Un visitatore, incuriosito da questa passione e dai fenomeni legati al pianeta radio, in effetti molto variegati, ci chiede: "In che modo si propagano le onde elettromagnetiche?"

Cogliamo l'occasione di questa richiesta per raccogliere, nei file allegati, una serie di dispense, alcune facilitate altre più complesse, quale utile materiale didattico o di ripasso.

I fenomeni di propagazione delle onde elettromagnetiche dipendono, essenzialmente, dalla costituzione dell’atmosfera che circonda la terra e dalla frequenza dell’onda. In generale le onde elettromagnetiche irradiate nello spazio da un’antenna trasmittente possono giungere all’antenna ricevente seguendo diversi percorsi, come mostrato di seguito.

Le onde elettromagnetiche, nei confronti della direzione di propagazione, si classificano in onde spaziali e onde terrestri. Le onde spaziali sono dovute al fenomeno della riflessione dell’onda da parte della ionosfera e sono alla base delle trasmissioni a grande distanza. Le onde terrestri sono quelle che si propagano nelle vicinanze della terra. Esse si classificano in onde dirette, onde riflesse e onde di superficie. Le onde dirette e riflesse, a causa della curvatura della terra, hanno importanza solo quando l’antenna ricevente è nel campo visivo di quella trasmittente; cioè le antenne sono in linea in modo da potersi vedere. Esse trovano applicazione nel campo delle onde ultracorte e microonde. Le onde di superficie sono dovute a fenomeni di diffrazione del suolo assimilabile, come è noto, ad un conduttore posto sotto l’antenna. La conducibilità del suolo vincola le onde a seguire la curvatura della terra. Tali onde hanno importanza nel campo delle comunicazioni a breve distanza con onde medie e onde lunghe. Le onde elettromagnetiche irradiate dall’antenna trasmittente nel propagarsi nell’atmosfera sono soggette a numerosi fenomeni. I principali sono:

ØLa riflessione è dovuta alla presenza del suolo che si comporta nei confronti dell’onda elettromagnetica come uno specchio per i raggi luminosi. Le leggi che regolano la riflessione sono quelle di Snell dell’ottica geometrica.

ØLa rifrazione è dovuta alla non omogeneità della troposfera e della ionosfera. In particolare la ionosfera, ricca di ioni ed elettroni liberi, influenza fortemente la direzione di propagazione delle onde. Gli strati più bassi della ionosfera si comportano nei confronti delle onde elettromagnetiche come un mezzo con indice di rifrazione minore di i e decrescente con l’altitudine. Anche la rifrazione è governata dalle leggi dell’ottica geometrica di Snell.

Riflessione e rifrazione di onde elettromagnetiche

Le leggi di Snell affermano che il raggio incidente, riflesso e rifratto giacciono sullo stesso piano; inoltre valgono le seguenti relazioni tra gli angoli:

 

Si ricordi che l’indice di rifrazione n di un mezzo è definito come il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto (c=3x108 m/sec) e la velocità v della luce nel mezzo considerato. Si osservi, in particolare, che se un raggio passa da un mezzo ad indice di rifrazione n1 ad un altro con indice di rifrazione n2 , l’angolo d’incidenza che rende =90°. Dalla legge di Snell della rifrazione, tenendo conto che sen 90°=1, si ricava:

Se l’angolo di incidenza è maggiore dell’angolo limite , il fenomeno della rifrazione scompare e si ha riflessione totale con propagazione dell’onda solo nel mezzo ad indice di rifrazione n1.

ØLa diffrazione è un fenomeno fisico complesso grazie al quale è possibile spiegare come un’onda elettromagnetica possa superare un ostacolo posto sul suo cammino e propagarsi anche nella zona d’ombra prodotta dall’ostacolo. Tale fenomeno si giustifica utilizzando il principio di Huygens che stabilisce che ciascun punto di un fronte d’onda si può considerare come una sorgente puntiforme che irradia in tutte le direzioni. Pertanto, quando un fronte d’onda investe un ostacolo, i punti del fronte vicini all’estremità dell’ostacolo irradiano energia in tutte le direzione; parte di tale energia si propaga quindi anche nella zona d’ombra.

ØLa diffusione è un fenomeno analogo alla diffrazione ed è dovuto alla presenza di inomogeneità nella struttura dell’atmosfera come, ad esempio, pulviscolo atmosferico, variazioni termiche, particelle di vapore acqueo, turbolenze atmosferiche, temporali, ecc. Tutto ciò produce una variazione locale dell’indice di rifrazione dell’atmosfera che provoca deviazioni casuali nella direzione di propagazione delle onde elettromagnetiche.

