ECTS - University of Pisa
Gli studenti acquisiranno le conoscenze relative all'utilizzo di strumenti necessari per misure alle radiofrequenze ed alle microonde. In particolare verrranno utilizzato Vector Network Analyzer, Spectrum Analyzer, ed Oscilloscopio per fare misure su dispositivi passivi (filtri, accoppiatori ibridi direzionali, divisori di potenza, linee di trasmissione, antenne in polarizzazione lineare/circolare). Verranno presentate tecniche di progettazione di reti di adattamento di impedenza (a parametri concentrati ed a parametri distribuiti), tecniche di progettazione di filtri a microstriscia (passa basso e passa banda), analisi di linee di trasmissione nel dominio del tempo, misure di parametri caratteristici delle antenne (guadagno, angolo a metà potenza, livello di lobi laterali, livello delle crosspolari).
Students will acquire the knowledge related to the use of tools necessary to perform measurements on radiofrequency and microwave devices. In particular, Network Vector Analyzers (VNA), Spectrum Analyzers, Oscilloscopes and other instruments will be used to conduct measurements on passive devices (filters, directional hybrid couplers, power dividers, transmission lines, linear / circular polarized antennas). Design techniques of impedance matching networks (with both lumped and distributed parameters), design techniques of microstrip filters (low pass and band pass), analysis of transmission lines in the time domain, measurements of characteristic parameters of the antennas will be presented (e.g. gain, half power angle, side lobe level, crosspolar level).
Discussioni con studenti durante lo svolgimento delle lezioni
Discussion with students during course classes
Alla fine del corso gli studenti saranno in grado di svolgere autonomamente le principali misure su dispositivi passivi a radiofrequenza e a microonde, utilizzando i più importanti strumenti di misura.
At the end of the course, students will be able to independently carry out the most important measurements on passive radiofrequency and microwave devices, using various measuring instruments.
Attraverso piccoli progetti svolti in classe, gli studenti utilizzeranno SW commerciali per l'analisi di dispositivi passivi. Lo studente dovrà preparare e presentare una relazione scritta che riporti i risultati dell'attività di progetto
During the computer lab classes, small projects will be carried out in order to understand how to use commercial electromagnetic software for the analysis of antennas. Students will have to prepare and present a written report that documents the results of the project activity
Saranno acquisite opportune accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati sperimentali
Students will acquire accuracy and precision when collecting and analysing experimental data
Durante le sessioni di laboratorio saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
During the lab sessions, the accuracy and precision of the activities carried out will be evaluated
Teoria delle linee di trasmissione, teoremi fondamentali dei campi elettromagnetici, strumenti per l'analisi dei crcuiti elettrici, teoria delle antenne.
Transmission line theory, fundamental theorems of electromagnetic fields, tools for the analysis of electrical circuits, antenna theory.
Lezioni frontali con ausilio di slide Power Point. Esercitazioni in laboratorio condotte dal docente e, successivamente, dagli studenti.
Lecturers with Power Point slides. Experimental measurements carried out by teachers and, successively, by students.
CIRCUITI STAMPATI.
Linee di Trasmissione: dalla teoria ai circuiti stampati. Effetti parassiti delle vias nei circuiti stampati. Tipologie di Linee di trasmissione su circuiti stampati: Microstrisce, Coplanar Waveguide (CPW), Grounded Coplanar Waveguide (GCPW), Substrate Integrated Waveguide (SIW), Stripline. Teoria e dimensionamento delle linee a microstriscia. Esempi ed esercitazioni numeriche mediante l'uso del software commerciale Simulia CST MWS.
Antenne a Microstriscia: esempi di antenne stampate, design di antenne a patch risonanti, tecniche di alimentazione. Progettazione simulata tramite il software Simulia CST MWS di un'antenna a patch mediante cavo coassiale e mediante trasformatore a quarto d'onda.
RETI DI ADATTAMENTO DI IMPEDENZA. Reti di adattamento di impedenza (L-network): topologia, calcolo analitico delle reattanze/ammettenze. Esempi di reti di adattamento mediante la Carta di Smith. Reti a pi-greco e a T.
FILTRI. Parametri caratteristici dei filtri, progettazione di filtri passa basso a parametri concentrati. Filtri di Butterworth, Chebyshev, Ellittici, pseudo-ellittici. Esempi mediante l’uso del software Keysight ADS. Filtri a Microstriscia: design mediante tre diversi metodi (Stepped impedance, Open Stub e mediante trasformazioni di Richard e identità di Kuroda). Analisi numerica mediante software commerciali (Keysight ADS, Simulia CST MWS).
