Introduzione

Avendo operato per diversi anni nel settore delle trasmissioni radiotelevisive in alta frequenza, mi sono trovato spesso nella condizione di dover collegare in ponte radio due o più stazioni trasmittenti sul territorio nazionale. Senza entrare nel merito di lunghe e complicate analisi matematiche, con questo articolo è mia intenzione dare informazioni descrittive dei ponti radio a microonde utilizzati soprattutto per le trasmissioni radiotelevisive con alcune procedure pratiche al fine di valutare la fattibilità, la realizzazione ed il puntamento delle antenne, di un collegamento punto/punto.

Località Castaldia Aviano(PN) gennaio 2013

Caratteristiche

In genere con il termine microonde (microwave) viene indicato il campo di frequenze che va da 1 a 300 GHz con lunghezza d’onda compresa tra 30 cm e 1 mm; mentre con il termine ponte radio (radio link) viene indicato un sistema di collegamento punto-punto che utilizza onde elettromagnetiche a microonde per trasmettere a distanza un determinato numero di informazioni: programmi musicali e/o televisivi, conversazioni telefoniche, informazioni codificate, dati, ecc.

In particolare per quanto riguarda le trasmissioni radiotelevisive, le frequenze a microonde assegnate per la connessione in ponte radio mobile e fisso riguardano quelle comprese tra 1,5 e 18 GHz; a questo proposito è bene ricordare che in Italia l’uso delle frequenze è stabilito dal Piano Nazionale di Ripartizione delle Frequenze
PNRF il cui scopo è «stabilire, in ambito nazionale e per il tempo di pace, l'attribuzione ai diversi servizi delle bande di frequenze oggetto del piano, di indicare per ciascun servizio nell’ambito delle singole bande l’autorità governativa preposta alla gestione delle frequenze, nonché le principali utilizzazioni civili.» per questi motivi la loro utilizzazione è soggetta ad apposita concessione dell’autorità preposta alla loro gestione, nel caso specifico a quella del Ministero delle comunicazioni. Con queste frequenze, a causa delle caratteristiche radioelettriche, al fine di evitare eccessivi problemi di intensità e continuità di segnale, è bene non realizzare tratte lineari superiori a 75 km; per collegamenti superiori, come ad esempio per la realizzazione di lunghe dorsali, si deve ricorrere all’utilizzo di più tratte opportunamente progettate.

Un ponte radio viene classificato in:

- terrestre collega due o più stazioni situate sulla superficie terrestre;

- satellitare o transponder collega due o più stazioni terrestri poste a grandissime distanze utilizzando un satellite in orbita intorno alla terra, che funziona da ricevitore e trasmettitore.

In base al tipo di segnale trasmesso in:

- analogico impiega segnali analogici modulati in frequenza;

- digitale o numerico impiega segnali digitali con modulazione PSK (Phase Shift Keying) a più fasi e la QAM (Quadrature Amplitude Modulation) tipo 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM.

Le antenne

Elemento fondamentale di un collegamento in ponte radio è l’antenna che unitamente al cavo di collegamento, è un componente totalmente reversibile cioè può funzionare indistintamente sia in trasmissione che in ricezione, deve avere un guadagno elevato e di conseguenza un’ altissima direttività; per i collegamenti a microonde si usano antenne paraboliche con diametri anche fino a cinque metri che rispondono perfettamente a questi requisiti unitamente al fatto di avere un diagramma di radiazione (beamwidth) molto stretto dipendente dalla frequenza e dal diametro, in genere non superiore a sei gradi per le parabole di piccolo diametro. Ogni costruttore con apposita documentazione fornisce le caratteristiche tecniche e le modalità di installazione per ogni modello di parabola, come ad esempio l’italiana IRTE, l'americana ANDREW o la tedesca RFS.

