Laureato con lode in  Ingegneria Elettronica nel 2000, ha conseguito il Dottorato di ricerca in Ingegneria Elettronica ed Informatica nel 2004. Nel 2006 diviene Ricercatore di Campi Elettromagnetici (ING-INF/02) presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Università degli Studi di Cagliari.

Attività Didattica

-         A.A. 2003-2004: Docente del corso di ANTENNE presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Cagliari.

-         A. A. 2004-2005: Docente del corso di ANTENNE presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Cagliari.  

  -         A. A. 2005-2006: Docente del corso di ANTENNE presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Cagliari.  

  -         A. A. 2006-2007: Docente dei corsi di PROPAGAZIONE e di ANTENNE presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Cagliari.  

  -         A. A. 2007-2008: Docente dei corsi di PROPAGAZIONE e di ANTENNE presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Cagliari.  

-         A. A. 2008-2009: Docente dei corsi di ANTENNE e RADIOCOMUNICAZIONE IN AMBIENTE URBANO presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Cagliari.

Attività di Ricerca

L'attività di ricerca del Dr. G. Andrea Casula è stata svolta interamente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Università di Cagliari. Gli argomenti trattati sono i seguenti:

Analisi di nuove configurazioni di antenne stampate

Le slot in microstriscia sono largamente utilizzate come accoppiatori per l’alimentazione di antenne stampate in allineamenti su strutture a doppio substrato dielettrico. L’utilizzo di tali strutture permette infatti separatamente l’ottimizzazione del circuito di alimentazione e del circuito radiante, e quindi di superare uno tra i principali problemi legati all'utilizzo delle antenne stampate, ossia le perdite sulla linea di alimentazione.

Tuttavia l’accoppiamento tra antenne stampate e la presenza di onde superficiali non consente di ottenere prestazioni molto spinte. Si è allora pensato di sostituire i patch (ed il relativo substrato) con tratti di guida d’onda molti corti, sempre alimentati mediante una slot. La struttura è ovviamente più ingombrante di un allineamento stampato, ma la differenza non è eccessiva a fronte di una maggiore efficienza e di un accoppiamento molto più basso. 

Il basso accoppiamento consente di usare agevolmente tale antenna in array a fascio mobile. La scansione può essere ottenuta inserendo un patch, a controllo attivo, all’interno della guida. Si è pertanto considerata, in questa fase del lavoro, anche la presenza del substrato di tale patch, mentre l’analisi della struttura con patch inserito è in fase di elaborazione.

Per analizzare questo elemento radiante è stato realizzato un codice numerico ad hoc sfruttando il Metodo dei Momenti [CN3].

Studio di slot di accoppiamento in strutture a microstriscia ed in guide d'onda

Le procedure di sintesi di array di slot richiedono modelli affidabili e precisi delle slot radianti e degli altri componenti (accoppiatori, divisori) in guida d'onda.

Le slot di accoppiamento in guida d’onda sono largamente impiegate nell’alimentazione di array per trasmettere potenza alle guide contenenti le slot radianti. Gli accoppiatori più comuni sono gli accoppiatori a slot inclinata-centrata e gli accoppiatori a slot longitudinale-trasversa.

Si è affrontato il problema dell'accoppiatore di alimentazione del tipo a slot inclinata. Si è utilizzata una formulazione tramite potenziali, che consente una più rapida convergenza della serie modale, con funzioni di base a dominio intero. Tale ultima scelta consente di avere un sistema risolvente piccolo e ben condizionato, che si presta ad essere interpolato per ottenere rapidamente risposte al variare della frequenza. Il modello circuitale ottenuto per l’accoppiatore a slot è stato poi utilizzato per analizzare il comportamento in frequenza di un array planare di slot [R2, CI2].

Si è poi esaminato l'accoppiatore di alimentazione a slot longitudinale. Questo tipo di accoppiatore è stato di solito modellato mediante un trasformatore ideale parallelo-serie. Questo non è però un modello molto appropriato, e non è nemmeno una approssimazione, neppure per accoppiatori risonanti. Si è pertanto ricavato un circuito equivalente più appropriato per il coupler, in termini di inverter di ammettenza non-ideale, che diventa ideale per slot di accoppiamento risonanti [R4].

Una tecnica comune per l’alimentazione delle antenne stampate è l’utilizzo di una slot di accoppiamento. T

ali strutture (antenne stampate alimentate da una struttura a doppio substrato) consentono di ottimizzare separatamente il circuito di alimentazione e quello di irradiazione. Ci si è posti allora come obiettivo quello di caratterizzare in maniera accurata e rigorosa l’accoppiamento elettromagnetico dovuto alla slot. Da un punto di vista modellistico, si può descrivere il patch come un risuonatore in linea di trasmissione; si può dunque considerare la slot come un accoppiatore fra due linee a microstriscia. E’ stato proposto un modello per una slot di accoppiamento trasversa posta nel ground plane comune a due linee a microstrip.

