CB CLUB PALMANOVA & RADIOAMATORI La propagazione delle onde radio Elementi teorici e pratici nell’uso della radio da parte degli associati.

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1 CB CLUB PALMANOVA & RADIOAMATORI La propagazione delle onde radio Elementi teorici e pratici nell’uso della radio da parte degli associati

2 La luce e le onde elettromagnetiche Tutte le persone che possiedono la vista conoscono la luce e molti effetti che sono legati ad essa, quali: intensità, colore….ma anche riflessione, rifrazione ed assenza di luce. Ma cos’è la luce? Da wikipedia rileviamo che: «Il termine luce (dal latino lux) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d’onda, ovvero tra 790 e 435 THz di frequenza.»

3 Quindi la «luce» è paragonabile alle onde radio? La risposta è: SI, sicuramente! Tutto quello che diremo nella presente trattazione, pertanto, potrà avere maggior chiarezza se immaginate le cose dette ed applicate ad un semplice fascio di luce. Ritengo qui utile premettere che il presente non vuole essere un trattato scientifico esaustivo ma solamente una spiegazione semplice sui concetti legati al funzionamento della propagazione ed al conseguente comportamento che deve tenere l’operatore radio per ottimizzare il proprio collegamento radio, conoscendo il modo in cui le onde radio attraversano le distanze a partire dall’antenna.

4 Cosa si intende per «propagazione» Per propagazione si intende la modalità con la quale si diffondono le onde radio, a partire dalla fonte (trasmettitore) e fino al luogo ove vengono captate (ricevitore). Con questo termine i radioamatori, invece, intendono descrivere un fenomeno legato alla riflessione delle onde radio, che tratteremo di seguito nella presente relazione.

5 Le onde elettromagnetiche si propagano (si diffondono) sostanzialmente in linea retta. Si è voluto sottolineare la parola «sostanzialmente» perché ci sono delle eccezioni (ad esempio dovute alla gravità), comunque solo parzialmente interessanti per le nostre attività.

6 Come prima conseguenza, analizzeremo ora il comportamento dell’onda elettromagnetica se impatta su un ostacolo. In prima analisi possiamo affermare che non sarà possibile il collegamento radio dietro l’ostacolo. Il ricevitore radio è ubicato in una cosiddetta «zona d’ombra» del segnale radio.

7 Come già anticipato, le onde radio subiscono gli stessi effetti che noi riscontriamo sulla luce. Risulta quindi semplice capire che l’ostacolo impattato dall’onda a radiofrequenza avrà un diverso comportamento a seconda del tipo di materiale impattato e dalla forma di quest’ultimo. In questo caso, inoltre, un altro parametro da tenere presente è la frequenza dell’onda radio (lunghezza d’onda) La lunghezza d’onda corrisponde alla distanza tra due creste (o fra due ventri) della sua forma d’onda, tenuto conto che la velocità (di propagazione nel vuoto) è di circa 300 milioni di m/sec (velocità della luce). Da qui il calcolo teorico: metri = 300 MHz Quindi 150 MHz corrispondono a 2 metri.

8 La grandezza «fisica» dell’antenna Anche se questo non è l’argomento qui trattato nel dettaglio, appare utile comunque citare il fatto che, per un corretto funzionamento, l’antenna attaccata ad un trasmettitore, come anche ad un ricevitore radio, deve avere una giusta grandezza «fisica» per poter «risuonare» sulla frequenza che vogliamo trasmettere o ricevere. Seguendo il calcolo della lunghezza d’onda prima citato, potremo qui indicare che l’antenna risuona correttamente se la sua lunghezza fisica corrisponde ad un quarto della lunghezza d’onda, corretto da un fattore di velocità di propagazione delle onde radio che nel metallo è più bassa rispetto al vuoto (all’incirca è il 95%). Pertanto, per una frequenza di 150 MHz (lunghezza d’onda 2 m), l’antenna è di circa 50 cm, ridotta a circa 47,5 cm per il fattore di correzione. Risulta altresì evidente che con l’aumentare della frequenza l’antenna avrà dimensioni sempre più piccole. Nella Bakeka è presente una piccola utility che aiuta nel calcolo citato.

