La propagazione delle onde elettromagnetiche

EDUSAT 3° modulo - Le onde elettromagnetiche e loro propagazione - ing. Marcello Surace
Le onde elettromagnetiche e loro propagazione
Modulo 3°
Progetto Edusat
I.I.S.S. “G. MARCONI”-Bari
Nella storia…
La trasmissione via etere di segnali viene utilizzata già da un secolo, da quando cioè, nella sua
giovinezza, Guglielmo Marconi, inventò l’antenna e quindi l’applicazione pratica delle onde
elettromagnetiche, cioè la radio.
Figura 1
Ogni trasmissione radio, utilizza due stazioni ( trasmittente e ricevente) separate dallo spazio
come schematicamente indicato in figura 1.
Figura 2
Se abbiamo un circuito elettrico dove è presente una induttanza (bobina) ed una capacità
(condensatore) (figura 2) l’energia può passare dal circuito allo
spazio esterno
modificando le armature del condensatore. Il campo elettrico è indicato dalle linee nel
condensatore, il campo magnetico dalle linee all’interno della bobina, le linee di forza sono
perpendicolari tra loro. L’energia si conserverebbe all’infinito se non ci fosse la dissipazione
sulla resistenza del circuito stesso.
Le onde elettromagnetiche, ipotizzate teoricamente da James Clerk Maxwell nel 1864,
sperimentate in laboratorio da Hertz e utilizzate nella Radio da Marconi nel 1895, sono
costituite da oscillazioni, del campo elettrico e del campo magnetico, che si propagano nel
vuoto alla velocità di circa:
c = 300.000 Km/sec
secondo il disegno seguente(figura 3):
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Figura 3
Le onde elettromagnetiche sono classificabili a seconda delle loro caratteristiche e del loro
impiego nei vari campi della tecnica, in base alla lunghezza d'onda od anche alla frequenza, in
quanto queste grandezze sono legate fra loro dalla seguente espressione:
c = λ·f
dove:
c = 300.000 km/s velocità della luce nel vuoto
λ = lunghezza d'onda (metri)
f = frequenza (Hertz = sec-1)
La luce fa parte delle onde elettromagnetiche.
Qualunque tipo di onda, ad esempio quella sonora, quella elastica di una molla, o quella
generata da una pietra che cade in uno stagno, od anche l'onda sismica di un terremoto, è
sempre costituita dall'alternanza di valori della stessa energia o da due tipi diversi di energia,
che nel caso dell'onda elettromagnetica sono quella elettrica e quella magnetica.
Le onde possono essere, in generale, però di due tipi diversi: longitudinali o trasversali a
seconda che l'oscillazione avvenga nella stessa direzione della propagazione o in una
direzione ad essa perpendicolare.
Le oscillazioni del campo elettrico e di quello magnetico avvengono dunque
perpendicolarmente alla direzione di propagazione, e i due campi sono inoltre ortogonali tra
loro. Sono quindi onde trasversali ( chiamate anche TEM)
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Figura 4
Le onde elettromagnetiche sono sempre polarizzate, cioè il campo elettrico che le compone,
oscilla in diversi modi mentre l'onda si propaga.
Si possono avere tre tipi di polarizzazione essenzialmente:
LINEARE
CIRCOLARE
ELLITTICA
Le onde elettromagnetiche hanno polarizzazione lineare, circolare ed ellittica a seconda che
nel propagarsi nello spazio, il vettore campo elettrico si muova su di una retta, su di un
cerchio o su di un'ellisse. (Figura 4)
In quella lineare, il vettore campo elettrico oscilla mantenendo sempre la propria punta su di
un segmento. Il campo magnetico, naturalmente, si muove restando sempre a 90° nello
spazio rispetto al campo elettrico, e si dimostra che un'onda elettromagnetica, con
polarizzazione lineare, può essere generata dall'oscillazione di una carica elettrica oscillante
lungo un'antenna a dipolo.
La polarizzazione circolare è usata, spesso, con antenne paraboliche, sia nei ponti radio
satellitari, nella versione destrorsa e sinistrorsa, che nei collegamenti stazione di terra e
satelliti artificiali.
