Obiettivi Formativi

Conoscenza e comprensione a livello tecnico-ingegneristico delle principali tecnologie wireless nel campo delle altissime frequenze, offrendo al tempo stesso elementi conoscitivi su energy harvesting e compatibilità elettromagnetica. Sviluppo della capacità di comprensione adeguate per la valutazione delle prestazioni di semplici componenti e sistemi a microonde per applicazioni wireless. Sviluppo della capacità di utilizzo di software specializzato per analisi e computer-aided design di semplici componenti a microonde utilizzati nelle tecnologie wireless. Sviluppo della capacità di comunicare efficacemente e con linguaggio tecnico adeguato per un'interazione proficua nell’ambito di un gruppo di lavoro. Sviluppo un metodo di studio individuale adeguato a consentire l'approfondimento delle conoscenze e ad affrontare ulteriori tematiche del settore.

Learning Goals

Knowledge and understanding of the main technical aspects of basic microwave wireless technologies components and systems with basic concepts concerning energy harvesting and electromagnetic compatibility issues. Development of skills in the evaluation of the performance of microwave components and systems. Development of skills in the use of CAD tools for the analysis of basic microwave components used in wireless technologies. Development of the communication skills to interact efficiently within a working group by employing a sound technical language. Development of learning skills also in updating the knowledge of the main scientific and technological progress in the wireless technologies field.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste esercitazioni guidate svolte dagli studenti, con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. There are also guided exercises with teacher support, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

Conoscenze di elettromagnetismo (proprietà generali dei campi elettromagnetici e modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche), fisica (principali proprietà fisiche dei materiali semiconduttori) e teoria dei circuiti elettrici (grandezze elettriche fondamentali e componenti elettrici di base).

Prerequisites

Knowledge of electromagnetism (general properties of the electromagnetic fields and propagation of the electromagnetic waves), physics (fundamental physical properties of semiconductor materials), and electrical circuit theory (fundamental electrical quantities and basic electrical components).

Verifiche dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta, seguita dalla prova orale. Durante la prova scritta si chiede di eseguire lo svolgimento completo di dieci esercizi in forma di domande a risposta multipla, domande a risposta aperta, ed esercizi numerici. Gli argomenti e il livello di difficoltà degli esercizi corrispondono al programma svolto e ai testi di riferimento indicati. Il tempo assegnato per la prova scritta è di due ore. La valutazione della prova scritta è fatta in trentesimi. La prova scritta si ritiene superata se la valutazione complessiva non è inferiore a 15/30. Superata la prova scritta, essa ha validità per tutto l’anno accademico entro il quale dovrà essere sostenuta la prova orale. La prova orale è incentrata sugli argomenti trattati durante il corso, a partire da una discussione critica della prova scritta. Essa ha il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa e proprietà di linguaggio scientifico e indi valutare le facoltà logico-deduttive acquisite dallo studente. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova scritta e durante la prova orale. Durante lo svolgimento del corso sono previste due prove scritte in itinere. Lo studente che supera le prove in itinere è esonerato dalla prova scritta e può direttamente sostenere la prova orale. Le prove in itinere sono relative agli argomenti trattati durante il corso e si tengono rispettivamente a metà ed alla fine del corso (in date che vengono concordate durante le lezioni con gli studenti). A ciascuna prova si assegna una valutazione in trentesimi. La prova scritta è superata se la media delle due prove di verifica è pari o maggiore a 15/30. Durante le prove scritte è possibile utilizzare una calcolatrice. Maggiori dettagli sulle modalità di svolgimento delle prove di esame sono reperibili alla pagina Moodle del corso.

Assessment

The exam consists of a written test followed by an oral test. During the written test, students are asked to perform the complete development of ten exercises in the form of multiple choice questions, open-ended questions, and numerical exercises. The topics and the level of the exercises correspond to the program delivered and to the reference texts indicated. The time allotted for the written test is two hours. The evaluation of the written test is scored out of thirty. The written test is considered passed if the overall evaluation is not less than 15/30. Once the written test has been passed, it is valid for the entire academic year within which the oral exam must be taken. The oral exam focuses on the topics covered during the course, using as a starting point the discussion of the written exam. It has the dual purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents and to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then evaluate the logical-deductive faculties acquired by the student. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the written exam and during the oral exam. During the course, there are two ongoing written tests. Students who pass the ongoing tests are exempt from the final written exam and can directly take the oral exam. The ongoing tests are related to the topics covered during the course and are held respectively in the middle and at the end of the course (on dates that are agreed during the lessons with the students). A score out of thirty is assigned to each test. The written test is passed if the average of the two tests is equal to, or greater than, 15/30. During the written exams, it is permitted to use a calculator. More details on the exams can be found on the Moodle page of the course.