ØL’attenuazione del suolo è dovuta al fatto che la terra si può assimilare ad un conduttore non ideale dotato di una certa conducibilità. Se il suolo fosse un conduttore ideale, il vettore campo elettrico sarebbe perpendicolare al suolo stesso (polarizzazione verticale). In realtà le onde superficiali penetrano nel suolo generando una componete di campo elettrico parallela al suolo che produce un movimento di cariche elettriche con conseguente dissipazione di energia. Pertanto, le onde che si propagano in direzioni orizzontali al suolo subiscono un’attenuazione maggiore di quelle che si propagano nello spazio libero. Il vettore campo elettrico si inclina nella direzione di propagazione dell’onda modificando anche il piano di polarizzazione dell’onda elettromagnetica. L’attenuazione del suolo dipende dalla frequenza delle onde e dalla distanza percorsa. Si può dimostrare che, a parità di frequenza, il mare produce una minore attenuazione della terra.

ØL’assorbimento atmosferico è dovuto alla natura e alla concentrazione degli elementi e composti presenti nell’atmosfera. In particolare la presenza di pioggia, grandine, neve o nebbia sono causa di assorbimento soprattutto per le frequenze superiori a qualche GHz. Le onde elettromagnetiche nel propagarsi nell’atmosfera interagiscono con le molecole presenti che assorbono parte dell’energia dell’onda. Ciò si traduce in una attenuazione della potenza della radiazione elettromagnetica. Il coefficiente di attenuazione per assorbimento dipende dalla costituzione chimica e fisica dell’atmosfera e dalla frequenza dell’onda.

ØIl fading per interferenza si manifesta sull’apparato ricevente sotto forma di evanescenza del segnale ricevuto. Tale fenomeno è dovuto all’interferenza tra i diversi segnali che partendo dall’antenna trasmittente seguono molteplici percorsi prima di giungere al ricevitore. I segnali captati dal ricevitore hanno ampiezza e fase continuamente variabili poiché dipendono dalla natura del suolo (mare, monti, ecc.) e dalla non uniformità dell’indice di rifrazione dell’atmosfera.

L’atmosfera che circonda la terra è una composizione non omogenea di gas e vapore acqueo che si estende fino ad un’altezza di circa 400 km. Per quanto concerne la propagazione delle onde elettromagnetiche è di notevole importanza sia la troposfera che la ionosfera

èLa troposfera si estende fino ad un’altezza di circa 15 km e le sue caratteristiche chimiche e fisiche sono notevolmente influenzate dai fenomeni meteorologici e orografici. Le onde elettromagnetiche a frequenza inferiore a 30 MHz non risentono dell’influenza della troposfera mentre lo sono le onde ultracorte e le microonde con frequenze di lavoro superiori a 30 MHz. Tali onde si propagano in linea retta e non risentono degli effetti della ionosfera. L’energia trasmessa può giungere al ricevitore sia come onda diretta che come onda riflessa dalla superficie terrestre purché l’antenna ricevente è collocata nell’orizzonte ottico dell’antenna trasmittente ovvero, se le antenne sono a vista. In realtà è possibile stabilire dei collegamenti anche oltre l’orizzonte ottico del trasmettitore grazie ai fenomeni di rifrazione dovuti alle diverse densità della stratosfera e a fenomeni di diffrazione degli ostacoli presenti sul cammino dell’onda.

èLa ionosfera rappresenta gli strati alti dell’atmosfera e si estende al disopra dei 60 km dal suolo. In essa i raggi ultravioletti del sole ionizzano i gas presenti e producono notevoli quantità di ioni ed elettroni liberi. La densità di ionizzazione N [ioni/m3] non è costante ma varia, oltre che con l’altezza, anche durante le ore della giornata. Le curve della figura seguente mostrano la dipendenza tra altitudine e densità di ionizzazione.

Variazione della densità di ionizzazione della ionosfera durante il giorno e la notte.