I cavi

Il cavo con i relativi connettori, che collega l’antenna al trasmettitore o al ricevitore, è un altro elemento molto importante in un collegamento in ponte radio, esso è caratterizzato dai seguenti parametri:

- attenuazione (attenuation) è proporzionale alla lunghezza del cavo e per questo è espressa in dB per cento metri; ad esempio il cavo Heliax LDF2-50 3/8" a 12 GHz presenta una perdita di 49,2 dB per cento metri e potenza media di transito di 160 W, per cui un cavo di lunghezza 35 metri presenta perdite escluse quelle di inserzione dei connettori di 17,22 dB ed una potenza applicabile non superiore a 160 W. L’attenuazione dipende principalmente dalla qualità del dielettrico e dalle dimensioni fisiche del cavo; la minore attenuazione si ottiene con cavi di grandi dimensioni e dielettrico aria. Nella pratica i cavi con dielettrico aria vengono impiegati principalmente per la realizzazione di antenne complesse nelle trasmissioni radiotelevisive ad alta potenza, e nella maggioranza dei casi si devono prevedere sistemi di pressurizzazione con azoto al fine di evitare la formazione di condensa in caso di forti sbalzi termici. Molto impiegati sono i cavi con dielettrico espanso in foam o teflon che presentano caratteristiche molto vicine a quelle dei cavi in aria come ad esempio i cavi Heliax;

- impedenza caratteristica (impedance) dipende esclusivamente dalla costante dielettrica ξr del materiale isolante utilizzato e dal rapporto tra il diametro del conduttore interno ed il diametro interno dello schermo. Nel grafico riportato in fig.1 è rappresentata l’attenuazione del cavo in funzione dell’impedenza caratteristica; dal grafico è chiaramente visibile che il massimo valore di potenza si ottiene con una impedenza caratteristica di circa 30 Ω, mentre la minore attenuazione si ottiene con una impedenza caratteristica di circa 75 Ω. Nel caso delle trasmissioni a radio frequenza, il valore dell’impedenza caratteristica è stato normalizzato a 50 Ω, nella ricezione dei segnali televisivi invece il valore dell’impedenza caratteristica è stato normalizzato a 75 Ω. Questo perché in trasmissione il valore di 50 Ω risulta essere un equo compromesso tra attenuazione e potenza, mentre in ricezione televisiva in assenza di potenza elevata, il valore di 75 Ω è quello che garantisce la minima attenuazione;

Fig.1

- fattore di velocità o velocità di propagazione (propagation velocity) è la velocità con cui un segnale a radiofrequenza viaggia attraverso il cavo ed è rappresentato dal rapporto espresso in percentuale tra la velocità di propagazione all’interno del cavo e la velocità nello spazio libero; per effetto del dielettrico infatti, il segnale a radiofrequenza lungo il cavo viaggia più lentamente che in aria, per questo motivo è anche noto come coefficiente di riduzione ed è di notevole importanza nel caso di collegamento di antenne trasmittenti complesse composte dalla combinazione di più pannelli, ad esempio nel caso dei sistemi radianti delle emittenti radiofoniche e televisive, in cui la diversa lunghezza dei cavi di collegamento dei pannelli influisce sul diagramma di irradiazione totale; in questo caso deve essere considerata non più la lunghezza fisica, ovvero la lunghezza di un cavo senza considerare il fattore di velocità; ma la lunghezza elettrica ovvero quella accorciata a seconda del fattore di velocità che è data dalla relazione λ = (C/F)·K dove C è la velocità della luce, F è la frequenza di lavoro, K è il fattore di velocità. Ad esempio una velocità di propagazione 91% o K = 0,91, indica un accorciamento della lunghezza d’onda reale del 9% rispetto alla propagazione in aria;

- potenza media di transito (average power rating) espressa in kW, è il valore di potenza che può essere sopportato dal cavo in modo continuativo. Per frequenze fino a 5/6 GHz vengono impiegati esclusivamente cavi rigidi con dielettrico in foam o aria, per frequenze superiori vengono impiegati cavi rigidi denominati guide d’onda (waveguide) cavi simili a tubi metallici senza conduttore centrale, di forma rettangolare, circolare o ellittica attraverso i quali le onde elettromagnetiche vengono convogliate al fine di ottenere una propagazione guidata;