STRUMENTI PER MISURE A RF E MICROONDE. Vector Network Analyzer (modelli Keysight P937A e Keysight Fieldfox N9950B): descrizione schema a blocchi, interfaccia grafica, calibrazione SOLT, misure di parametri S su diversi dispositivi passivi. Spectrum Analyzer (modello Keysight Fieldfox N9950B). Oscilloscopio. Sistemi UWB. Sistemi e sensori RFID
ANALISI DELLE LINEE NEL DOMINIO DEL TEMPO. Richiami sulla propagazione di onde di tensione e corrente in un cavo coassiale: analisi nel dominio del tempo. Analisi di un transitorio in un cavo coassiale: segnale a gradino, impulso di durata finita. Esempi con cavo coassiale collegato ad un resistore, condensatore, induttore. Analisi di transitori in cavo coassiale con generatore di impulsi e oscilloscopio, al variare del carico (corto circuito, circuito aperto, resistore, condensatore e induttore) e dei parametri temporali dell'impulso.
Richiami su modelli di canali LOS e NLOS e caratterizzazione con VNA. Configurazione del VNA per analisi nel dominio del tempo di un cavo coassiale. Misure di velocity factor con VNA. Time Domain Analysis nei VNA: campionamento, scaling e finestratura dei dati. Finestre di Kaiser-Bessel. Acquisizione dati in frequenza tramite VNA e dei dati trasformati nel dominio del tempo con eccitazioni di tipo Low Pass Impulse, Low Pass Step e Band Pass Step. Elaborazione dei dati tramite MATLAB.
MISURE SU ANTENNE. Misure su antenne. Impedenza di ingresso e banda di impedenza. Diagrammi di irradiazione: richiami su definizione e proprietà del campo in far-field, parametri caratteristici dei diagrammi di irradiazione e piani principali, test range (outdoor, camera anecoica, Compact range). Sistemi near-field / far-field; misure di guadagno per confronto, misure di componenti co-polari e cross-polari, misure di rapporto assiale.
PRINTED CIRCUITS.
Transmission Lines: from theory to printed circuits. Parasitic effects of vias in printed circuits. Types of transmission lines on printed circuits: Microstrips, Coplanar Waveguide (CPW), Grounded Coplanar Waveguide (GCPW), Substrate Integrated Waveguide (SIW), Stripline. Theory and design of microstrip lines. Examples and numerical exercises using the commercial software Simulia CST MWS.
Microstrip antennas: examples of printed antennas, design of resonant patch antennas, feeding techniques. Simulated design using the Simulia CST MWS software of a patch antenna using a coaxial cable and a quarter wave transformer.
IMPEDANCE MATCHING NETWORKS. L-network: topology, analytical calculation of reactance / admittance. Examples of matching networks using the Smith Chart. Pi and T networks.
FILTERS. Characteristic parameters of filters, design of low pass filters with lumped parameters. Butterworth, Chebyshev, Elliptical, pseudo-elliptical filters. Examples using the Keysight ADS software. Microstrip filters: design by three different methods (Stepped impedance, Open Stub and by Richard transformations and Kuroda identity). Numerical analysis using commercial software (Keysight ADS, Simulia CST MWS).
INSTRUMENTS FOR RF AND MICROWAVE MEASUREMENTS. Vector Network Analyzer (Keysight P937A and Keysight Fieldfox N9950B models): block diagram description, graphical interface, SOLT calibration, S-parameter measurements on various passive devices. Spectrum Analyzer (Keysight Fieldfox model N9950B). Oscilloscope. UWB systems. RFID systems and sensors
ANALYSIS OF TRANSMISSION LINES IN THE TIME DOMAIN. Review of the propagation of voltage and current waves in a coaxial cable: analysis in the time domain. Analysis of a transient in a coaxial cable: step signal, pulse of finite duration. Examples with coaxial cable connected to a resistor, capacitor, inductor. Analysis of transients in coaxial cable with pulse generator and oscilloscope, as the load varies (short circuit, open circuit, resistor, capacitor and inductor) and the timing parameters of the pulse.
Review of LOS and NLOS channel models and characterization with VNA. VNA configuration for time domain analysis of a coaxial cable. Velocity factor measurements with VNA. Time Domain Analysis in VNA: sampling, scaling and windowing of data. Kaiser-Bessel windows. Frequency data acquisition via VNA and data transformed in the time domain with Low Pass Impulse, Low Pass Step and Band Pass Step excitations. Data processing using MATLAB.
MEASUREMENTS ON ANTENNAS. Measurements on antennas. Input impedance and impedance band. Radiation pattern: recalls on the definition and properties of the field in far-field, characteristic parameters of the radiation patterns and main planes, test range (outdoor, anechoic chamber, Compact range). Near-field / far-field systems; gain measurements for comparison, measurements of co-polar and cross-polar components, axial ratio measurements.
L'esame consiste in una prova orale, durante la quale lo studente descriverà il progetto che ha svolto e ripeterà alcune misure sui prototipi realizzati (o su altri prototipi messi a disposizione del docente). Durante la prova orale il candidato discute davanti ad almeno un paio di docenti. In media, una prova orale dura da 30 a 60 minuti.
The exam is made up of one oral test. The student will describe its own project activity and will perform some measurements on his prototypes (or other devices give by the professors). During the oral test the candidate is required to discuss with at least two professors On average, the interview takes between half-an-hour and one hour.
