infinito vale la condizione di radiazione di Sommerfield lim r E(r ) H(r ) u r 0 r Sostituisce le condizioni su S fissando un flusso di potenza reale attraverso S all’infinito Stabilisce che E ed H vadano a zero almeno come 1/r Stabilisce che E ed H all’infinito approssimino un’onda piana Il potenziale vettore Abbiamo visto che B 0 Per cui è sempre possibile scrivere B A Dove A si definisce potenziale vettore Così come il potenziale scalare era definito a meno di una costante, il potenziale vettore non è unico Abbiamo molti gradi di libertà: se sostituiamo B non cambia, poiché il rotore del gradiente è nullo A' A La magnetostatica è completamente determinata dalla condizione di divergenza nulla (conglobata nella definizione di A) e dalla legge di Ampère Il potenziale vettore Inserendo la nostra scelta nella legge di Ampère B m0 J A m0 J Vale però l’identità (che utilizzeremo spesso) 2 A A A Possiamo sfruttare la nostra discrezionalità nella scelta di A imponendo che la divergenza sia “comoda”, per esempio nulla; il primo termine sparisce e la legge di Ampère per il potenziale diventa 2 A m 0 J V 2 Somiglia all’equazione di Poisson e fatto corrisponde a 3 equazioni di Poisson. : di Il potenziale vettore cioè 2 Ax m 0 J x 2 Ay m 0 J y 2 Az m 0 J z In più A è orientato come la corrente: semplificazione importante! Conosciamo (almeno in teoria) la soluzione di una equazione di Poisson per il potenziale elettrico, che è il potenziale di una dV ' distribuzione continua di cariche V (r ) V 4e0 r r ' La soluzione generale per il potenziale vettore sarà analoga, dove invece di di /e0 avremo m0J m 0 J x dV ' Ax (r ) eccetera V 4 r r ' Uso del potenziale vettore nel caso dinamico Abbiamo visto che essendo E’ possibile scrivere B 0 B A e che il potenziale vettore può essere definito a meno del gradiente di un campo scalare (potenziale) Sostituiamo nell’equazione di Faraday B A E A t t t Quindi due grandezze con ugual rotore sono uguali a meno di un gradiente, per cui A E t Uso del potenziale vettore Ora usiamo tale espressione nella legge di Gauss D e 2 A t 2 A Quindi t e Ora sostituiamo nella legge di Ampère/Maxwell 2 D E A A m J mJ me m J me t t 2 t t D’altro canto sappiamo che A A 2 A e che la divergenza del potenziale vettore è un nostro grado di libertà. Quindi scegliamo A me t Scelta (o Gauge) di Lorentz Uso del potenziale vettore Con tale scelta, il potenziale vettore soddisfa ad un’equazione d’onda, come la conosciamo A em 2 2A t 2 mJ Ed anche l’eq per il potenziale scalare diventa em 2 e t 2 2 Nota: la scelta di Lorentz non solo semplifica i conti, ma ha un significato fisico: esprime in modo diverso la continuità della carica Uso del potenziale vettore La scelta di Lorentz, nel caso armonico, consente anche di ricavare sia H che E dal solo potenziale vettore; infatti A E jA jme avendo utilizzato la gauge per ottenere il potenziale scalare in funzione di quello vettoriale Soluzione del potenziale vettore: statico Nel caso statico abbiamo già visto come fare; vediamo cosa succede con le formule attuali A mJ 2 e 2 Come ci aspettavamo. Le sappiamo risolvere: dV ' V 4e r r ' (r ) J dV ' A (r ) m V 4 r r ' Soluzione del potenziale vettore: Dinamico Usiamo un approccio euristico: sappiamo che la differenza principale tra caso statico e dinamico è che le interazioni si propagano in tempo finito dV P r-r’ r r’ Proviamo a determinare le soluzioni V considerando solo questo fatto: quindi sostituendo alle equazioni possiamo verificare che funziona. Avremo allora r r' r r' dV ' dV ' J t t v v A ( r , t ) m (r, t ) 4 r r ' 4e r r ' V V essendo v uno sulla radice di me, r il punto di osservazione ed r’ la variabile di integrazione Soluzione del potenziale vettore: Dinamico sinusoidale Le funzioni del tempo divengono semplicemente r r ' t j r r' v jk r r ' jt e f t e e v va sottinteso per cui jk r r ' e dV ' (r ) 4e r r ' V Je A (r ) m V jk r r ' dV ' 4 r r ' Il dipolo Hertziano E’ il più semplice esempio di radiatore: ideato da Heinrich Rudolf Hertz ed utilizzato nel suo esperimento del 1887 Ricevitore Trasmettitore 1857-1894 Il dipolo Hertziano In modo più schematico Trasmettitore Ricevitore Il dipolo Hertziano Supponiamo di avere una corrente filiforme orientata lungo z, di dimensione piccola rispetto alla lunghezza d’onda (lunghezza h), e costante nello spazio. Immaginiamo che sia sinusoidale nel tempo (usiamo i fasori) z nisr h x ) z ,y ,x (P I 0 y La continuità della carica impone che agli estremi vi siano due cariche uguali ed opposte, anch’esse variabili nel tempo Vista l’ipotesi di elemento “corto” l’integrale diventa semplicemente I0h, e l’unica componente non nulla è lungo z I 0 he jkr A(r ) Au z m uz 4r Il dipolo Hertziano quindi abbiamo già tutto…l’unica difficoltà è passare alle coordinate sferiche I 0 he jkr cos Ar Az cos m 4r I 0 he jkr sin A Az sin m 4r non c’è componente angolare lungo vista la simmetria cilindrica 1 1 1 u u u r rsin A questo punto basta calcolare i campi r r 2 sin B A r Ar rA rsinA 1 1 2 u r ( rA ) u Ar u r rA Ar rsin r r sin 1 Il dipolo Hertziano Quindi B (ed H) ha solo componente lungo I 0h e jkr 1 H sin jk m 4 r r B Considerazioni: in condizioni statiche k=0: il secondo termine, che rimane, è quello statico: ci potete riconoscere la formula di m I Laplace B in cui 4 r 2 dl ur hu z dl Quindi: il termine statico decresce come 1/r2, quello dinamico come 1/r Il dipolo Hertziano Calcoliamo il campo elettrico (un po’ di conti…) I 0h e jkr Er cos 4 r I 0h e jkr E sin 4 r 2 2 2 r j e r 1 jm 2 r j e r Vedete un termine che decresce come r3, che è quello del dipolo elettrostatico in cui I0/j è proprio la carica (per continuità) A grande distanza dominano solo i termini in 1/r (quindi Er è trascurabile); quindi a grande distanza (kr>>1) Il dipolo Hertziano a grande distanza jkr I 0h e jkr I 0h e H jk sin E jm sin 4 r 4 r E m m m H k e me come un’onda piana! Il dipolo Hertziano I campi di un dipolo hertziano, posto all’incrocio dei piani I grafici calcolati da Hertz! Potenza Calcoliamo il vettore di Poynting complesso z W P dS rdq S P 1 1 1 1 E H * Er rˆ Eq qˆ H ˆ Er H qˆ Eq H rˆ 2 2 2 2 dS 2r 2 sinqdqrˆ x 2 dl 1 3 2 2 W I sin qdq 3 jr 0 4 W 3 2 2 2 dl I j 2 24 r 2 dl I r 3 4/3 y Potenza 2 2 2 dl W I j I 2 3 24 r 2 dl Reale: Attiva Non dipende dalla distanza 3 Immaginaria: Reattiva Dipende dalla distanza Implica che la densità di pot. decresce come 1/r2 I termini che contribuiscono a tale potenza solo quelli 1/r Viene ceduta e riacquistata dall’ambiente ciclicamente Vi contribuiscono i termini rimanenti Impedenza di radiazione Antenna come carico: Termine resistivo: tiene conto della potenza irradiata e di quella (eventualmente) dissipata Termine immaginario: potenza immagazzinata In assenza di perdite, confrontiamo la potenza dissipata dal resistore con quella irradiata: 3 2 dl I Rrad 2 1 Rrad I 2 2 dl 80 2 2 I Rrad jX