La mia attività presso l'azienda prevede, oltre alla gestione di collegamenti cablati via terra, anche quelli via etere ed in particolar modo i PONTI RADIO (cioè operanti nello spettro a radiofrequenza) sia TERRESTRI che SATELLITARI. L'idea dell'articolo, suscitata anche dalla possibilità di accostare (seppur in modo non eccessivamente accademico) agli argomenti studiati in ambito universitario nei corsi di Campi Elettromagnetici e Fondamenti di Comunicazioni Elettriche, la mansione personalmente svolta quotidianamente, è quella di esporre le principali caratteristiche relative alla TRASMISSIONE DATI a corta e lunga distanza per mezzo della propagazione di onde elettromagnetiche, analizzando il più possibile gli aspetti pratici ed applicativi, tecnologici ed implementativi attualmente in esercizio presso Telecom Italia S.p.A. Infine farò anche qualche cenno alle RETI RADIOMOBILI le quali, seppure non strettamente inerenti alla mia attività, ritengo siano una naturale conseguenza della trattazione seguente ed un'occasione per descrivere l'origine delle moderne tecnologie radiomobili (LTE, UMTS), nonché il nodo cardinale che vede incontrarsi la rete telefonica fissa con quella mobile.

1. Caratteristiche del mezzo trasmissivo: propagazione delle onde elettromagnetiche

Prima di entrare nel merito dei sistemi in ponte radio terrestri e satellitari, entrambi utilizzati nelle reti di telecomunicazioni, è necessario valutare le caratteristiche fondamentali del mezzo trasmissivo mutuato da entrambe le tecnologie e che costituiscono la base di tutti i collegamenti radio: le onde elettromagnetiche.
Senza entrare troppo nel rigoroso formalismo che tale argomentazione richiederebbe, le perturbazioni spaziali variabili note comunemente con il nome di onde elettromagnetiche, le quali consentono di realizzare le radiocomunicazioni in generale, sono sostanzialmente individuate dalla coesistenza, in una regione dello spazio, di un campo magnetico e di un campo elettrico, entrambi oscillanti ed in grado di propagarsi mantenendo direzioni di oscillazione perpendicolari l’uno all'altro e perpendicolari alla direzione di propagazione. La velocità di propagazione di tali campi nel vuoto è la costante universale nota come velocità della luce:

La conoscenza della propagazione elettromagnetica di onde radio inevitabilmente condiziona tutti i servizi di radiocomunicazione ed è stato proprio il suo sviluppo, di concerto all'evoluzione della tecnologia in campo elettronico, che ha permesso di utilizzare sempre più lo spettro a radiofrequenza disponibile. La storia delle radiocomunicazioni ha spesso comportato una tendenza ad utilizzare le frequenze dello spettro radio sempre più elevate. Inizialmente venivano utilizzate le onde lunghissime VLF (Very Low Frequency) miriametriche (3 - 30 kHz), LF (Low Frequency) chilometriche (30 - 300 kHz), HF (High Frequency) ettometriche (0,3 - 30 MHz); successivamente (intorno al 1925) si cominciò a lavorare con le onde corte HF decametriche (3 - 30 MHz).
Nel 1930 si usavano già le VHF (Very High Frequency) (30 - 300 MHz) e durante la seconda guerra mondiale si affermarono le VHF decimetriche (0,3 - 3 GHz); già tra gli anni '50 e '60 si iniziarono ad impiegare, in particolar modo nelle applicazioni commerciali, le SHF (Super High Frequency) centimetriche (3 - 30 GHz).
Lo stato dell'arte attuale prevede l'interesse per le EHF (Extremely High Frequency) millimetriche (30 - 300 GHz); la seguente figura riporta la classificazione delle diverse gamme di radiofrequenza in funzione della lunghezza d'onda λ e della frequenza f, ricordando che tali grandezze sono legate dalla nota relazione:

Spettro Radio.jpg

Gli effetti della propagazione elettromagnetica, cioè la maniera con cui le onde radio si propagano in presenza dei mezzi fisici, sono di grande importanza nella pianificazione e utilizzazione dei collegamenti radio terrestri e via satellite integrati nella rete di telecomunicazioni.
Nella fattispecie, gli aspetti rilevanti da considerare sono:

• affidabilità dei collegamenti;
• qualità dei collegamenti;
• interferenze tra i collegamenti.

