Un aspetto fondamentale nelle tecnologie dell’informazione riguarda i mezzi fisici attraverso i quali l’informazione può essere trasmessa in modo efficiente. Ad oggi, il 10% del consumo energetico mondiale è destinato all’ICT ed è in larga parte dominato dai sistemi di trasmissione dell’informazione. La trasmissione dell’informazione avviene in contesti molto diversi, dai milioni di km delle trasmissioni con lo spazio profondo ai millimetri che separano CPU e memorie di computer; è quindi necessario utilizzare mezzi trasmissivi opportuni per raggiungere il miglior compromesso tra capacità di trasmissione, massima distanza raggiungibile e consumo energetico.

Il corso di “Onde elettromagnetiche e mezzi trasmissivi” introduce lo studente agli aspetti fondamentali legati alla trasmissione dell’informazione attraverso i principali mezzi fisici oggi utilizzati che possono essere raggruppati in 3 categorie principali: cavi metallici (coassiali e doppini), spazio libero e fibre ottiche. I mezzi presentati sono confrontati in base alle principali caratteristiche fisiche, alle prestazioni, ai limiti e al sistema che le utilizza. Sono inoltre forniti allo studente gli strumenti e i criteri di progetto e dimensionamento dei vari tipi di collegamento, illustrando gli scenari applicativi attuali e le possibili evoluzioni in ambito ICT.

Per questo insegnamento si è adottato un approccio “ingegneristico”, che consiste nell’evitare un formalismo eccessivo pur fornendo allo studente gli strumenti teorici necessari ad affrontare problemi concreti in diversi ambiti applicativi. Partendo dai parametri costituitivi dei circuiti elettrici, si ricavano le equazioni che governano la propagazione dei segnali nelle linee di trasmissione e si introducono i parametri caratteristici delle onde di tensione e corrente. La propagazione delle onde elettromagnetiche nello spazio libero e nelle fibre ottiche è illustrata a partire da concetti base di elettromagnetismo, mettendo in evidenza analogie e differenze rispetto alla propagazione nelle linee di trasmissione. 

L’insegnamento non adotta modalità di didattica innovativa.

Introduzione ai mezzi di trasmissione
Il livello fisico. Mezzi guidanti e spazio libero. Parametri caratteristici dei mezzi di trasmissione: attenuazione, banda, velocità e ritardo, lunghezza d’onda, selettività in frequenza e dispersione, effetti parassiti (diafonia, retroriflessioni, cammini multipli). Rappresentazione dei segnali nel dominio delle frequenze. Funzione di trasferimento di un mezzo trasmissivo. Lo spettro elettromagnetico.

Linee di trasmissione (cavi elettrici)
Circuiti a parametri distribuiti e concentrati. Circuito equivalente di una linea di trasmissione. Parametri caratteristici di una linea di trasmissione: capacità, induttanza, resistenza e conduttanza per unità di lunghezza. Perdite nei conduttori e nel dielettrico. Esempi di linee TEM (cavo coassiale, linea bifilare).
Equazioni delle linee di trasmissione (dominio del tempo e della frequenza). Onde di tensione e corrente. Velocità di propagazione, impedenza caratteristica e coefficiente di riflessione.
Onde stazionarie. Rapporto d’onda stazionaria. Studio dell’inviluppo della tensione e della corrente lungo una linea di trasmissione. Impedenza d’onda. Circuiti contenenti linee di trasmissione. Flusso di potenza e trasferimento di potenza ad un carico. Adattamento.
Applicazioni: ADSL su doppino telefonico, cavi Ethernet, cavi USB, power line communication.

Onde elettromagnetiche
Equazione delle onde elettromagnetiche (eq. Helmholtz). Parametri caratteristici delle onde elettromagnetiche. Onde piane uniformi in mezzi senza perdite e con perdite (buoni dielettrici e buoni conduttori). Impedenza intrinseca. Effetto pelle. Polarizzazione (cenni).
Densità di potenza (Vettore di Poynting). Riflessione e trasmissione da interfaccia piana: incidenza normale e incidenza obliqua. Legge di Snell. Cenni alle onde non piane.

Radiazione (trasmissione in spazio libero)
Elementi di teoria della radiazione, campo irradiato da un dipolo hertziano (approx. campo lontano).
Tipi di antenne e parametri caratteristici, diagramma di radiazione, direttività, guadagno, area efficace, resistenza di radiazione. Collegamento in spazio libero (equazione di Friis).
Caratteristiche della propagazione non guidata e esempi di collegamenti reali: effetti indotti dall’atmosfera, collegamento fisso e mobile, multipath (fading) e effetto Doppler.
Applicazioni: sistemi wirelss (Wi-Fi, Bluetooth), telefonia mobile, RFID, collegamenti satellitari, wireless ottico.

Propagazione guidata (fibre ottiche)
Struttura e parametri caratteristici di una fibra ottica. Fondamenti di propagazione guidata in strutture dielettriche: riflessione totale, apertura numerica, concetto di modo guidato, diagramma di dispersione, velocità di fase e velocità di gruppo. Dispersione modale, cromatica e di polarizzazione.
Tipologie di fibre ottiche: struttura, tecnologia e parametri caratteristici; attenuazione e banda; fibre singolo modo e multi modo. Non-idealità della trasmissione in fibra. Effetto della dispersione sulla propagazione di impulsi gaussiani. Dimensionamento di un link in fibra ottica.
Applicazioni: trasmissioni ottiche a lunga distanza, reti ottiche di accesso (FTTH), interconnessioni ottiche nei datacenter.

Sono necessarie conoscenze di base di analisi matematica (con particolare riferimento ad operazioni sui numeri complessi e al calcolo differenziale e integrale) e conoscenze elementari di elettrostatica e magnetostatica. Tutti questi argomenti sono previsti nei programmi degli insegnamenti di Analisi Matematica I e di Elettrotecnica.

L'esame prevede una verifica scritta su tutti gli argomenti trattati nel corso.
Durante la prova scritta è possibile consultare liberamente libri e appunti.
Non sono previste prove in itinere.

La prova scritta può essere seguita da un eventuale colloquio a discrezione del docente per il consolidamento della valutazione.