9 L’assorbimento… Il fenomeno di assorbimento potremo spiegarlo semplicemente immaginando di proiettare la luce di una lampadina tascabile su uno spesso panno nero. Appare semplice capire come non sia possibile vedere la luce dall’altra parte del panno e, allo stesso modo, non si otterrà alcun riflesso di luce tornare indietro. Anche le onde radio vengono assorbite da alcuni materiali (ad esempio il terriccio con cui sono costituite colline o… i bastioni). Ciò sostanzialmente dipende dalla lunghezza d’onda (cioè dalla frequenza) in relazione alla compattezza del materiale che costituisce l’ostacolo. In maniera molto semplicistica bisogna immaginare come se le onde elettromagnetiche penetrassero nel materiale e ne rimanessero intrappolate all’interno. Taluni materiali risulteranno pertanto trasparenti per alcune frequenze, diventando semitrasparenti con l’aumentare delle stesse ed infine completamente opachi a frequenze altissime.

10 L’attenuazione Quando l’ostacolo è composto da un materiale che definiremo «semitrasparente» alla frequenza radio che stiamo utilizzando; immaginiamo che lo stesso catturerà solo in parte l’onda elettromagnetica che, quindi, riuscirà ad attraversarlo anche se con un’intensità ridotta. In questo caso si parla di attenuazione del segnale radio, parametro che si misura in decibel (dB). L’attenuazione avviene con tutti i corpi attraversati dalle onde elettromagnetiche: solidi, liquidi e gassosi. Anche l’aria quindi provoca attenuazione!

11 A cosa corrisponde il decibel? Il decibel (un decimo di bell) è un valore corrispondente ad una proporzione logaritmica tra due valori. Semplificando al massimo, si tratta di un fattore di attenuazione (o amplificazione) con il quale si rappresenta il logaritmo del rapporto del valore finale rispetto a quello iniziale Senza voler fare un compendio di matematica, una variazione logaritmica determina una grossa variazione con piccoli valori, rispetto ai valori lineari con i quali abbiamo più dimestichezza. Si riportano alcuni valori nella tabella qui a fianco, a titolo d’esempio Esempio tra valori Lineari Logaritmici 1 Watt 0 dB 10 Watt 10 dB 100 Watt 20 dB 1.000 Watt 30 dB 10.000 Watt 40 dB

12 La diffrazione Si tratta di un fenomeno che potremo definire una deviazione della traiettoria retta dell’onda radio quando impatta sul bordo di un ostacolo. Anche questo fenomeno varia a seconda del materiale impattato, dell’angolazione d’impatto e della frequenza dell’onda radio.

13 La diffrazione comporta normalmente un grosso valore di attenuazione ma è comunque un fattore che risulta a nostro vantaggio e che ci permette di effettuare dei collegamenti radio con zone che sono al di fuori della «portata ottica» cioè visibili direttamente. Questo fenomeno, legato sostanzialmente all’attrazione esercitata dalla massa del corpo colpito dalle onde elettromagnetiche, evidenzia come le stesse subiscano delle modifiche nelle traiettorie rette a causa di fattori esterni, tra i quali, come già anticipato, anche la gravità terrestre. Da tenere presente che, senza questi fenomeni, è stato calcolato che se la trasmissione radio fosse eseguita da un traliccio alto 100 metri (alto come un palazzo di 25 piani…), il segnale sarebbe ricevibile al massimo a soli 30 Km, a causa della curvatura terrestre!

14 La riflessione Come lo specchio riflette la luce che lo colpisce (introducendo comunque una attenuazione dovuta quantomeno alla limpidezza del vetro), così anche le onde radio possono subire delle riflessioni se impattano su alcuni corpi. Anche in questo caso, la riflessione può subire differenti attenuazioni a seconda della frequenza utilizzata, dal materiale del riflettore (lo specchio) e dall’angolo di incidenza del raggio elettromagnetico.

