Propagazione delle onde elettromagnetiche

Da Skypedia.
Gli strati dell'atmosfera
La propagazione delle onde elettromagnetiche sulla superficie terrestre può essere categorizzata in quattro tipologie:
  • per onda superficiale terrestre (10 kHz-10 MHz)
  • per onda ionosferica (1 MHz - 50 MHz)
  • per onda troposferica (30 MHz - 30 GHz)
  • per visibilità diretta (oltre 100 MHz).

Tutto lo spettro delle onde elettromagnetiche è utilizzato dai sistemi di telecomunicazioni. Le onde elettromagnetiche a bassa frequenza si propagano meglio di quelle ad alta frequenza, però di contro, le onde ad alta frequenza offrono bande più grandi e necessitano sul trasmettitore e sul ricevitore antenne più corte (la lunghezza delle antenne è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda).

Per avere un'irradiazione efficiente l'antenna deve essere in generale più grande di circa un decimo della lunghezza dell'onda (che è inversamente proporzionale alla frequenza). Quindi se vogliamo trasmettere a bassa frequenza, sapendo di avere una maggiore copertura e superare così ostacoli o la stessa curvatura terrestre dovremo per forza di cose dotarci di antenne della giusta dimensione.

Onda superficiale terrestre [10 kHz - 10 MHz]

Questo tipo di onda, trasmessa alle frequenze comprese nel range 10 kHz - 10 MHz (normalmente sotto i 2 MHz) sfrutta il fatto che la terra e il mare hanno un certo grado di conducibilità elettrica: il segnale si propaga sulla superficie esterna del conduttore. Mentre questo è un vantaggio quando due stazioni a terra vogliono comunicare tra loro, diventa uno svantaggio quando si vuole trasmettere al di sotto della superficie terrestre o del mare (nelle trasmissioni con i sottomarini ad esempio). Il fenomeno della diffrazione tende a "incurvare" l'onda sotto certe frequenze e ci consente di trasmettere anche a dispetto della curvatura del globo.

Si noti che la capacità di penetrazione delle onde elettromagnetiche nel mare e nel terreno dipendono dalla frequenza. Maggiore è la frequenza e minore è la penetrabilità: il terreno umido sarà meno penetrabile di quello secco che si avvicina di pi` all’essere un dielettrico.

Onda ionosferica [1-50 MHz]

La propagazione per onda ionosferica sfrutta una zona dell’atmosfera tra i 40 e 500 Km di quota fortemente ionizzata; in cui la maggior parte delle molecole non hanno carica neutra. La ionosfera si può immaginare come una serie di strati uno sopra l’altro caratterizzati da livelli diversi di ionizzazione e quindi da indici di rifrazione diversi. Quando il segnale raggiunge la ionosfera attraversa strati ad indici di rifrazione via via differenti e, per la | legge di Snell, l’onda elettromagnetica viene sempre più deviata finché questa non ritorna indietro sulla Terra. Poiché questo accada, però, l’onda deve avere una frequenza compresa tra 1 e 50MHz. Grazie alle onde ionosferiche si riesce a superare le montagne scavalcandole!

Onda troposferica [30 MHz - 30 GHz]

La propagazione per onda troposferica sfrutta la variazione degli indici di rifrazione, proprio come fa l’onda ionosferica. Permette la trasmissione tra 2 stazioni che non si vedono a causa della curvatura terrestre e dunque permette di aggirare ostacoli fra le 2 antenne. Lo strato interessato nella trasmissione di quest'onda è per l'appunto la Troposfera che si può considerare come lo strato di atmosfera sotto ai 20 km di quota. In esso l'indice di rifrazione ha un gradiente che causa un incurvamento della traiettorie delle onde elettromagnetiche in direzione della Terra.

Propagazione per visibilità diretta [oltre i 100 MHz]

Nella propagazione per visibilità diretta le 2 antenne devono essere in visibilità. L’onda è un raggio: non viene deviato. Non ci devono essere ostacoli nell’ellissi di Fresnel (un'ellissi che è tanto più schiacciata quanto più aumenta la frequenza). Per la propagazione in visibilità (LOS - Line Of Sight) bisogna porre in visibilità le due antenne per la trasmissione e per farlo si deve superare la normale linea dell'orizzonte ed eventuali ostacoli costituiti da edifici che intralciano tale visibilità. Affinché ciò sia possibile ci si affida alla geometria e a semplici calcolo che consentono, in base a misurazioni medie e approssimazioni del modello della superficie terrestre, di calcolare l'altezza necessaria per i due ponti radio posti in visibilità.

Per esempio, se una stazione ha un'antenna piazzata a 300 m dal suolo può coprire un raggio di 44,7 km, se l'antenna è piazzata a 10 m si può arrivare a coprire 13 km. Inoltre, se si presuppone che un'antenna venga piazzata a una quota x e un'altra a una quota y, le due potranno comunicare a una distanza x+y.