Ognuno di questi aspetti impone naturalmente al sistema delle specifiche, per soddisfare le quali occorre analizzare davvero una lunga serie di effetti fisici che in modo sia diretto che indiretto influiscono l'aspetto considerato e che quindi vanno valutati in relazione alle peculiarità del sito dove ha sede il sistema in esame. In generale, gli effetti fisici che impattano sull'affidabilità e la qualità di un collegamento radio di tipo terrestre e via satellite sono:

• la rifrazione (e conseguente incurvamento) delle onde e.m. come conseguenza dell'irregolarità su grande scala dell'indice di rifrazione;
• la riflessione o re-irradiazione, dovuta alla presenza del suolo;
• la diffrazione causata dalla irregolarità della superficie terrestre;
• la diffusione causata dalla disomogeneità dell'indice di rifrazione atmosferico (condotti, cammini multipli, ecc.) e dalle precipitazioni atmosferiche;
• l'assorbimento da precipitazioni e condizioni atmosferiche particolari (pioggia, grandine, presenza di nebbia, ecc.);
• le evanescenze (fading) o caratteristiche dinamiche dell'attenuazione;
• la depolarizzazione derivata dalla non perfetta sfericità delle particelle incontrate dal fascio elettromagnetico lungo il suo cammino;
• l'instabilità del rapporto attenuazione/lunghezza di tratta a frequenze diverse;
• le perdite di guadagno dell'antenna ricetrasmittente, legate al fatto che i fronti d'onda incidenti mantengono la coerenza di fase, come conseguenza dell'irregolarità su piccola scala dell'indice di rifrazione.

Analizziamo dunque nello specifico le principali caratteristiche dei succitati effetti.

2. Trasmissione nello spazio libero

Supponendo che la propagazione di onde e.m. avvenga nello spazio libero, si tratta di un collegamento radioelettrico ideale fra due punti isolati nello spazio in cui il mezzo è concepito come un dielettrico perfetto, omogeneo e isotropo.
Queste condizioni sono coincidenti con la realtà, solamente quando è possibile trascurare la presenza del terreno e ritenere l'atmosfera omogenea e perfettamente dielettrica. Se adesso consideriamo un'antenna trasmittente in un determinato punto dello spazio che denomino con A, irradiante una certa potenza P_t, ed un'antenna ricevente in un'altro punto denominato B che capta una certa potenza P_r, possiamo definire il loro rapporto come attenuazione di trasmissione del collegamento tra i punti A e B:

Il reciproco di tale rapporto è definito come equivalente di trasmissione tra il punto A e il punto B:

Questo rapporto è chiaramente sempre minore di 1; se si suppone che le antenne siano sempre "chiuse" (ovvero adattate) sulle proprie impedenze coniugate, in modo da avere il massimo trasferimento di potenza, è possibile applicare il teorema di reciprocità: scambiando di posto il generatore con il carico (in tal caso l'antenna trasmittente con quella ricevente), l'attenuazione di trasmissione conserva il valore iniziale. In generale, le prestazioni di un'antenna, che verranno descritte in dettaglio più in avanti, possono essere definite attraverso la conoscenza dei due seguenti parametri:

• il guadagno, che esprime l'attitudine di un'antenna ad irradiare potenza in una certa direzione;
• l'area efficace, che esprime l'attitudine di un'antenna a captare la potenza incidente.

Il guadagno effettivo di un'antenna può essere definito a partire dalla potenza con cui viene alimentata un'antenna presa come riferimento, rapportata alla potenza effettivamente erogata dal generatore di segnale all'antenna in questione; l'antenna di riferimento è convenzionalmente adottata come una sorgente isotropa ed il suo guadagno assoluto è indicato con G_s. D'altra parte, l'area efficace si definisce come rapporto tra la potenza ricevuta e la potenza per unità di superficie dell'onda incidente.
Questi due parametri sono tra loro legati attraverso la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica. Consideriamo adesso un collegamento in visibilità e nello spazio libero tra due antenne come nella seguente figura:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

dove:

• P_t è la potenza fornita dal trasmettitore e irradiata dall'antenna;
• G_t è il guadagno dell'antenna trasmittente, normalmente espresso in decibel;
• d è la distanza del collegamento (tra i punti A e B);
• G_r è l'area efficace dell'antenna ricevente;
• P_r è la potenza captata dall'antenna ricevente e resa disponibile al carico connesso;
• G_r è il guadagno dell'antenna ricevente, normalmente anch'esso espresso in decibel;
• Z è l'impedenza rappresentativa del ricevitore;

A questo punto è possibile definire la potenza specifica irradiata alla distanza d per mezzo della relazione:

Dal momento che è possibile dimostrare che la potenza disponibile sul ricevitore è funzione del guadagno d'antenna ricevente, d'antenna trasmittente, della lunghezza d'onda e della lunghezza del radiocollegamento, si può definire quella che viene denominata formula di trasmissione nello spazio libero (formula di Friis), data dalla relazione:

L'attenuazione nello spazio libero, definita precedentemente, risulta espressa in decibel:

Usando le proprietà dei logaritmi si ha:

Una considerazione importante da fare è quella di osservare che raddoppiando la distanza del collegamento, l'attenuazione in spazio libero tra antenne isotrope in funzione della distanza e per varie frequenze, subisce un incremento pari a 6 dB; la seguente figura rappresenta proprio il grafico dell'attenuazione in spazio libero tra antenne isotrope, in funzione della distanza e per diversi valori di frequenza:

Attenuazione s.l. tra due antenne isotrope.jpg

Praticamente, come vedremo più in là nella trattazione, l'intensità dei campi elettromagnetici risulta generalmente inferiore a quella prodotta dal calcolo nel caso di propagazione in spazio libero.

