ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI NOZIONI DI RADIOCOMUNICAZIONI Le onde ELETTROMAGNETICHE e la loro propagazione

PREMESSA Per Telecomunicazione si intende la trasmissione a distanza (anche considerevole) di “informazioni” o “messaggi”. E’ solo con l’avvento del TELEGRAFO prima e della RADIO più tardi che si può parlare di telecomunicazioni a livello globale. Le “informazioni” o i “messaggi” possono comprendere le più diverse tipologie : testi, dati, suoni, immagini, etc. In questa trattazione, per semplicità, ci riferiremo alla trasmissione via radio dei suoni e della voce che è il modo più naturale con cui gli uomini comunicano tra loro.

Schema di un generico sistema di trasmissione Sorgente Informaz. Destinatario Informaz. Trasmettitore Canale Ricevitore Messaggio Segnale Segnale Messaggio

Il suono E’ generato da una sorgente che emette onde acustiche che si propagano in un mezzo fisico (nell’aria la velocità di propagazione è di circa 340 m/s). è caratterizzato da: - altezza, acutezza o tono (dipende dalla frequenza dell’onda sonora)

(dipende dal contenuto armonico). - intensità, ampiezza o volume (dipende dall’ ampiezza delle oscillazioni e si misura in dB); - timbro o forma (dipende dal contenuto armonico). (Ciascuno strumento musicale ha un timbro diverso.)

Le frequenze percepite dal nostro orecchio sono comprese tra 16 Hz e 16 KHz e sono denominate frequenze acustiche o sonore. Le frequenze inferiori a 16 Hz sono denominate infrasuoni. Le frequenze superiori a 16 KHz sono dette ultrasuoni. Le comunicazioni telefoniche (e radiotelefoniche) avvengono comunemente nella banda audio compresa tra 300 Hz e 3,4 KHz Trasduttori in una linea di comunicazione Microfono Altoparlante

Principio di trasmissione a distanza dei segnali acustici (suoni) Consiste nella trasformazione dei suoni in segnali elettrici, per mezzo del microfono. Quindi si sfrutta la propagazione dell’energia elettrica su filo o altri mezzi ed infine si ricava di nuovo l’informazione acustica per mezzo del ricevitore (altoparlante).

COMPOSIZIONE DI UN GENERICO SISTEMA DI RADIOCOMUNICAZIONE

Componenti di un sistema di radiocomunicazione : 1) IL TRASMETTITORE : genera l’energia a radiofrequenza necessaria alla comunicazione codificata dal contenuto dell’informazione 2) L’ ANTENNA TRASMITTENTE : trasforma l’energia del trasmettitore in ONDE ELETTROMAGNETICHE 3) L’ANTENNA RICEVENTE : trasforma le ONDE ELETTROMAGNETICHE in energia a radiofrequenza 4) IL RICEVITORE : amplifica l’energia a radiofrequenza ricevuta dalla antenna e decodifica il contenuto dell’informazione.

Le onde elettromagnetiche Una informazione , di qualsiasi genere, può essere trasmessa a grande distanza per mezzo delle onde elettromagnetiche, che si propagano alla velocità di circa 300.000 km/s, sia nell’aria che nel vuoto. Onde elettromagnetiche (E.M.) Accoppiamento “indissolubile” di campi elettrici e magnetici rapidamente variabili, che si propagano in un dielettrico o nel vuoto.

