CLASSIFICAZIONE DEI PROBLEMI DI PROPAGAZIONE

Classificazione dei problemi di propagazione La Propagazione non è facilmente classificabile e strutturabile, a causa del complesso intreccio tra aspetti di diversa natura: • teorie elettromagnetiche • tipologie di mezzi naturali • bande di frequenza • applicazioni ai sistemi. Possono essere identificati quattro ordini strutturali possibili. 1. Classificazione in base agli effetti elettromagnetici. Si possono identificare le seguenti classi.

• Onda superficiale Consiste in uno scambio progressivo di potenza tra le correnti indotte sulla superficie e il campo elettromagnetico al di sopra di essa. A basse frequenze, tale scambio consente di avere propagazione fino ad elevate distanze, aggirando la rotondità terrestre. • Riflessione E’ una teoria con cui si descrivono approssimativamente gli effetti superficiali quando le frequenze sono alte e gli effetti localizzati in zone limitate. • Diffrazione. E’ la reirradiazione di campo elettromagnetico aldilà di ostacoli che non consentono la penetrazione dell’onda incidente all’interno di essi. L’ostacolo può avere varie forme. Casi estremi sono quello della lama di coltello e quello della superficie terrestre sferica. • Rifrazione. E’ l’incurvamento del percorso elettromagnetico all’interno di un mezzo in cui la propagazione può aver luogo, ma con variazioni regolari di costante dielettrica. Se le variazioni sono rapide e/o irregolari, si hanno altri effetti, quali multipath e scintillazioni. • Diffusione (Scattering). Quando l’onda incide su corpi di piccole dimensioni (es. gocce di pioggia) si ha reirradiazione in direzioni diverse da quella di incidenza. L’effetto dipende dalla parte reale della costante dielettrica e aumenta col rapporto tra dimensioni tipiche dei corpi e lunghezza d’onda . • Assorbimento E’ l’effetto di cessione di potenza elettromagnetica dall’onda al mezzo, con conseguente attenuazione dell’onda e riscaldamento del mezzo. Dipende principalmente dalla parte immaginaria della costante dielettrica e aume- -nta col rapporto tra dimensioni tipiche dei corpi e lunghezza d’onda d/λ. Per il principio di conservazione dell’energia, i mezzi che producono assorbimento producono anche emissione. Un’antenna ricevente, pertanto, oltre al segnale utile riceve anche il rumore dovuto all’emissione dei mezzi circostanti. • Depolarizzazione. L’onda ha una polarizzazione propria. Se incide su elementi di forma dissimmetrica, può aver luogo un parziale trasferimento di potenza sulla polarizzazione ortogonale.

2. Classificazione in base ai mezzi che interagiscono con l’onda.

• Superficie terrestre o marina. In prima approssimazione, la si schematizza come piana. Produce, a seconda della frequenza, onda superficiale o riflessione. Qualora si tenga conto della rotondità, si hanno effetti di diffrazione. • Ostacoli naturali o artificiali. Impediscono all’onda di propagarsi all’interno di essi, e producono diffrazione. • Atmosfera chiara. In assenza di precipitazioni, produce rifrazione e, alle alte frequenze, assorbimento. • Idrometeore. Sono aggregati di acqua di diverso tipo (nubi, pioggia, neve, grandine, ecc.) più o meno saltuariamente presenti nell’atmosfera. Alle alte frequenze, producono diffusione, assorbimento e depolarizzazione. • Ionosfera. E rappresentabile come un plasma elettronico che riempie la parte alta dell’atmosfera. Alle basse frequenze si ha rifrazione che può produrre un effetto complessivo equivalente alla riflessione verso il basso. Alle frequenze intermedie si hanno depolarizzazione e attenuazione.

Tentando di riassumere, si possono identificare tre fattori fondamentali nella interazione delle onde con i mezzi. (a)La presenza di materiali metallici, o comunque di buoni conduttori. (b) La presenza di acqua, sia in forma di liquido che di vapore (l’acqua, infatti, ha una struttura fortemente dipolare, producendo così un notevole aumento della costante dielettrica). (c) Il rapporto d/λ.

3. Classificazione spettrale. Si hanno, secondo le definizioni fatte proprie dall’ ITU (International Telecommuni- -cation Union), le seguenti bande di frequenza.