L’approccio seguito è basato sull’equivalenza fra una linea a microstrip ed una guida a pareti magnetiche. La slot di accoppiamento è stata modellizzata utilizzando una tecnica di analisi di tipo full wave, il Metodo dei Momenti, nella quale si è anche tenuto conto dell’effetto dello spessore finito del ground plane. Il modello proposto è stato validato mediante il confronto sia con un software commerciale basato sul metodo agli elementi finiti, che con uno basato sul metodo dei momenti.

E’stato infine derivato un opportuno modello circuitale della slot di accoppiamento, dal quale è stata ottenuta l’impedenza di tale slot [R3].

Analisi e sintesi di array di slot in guida d’onda

Nonostante la loro lunga esistenza, gli array planari di slot longitudinali sono ancora oggi le antenne a microonde più efficaci e permettono di ottenere prestazioni elevate. In particolare, le loro perdite assai ridotte suggeriscono l’utilizzo di questo tipo di array nella banda Ka e per frequenze anche superiori, dove l’efficienza di un array stampato è solitamente bassa. Dall’altro lato, un array planare di slot possiede una larghezza di banda piuttosto piccola, che pertanto deve essere accuratamente valutata in fase di progettazione dell’array stesso. Le tecniche di analisi più accurate sono basate sul modello sviluppato da Elliott. Tale modello consente di ottenere direttamente una procedura di analisi alla frequenza centrale, ma estendere questa procedura a frequenze diverse è tutt’altro che semplice. In effetti il modello di Elliott è basato sulla tensione di modo presente in corrispondenza della slot, la quale dipende in generale dall’eccitazione della slot stessa, mentre alla frequenza centrale tale tensione di modo è indipendente dall’eccitazione della slot. Inoltre, anche il campo nella rete di Beam-Forming dipende dall’eccitazione della slot. E’ stata dunque sviluppata una procedura di analisi che permetta di studiare la risposta in frequenza di un array planare completo,la quale tiene conto della BFN e del comportamento in frequenza degli accoppiatori usati in tale rete [R2, CI2, CN2].

Dal punto di vista elettromagnetico, il vantaggio più importante degli array di slot in guida d’onda è legato alla loro elevata efficienza, dovuta alle basse perdite ed alla purezza di polarizzazione del campo irradiato. Tale eficienza è limitata però dalla spaziatura fra le slot, che può anche essere elevata. Tale spaziatura è infatti fissata a mezza lunghezza d’onda in guida, che corrisponde, in guida vuota, a circa 0.7-0.8 l₀, essendo l₀ la lunghezza d’onda in spazio libero. Come conseguenza, il numero di elementi che costituiscono l’array è limitato, e questa limitazione può impedire di realizzare una buona distribuzione di apertura o un soddisfacente campo irradiato. La spaziatura è elevata non solo lungo l’asse della guida (piano H), ma anche trasversalmente ad esso (piano E). Tale spaziatura dipende infatti sia dalla larghezza della guida (tipicamente circa 0.8 l₀) e sia dalla spaziatura fra le slot di accoppiamento nella guida di alimentazione, che sarà ancora pari a mezza lunghezza d’onda in guida. La spaziatura fra le slot radianti può essere ridotta utilizzando guide d’onda riempite di dielettrico, il che permette di ridurre sia la lunghezza d’onda in guida, e sia la larghezza della guida, con un conseguente incremento del numero di elementi radianti in entrambi i piani. Tuttavia la scelta di guide completamente riempite di dielettrico può risultare una soluzione troppo drastica, in quanto le perdite nel dielettrico possono ridurre anche di molto l’efficienza dell’array ed inoltre la spaziatura può diventare troppo piccola. La soluzione migliore è quella di utilizzare una guida parzialmente riempita di dielettrico, in cui il fattore di riempimento può essere scelto in modo da ottenere un buon compromesso tra perdite nel dielettrico e spaziatura. E’ stata dunque realizzata una procedura di sintesi e di analisi per array di slot in guida d’onda costituiti da guide d’onda ribassate ed in cui le guide radianti sono guide parzialmente riempite di dielettrico; la procedura è basata sul modello di Elliott ed è attualmente in fase di ultimazione.