3. Fenomeni che intervengono sulla propagazione di onde e.m.

Le semplici espressioni dell'attenuazione, ricavate nel caso della propagazione nello spazio libero, pur conservando un'importanza notevole, devono essere completate da considerazioni che caratterizzano il comportamento delle onde e.m. in un mezzo di trasmissione che risulti: dielettrico, conduttivo, limitato, eterogeneo, morfologicamente accidentato, come nella troposfera, nella ionosfera e sulla superficie terrestre. Introducendo qualche concetto base di ottica geometrica, in modo da estendere alle onde e.m. le leggi semplici (riflessione, rifrazione, diffrazione, ecc.) strettamente valide per i fasci luminosi propagantisi in mezzi illimitati ed aventi superfici di separazioni piane e largamente accettabili per le onde ultra-corte e le microonde, analizzeremo quei fenomeni che intervengono nella propagazione, responsabili in generale di una diminuzione del campo e.m. e conseguentemente della potenza effettiva ricevuta.

3.1 Cenni di ottica geometrica

L'ottica geometrica (per quel che riguarda la nostra trattazione) si basa sul concetto di raggio elettromagnetico, definito dalla curva tangente in ogni suo punto ed al vettore di Poynting, ossia al flusso di energia che si propaga nel mezzo. I raggi elettromagnetici in un mezzo isotropo costituiscono una famiglia di curve ortogonali alle superfici d'onda e quindi ricavabili una volta note quest'ultime:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Ammettendo l'omogeneità del mezzo, i raggi risultano rettilinei.
La teoria dell'ottica geometrica è accettabile solo a distanze dalla sorgente trasmittente molto maggiori della lunghezza d'onda ed in punti dove siano assenti rapide variazioni del campo sulla superficie d'onda. Da questo è ben comprensibile come, con l'uso delle onde ultra-corte e delle microonde, le approssimazioni dell'ottica geometrica risultino largamente accettabili in quasi tutte le condizioni reali. Possiamo allora affermare che per le onde e.m. di frequenza sufficientemente alta ed a distanza considerevole dalla sorgente trasmittente, l'energia si propaga rettilinearmente in direzione normale ai piani d'onda, caratterizzati dalla stabilità dell'ampiezza e della fase del campo, fino ad arrivare sulla superficie di separazione con un mezzo diverso, dove essi si riflettono e/o rifrangono secondo le note leggi strettamente valide per le onde piane infinitamente estese.

4. La propagazione troposferica

La troposfera è la più bassa parte dell'atmosfera, la sua altezza è di circa 9 km dal livello del terreno riferito ai poli e 17 km riferito all'equatore. L'altezza però può variare con le condizioni atmosferiche. La temperatura, la pressione, l'umidità e la presenza di nubi e pioggia sono delle variabili che influenzano la propagazione di onde e.m.. Le radio frequenze sotto i 30 MHz sono poco influenzate dalla troposfera mentre lo sono in maniera rilevante quelle a frequenze superiori. Quest'ultime sono affette in particolare da fenomeni che, intervenendo sulla propagazione e.m., danno origine alla degradazione dell'informazione trasmessa. La conoscenza degli effetti di rifrazione, riflessione, diffrazione, condotto (ducting), diffusione (scatter), cammino multiplo nel caso di frequenze superiori ai 3 GHz, delle precipitazioni e, alle frequenze superiori ai 15 GHz, dell'attenuazione causata dall'ossigeno e dal vapore acqueo, è fondamentale per chi è addetto alla progettazione e pianificazione dei sistemi di telecomunicazioni che fanno uso di portanti e.m.. Di seguito analizzeremo tali effetti descrivendo di conseguenza le problematiche legate a quest'ultimi.

5. I fenomeni di rifrazione: incurvamento del raggio e.m.

Dalla disomogeneità dell'atmosfera trae la sua origine il fenomeno della rifrazione del fascio di onde e.m., che produce effetti diversi.
Dalle leggi dettate dall'ottica geometrica è noto che un raggio e.m., nel propagarsi da un mezzo all'altro, con indice di rifrazione differente alla superficie di separazione dei due mezzi, cambia la direzione e l'angolo, rispetto alla normale (Fig.2 c)): il raggio rifratto è legato a quello incidente attraverso l'indice di rifrazione relativo ai due mezzi. Nell'atmosfera l'indice di rifrazione n dipende dalla temperatura, dalla pressione e dall'umidità, grandezze fortemente dipendenti dalla quota e dalle condizioni meteorologiche.