• VLF (Very Low Frequencies), da 3 KHz a 30 KHz • LF (Low Frequencies), da 30 KHz a 300 KHz • MF (Medium Frequencies), da 300 KHz a 3 MHz • HF (High Frequencies), da 3 MHz a 30 MHz • VHF (Very High Frequencies), da 30 MHz a 300 MHz • UHF (Ultra High Frequencies), da 300 MHz a 3 GHz • SHF (Super High Frequencies), da 3 GHz a 30 GHz • EHF (Extra High Frequencies), da 30 GHz a 300 GHz

Dalle VLF alle HF gli effetti propagativi sono dovuti alla superficie terrestre e alla ionosfera. Al crescere della frequenza divengono sempre più importanti gli effetti dell’atmosfera chiara e delle idrometeore. Va detto che, all’interno delle bande UHF ed SHF (microonde), è spesso utilizzata una suddivisione ulteriore, basata sulle seguenti definizioni.

• Banda L, da 1 a 2 GHz • Banda S, da 2 a 4 GHz • Banda C, da 4 a 8 GHz • Banda X, da 8 a 12 GHz • Banda Ku, da 12 a 18 GHz • Banda K, da 18 a 27 GHz • Banda Ka, da 27 a 40 GHz

4. Classificazione in base alle applicazioni. Si possono identificare i seguenti sistemi applicativi. • Sistemi di radiodiffusione. Sono usati per trasmettere fino a distanze molto elevate, anche intercontinentali. Usano frequenze fino alle HF. Gli effetti propagativi dominanti sono l’onda superficiale e la riflessione ionosferica. • Sistemi a copertura limitata per terminali fissi o mobili. Usano in genere le bande VHF e UHF. Sono influenzati dagli effetti del terreno e degli ostacoli, con moderati effetti atmosferici. • Sistemi terrestri punto-punto (ponti radio). Utilizzano prevalentemente le frequenze SHF, subendo effetti dovuti all’atmosfera e alle idrometeore, oltre a riflessione dal terreno e diffrazione da ostacoli. • Sistemi spaziali, per telecomunicazioni, telerilevamento, GPS. Utilizzano le bande UHF e SHF. Sono soprattutto influenzati dall’atmosfera e dalle idrometeore. Per alcune applicazioni, è da considerare anche la depolarizzazione ionosferica. • Sistemi radar. In genere usano le frequenze SHF ed EHF, subendo effetti dovuti all’atmosfera e alle idrometeore, oltre a riflessione dal terreno e diffrazione da ostacoli. Fanno eccezione i radar Over the Horizon (OTH), che usano frequenze basse e per i quali sono importanti gli effetti ionosferici e di onda superficiale.

5. Schema riassuntivo. • La sottostante figura mostra un tentativo, necessariamente semplificativo e non del tutto esaustivo, di riassumere le varie classificazioni dei problemi di Propagazione e le interrelazioni tra di esse. Nelle seguenti pagine, si seguirà fondamentalmente una catalogazione basata sui mezzi che producono effetti propagativi. Gli argomenti saranno poi brevemente ripercorsi nella parte finale, sulla base delle applicazioni.

Negli anni successivi, soprattutto intorno alla met`a del 900, si ebbe un notevole sviluppo del radar legato, almeno inizialmente, ad applicazioni militari. Ne derivarono stimoli a studi sugli effetti propagativi propri delle frequenze più alte, fino alla SHF. A partire dal secondo dopoguerra, la diffusione dei servizi telefonici e televisivi produsse sviluppo dei sistemi terrestri, sia punto-punto che a copertura limitata. Ebbero quindi importanza i problemi della riflessione del terreno e della diffrazione da ostacoli. Dagli anni 70 in poi, il crescente sviluppo delle telecomunicazioni via satellite produsse un riorientamento degli studi sulla propagazione. La ionosfera perse gradualmente centralità come effetto riflettente, mentre si intensifica- -rono gli studi sugli effetti propagativi subiti dalle onde che attraversano la ionosfera . Contemporaneamente, si avviò in molte parti del mondo un’intensa campagna di studi sugli effetti della pioggia. Gli anni più recenti e quelli del prossimo futuro sono caratterizzati dai seguenti elementi. 1. La notevole crescita delle telecomunicazioni con mezzi mobili rende importante caratterizzare bene gli effetti propagativi in ambiente urbano, come all’interno di edifici. 2. Le telecomunicazioni via satellite tendono ad usare in modo crescente le frequenze dai 30 GHz in su, per le quali gli effetti atmosferici, come quelli delle nubi, sono importanti. 3. Si diffondono sistemi spaziali per applicazioni diverse dalle telecomunicazioni (telerile- -vamento, GPS). Per questi sistemi, è importante caratterizzare bene non soltanto gli effetti attenuativi dell’atmosfera, ma anche il ritardo di fase e/o la depolarizzazione. 4. L’enorme diffusione di servizi di vario tipo utilizzanti lo spettro radioelettrico con vari livelli di potenza, e la contemporanea crescita della sensibilità delle popolazioni ai problemi ambientali rende attuali i problemi di inquinamento elettromagnetico. Si tratta di problemi confinanti, e in parte sovrapposti, con quelli di propagazione.