15 La ionosfera e le onde radio L’atmosfera terrestre è uno strato gassoso che circonda il nostro pianeta. La parte più alta e rarefatta dell’atmosfera è denominata ionosfera, così come rappresentato nell’immagine sottostante: Fu Guglielmo Marconi ad intuire e successivamente provare che le onde radio potevano riflettersi sulla ionosfera

16 Marconi si rese conto che sarebbe stato così possibile collegare via radio stazioni oltre oceano, sfruttando i rimbalzi delle onde radio sulla ionosfera e, di nuovo, altri rimbalzi sull’acqua del mare o sul suolo.

17 Successivi studi e teorie accreditano l’ipotesi di rimbalzi all’interno di vari strati della ionosfera stessa, quasi a creare una «guida d’onda» Anche il comportamento rispetto alla frequenza di esercizio ha la sua rilevanza sullo strato di ionosfera interessato per la riflessione del segnale

18 E’ stato ampliamente provato che gli strati più alti sono interessati dalle frequenze più alte mentre gli strati di ionosfera più bassi riflettono le onde radio a frequenza più bassa. La «densità» degli strati della ionosfera e la conseguente facoltà di ottenere una buona riflessione del segnale radio, variano inoltre dal giorno alla notte a causa dell’influenza del sole (e dell’attrazione gravitazionale del sole ma anche della luna)

19 Ripetitori naturali ed artificiali Sfruttando la possibilità di effettuare delle riflessioni del segnale radio, è risaputa la possibilità di effettuare dei collegamenti attraverso il nostro satellite naturale… la LUNA.

20 Analogamente a come si farebbe con un fascio di luce, è possibile ottenere un riflesso con dei pannelli metallici opportunamente dimensionati ed orientati. Si tratta di aver realizzato un ripetitore passivo.

21 Satelliti e ripetitori attivi Risulta del tutto evidente che se riceviamo il segnale radio da una posizione alta, avremo meno ostacoli e l’intensità del segnale ricevuto ne avrà beneficio. Per questa ragione le antenne sono solitamente posizionate nel punto più alto dell’edificio dove è installata la stazione radio. Un ripetitore radio (attivo), un satellite per telecomunicazioni, sono esempi di ricetrasmissioni radio. Il ricevitore del ripetitore/satellite riceve il segnale e lo passa ad un trasmettitore sintonizzato su un’altra frequenza (shift radio).

22 Nel caso di ripetitori attivi o di satelliti per telecomunicazioni, quindi, non si sfrutta alcuna riflessione o rifrazione del segnale radio che viene, invece, ricevuto da una posizione alta e dominante (propagazione per linea retta ed in linea ottica). A differenza dei sistemi passivi, ove la riflessione può far variare anche notevolmente il segnale radio a causa del variare delle condizioni atmosferiche, nei ripetitori attivi/sat il segnale sarà sempre forte e costante.

23 Ricezione, trasmissione: SHIFT Come detto, i ripetitori ed i satelliti sono costituiti da un ricevitore collegato ad un trasmettitore, sintonizzati su frequenze diverse. Tenendo come parametro di partenza la frequenza di trasmissione del ripetitore/satellite, se la frequenza del suo ricevitore è più bassa si parla di shift negativo mentre se è più alta di shift positivo. Normalmente, i ponti radio utilizzano i seguenti standard: Radioamatori – ponti VHF shift negativo – 600 KHz; ponti UHF shift positivo o negativo +/-1,6 MHz PONTI CIVILI – shift negativo – 4,6 MHz

24 attenuazioni, diffrazione, riflessione e…. frequenza I fenomeni che finora sono stati descritti suggeriscono il modo con cui il segnale a radiofrequenza si propaga. Tralasciando i collegamenti radio attuati sulla lunga distanza (dovuti a rimbalzi sulla ionosfera), e concentrandoci sui collegamenti radio entro il raggio di pochi chilometri, ovvero quelli normalmente utilizzati nella nostra associazione - CB CLUB Palmanova & Radioamatori -, ad esempio durante le radioassistenze ed altre comunicazioni «locali», appare opportuno chiarire i vari comportamenti al variare della frequenza.