Programma del Corso

INTRODUZIONE AL CORSO: Onde elettromagnetiche. Spettro elettromagnetico. Segnali wireless. Comunicazioni wireless. Ricetrasmettitore. TECNOLOGIE WIRELESS: Applicazioni wireless. Applicazioni nel campo delle microonde. Radar: principio di funzionamento e applicazioni. Elementi di energy harvesting. Elementi di compatibilità elettromagnetica. COMPONENTI PER APPLICAZIONI WIRELESS: Conversione analogico-digitale. Diodo: fotodiodo e LED. Dispositivi attivi a semiconduttore nel campo delle microonde: JFET, MOSFET, MuGFET, FinFET, gate all around FET, MESFET, HEMT, pHEMT, mHEMT, BJT, HBT. Analisi di datasheet di dispositivi commerciali. TECNOLOGIE PER DISPOSITIVI A MICROONDE: Materiali: silicio, arseniuro di gallio, fosfuro di indio, silicio germanio, nitruro di gallio, carburo di silicio. Tecnologia CMOS: bulk e SOI. Proprietà fisiche fondamentali: vantaggi e svantaggi, Tecniche di crescita epitassiale: MBE e MOCVD. TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE NEL CAMPO DELLE MICROONDE: Misure on-wafer. Misure in package. Wire-bonding. Cavi e connettori coassiali. Bias-tee. Parametri di scattering. Analizzatore vettoriale di reti. Misure ad ampio segnale. Analizzatore di reti ai larghi segnali. Tecniche di calibrazione. Tecniche di deembedding. TECNICHE DI MODELLISTICA E PROGETTAZIONE CIRCUITALE: Modello a piccolo segnale. Circuito equivalente a piccolo segnale. Determinazione degli elementi estrinseci ed intrinseci. Effetti non quasi-statici. Modello a largo segnale: tabelle e funzioni analitiche, procedura di integrazione. Guadagno di corrente e frequenza di taglio. Applicazione dei modelli circuitali per progettazione circuitale. RUMORE A MICROONDE: Matrici di correlazione. Cifra di rumore. Parametri di rumore: definizione e rappresentazione grafica. Formule di conversione da matrice di correlazione a parametri di rumore. Formula di Friis. Modelli di rumore per FET a microonde. Misura di cifra di rumore. Analizzatore di cifra di rumore. Sorgenti di rumore. Calibrazione. Procedure per la determinazione dei parametri di rumore. Tecniche di de-embedding per parametri di rumore. Misura di cifra di rumore e guadagno di un preamplificatore. CAD A MICROONDE: Utilizzo di pacchetti CAD per l’implementazione dei modelli per transistor da utilizzare in fase di progettazione circuitale. Sviluppo di software di controllo strumenti.

Course Syllabus

INTRODUCTION TO THE COURSE: Electromagnetic waves. Electromagnetic spectrum. Wireless signals. Wireless communications. Transceiver. WIRELESS TECHNOLOGIES: Wireless applications. Applications in the microwave field. Radar: principle of operation and applications. Basics of energy harvesting. Basics of electromagnetic compatibility. COMPONENTS FOR WIRELESS APPLICATIONS: Analog-to-digital conversion. Diode: photodiode and LED. Active microwave semiconductor devices: JFET, MOSFET, MuGFET, FinFET, gate all around FET. MESFET, HEMT, pHEMT, mHEMT, BJT, HBT. Analysis of datasheets of commercial devices. TECHNOLOGIES FOR MICROWAVE DEVICES: Materials: silicon, gallium arsenide, indium phosphide, silicon germanium, gallium nitride, silicon carbide. CMOS technology: bulk and SOI. Fundamental physical properties: advantages and disadvantages. Epitaxial growth techniques: MBE and MOCVD. TECHNIQUES FOR MICROWAVE CHARACTERIZATION: On-wafer measurements. In package measurements. Wire-bonding. Coaxial cables and connectors. Bias-tee. Scattering parameters. Vector network analyzer. Large-signal measurements. Large-signal network analyzer. Calibration techniques. De-embedding techniques. MODELING TECHNIQUES AND CIRCUIT DESIGN: Small-signal model. Small-signal equivalent circuit. Determination of the extrinsic and intrinsic elements. Non quasi-static effects. Large-signal model: look-up tables and analytical functions, integration procedure. Current gain and cut-off frequency. Application of circuit models for circuit design. MICROWAVE NOISE: Noise correlation matrixes. Noise figure. Noise parameters: definition and graphical representation. Transformation formulas between correlation matrix and noise parameters. Friis’s formula. Noise models for microwave FETs. Noise figure measurement. Noise figure analyzer. Noise source. Calibration. Procedures for noise parameter determination. De-embedding techniques for noise parameters. Measurement of the noise figure and gain for a preamplifier. MICROWAVE CAD: Use of CAD tools to implement transistor models for circuit design. Software development for instrument control.