5.1 Legge di Snellius

Consideriamo la seguente figura dove un raggio e.m. si propaga in una atmosfera a stratificazione continua:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Applicando la nota legge di Snellius e ipotizzando che l'inclinazione di tale raggio rispetto al suolo sia piccola, possiamo ricavare l'incurvamento subito dal raggio:

Il segno negativo indica che il raggio è incurvato verso il basso se l'indice di rifrazione diminuisce con l'altezza (gradiente negativo) e verso l'alto in caso contrario (gradiente positivo). Nelle condizioni meteorologiche mediane, l'atmosfera è definita standard, il gradiente negativo costante (dato tabellato):

determinante pertanto un incurvamento verso il basso.
Quando l'indice di rifrazione decresce più lentamente si ha la condizione di atmosfera sub-standard; se l'indice rimane costante o addirittura decresce con la quota, si ottiene un incurvamento minore. Se la diminuzione con la quota è ancor più elevata si hanno le condizioni per definire l'atmosfera super-standard, con il conseguente incurvamento verso il basso fino a che il raggio di curvatura risulta pari a quello terrestre R₀; è lecito dire che in tale condizione, il raggio e.m. è parallelo alla superficie terrestre. La seguente figura è esplicativa sulle diverse situazioni che si possono verificare nella propagazione di un raggio irradiato dalla sorgente trasmittente T in una determinata direzione:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Quest'altra figura mette invece in evidenza alcune considerazioni pratiche, considerando raggi e.m. emergenti con diverse direzioni:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

In particolare, nel passaggio graduale da condizioni di atmosfera sub-standard a quelle in cui si verifica un incurvamento verso il basso, con curvatura identica a quella terrestre (), possiamo notare il progressivo aumento della massima distanza r dalla sorgente in cui può ancora giungere un raggio diretto o, detto in termini più specifici, si ha un allargamento dell'orizzonte elettromagnetico.
In condizioni mediane si può ricevere un raggio spaziale diretto anche in punti situati oltre l'orizzonte R, quindi non possiamo escludere a priori che ad esempio due stazioni corrispondenti in visibilità elettromagnetica, non risultino visibili all'esame topografico.

5.2 Gli effetti dell'irregolarità nella stratificazione atmosferica

In riferimento alle precedenti considerazioni, i raggi e.m. possono essere rappresentati con archi di circonferenza, a patto di ritenere che l'atmosfera sia stratificata in funzione della sola quota con il gradiente dell'indice di rifrazione costante. Tale schematizzazione è funzione delle condizioni meteorologiche, che producono irregolari stratificazioni delle zone di atmosfera interessate dal radiocollegamento. Hanno così origine alcuni particolari fenomeni come l'effetto di condotto, cammino multiplo e diffusione troposferica dell'onda e.m..
Sul mare e spesso anche su tratte in pianura, può succedere che una limitata zona di atmosfera a contatto con il suolo (di quota non superiore a circa cento metri) si trovi in condizioni di atmosfera super-standard (K < 0), mentre al di sopra di essa la stratificazione torni ad essere del tutto normale (K > 0); se l'antenna trasmittente, di tipo direttivo, si trova all'interno di tale zona denominata condotto, i raggi e.m. vengono tutti fortemente incurvati verso il suolo senza la possibilità di uscire dal condotto:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Possiamo dire che questo comportamento, nei riguardi delle radioonde, è simile a quello di una guida d'onda (indirizzamento coatto dell'onda elettromagnetica); l'effetto di condotto può anche avvenire lontano dal suolo quando uno strato dell'atmosfera con valore negativo di K risulta compreso tra due zone aventi un coefficiente K positivo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Le conseguenze di questo effetto possono essere molto fastidiose; infatti, se il condotto si verifica in modo tale da comprendere una sola delle due antenne, il campo ricevuto subisce un'attenuazione considerevolmente elevata. A causa della irregolarità della stratificazione atmosferica, sia con la quota che lungo il collegamento, può accadere che all'antenna posta in ricezione giungano dei raggi e.m. i quali, trasmessi dalla sorgente con angolazione appena differente, percorrano cammini diversi e quindi diano luogo ad un campo risultante somma vettoriale di più campi e.m., dipendente dalle differenze di percorso misurato in lunghezza d'onda. Questo effetto è detto dei cammini multipli per rifrazione (multipath fading) e produce una instabilità a breve periodo del campo ricevuto.
Un altro fenomeno dovuto all'eterogeneità dell'atmosfera è la diffusione troposferica. Tale fenomeno, riscontrabile in modo marcato sulle bande VHF ed UHF, non comporta modifiche apprezzabili alla propagazione nei collegamenti in visibilità, ma rende possibile la realizzazione di quei collegamenti radio che ricevono oltre l'orizzonte elettromagnetico, con tratte di lunghezza superiore anche ai 1000 km. In questi collegamenti l'antenna trasmittente, con EIRP (parametro che sarà definito più avanti) dell'ordine dei kW, illumina una zona alta della troposfera:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Questa, grazie alla sua eterogeneità, è capace di diffondere una piccola parte della potenza che colpisce in tutte le direzioni ed in particolare verso l'antenna ricevente, stabilendo così il collegamento radioelettrico tra i terminali T ed R.

