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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 099318 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E MEZZI TRASMISSIVI
Docente Morichetti Francesco
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (355) INGEGNERIA DELL'AUTOMAZIONE*AZZZZ099318 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E MEZZI TRASMISSIVI
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (358) INGEGNERIA INFORMATICAI1TAZZZZ099318 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E MEZZI TRASMISSIVI
II3AZZZZ099318 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E MEZZI TRASMISSIVI
IT1AZZZZ099318 - ONDE ELETTROMAGNETICHE E MEZZI TRASMISSIVI

Obiettivi dell'insegnamento

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.


Risultati di apprendimento attesi

Descrittori di Dublino

Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione

A seguito del superamento dell’esame lo studente

 

  • conosce i concetti fondamentali relativi alla trasmissione dell’informazione a livello fisico, i parametri caratteristici di un mezzo trasmissivo (attenuazione, banda, dispersione, selettività in frequenza…) e la sua descrizione nel dominio delle frequenze

  • comprende i meccanismi della propagazione delle onde (onde di tensione/corrente e onde elettromagnetiche) nei mezzi fisici

  • conosce le caratteristiche fisiche, le prestazioni e i limiti dei principali mezzi di trasmissione (cavi metallici, spazio libero, fibre ottiche)

  • conosce i principali criteri di progetto e dimensionamento di collegamenti realizzati con i mezzi di trasmissione presentati

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

  • è in grado di selezionare il mezzo fisico più adatto (cavo metallico, spazio libero, fibra) per trasmettere l’informazione in un contesto applicativo realistico

  • è in grado di dimensionare un semplice collegamento fisico con i mezzi di trasmissione presentati

  • è in grado di valutare l’impatto delle non idealità del mezzo fisico  (riflessioni, cammini multipli, dispersione) sulla qualità della trasmissione dell’informazione

Capacità di apprendimento

  • è in grado di applicare le conoscenze acquisite sulla propagazione delle onde elettromagnetiche e sulla descrizione dei mezzi fisici nel dominio delle frequenze a contesti diversi e più compessi rispetto a quelli presentati in questo insegnamento  




Argomenti trattati

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.

 

 


Prerequisiti

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.


Modalità di valutazione

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.

 

Modalità di verifica

Descrizione

 

Risultato di apprendimento perseguito

Prova scritta

  ·    risoluzione di problemi numerici sulla propagazione delle onde di tensione/corrente nelle linee di trasmissione e delle onde elettromagnetiche nei mezzi materiali

  ·    esercizi di tipo progettuale sul dimensionamento di collegamenti mediante i mezzi di trasmissione presentati (cavi metallici, spazio libero, fibre ottiche)

1, 2

 

1,2,5

 

 

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


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaF. Morichetti e A. Melloni, Mezzi per la trasmissione dell'informazione , Anno edizione: 2018
Risorsa bibliografica obbligatoriaFawwaz T. Ulaby, Fondamenti di campi elettromagnetici, Editore: Mc-Graw-Hill, Anno edizione: 2006
Risorsa bibliografica facoltativaG. Guido Gentili, Carlo Riva, Appunti di Campi Elettromagnetici, Editore: Maggioli, Anno edizione: 2013

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
30:00
45:00
Esercitazione
20:00
30:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 50:00 75:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
17/10/2019