25 Tralasciando l’attività svolta dai RADIOAMATORI in seno alla nostra Associazione e richiamando l’attenzione alle sole attività degli altri associati, è possibile affermare che vengono utilizzate trasmissioni sulle seguenti bande di frequenza: HF – con l’uso di ricetrasmittenti CB a 27 MHz; VHF – con l’uso di ricetrasmittenti nelle bande civili, a 43 MHz e, sia in digitale DMR che analogico, a 160 MHz; UHF – con l’uso di ricetrasmittenti LPD a 433 MHz, PMR a 446 MHz e Wi-Fi a 2,4 GHz; SHF – con l’uso dei sistemi Wi-Fi a 5,8 GHz !!! Possiamo affermare che, quindi, abbiamo a disposizione un ampio spettro!!

26 L’uso della radio all’interno o in prossimità di edifici comporta necessariamente una serie di diffrazioni e riflessioni. In questo, si dovrà tenere conto del fatto che ogni riflessione comporta un abbattimento del livello di segnale, ancor più accentuato nella diffrazione. Le stazioni mobili avranno, inoltre, continue variazioni d’intensità del segnale, dovute al continuo variare delle condizioni.

27 Bisogna tenere presente che alcuni materiali «assorbono» il segnale a radio frequenza, nel senso che se impattati dal segnale non vengono attraversati e non restituiscono un segnale riflesso (ovvero ne restituiscono uno fortemente attenuato). Ci stiamo sostanzialmente riferendo a: - cumuli di terra (ad esempio i bastioni di Palmanova); - manufatti in cemento (l’armatura metallica interna restituisce, invece, un segnale riflesso, seppur attenuato dal cemento in cui è contenuto) L’assorbimento aumenta con l’aumentare della frequenza in uso.

28 L’uso di frequenze più basse aumenta la probabilità di attraversare gli ostacoli, ovviamente con delle perdite di segnale che aumentano con l’innalzarsi della frequenza. L’uso di frequenze più alte aumenta la probabilità di effettuare delle buone riflessioni, situazione che peggiora con l’abbassarsi della frequenza. La diffrazione risulta l’ultima alternativa alle due sopra citate (attraversamento dell’ostacolo e riflessione) poiché comporta forti perdite ed instabilità del segnale.

29 La direzione di propagazione del segnale radio dall’antenna, considerazioni finali Senza voler entrare nei dettagli, ma al solo scopo di fornire una corretta informazione di base sul modo corretto di orientare l’antenna della nostra ricetrasmittente, risulta opportuno distinguere innanzi tutto la cosiddetta polarizzazione che, nel caso di uso di Walkie Talkie, ovvero di stazioni mobili in auto, è sempre «verticale», mentre nelle stazioni HF radioamatoriali può essere anche «orizzontale». Nei sistemi di comunicazione radio satellitari, inoltre, viene utilizzata una polarizzazione detta «circolare».

30 Per il corretto e miglior utilizzo delle radio in uso agli associati, considerato quindi che la polarizzazione utilizzata è quella «verticale», l’operatore radio avrà cura di tenere la ricetrasmittente in modo che l’antenna assuma quella posizione. Si ricorda, inoltre, che per altri motivi, legati sostanzialmente alla limitazione delle onde stazionarie, l’operatore avrà cura di mantenere l’antenna quanto più possibile lontano da materiali metallici ed al corpo dell’operatore stesso (ad esempio non deve tenere con una mano l’antenna!!!). L’uso della radio con antenna interna all’automobile, comporterà, necessariamente, una forte perdita di segnale sia in trasmissione che in ricezione (anche i cristalli dell’automobile contengono del piombo e determinano una sensibile attenuazione elettromagnetica). Se la radio venisse usata all’interno di un edificio, il segnale potrà risultare notevolmente migliorato se ci si pone in corrispondenza di una finestra aperta in direzione del nostro interlocutore radio, meglio se utilizzata nei piani alti dell’edificio e mai in ascensore, che costituisce uno schermo al segnale radio. Luci al neon creano interferenze, così come altri apparati elettrici o elettronici (computer). 73!

31 Il CB Club Palmanova & Radioamatori vi ringrazia per l’attenzione prestata. - presentazione di iw3sip - Queste slides sono disponibili su http://cbclubpalmanova.ns0.it/download