- ROS (Rapporto Onde Stazionarie) o VSWR (Voltage Wave Standing Ratio), nel caso in cui l’impedenza caratteristica del cavo è esattamente uguale a quella del trasmettitore e dell’antenna tutta la potenza disponibile viene irradiata, in questo caso il ROS è uguale a 1; più l’impedenza caratteristica si scosta da quella del trasmettitore e dell’antenna più il ROS cresce e diminuisce la potenza assorbita dal carico Fig.2;

Fig.2

Alcuni tipi di cavi

1-5/8" tipo HJ7-50A con dielettrico aria a 800 MHz ha un'attenuazione di 2,032 dB per cento metri e una potenza media di transito di 5 kW pari ad una tensione a radio frequenza su 50 ohm di 500 V;

guida d'onda EW127A guida d'onda ellittica, a 12,7 GHz ha un'attenuazione di 11,634 dB per cento metri e una potenza media di transito di 1262 W pari ad una tensione a radio frequenza su 50 ohm di circa 260 V;

cavo da 4" con dielettrico aria a bassissime perdite; a 800 MHz ha un'attenuazione di 1,24 dB per cento metri e una potenza media di transito di 20 kW pari ad una tensione a radio frequenza su 50 ohm di 1000 V

I connettori

Per i connettori gli unici parametri importanti; oltre al tipo ad esempio per i cavi in aria o foam N, 7/16, flangia EIA 7/8", 1-5/8", oppure per i cavi in guida d'onda flangia UBR 120, sono le perdite dovute al contatto per inserzione e quelle dovute all’adattamento di impedenza, parametri che vengono quantificati e descritti dal costruttore nelle caratteristiche di prodotto ad esempio: Genex, connettore 13 GHz, flange per guida d'onda. Nelle figure 3 e 4 sono riportati alcuni tipi di connettori per cavo, nelle figure 5 e 6 sono riportati i tipi di flange per guida d'onda.

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Studio di fattibilità

Lo studio di fattibilità riguarda tutte quelle operazioni che servono a verificare l’effettiva realizzazione del collegamento in ponte radio e deve essere eseguito secondo le seguenti fasi principali:

Determinazione delle prestazioni e delle necessità

Questa fase è strettamente dipendente dalla natura delle informazioni che si vogliono trasmettere, dal tipo di segnale ad esempio analogico o digitale e dalla frequenza disponibile per il collegamento;

Individuazione del profilo altimetrico e verifica della visibilità elettromagnetica

Il profilo altimetrico è essenziale per verificare che il percorso tra due antenne sia effettivamente libero da ostacoli anche se le antenne risultano visibili otticamente, questo percorso viene comunemente definito LOS (Line Of Sight) ovvero linea di visibilità elettromagnetica con particolare riguardo al primo ellissoide di Fresnel; il profilo altimetrico è rilevabile con l’ausilio delle carte topografiche IGM o con eventuali mappe satellitari o ancora utilizzando specifici software;

Verifica della visibilità ottica delle antenne

La verifica della visibilità ottica è necessaria soprattutto al fine di valutare con specifici sopralluoghi direttamente sul posto dell’installazione delle apparecchiature, la presenza di ostacoli nelle vicinanze delle antenne quali alberi, palazzi o eventuali altre installazioni oltre all'individuazione del posizionamento delle apparecchiature trasmittenti e riceventi al fine di individuare con esattezza la lunghezza dei cavi di collegamento e gli spazi necessari per l’installazione delle parabole;