Flusso di potenza
Quando un'antenna isotropa ( sorgente ideale che irradia uniformemente in tutte le direzioni)
genera un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio, ad essa è sempre associata una
densità di potenza elettromagnetica, rappresentata dal vettore di Poynting, la cui direzione è
quella della propagazione, ed il cui valore è determinato dal prodotto vettoriale del campo
elettrico per il campo magnetico secondo la formula seguente:
S=ExH
La densità di potenza a distanza r dalla sorgente vale
S=P/4πr2
PROPAGAZIONE
Bisogna distinguere subito due circostanze totalmente diverse:
• Propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto.
• Propagazione delle onde elettromagnetiche all'interno dell'atmosfera terrestre.
Nel vuoto, quindi lontano dall'atmosfera terrestre, da corpi materiali e da ostacoli, il mezzo è
isotropo ed omogeneo (la velocità di propagazione è costante in tutti i punti), quindi il
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comportamento delle onde elettromagnetiche è assolutamente indipendente dalla frequenza
e quindi dalla lunghezza d'onda. In questo ambiente astrale, le onde elettromagnetiche si
muovono tutte e sempre in linea retta e si propagano tutte alla stessa velocità:
c = 300.000 km/sec
che è una costante universale, di ciò si tiene conto nello studio dell'astronomia e, soprattutto,
della radioastronomia.
Viceversa, entro l'atmosfera terrestre, poiché l'aria che noi respiriamo non è un mezzo né
isotropo, né omogeneo, la propagazione delle onde elettromagnetiche è soggetta a:
ATTENUAZIONE
RIFLESSIONE
RIFRAZIONE
DIFFRAZIONE
Attenuazione
E’ dovuta, invece, all'assorbimento di una parte dell'energia dell'onda da parte del mezzo in
cui essa transita, cioè l'aria che contiene sempre polvere, molecole d'acqua in sospensione
nelle nuvole, atomi ionizzati, ozono.
Gli atomi stessi dell'aria in taluni casi determinano di per sé un'attenuazione, basti pensare
all'effetto schermante, a tutti noto oggi, dell'ozono nell'alta atmosfera, che ci protegge dai
raggi ultravioletti del sole.
Questi raggi, che sono onde elettromagnetiche come tutte le altre, entrando nell'atmosfera
urtano contro le molecole dell'ozono presenti nell'aria e si attenuano fortemente cedendo loro
quell'energia che per noi potrebbe essere dannosa.
Questo tipo di attenuazione varia molto con la lunghezza d'onda.
Riflessione e rifrazione
La riflessione delle onde elettromagnetiche si studia come quella della luce secondo le due
leggi di Snell.
Si definisce indice di rifrazione n il rapporto fra la velocità della luce nel vuoto c, e la velocità
della luce v, in un altro mezzo.
N=c/v
Un raggio luminoso, che si propaga in un mezzo trasparente, ad esempio il vetro, con indice di
rifrazione n1 ed incontra un altro mezzo pure trasparente, con indice di rifrazione n2 diverso,
ad esempio minore, come l'aria, viene in parte riflesso ed in parte rifratto come indicato in
figura 5.
Figura 5
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La prima legge di Snell riguarda la riflessione e dice che il raggio incidente ed il raggio
riflesso formano lo stesso angolo con la normale inoltre con il raggio rifratto sono tutti e tre
complanari.
La seconda legge di Snell, invece, riguarda il fenomeno della rifrazione, e lega l' angolo di
incidenza e l'angolo di riflessione, con gli indici di rifrazione, secondo la formula:
Se n1 > n2 , di conseguenza, Φ2 > Φ1, ma sen Φ2 , può assumere al massimo il valore di 1, cui
corrisponde un angolo di rifrazione di 90°, cioè praticamente l'assenza di rifrazione.
Si deduce, come conseguenza che, al crescere dell'angolo di incidenza, anche l'angolo di
rifrazione cresce, ma più rapidamente, fino a che, quando il primo raggiunge il valore detto
angolo limite, il secondo raggiunge il valore di 90°, non dando più luogo a rifrazione, come si
vede dalla figura 6 seguente.