Analisi e sintesi di array stampati

Gli array di antenne stampate sono oggi I sistemi di antenna più usati nella banda delle microonde, per la loro flessibilità ed il loro costo relativamente basso. Gli array stampati con alimentazione in serie permettono di ridurre le perdite sulla linea di alimentazione rispetto agli array con alimentazione ad albero. La soluzione più semplice di alimentazione prevede dunque una rete di alimentazione direttamente collegata agli elementi radianti, e quindi sullo stesso substrato di questi. Si è messa a punto una tecnica di progetto per array stampati alimentati in serie tramite alimentazione diretta realizzata in microstriscia, che è basata su una descrizione dell'array mediante equazioni di progetto e che ne consente una sintesi accurata e molto più rapida che utilizzando tecniche full-wave. La tecnica utilizzata fa uso del modello a linea di trasmissione per la modellizzazione del singolo patch e utilizza il modello a slot per il calcolo degli accoppiamenti. Nonostante la semplicità e le approssimazioni introdotte nella implementazione, i risultati coincidono in modo soddisfacente con quelli ottenuti tramite analisi dell’array con tecniche full-wave e mostrano un buon accordo con i risultati  sperimentali [R1]. Questo tipo di alimentazione diretta ha mostrato dei limiti dovuti al ristretto range di variazione dei parametri delle reti di alimentazione dei singoli patch (realizzate con più tratti l/4). Questi limiti si ripercuotono ovviamente nella possibilità di realizzare array a fascio sagomato in cui i moduli e le fasi delle alimentazioni siano fortemente variabili. Una maggiore flessibilità si può ottenere utilizzando tecniche di alimentazione di array lineari basate sull’accoppiamento elettromagnetico: è stata analizzata una soluzione basata sulla alimentazione dei patch tramite slot di accoppiamento rettangolari sul piano di massa. Questa soluzione consente di disaccoppiare completamente la zona radiante da quella di alimentazione e di ottenere una maggiore variabilità nelle ampiezze e nelle fasi delle alimentazioni, modificando ad esempio la posizione relativa di ciascun patch rispetto alla microstriscia di alimentazione. Si è quindi sviluppata una procedura di sintesi ed analisi per la progettazione di array lineari di antenne stampate alimentate mediante slot. E’ stato ottenuto un sistema di equazioni di progetto, basato sul modello di Elliott per gli array di slot in guida d’onda, per descrivere completamente il comportamento dell’array. Ogni patch radiante è stato modellato mediante il modello a cavità e l’accoppiamento elettromagnetico fra i patch è stato calcolato in maniera rigorosa utilizzando la funzione di Green della struttura [CI1, CN1].

Pubblicazioni

PUBBLICAZIONI SU RIVISTE INTERNAZIONALI

 J1)   G. Montisci, G. A. Casula, T. Galia, G. Mazzarella: Design of series-fed printed arrays; Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 17, No. 12, pp. 1767-1780, 2003, ISSN: 0920-5071

J2)    G. A. Casula, G. Mazzarella: A direct computation of the frequency response of planar waveguide slot arrays, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 52; p. 1909-1912, 2004, ISSN: 0018-926X

J3)    G. A. Casula, G. Mazzarella, G. Montisci: Effective analysis of a microstrip slot coupler; Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 18, No. 9, pp. 1203-1217, 2004, ISSN: 0920-5071

J4)    G. A. Casula, G. Mazzarella, G. Montisci: A New circuital Model for the Longitudinal-Transverse Waveguide Slot Coupler; Microwave and Optical Technology Letters, February 2005, ISSN: 0895-2477  

J5)    G. A. Casula, G. Mazzarella, G. Montisci: Design of Slot Arrays in a Waveguide Partially Filled with a Dielectric Slab; Electronic Letters, Vol. 42, Issue 13, pp. 730-731, 22 June 2006, ISSN: 0013-5194

J6)    G. A. Casula, G. Montisci: Design of Dielectric-Covered Planar Arrays of Longitudinal Slots; IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 8, 2009, pp. 752-755, ISSN: 1536-1225

J7)        S. Costanzo, G.A. Casula, A. Borgia, G. Montisci, G. Di Massa, G. Mazzarella: Synthesis of Slot Arrays on Integrated Waveguides. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9; pp. 962-965, 2010, ISSN: 1536-1225

CN 7)  A. Borgia, G. A. Casula, S. Costanzo, G. Di Massa, G. Mazzarella, G. Montisci, I. Venneri, “A Synthesis Technique for the Design of a Slot Array on Integrated Waveguides”; XVIII RiNEm, Benevento 2010

CN 8)  G. A. Casula, G. Mazzarella, M. Boi: "PROGETTAZIONE DI ANTENNE PER RF-ID IN BANDA UHF". In: ATTI RINEM. Benevento, Settembre 2010