5.3 La riflessione sul suolo

Altro fenomeno che interviene in un ponte radio terrestre è quello della riflessione o della re-irradiazione. La presenza del suolo, supposto pianeggiante, porta all'esistenza di due cammini di propagazione tra l'antenna trasmittente T e quella ricevente R come schematizzato nella seguente figura:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Questo fenomeno è particolarmente accentuato in quelle tratte la cui propagazione avviene sul mare o in presenza di zone estese con suolo pianeggiante quando le condizioni della superficie terrestre permettono di individuare un raggio e.m. riflesso, secondo le leggi dell'ottica geometrica. Consideriamo la seguente schematizzazione geometrica del fenomeno:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Possiamo vedere come il percorso del raggio e.m. si divide in due cammini di propagazione:

• il percorso diretto T -> R;
• il percorso indiretto (o riflesso) T -> P -> R che passa per il punto P di riflessione.

La presenza del terreno riflettente fa si che nel punto R di ricezione il campo elettrico risultante sia dato dalla somma di quello diretto E_d e di quello riflesso E_r.
Il campo riflesso è uguale al prodotto di quello diretto per un coefficiente di riflessione che tiene conto sia dell'assorbimento d'energia sia dello sfasamento totale tra i due raggi. La presenza dei due campi interferenti, spesso dello stesso ordine di grandezza, è molto fastidiosa in quanto, al variare delle condizioni meteorologiche, comporta delle variazioni elevate del campo risultante, nonché inaccettabili distorsioni di fase dovute alla variazione del tempo di transito. Data la variabilità (probabilistica) delle condizioni meteorologiche, è sempre davvero complessa la formulazione di previsioni sull'intensità del campo ricevuto. In pratica la presenza e la valutazione del campo ricevuto si controlla con prove e misurazioni estese nel tempo, attraverso registrazioni di campo.

5.4 La diffrazione

Attraverso l'ottica geometrica è possibile ricavare, una volta assegnate le caratteristiche della sorgente e del mezzo, sia la traiettoria del raggio che giunge in un punto R di ricezione, che la densità i potenza nel medesimo punto. I risultati dipendono soltanto dai valori che assume la funzione di questa lungo il raggio stesso e perciò con tale modello non si tiene alcun conto delle disomogeneità presenti all'esterno del raggio; inoltre si possono avere regioni in cui non è affatto presente il campo e.m. (denominate zone d'ombra). Questo non è in accordo con la realtà del fenomeno della propagazione dell'energia e.m., con discrepanze tanto più rilevanti quanto più sono interessate zone in cui si infittiscono i raggi. In definitiva, l'ottica geometrica consente una valida rappresentazione dei fenomeni di rifrazione e riflessione, ma non è in grado di interpretare il fenomeno della diffrazione. Il campo e.m. può essere calcolato con l'approssimazione migliore di quella ottenibile con l'ottica geometrica servendosi del principio di Huyghens-Fresnel.

5.5 Il principio di Huyghens-Fresnel

Integrando i postulati di Huyghens e Fresnel, che tralasciamo per brevità e complessità formale dell'argomento, si deduce che il campo in un punto R può essere determinato se si è a conoscenza dell'intensità del campo sull'intera superficie equifase; ne consegue, al contrario dell'ottica geometrica, che è necessario conoscere le caratteristiche del mezzo in tutta la regione interessata dai raggi che partono da un'intera superficie equifase e giungono nel punto R e quindi praticamente in una regione molto estesa. Esaminiamo quindi la possibilità di delimitare la regione di spazio, contenente il raggio che va dalla sorgente T al punto di ricezione R, realmente interessata al fenomeno della propagazione, come esplicato nella seguente figura:

Costruzione ellissoide.jpg

5.6 Ellissoidi di Fresnel

Riferendoci sempre alla precedente figura, consideriamo un mezzo omogeneo, privo di perdite e una sorgente isotropa posta in un punto T e sia S₁ una superficie d'onda sferica di raggio r₁. Le superfici sferiche di centro in R di raggio:

con K = 1,2,3,..., suddividono la superficie S in tante porzioni, dette zone di Fresnel. Se adesso facciamo variare r₂ tra T ed R otteniamo una serie di punti che equivalgono ad una ellisse avente asse minore che varia in funzione di K; ruotando l'ellisse attorno al suo asse maggiore si ottengono così gli ellissoidi di Fresnel. Applicando il principio di Huyghens-Fresnel, la risultante dei contributi dovuti alle sorgenti elementari di Huyghens, in cui può essere suddivisa l'ellisse in prima zona di Fresnel, ha ampiezza E₁ pari al doppio di E₀ (corrispondente al valore del campo totale in R); quello della seconda zona ha ampiezza E₂ e così via per le successive zone.
Possiamo quindi affermare che le due antenne in trasmissione e in ricezione, sono in visibilità ottica quando il k-esimo ellissoide di Fresnel di raggio:

non è intercettato in nessun punto.

5.7 Le evanescenze della propagazione e.m.

Nei collegamenti radio il segnale all'ingresso dei ricevitori è funzione di variazioni temporali irregolari di ampiezza e fase. In altre parole, il valore del campo effettivamente ricevuto si discosta da quello calcolabile con l'ipotesi di collegamento in spazio libero di una quantità supplementare funzione non costante del tempo. Tali variazioni di campo, con particolare riguardo a quelle di ampiezza, costituiscono le cosiddette evanescenze, più comunemente note con il termine inglese di fading.
Le evanescenze si esprimono in decibel riferiti o al livello teorico dello spazio libero o a livello reale mediano, che differisce dal primo al più per qualche dB. Per effetto di queste evanescenze il mezzo di trasmissione si comporta in modo non lineare in ampiezza e fase, provocando conseguentemente componenti distorcenti nel segnale a contenuto informativo nel percorso da T ad R. Nel caso di collegamenti in ponte radio terrestre e radio satellitari, le evanescenze sono la prima causa di degrado del rapporto segnale-rumore SNR all'ingresso del ricevitore.

5.8 Cause fisiche e tipi di evanescenze che intervengono su collegamenti in ponte radio

Abbiamo già detto che le evanescenze hanno la caratteristica fondamentale di variare nel tempo in modo irregolare o, entrando propriamente nel merito della discussione, sono delle variabili aleatorie al mutare delle condizioni meteo e quindi la valutazione dell'influenza sulle onde e.m. può essere fatta solo applicando le nozioni della probabilità.
Come funzioni temporali possono essere distinte due categorie:

• a lungo termine o per attenuazione, sono quelle che si verificano per periodi di tempo superiori ad alcuni minuti (con durata anche dell'ordine di ore);
• a breve periodo o per interferenza, sono quelle che hanno durata molto piccola, anche dell'ordine del secondo (fading scintillante).

La cause relative le evanescenze a lungo periodo dipendono principalmente dai fenomeni di assorbimento provocati da precipitazioni piovose o nebbie, dal verificarsi di effetti di condotto, dall'intercettazione del primo ellissoide di Fresnel (K = 1), da parte del suolo in corrispondenza di bassi valori dell'indice troposferico (condizioni sub-standard) e da quei fenomeni che sono a lungo termine.
Le cause riguardanti invece le evanescenze a breve periodo sono da ricercarsi soprattutto nei fenomeni di cammini multipli per rifrazione o per riflessione. Una particolarità riguardante il fading rapido è la selettività (fading selettivo) per cui esso non ha effetto in eguale modo su tutte le frequenze di una gamma radio, ma si verifica solo all'interno di particolari bande ristrette.
Di seguito analizzeremo le principali cause riguardanti le evanescenze a lungo periodo e quelle a breve periodo.

5.9 Evanescenze a lungo periodo: attenuazione dovuta a pioggia

Il fattore dominante che produce evanescenze a lungo periodo oltre i 5 - 10 GHz, è costituito dalla pioggia, la cui attenuazione, dovuta essenzialmente all'assorbimento o più limitatamente alla diffusione, cresce fino a 100 GHz. La pioggia è distribuita non uniformemente nello spazio; questo è il principale motivo per cui la previsione del comportamento statistico dell'attenuazione dovuta a pioggia a partire dai dati pluviometrici puntuali è stata (ed è tuttora) uno degli aspetti più difficili da controllare nei collegamenti radio. La distribuzione delle dimensioni delle gocce è pressoché stabile e cambia fondamentalmente con l'intensità della pioggia. L'assorbimento di gocce sferiche di diametro D è proporzionale a rapporto D³ / λ, sicché possiamo dire che sostanzialmente l'attenuazione è proporzionale alla frequenza ed al contenuto d'acqua che l'onda e.m. attraversa. La seguente figura riporta le curve relative al coefficiente di attenuazione ricavate teoricamente dalla conoscenza dell'indice di rifrazione dell'acqua, della temperatura e velocità delle gocce, ipotizzando una distribuzione dell'ampiezza delle gocce di Law-Pearson in funzione dell'intensità della pioggia:

Coeff attenuaz dovuto a pioggia.jpg

La distribuzione di Law-Pearson è una distribuzione di probabilità (ricavata sperimentalmente nel 1943) data, per alcuni valori di intensità di precipitazione compresi tra 0,25 e 150 mm/h, sotto forma della percentuale di acqua caduta al suolo, corrispondente a diversi intervalli dei diametri delle gocce.
Ipotizziamo una temperatura atmosferica pari a 20 °C. Per frequenze inferiori a 60 GHz l'attenuazione per pioggia può esprimersi come:

dove f è la frequenza espressa in GHz ed R l'intensità di pioggia espressa in mm/h. Il coefficiente K vale all'incirca 0,002-0,003 tra i 10 e 20 GHz e 0,006 a 30 GHz.
E' noto che le alte densità di pioggia tendono a concentrarsi in brevi periodi di tempo (tipicamente pochi minuti, anche se negli ultimi tempi questo dato risulta essere pesantemente ribaltato), di conseguenza l'attenuazione dovuta a pioggia è variabile da settore (della tratta interessata al radiocollegamento) a settore.
Risulta pertanto difficile ricavare la statistica dell'intensità di pioggia fino a basse percentuali dalle pubblicazioni dei servizi meteorologici. In mancanza di dati locali più precisi, l'intensità di pioggia R può essere ricavata da una mappa definita dall'ITU-T riportata di seguito:

Mappa ITU-T.jpg

Le diverse zone indicate nella mappa corrispondono all'intensità di pioggia riportate nella seguente tabella:

Tab zone piovosità.jpg

5.10 Attenuazione dovuta alla presenza di nuvole o nebbia

L'attenuazione dovuta alla presenza di nuvole o nebbia è relativamente piccola, ma può verificarsi per elevate percentuali di tempo. La seguente figura rappresenta l'attenuazione teorica introdotta dalla presenza di nuvole di pioggia a diverse temperature in funzione della frequenza:

Attenuaz teorica.jpg

Gli effetti legati alla neve, grandine, sabbia e polvere possono essere brevemente illustrati come:

• neve secca - effetti trascurabili fino a frequenze di 50 GHz;
• neve bagnata - effetti paragonabili alla pioggia;
• grandine - discorso analogo alla neve; introduce attenuazioni dell'ordine di 2 GHz, ma per percentuali di tempo dell'ordine dello 0,001 % nella maggior parte delle regioni temperate;
• sabbia, polvere - si hanno risultati sperimentali con concentrazione di particelle di 10 g/cm alle frequenze di 10 GHz, in particolare: sabbia 0,1 db/km e polvere 0,4 dB/km.

5.11 Attenuazione da parte di gas atmosferici

L'assorbimento molecolare dovuto alla presenza di gas atmosferici, osservato durante la propagazione di onde e.m. attraverso l'atmosfera è dovuto all'ossigeno ed al vapor d'acqua. Facendo un'analisi per frequenze sotto i 350 GHz si possono individuare i seguenti fenomeni:

• Ossigeno - Le molecole biatomiche O₂ hanno movimento magnetico per cui, interagendo con la radiazione e.m., per determinate frequenze, si hanno delle transizioni tra stati quantici che provocano picchi di assorbimento per tali frequenze. La seguente figura riporta l'attenuazione specifica dovuta ai gas atmosferici; si può osservare che sono presenti più righe di assorbimento molto vicine tra loro, tra 50 e 70 GHz ed una riga di assorbimento che si presenta a 118,74 GHz:

Attenuaz specifica.jpg

• Vapore acqueo - Le molecole H₂O sono assimilabili a dipoli elettrici; interagendo con la radiazione e.m. si provoca la vibrazione di tali molecole che assorbono quindi energia e.m. trasformandola in energia meccanica, provocando picchi di assorbimento a 22,3 GHz e 323,8 GHz (in riferimento sempre al precedente diagramma).

5.12 Evanescenze a breve periodo: fading per interferenza

Il fading per interferenza si manifesta nel punto ricevente in seguito alla composizione vettoriale dei diversi contributi di campo e.m. dovuti alla molteplicità per percorso radio tra trasmettitore e ricevitore. Si distinguono i seguenti due casi:

1. Interferenza tra raggio diretto e raggio riflesso dal suolo. Essa risulta particolarmente notevole nei collegamenti su mare, laghi, pianure, specie con terreno molto umido; in relazione al profilo può manifestarsi anche con la formazione di più raggi riflessi al suolo in zone diverse. Come già detto in precedenza, l'ampiezza dell'eco dipende dalla natura del suolo, dall'angolo di incidenza, dalla polarizzazione dell'onda e dalla scabrosità della superficie.
2. Interferenza dai cammini multipli nella bassa atmosfera. In quest'ultima, ad un dato istante, si riscontrano irregolarità dell'indice di rifrazione più o meno marcate sia nella direzione verticale che, con minore intensità, in quella orizzontale. La presenza di tale disomogeneità, su grande e piccola scala, porta alla formazione di una molteplicità di percorsi tra il trasmettitore e il ricevitore, ognuno dei quali ha diversa lunghezza. Dunque, ad un dato istante e in un punto qualsiasi, il segnale ricevuto attraverso l'atmosfera non uniforme risulta la somma di un numero elevato di componenti aventi ampiezze singole più o meno compatibili e fasi a caso. Inoltre, al variare del tempo le reciproche relazioni d'ampiezza e fase di tali componenti sono soggette a continue variazioni in conseguenza delle corrispondenti variazioni dello stato fisico dell'aria.

6. Polarizzazione di onde e.m.

Semplificando molto la trattazione fatta nell'ambito della fisica, il fenomeno della polarizzazione è inteso come causa di trasformazione della vibrazione e.m. ordinaria, come ad esempio le onde radio, in una vibrazione ordinata in un certo modo (appunto detta polarizzata). In generale possiamo dire che la polarizzazione di un'onda e.m. fa riferimento alla direzione delle linee di forza componenti il campo e.m. La seguente figura riporta la rappresentazione nello spazio del campo elettrico nel piano XZ e del campo magnetico nel piano YZ provocati dall'emissione di una corrente alternata sinusoidale. I due piani sono normali fra loro e la direzione Z coincide con la direzione di propagazione:

Schematizzazione CEM.jpg

Il piano che comprende le direzioni dei due campi XY viene detto fronte d'onda. Quando il piano che contiene la componente elettrica è parallelo alla superficie terrestre si dice, convenzionalmente, che sia ha una polarizzazione orizzontale; quando invece tale campo è perpendicolare alla superficie terrestre si ha la polarizzazione verticale.

6.1 La rotazione per effetto Faraday nella ionosfera

A causa delle anisotropie della ionosfera, introdotte dal campo e.m. terrestre, un'onda e.m. polarizzata in modo circolare attraversando tale mezzo, subisce attenuazione e sfasamento; questi parametri variano a seconda del senso di rotazione dell'onda. L'attenuazione differenziale di due onde circolari controrotanti diminuisce all'aumentare della frequenza e diventa inessenziale per frequenze dell'ordine dei GHz; viceversa, la fase differenziale, decrescendo anche'essa con la frequenza, ha valori sensibili anche al di sopra dei 10 GHz.
Questo è identificato come effetto Faraday e non produce alcuna modificazione pratica su un'onda circolarmente polarizzata, in quanto ne lascia inalterato il senso di rotazione. Nelle onde polarizzate linearmente invece, si hanno dei sensibili effetti di depolarizzazione; infatti esse possono essere pensate scomposte in due onde circolari, uguali ma controrotanti la cui composizione è appunto un'onda polarizzata linearmente. Attraversando l'atmosfera queste due onde circolari subiscono soprattutto una variazione di fase; il risultato è che la loro composizione è ancora un'onda polarizzata linearmente, ma spazialmente ruotata di fase rispetto a quella originaria. Tali sfasamenti spaziali, che provocano chiaramente polarizzazione incrociata, sono variabili durante le giornate e durante l'anno in funzione della diversa attività solare. Esistono due formule empiriche che permettono di calcolare, con buona approssimazione, tale angolo di sfasamento, ovvero:

a mezzogiorno (90 misurato in gradi e la frequenza misurata in GHz) e:

a mezzanotte (con le stesse unità di misura).
E' interessante notare dalle formule che l'effetto Faraday è assai limitato al di sopra dei GHz, viceversa per frequenze minori può essere sensibile. Altri fenomeni che intervengono sul parametro della depolarizzazione in un collegamento in ponte radio e via satellite sono legati alla pioggia, neve, grandine, nubi, ecc.
Infine il fenomeno della depolarizzazione si può verificare anche in presenza di cammini multipli e riflessioni in generale.

7. Conclusioni alla prima parte

Dopo aver analizzato le principali caratteristiche della propagazione elettromagnetica, che costituisce il mezzo trasmissivo per i sistemi in ponte radio terrestre e via satellite, nella seconda parte prenderemo in esame il ponte radio terrestre vero e proprio, costituente un valido supporto trasmissivo in una rete di telecomunicazioni, spesso in sostituzione di altre tecnologie trasmissive cablate terrestri laddove tale servizio non sia esercibile (zone di montagna, campagne, aree impervie).

Bibliografia

Formazione specialistica e training on the job presso Telecom Italia S.p.A. (2007 - 2013).