Le onde elettromagnetiche sono delle oscillazioni di elevata frequenza. - la frequenza di un’onda elettromagnetica (F): è il numero di oscillazioni compiute in 1 secondo. Si misura in Hertz (Hz). La lunghezza d’onda (): è lo spazio percorso dall’onda elettromagnetica durante un ciclo. Si misura in metri (m). Lunghezza d’onda  (m) = velocità propagazione (m/s) / frequenza (Hz)

CLASSIFICAZIONE DELLE FREQUENZE ELETTROMAGNETICHE (o radiofrequenze) VLF Very Low Frequencies da 3 a 30 KHz LF Low Frequencies da 30 a 300 KHz MF Medium Frequencies da 300 a 3.000 KHz HF High Frequencies da 3 a 30 MHz VHF Very High Frequencies da 30 a 300 MHz UHF Ultra High Frequencies da 300 a 3.000 MHz SHF Super High Frequencies da 3 a 30 GHz EHF Extra High Frequencies oltre 30 GHz

Caratteristiche fondamentali della propagazione per onde radio La propagazione per onde è caratterizzata da tre parametri: v : velocità di propagazione dell’onda (m/s) (dipende dal mezzo in cui avviene la propagazione). f : frequenza di oscillazione (Hz).  : lunghezza d’onda (m). I tre parametri sono legati dalla seguente relazione: v =  x f Propagazione in aria o vuoto v = 300.000 Km/sec quindi: [m] = 300.000.000 [m/sec] / f [Hz]

Propagazione Tutte le onde elettromagnetiche, e quindi anche quelle radio, si propagano in linea retta. Similmente alla luce. Basandosi su questa considerazione, gli scienziati della fine del XIX secolo erano molto scettici sull'utilità degli esperimenti con onde radio di Guglielmo Marconi, in quanto la curvatura della Terra pone un limite alla distanza che può essere percorsa in linea retta (cioè fino al limite dell’orizzonte). Ad esempio, dalla sommità di una torre alta 100 m. la visuale arriva a circa 30 km.

ATMOSFERA Il pianeta Terra è però circondato da una “atmosfera” che è molto più di un semplice involucro di gas ( ossigeno e azoto). Nell’ atmosfera avvengono fenomeni molto complessi a causa delle radiazioni solari e cosmiche. Questi fenomeni, tra le tante conseguenze, condizionano la propagazione delle onde elettromagnetiche.

ATMOSFERA Strati dell'atmosfera terrestre L'atmosfera è una miscela di gas, soprattutto azoto e ossigeno, che circonda la Terra. È divisa in diversi strati. La troposfera è lo strato più basso; in questa fascia si formano le nubi. Sopra la troposfera c'è la stratosfera; qui si trova lo strato di ozono, che ci protegge dalle radiazioni pericolose del Sole. La mesosfera è la fascia dove bruciano le meteore quando cadono attraverso l'atmosfera; salendo nella mesosfera la temperatura diminuisce. Nella ionosfera (che si chiama anche termosfera) le temperature aumentano di colpo e l'aria si fa più rarefatta. L‘ esosfera è lo strato più esterno dell'atmosfera; qui l'aria si fa sempre più rarefatta e comincia lo spazio.

La ionosfera È quella parte dell ‘ atmosfera che presiede alla propagazione delle cosiddette “onde di cielo”. Grazie alle proprietà della ionosfera è possibile, mediante l’uso di determinate bande di frequenza, comunicare a qualunque distanza sulla superficie terrestre. Ciò ha consentito le comunicazioni intercontinentali per quasi un secolo, fino all’avvento dei satelliti per telecomunicazioni.

Stratificazione della Ionosfera

Variazioni regolari della ionosfera Il comportamento della ionosfera dipende dalla radiazione solare, quindi dalla posizione reciproca che assumono Terra e Sole. Tale posizione varia in maniera regolare, in funzione di: - giorno e notte; - stagione; - posizione geografica; - variazioni cicliche; (macchie solari)

La trasmissione di segnali radio attraverso l'Atlantico, da parte di Marconi del 1901, obbligò gli scienziati a rivedere le teorie circa la propagazione delle onde radio nell'atmosfera terrestre. Le esperienze dei Radioamatori sulle onde corte portarono alla scoperta della ionosfera e delle proprietà riflettenti dei suoi strati. Grazie a tali riflessioni è possibile,usando le onde corte, comunicare con ogni parte del globo. Le onde corte sono definite come “HF” e sono comprese fra 3 e 30 MHz.