Calcolo del collegamento

Per il calcolo del collegamento occorre fare riferimento allo schema di fig.7

Fig.7

1 - rappresenta il valore della potenza di trasmissione espressa in dBm ovvero dB rispetto ad 1 mW; quindi il livello di 0dBm corrisponde ad una potenza di 1 mW e, in base alla relazione P = V2/R dove P vale 1 mW ed R vale 50 Ω, equivale ad una tensione di 223,6 mV che in dB è pari a 107 dBμV. In termini di potenza ogni 3 dB si ha un raddoppio e ogni 10 dB si ha un aumento di dieci volte ad esempio 1 W = 30 dBm, 2 W = 33 dBm, 10 W = 40 dBm, 100 W = 50 dBm, mentre in termini di tensione ogni 6 dB si ha un raddoppio e ogni 20 dB si ha un aumento di dieci volte ad esempio 0 dBμV = 1 μV, 6 dBμV = 2 μV, 20 dBμV = 10 μV, 100 dBμV = 100 mV, 107 dBμV = 223,6 mV. Nelle figure 8 e 9 sono riportati i valori di dBm e W in funzione delle varie impedenze di carico, i valori con segno negativo esprimono una potenza inferiore ad 1 mW ad esempio -3 dBm = 5•10^-3 W, -10 dBm = 10^-4 W, -20 dBm = 10^-5 W, -50 dBm = 10^-8 W;

Fig.8

Fig.9

2 - valore in dB della perdita del cavo di collegamento del trasmettitore con l’antenna, generalmente per frequenze fino a 6 GHz si usano cavi rigidi con dielettrico aria o foam da ½” fino a 5/8”. All’attenuazione del cavo in funzione della lunghezza occorre aggiungere l’attenuazione di inserzione dei connettori, uno dell’antenna e uno dell’apparato, i dati relativi a queste attenuazioni sono ricavabili dalle caratteristiche fornite dai costruttori del cavo e dei connettori;

3 - guadagno in dB dell’antenna in trasmissione, generalmente di tipo a parabola, anche in questo caso le caratteristiche di installazione e i parametri tecnici sono forniti dal costruttore;

4 - spazio libero, il mezzo attraverso il quale avviene la propagazione delle onde elettromagnetiche che presenta una certa attenuazione dipendente dalla frequenza e dalla distanza ricavabile in base alla seguente formula: Attenuazione in dB = 96,6 + 20logFrequenza in GHz + 20logDistanza in km;

5 - guadagno in dB dell'antenna in ricezione, generalmente di tipo a parabola, anche in questo caso le caratteristiche di installazione e i parametri tecnici sono forniti dal costruttore;

6 - cavo collegamento del ricevitore con l’antenna, con le stesse caratteristiche e valutazioni di quello in trasmissione;

7 - segnale presente all’ingresso del ricevitore espresso in dBm. Con l’ausilio delle figure 8 e 9 è possibile convertire il valore in tensione.

Il valore teorico in dBm del segnale in ricezione è dato dalla seguente relazione:

1 – 2 + 3 – 4 + 5 - 6 = 7 segnale in ricezione

Pre-puntamento e puntamento fine

Il puntamento delle antenne paraboliche in un collegamento a microonde, è un’operazione molto delicata e per il fatto di avere un fascio di irradiazione molto stretto necessita di un accurato pre-puntamento al fine di evitare lunghe ed estenuanti manovre in fase di messa a punto del collegamento; in alcune installazioni militari a frequenze oltre i 20 GHz ad esempio, proprio per le difficoltà di puntamento a causa dei diagrammi di radiazione delle parabole che non superano un grado, i puntamenti vengono effettuati con l’ausilio di particolari apparecchiature a raggi laser. Il pre-puntamento orizzontale rispetto al nord (azimut) è relativamente semplice perché può essere effettuato anche a vista o, in caso di scarsa visibiltà per foschia o nebbia, con l’ausilio delle coordinate geografiche e di una bussola, invece per quanto riguarda l’inclinazione o l’elevazione verticale è utile l’uso della seguente formula:

inclinazione/elevazione parabola in cm = (dislivello in metri x diametro parabola in cm)/lunghezza tratta in metri

Effettuato il pre-puntamento delle parabole, con l’ausilio di ricetrasmittenti e uno specifico strumento di misurazione del segnale in ricezione, ad esempio un analizzatore di spettro Tektronix modello RSA5115A 1/15 GHz, si procede al puntamento definitivo regolando le apposite barre per la regolazione fine dell’azimut e dell’inclinazione o elevazione facendo molta attenzione ad effettuare il puntamento delle antenne, soprattutto delle parabole, sul lobo principale e non sui lobi laterali che in genere si presentano con un’attenuazione di circa 30 dB.