Figura 6
Diffrazione
La DIFFRAZIONE è un fenomeno fisico in base al quale L'ONDA PUÒ PROPAGARSI AL DI LÀ
DI UN OSTACOLO delle dimensioni della propria lunghezza d'onda.
L’onda diffonde energia anche dietro l’ostacolo ed è come se si incurvasse attorno al margine
dell’ostacolo stesso.
Nel vuoto, quindi lontano dall'atmosfera terrestre, da corpi materiali e da ostacoli, il mezzo è
isotropo ed omogeneo (la velocità di propagazione è costante in tutti i punti), quindi il
comportamento delle onde elettromagnetiche è assolutamente indipendente dalla frequenza
e quindi dalla lunghezza d'onda.
In questo ambiente astrale, le onde elettromagnetiche si muovono tutte e sempre in linea
retta e si propagano tutte alla stessa velocità:
c = 300.000 km/sec
che è una costante universale, di ciò si tiene conto nello studio dell'astronomia e, soprattutto,
della radioastronomia.
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A seguito di tutti questi fenomeni appena elencati, il comportamento delle onde
elettromagnetiche all'interno dell'atmosfera terrestre si diversifica molto con il variare della
frequenza dando luogo a problemi alquanto diversi.
Figura 7
L'atmosfera terrestre è suddivisa in vari strati come indicato, orientativamente, in figura 7.
Si possono avere pertanto tipi diversi di propagazione:
ONDA DI SUPERFICIE
ONDA DIRETTA
ONDA RIFLESSA DAL SUOLO
SCATTERING TROPOSFERICO
ONDE SPAZIALI
L’onda di superficie
L'onda di superficie segue la superficie terrestre, scavalcando le colline, superando laghi e
fiumi ed anche mari.
È molto condizionata, nella sua attenuazione, dalla conducibilità del terreno.
La propagazione per onde di superficie è limitata alle basse ed alle bassissime frequenze,
nelle gamme LF e VLF in quanto l'attenuazione cresce con la frequenza.
L'onda, per propagarsi, è bene che sia polarizzata verticalmente, perché una componente
orizzontale del campo elettrico determinerebbe correnti indotte sulla superficie che ha pur
sempre una sua conducibilità, determinando assorbimento di energia e quindi attenuazione.
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Poiché la superficie del mare le attenua poco, vengono usate di preferenza per le
comunicazioni nautiche ed anche con sommergibili.
Si riesce così a coprire distanze di circa 1000 chilometri.
Per le loro caratteristiche, erano usate per il sistema dei radiofari LORAN ora superato dal
GPS
L’onda diretta
L'onda diretta è quella che viaggia direttamente dal trasmettitore al ricevitore, per cui questi
devono essere visibili l'un l'altro.
Questo tipo di propagazione viene usato dalle onde cortissime fino alle microonde nelle
gamme VHF, UHF, SHF, EHF.
In realtà la traiettoria dell'onda non è esattamente una retta, ma segue quasi la curvatura
terrestre determinando degli ampi archi di cerchio a seguito della rifrazione determinata
dalla diversa densità degli strati dell'atmosfera al crescere della quota. (Scattering
troposferico)
Figura 8
Nelle VHF e frequenze superiori può avvenire un tipo di propagazione detta Super Tropo con
particolari condizioni di mare calmo e gradiente di temperatura differenziato, tanto da creare
un condotto dove tra due strati ad indice di rifrazione simile c’è ne è uno ad indice di
rifrazione più basso l’onda entra ed il condotto con continue riflessioni totali gli fa da guida
d’onda con attenuazione bassissima, tale che il segnale si conserva sino all’uscita con la stessa
forza di quando è entrato. Le distanze raggiungibili sono oltre 1000 Km. (Figura 8)
L’onda riflessa dal suolo
Due antenne sono collegate, di fatto, oltre che dall'onda diretta, anche da quella che viene
riflessa dal suolo, che, di norma intensifica l'onda diretta, talora, invece può creare problemi
in quanto, nel riflettersi alla superficie, il campo elettrico si ribalta, ed inoltre, facendo più
strada di quella diretta, ed arrivando in ritardo, determinare interferenza o fading, come si
vede schematicamente in figura 9.