Fenomeni legati alla propagazione delle onde E.M. La propagazione delle onde E.M. é soggetta a tre fenomeni che modificano il loro percorso: riflessione, rifrazione, diffrazione. Questi fenomeni sono concettualmente gli stessi che si presentano per le onde luminose (che sono infatti anch'esse onde E.M.). Tuttavia, le modalità con le quali questi fenomeni si evidenziano per i due tipi di onde E.M. (luce e onde radio) sono spesso differenti, a causa di un parametro fondamentale: la frequenza.

Riflessione e rifrazione Quando un raggio di luce incide sulla superficie di separazione fra due materiali differenti (ad esempio aria-acqua, oppure aria-vetro), si generano un raggio riflesso e un raggio rifratto o trasmesso che si propaga nel secondo mezzo.

Propagazione delle onde radio nell'atmosfera Si possono avere tre percorsi con cui l'energia delle onde elettromagnetiche si propaga dall'antenna trasmittente a quella ricevente. In base al percorso si hanno: 1) Onda diretta: Nello spazio libero da ostacoli le radioonde si propagano in linea retta lungo la visuale, cioè secondo la congiungente delle due antenne. 2) Onda riflessa: a) Terrestre : è l'onda che si riflette sulla superficie del suolo b) Spaziale : è l'onda che viene riflessa dallo spazio. 3) Onda superficiale: si propaga lungo la superficie del suolo . L’attenuazione dipende dal tipo di superficie : sul mare l'attenuazione è molto bassa, mentre su terreno roccioso l'attenuazione è molto forte.

LA RIFRAZIONE OTTICA

Onde di cielo Distanza di propagazione o “portata” Dipende, per una data frequenza, dall'angolo d’irradiazione e dall'altezza dello strato nel quale avviene la riflessione. All’aumentare della frequenza la rifrazione prevale sulla riflessione e l’onda “perfora” lo strato ionizzato

(Onde di cielo) Propagazione multibalzo Dopo la riflessione l’onda radio ritorna sulla superficie terrestre ad una distanza, anche considerevole, dal punto di partenza. Per superare distanze maggiori un solo balzo non è sufficiente. Si sfrutta allora la propagazione multibalzo (generalmente per distanze superiori ai 4.000 Km). Essa sfrutta le riflessioni successive tra ionosfera e crosta terrestre. La propagazione multibalzo può anche avvenire, più raramente, tramite riflessioni successive tra due strati della ionosfera. Si viene quindi a creare una specie di guida d'onda nella quale l'onda si propaga.

(Onde di cielo) Zona di silenzio Ogni frequenza radio ha un angolo critico, oltre il quale la riflessione non avviene più. Se un'onda spaziale viene emessa con un angolo uguale o minore dell'angolo critico, raggiungerà, dopo la riflessione nella ionosfera, la superficie terrestre in un certo punto. I punti più vicini, non verranno raggiunti. la zona di silenzio: è quella che si estende dal limite massimo raggiunto dall'onda di terra, alla distanza minima che può essere raggiunta dall'onda di cielo.

I percorsi di una onda HF emessa da un trasmettitore Onde di cielo - Zona di silenzio I percorsi di una onda  HF emessa da un trasmettitore Si noti che per distanze minori di quelle corrispondenti al percoroso 3 non viene ricevuto nessun segnale, si ha dunque una zona di silenzio; la distanza al di sotto della quale il radiocollegamento non è possibile è detta distanza di skip - L'onda di terra è comunque rilevabile nelle vicinanze del trasmettitore; la distanza percorsa dall'onda di terra non dipende dalle condizioni della ionosfera ma solo dalle caratteristiche conduttive del terreno e dalla potenza del trasmettitore.

GRAZIE PER L’ATTENZIONE ! ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI NOZIONI DI RADIOCOMUNICAZIONI GRAZIE PER L’ATTENZIONE !