Durante il giorno sono presenti tre massimi di densità chiamati strati e denominati E (strato di Kiennely-Heaviside) F1 e F2. Durante la notte la densità di ionizzazione diminuisce e sono presenti solo lo strato E e lo strato F fusione degli strati E1 ed F2. Le altezze degli strati e la loro densità variano anche con le stagioni e con l’attività solare come ad esempio le macchie solari. Le modificazioni della densità di ionizzazione producono interferenze e variazioni casuali nelle traiettorie delle onde elettromagnetiche che si ripercuotono in fluttuazioni dell’intensità del segnale captato dall’antenna ricevente noto come fenomeno del fading. Il ricevitore, comunque, contiene un particolare dispositivo per il controllo automatico del guadagno che consente di limitare gli effetti del fading. La radiazione che attraversa la ionosfera subisce attenuazione e rifrazione. L’attenuazione è dovuta all’interazione del campo elettromagnetico con la materia gassosa presente nella ionosfera e risulta più accentuata negli strati inferiori, più densi, e alle frequenze più basse. La rifrazione è dovuta alla variazione dell’indice di rifrazione con l’altitudine. Tenendo conto di quanto detto prima, si può ritenere, approssimativamente, che l’indice di rifrazione nella ionosfera, all’aumentare dell’altitudine, decresce, raggiunge un minimo e successivamente ritorna a crescere. Pertanto, quando un’onda elettromagnetica a frequenza maggiore di quella critica si dirige verso la ionosfera in una direzione inclinata di un angolo rispetto all’orizzonte, subisce numerose rifrazioni che dipendono dall’indice di rifrazione e dalla frequenza dell’onda. In base alle leggi di Snell è possibile ricavare l’angolo di incidenza critico al di sotto del quale scompare la rifrazione e si ha riflessione totale, come mostrato di seguito:

Si ricava che esiste una particolare zona di silenzio entro la quale non è possibile ricevere alcun segnale per riflessione ionosferica. La distanza minima dal trasmettitore coperta dalla zona di silenzio è detta distanza di Skip. Tale distanza è tanto più grande quanto maggiore è la frequenza dell’onda elettromagnetica e la densità di ionizzazione. Oltre a quanto detto finora per parlare della ionosfera bisogna tener conto dell’effetto che il campo magnetico terrestre produce sul moto degli elettroni e degli ioni. La traiettoria degli elettroni liberi, sotto l’influenza del campo magnetico terrestre, diventa di tipo elicoidale alle frequenze più basse ed ellittica a quelle più alte. Ciò produce notevoli variazioni nel piano di polarizzazione dell’onda e nel coefficiente di attenuazione atmosferico. In particolare l’attenuazione diventa massima alla frequenza  MHz detta girofrequenza. Inoltre, il raggio incidente la ionosfera può scindersi in due raggi, denominati raggio ordinario e raggio straordinario che, con diverse attenuazioni e velocità, percorrono traiettorie diversificate.

Volendo riepilogare quanto detto nel precedente paragrafo, possiamo affermare che le onde elettromagnetiche, una volta irradiate dall’antenna trasmittente, possono raggiungere l’antenna ricevente in vari modi, come illustrato nella figura seguente:

In questa figura, oltre le già citate onde di superficie, onde dirette (o ottiche) e onde riflesse dalla ionosfera, è stata anche indicata una quarta possibilità, che è quella dell’onda spaziale riflessa dai satelliti: essa si ha quando un segnale viene volutamente inviato nello spazio con un angolo incidente molto piccolo (in modo da "bucare" l’atmosfera) ed indirizzato in un punto preciso dello spazio in cui è allocato un satellite geostazionario. Quest’ultimo, mantenendo rigorosamente costante la posizione nei confronti della Terra, si comporta come se fosse un’antenna di enorme altezza (circa 36.000 Km) capace di "riflettere" il segnale verso la Terra (il satellite si comporta in effetti come antenna ricevente per i segnali che giungono da Terra e da antenna trasmittente per i segnali che da essa vengono poi irradiati verso Terra). La ricezione a terra, da parte di impianti fissi, dei segnali irradiati da satelliti è possibile solo se i satelliti appaiono immobili nello spazio. Ciò accade quando essi descrivono orbite di rivoluzione circolari e caratterizzate da una velocità angolare corrispondente a quella terrestre. Una tale orbita, detta appunto geostazionaria, è caratterizzata da un raggio di circa 42.106 km dal centro della Terra, vale a dire circa 35.800 km dalla superficie terrestre. Su quest’orbita, la forza di attrazione esercitata dalla Terra sul satellite è perfettamente bilanciata dalla forza centrifuga conseguente alla velocità angolare di 1 giro/giorno; la velocità di spostamento del satellite sull’orbita geostazionaria è pari a circa 11.000 km/h.