Figura 9
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L’Onda spaziale
È detta onda spaziale o sky wave, quell'onda che consente il collegamento a grande distanza,
anche con piccole potenze, utilizzando la riflessione ionosferica.
La ionosfera è la parte più alta dell'atmosfera ed è esposta, oltre che alla luce visibile del sole,
anche ai raggi ultravioletti, ai raggi X provenienti dal sole, al vento solare, ed ai raggi
cosmici provenienti dallo spazio cosmico.
Sia i raggi ultravioletti, che i raggi X ed i raggi cosmici, oltre a radiazioni comprendenti il
vento solare, danno luogo alla ionizzazione delle molecole dell'aria costituenti la ionosfera,
spezzandone i legami elettrici e generando elettroni, ioni positivi ed ioni negativi.
L’indice di rifrazione dipende dalla concentrazione di cariche N e dalla frequenza secondo la
legge:
Se f>>30 MHz n~1 e quindi la ionosfera non modifica il percorso rettilineo delle onde e.m.
A queste frequenze avvengono i collegamenti con i satelliti. La ionosfera è trascurata.
A frequenze inferiori a 30 MHz ha peso anche il numero N di particelle cariche. La ionosfera è
divisa in tanti strati a n costante. Si ha rifrazione e riflessione. Fino a quando non incidiamo
con un certo angolo limite sulla superficie di separazione di due strati di ionosfera a n
differenti, tali per cui si ha la riflessione totale. (figura 10)
Figura 10
Dopo aver esaminato le leggi fisiche che governano la propagazione vediamo come sono
classificati i vari tipi di propagazione delle onde elettromagnetiche, considerando le riflessioni
sui vari strati ionizzati (figura 11):
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Figura 11
Da notare di giorno la presenza dello strato D e di due strati F1 ed F2. Di notte lo strato D
scompare ed F1 ed F2 si uniscono in unico strato unico F ionizzato. In questa tabella
troverete il riepilogo di quanto già esposto.
TIPO DI ONDE
frequenza
lunghezza d'onda
banda
TIPO DI PROPAGAZIONE
APPLICAZIONI
lunghissime / lunghe
da 3 a 300 KHz
da 100 a 1 Km
VLF - LF
per onda di superficie (sino 1500 Km)
per rifrazione / riflessione nella
ionosfera
comunicazioni
intercontinentali,radio
navigazione, radio
localizzazione,
radiodiffusione LW
Medie
da 0,3 a 3 MHz
da 1 a 0,1 Km
MF
per onda di superficie (sino ad alcune
centinaia di Km, maggiore
attenuazione delle onde lunghe)
per riflessione nella ionosfera
maggiore la notte, quando si attenua
l'effetto dello strato D e si modifica lo
strato F, rispetto al giorno
radiocomunicazione navi e
aerei, radiodiffusione MW (in
modulazione di ampiezza
AM da 520 a 1605 MHz)
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Corte
da 3 a 30 MHz
da 100 a 10 mt.
HF
per onda di superficie sino ad alcune
decine di Km (forte attenuazione)
per riflessione nella ionosfera, minore
attenuazione delle onde lunghe e
maggiore riflessione dallo strato F
(distanze maggiori che le onde lunghe)
radiodiffusione SW a media
e lunga distanza (stazioni
internazionali), banda
cittadina CB (27 MHz),
servizi utility
Cortissime
da 30 a 300 MHz
da 10 a 1 mt.
VHF-UHF-SHF-EHF
propagazione per onda di superficie
praticamente nulla
propagazione per onda diretta con
rifrazione nella troposfera
propagazione per riflessione su
satellite (l'onda non viene rifratta nella
ionosfera causa l'elevata frequenza)
VHF: collegamenti a brevi
distanze, radiodiffusione FM
(88-108 MHz), banda
radioamatoriale (c.d. banda
dei 2 mt.) tra 144 e 146
MHz, televisione banda I e II
UHF: televisione in banda III
e IV,
banda radioamatoriale tra
430 e 440 MHz, radar, ponti
radio telefonici (2 GHz),
telefonia mobile a 900 MHz
SHF e EHF: radar e ponti
radio telefonici digitali fra 11
e 13 GHz, radionavigazione,
satelliti geostazionari