Un esempio pratico

Si deve eseguire un collegamento fisso in ponte radio tra gli studi televisivi e la postazione principale di una emittente televisiva, utilizzando la frequenza di 12,95 GHz regolarmente autorizzata dal Ministero delle comunicazioni, tra due punti con visibilità ottica distanti 55 km, l’antenna trasmittente può essere installata ad una hslm di 160 m (140 m + 20 m l’altezza dell’illuminatore dal suolo) collegata al trasmettitore con un cavo in guida d’onda della lunghezza di 32 m, l’antenna ricevente può essere installata ad una hslm di 1155 m (1130 m + 25 m l’altezza dell’illuminatore dal suolo) collegata con un cavo in guida d’onda della lunghezza di 35 m. Nella tratta sono presenti e funzionanti altri collegamenti a microonde che hanno evidenziato nel tempo la presenza di forti nevicate e piogge continue su tutta la tratta con forti sbalzi di temperatura nella postazione di ricezione. Considerate queste caratteristiche e la lunghezza della tratta viene previsto l’uso di un ponte di potenza 2 W, valutando le caratteristiche e i costi dei costruttori italiani Elber e ABE e due antenne paraboliche del diametro di 2 m della IRTE, mentre in ricezione viene previsto l’uso di un radome di protezione e un impianto di pressurizzazione della guida d’onda e dell’illuminatore. Con l’ausilio di carte topografiche viene ricavato il profilo altimetrico di figura 10:

Fig.10

Dall’analisi del profilo altimetrico si evidenzia un possibile ostacolo alla visibilità elettromagnetica, per cui si rende necessario procedere alla determinazione del raggio della prima zona di Fresnel ad una distanza di 36 km dal trasmettitore. Il raggio R_F della prima zona di Fresnel alla distanza di 36 km dal trasmettitore è ricavabile dalla seguente relazione R_F = 17,31·√(D₁·D₂)/(F·Dt) dove R_F è il raggio della zona di Fresnel in metri, D₁ è la distanza dal trasmettitore in km, D₂ è la distanza dal ricevitore in km, F è la frequenza del collegamento in GHz, Dt è la distanza totale del collegamento. Nel nostro caso R_F = 17 m, distanza che non pregiudica la visibilità elettromagnetica. Verificata la visibilità del collegamento è possibile passare alla fase del calcolo del segnale in ricezione ipotizzando l’uso di un trasmettitore con potenza in uscita di 2 W, due parabole IRTE IN20-S130 a singola polarizzazione del diametro di 2 m con guadagno a 12950 MHz di 45.7 dB e larghezza del fascio di radiazione pari a 3,4 gradi, assumendo perdite complessive di collegamento antenne pari a 5 dB (3,7 il cavo, 1,3 connettori e disadattamento) in trasmissione e 6,8 dB (4 il cavo, 1,5 il radome, 1,3 connettori e disadattamento) in ricezione:

33(1) – 5(2) + 45,7(3) – 153,64(4) + 45,7(5) – 6,8(6) = -41,04 dBm

Si sceglie un ponte a microonde di costruzione italiana tipo ABE DML13 che presenta una sensibilità del ricevitore (segnale minimo in ricezione che garantisce il corretto funzionamento) da -80 dBm a -90 dBm in funzione della velocità di trasmissione. Con questi valori di sensibilità del ricevitore, si ha un margine minimo di 39 dB (80 – 41,04), questi valori garantiscono un ottimo margine per il funzionamento continuo del collegamento anche in presenza di forte evanescenza (fading) dovuta alle condizioni climatiche. L’inclinazione delle parabole ai fini del pre-puntamento sarà (995 x 200)/55000 = 3,6 cm illustrata in figura 11.