La posizione del satellite sull’orbita geostazionaria, detta fascia di Clark (dal nome dello scienziato che per primo, nel 1945, ipotizzò la possibilità di un servizio radiotelevisivo mondiale tramite tre satelliti distanti 1200), è misurata in gradi rispetto al meridiano di Greenwich, con segno negativo a Ovest e positivo a Est di questo. Il sistema di comunicazione appena descritto è possibile in quanto, al di sopra dei 300 MHz (ma in realtà il discorso vale approssimativamente già dai 100 MHz), le onde elettromagnetiche (dette in questo caso microonde) viaggiano praticamente in linea retta e possono perciò essere fortemente direzionate. Concentrando tutta l’energia su un piccolo raggio tramite una antenna parabolica (del tipo usato per il broadcast TV via satellite), si ottiene un rapporto S/N decisamente elevato, anche se c’è il problema di allineare accuratamente le antenne riceventi e trasmittenti. Inoltre, questa direzionalità permette a trasmettitori multipli, allineati in fila, di comunicare con ricevitore multipli, anch’essi in fila, senza apprezzabili interferenze reciproche. Prima dell’avvento delle fibre ottiche, queste tecniche basate sulle microonde hanno formato il cuore del sistema di trasmissione telefonica a lunga distanza.

Le microonde sono usate anche per i ponti radio terrestri. Dato che le microonde viaggiano in linea retta, se le due torri su cui sono montate le antenne TX e RX sono troppo distanti, la Terra costituisce un ostacolo, per cui, come già visto per le onde radio, è necessario usare uno o più ripetitori intermedi. E’ ovvio che, quanto più alte sono le torri, tanto maggiore sarà la distanza alla quale possono essere poste. La distanza tra i ripetitori cresce all’incirca come la radice quadrata dell’altezza delle torri: ad esempio, due torri alte 100 m possono essere distanziate di circa 80 km. A differenza delle onde radio a bassa frequenza, le microonde non attraversano bene gli edifici. Inoltre, nonostante il raggio possa essere ben direzionato sul trasmettitore, esiste comunque un po’ di dispersione nello spazio; non solo, ma alcune onde possono essere rifratte dagli strati bassi dell’atmosfera e impiegare più tempo delle onde dirette per raggiungere il ricevitore; percorrendo percorsi diversi, le varie onde giungono al ricevitore con differenze di fase; se tali differenze sono vicine ai 180°, la somma è distruttiva. Questo effetto è noto come multipath fading (attenuazione da cammini multipli ed è spesso un problema. Esso dipende dal tempo e dalla frequenza. Ci sono vari rimedi: ad esempio, alcuni operatori mantengono liberi un certo numero di canali di riserva su cui spostare le comunicazioni quando il multipath fading cancella temporaneamente alcune bande di frequenza (tecnica della diversità in frequenza). In altri casi, si usano due antenne in ricezione, distanziate opportunamente, in quanto è poco probabile che il multipath fading affligga lo stesso segnale su entrambe le antenne (tecnica della diversità nello spazio).

La richiesta di sempre maggiore spettro induce a migliorare la tecnologia, al fine di rendere possibili trasmissioni a frequenze sempre più alte: ad esempio, sono ormai di uso comune le bande fino a 10 GHz. Tuttavia, fino a circa 8 GHz si pone un problema rilevante: l’assorbimento da parte dell’acqua. Infatti, le onde con frequenza così alta hanno una lunghezza d’onda molto bassa (pochi centimetri) e sono perciò assorbite dalle gocce di pioggia. Anche in questo caso, il rimedio spesso adottato è quello di chiudere i collegamenti in alta frequenza in presenza di pioggia ed usare altri canali di riserva, su cavo o ancora via radio ma a frequenza più bassa. In generale, le microonde sono molto usate per la comunicazione telefonica su lunghe distanze, per i sistemi radiomobili cellulari, per le trasmissione televisive ed altro. La trasmissione a microonde presenta tutt’oggi alcuni vantaggi rispetto alle fibre ottiche: il principale è evidentemente quello di non aver bisogno di diritti di passaggio, in quanto basta comprare un piccolo pezzo di terreno ogni 50 km e piazzarvi una torre a microonde. Inoltre, gli impianti alle microonde sono relativamente poco costosi: mettere insieme due semplici torri (ad esempio due grossi pali con 4 tiranti) e piazzare antenne su ciascuno di essi può essere più conveniente che interrare 50 km di fibra attraverso un’area urbana altamente congestionata oppure su una montagna; anche l’affitto di una fibra presso una società telefonica potrebbe risultare più oneroso.

Oltre ad essere usate per le trasmissioni a lunga distanza, le microonde hanno un importante utilizzo, nelle cosiddette bande industriali-scientifiche-mediche; queste bande sono l’unica eccezione alla regola di rilascio della licenza: infatti, i trasmettitori che le usano non hanno bisogno di licenza del governo. In tutto il mondo, la banda riservata a questi scopi è quella da 2.4 a 2.484 G Hz.

Dalla tesina di Raffaele CUTRINI

Allegati:

La propagazione delle onde elettromagnetiche - Power Point

La propagazione delle onde elettromagnetiche G. TURCO IK0ZIZ

La propagazione, rendiconto del seminario matematico 1931 Padova