Fig.11

Conclusione

Dall’analisi del risultato appare evidente che il collegamento può funzionare anche con un trasmettitore di potenza minore, ad esempio 1 W, il segnale in ricezione scenderebbe a -44,07 dBm equivalente a 1,4 mV che garantirebbe comunque un livello accettabile in ricezione. Mentre i dati relativi alla potenza in trasmissione, quelli relativi al guadagno delle antenne e le perdite dei cavi risultano attendibili e stabili nel tempo, all’attenuazione di tratta dovuta alla propagazione nello spazio libero occorre aggiungere perdite che impongono larghi margini nel dimensionamento dell’impianto. In realtà la traiettoria che un’onda elettromagnetica segue nel collegare due punti sulla superficie terrestre non è perfettamente retta ma incurvata per effetto della rifrazione troposferica. Ciò significa che mediamente un’onda elettromagnetica si propaga incurvandosi verso l’alto, cioè la visibilità elettromagnetica in presenza di atmosfera risulta migliore che nello spazio libero. Per piccole frazioni di tempo è anche possibile che l’onda elettromagnetica sia incurvata verso il basso; di ciò occorre tenere conto per assegnare adeguati margini di visibilità al collegamento. Quindi, in realtà, la propagazione avviene attraverso l’atmosfera che con le sue irregolarità influenza notevolmente il campo in arrivo producendo in esso continue evanescenze (fading). Anche la prossimità del suolo può modificare notevolmente le condizioni di propagazione (ellissoide di Fresnel) introducendo attenuazioni indesiderate, per cui è buona norma scegliere siti senza ostacoli vicini, praticamente cime di montagne o di colline e posizionare le antenne più in alto possibile rispetto al terreno sottostante. In conseguenza di ciò, la conoscenza della distribuzione probabile del fading in un determinato collegamento, risulta di fondamentale importanza; in alcuni casi sono indispensabili prove di propagazione preliminari che dovrebbero protrarsi per un ciclo annuale o almeno comprendere i mesi caldi che sono generalmente i peggiori, in altri casi più semplici è possibile fare previsioni su un dato collegamento qualora siano note le caratteristiche di altri collegamenti simili ubicati nella stessa zona. Il rilievo sperimentale delle caratteristiche del fading consiste nella registrazione del segnale ricevuto in funzione del tempo, dall’analisi delle registrazioni si possono ricavare curve di probabilità sia per l’intensità che per la durata del fading. In sostanza, per la scelta di tutti i componenti di un collegamento in ponte radio, con particolare riguardo alla potenza in trasmissione, risulta di fondamentale importanza l’analisi prolungata nel tempo della tratta individuata, sia per quanto riguarda le caratteristiche logistiche dei siti (facilità di accesso, presenza di neve e ghiaccio, repentini sbalzi di temperatura, presenza di vento forte, posizione in cima a monti o colline possibilmente con terreno circostante in forte pendenza discendente, assenza di ostacoli circostanti come alberi e case) sia per quanto riguarda lo spazio libero interessato (pioggia, neve, grandine). Essendo in gioco lunghezze d’onda dell’ordine di pochi centimetri, violente nevicate, grandinate o piogge provocherebbero notevoli problemi di evanescenza (fading) lungo il collegamento che porterebbero ad una diminuzione del segnale in ricezione con relativo degrado della qualità delle informazioni trasmesse. Rilievi sperimentali prolungati nel tempo risultano utili anche nel caso in cui sia necessario valutare per le antenne l’uso di radome di protezione a bassa attenuazione per ridurre il carico al vento e per proteggere l’illuminatore figura 12.

Fig.12

Inoltre è possibile valutare per il collegamento delle antenne e degli illuminatori, nel caso si dovessero utilizzare cavi a bassissime perdite con dielettrico aria o guide d’onda, la possibilità di installare opportuni sistemi di pressurizzazione al fine di evitare formazione di condense pericolose.