Radiocomunicazioni

Tesina sulle radiocomunicazioni

Definizione
Col termine radiocomunicazioni si intende l’insieme delle apparecchiature usate per le comunicazioni radiofoniche.
Le radiocomunicazioni si effettuano usando onde radio, cioè onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda superiore al millimetro, come mezzo di collegamento tra due o più stazioni.
Un sistema di radiocomunicazioni è composto da una stazione trasmittente, che provvede a generare una corrente oscillatoria avente una determinata frequenza (onda o frequenza portante), a modularla (cioè variare una o più caratteristiche – ampiezza, frequenza, fase – in relazione all’informazione che deve essere trasmessa), e ad irradiare nello spazio, per mezzo di un’antenna, l’onda radio modulata. Una o più stazioni riceventi provvedono a captare l’onda, ad amplificarla e a demodularla, cioè ad estrarre dall’onda modulata l’informazione che essa trasportava.

Storia
Maxwell previde l’esistenza delle onde elettromagnetiche e la loro capacità di propagarsi nello spazio, fu tuttavia Herz che per primo riuscì, nel 1887, a produrre in laboratorio onde radio e a rivelarne la presenza (da qui anche il nome di onde herziane). Gli interessi di Hertz si esaurirono però nello studio delle proprietà di tali onde (riflessione, rifrazione, ecc.); dopo di lui molti furono coloro che proseguirono negli studi e negli esperimenti al fine di poter usare le onde radio per applicazioni pratiche; tra questi Righi, Calzecchi-Onesti, Oliver Lodge, Branly, Popov, Marconi, Rutherford, Fleming, Lee de Forest (l’inventore del triodo), Meissner, Amstrong.
Nel campo dei generatori di onde radio si idearono sistemi sempre più efficienti, ma solo con l’invenzione del triodo (1907) si ebbe la possibilità di generare facilmente onde radiopersistenti di qualsiasi frequenza e di grande potenza.
Per quanto riguarda la rivelazione delle onde radio, si passò dal primo rivelatore di Herz a rivelatori sempre più complessi e sensibili. Uno dei primi fu il “coherer” ideato da Calzecchi-Onesti nel 1884, e sperimentato successivamente da Branly e da Lodge; costituito da un’ampolla di vetro riempita di limatura di ferro, ha la proprietà di essere cattivo conduttore di elettricità in condizioni normali, buon conduttore se immerso in un campo elettromagnetico.
I primi apparecchi usati da Popov per la rivelazione di scariche elettriche atmosferiche (le quali irradiano onde elettromagnetiche di notevole potenza) erano costituiti da un’antenna e da un circuito formato dal coherer, da una batteria e da un campanello. Lo stesso apparecchio, con l’aggiunta di un circuito risonante, servì a rivelare le onde radio prodotte da radiotrasmettitori.
Furono poi sperimentati rivelatori più sensibili, quali quelli magnetici, quelli elettrolitici e quelli a cristallo. Questi ultimi (rivelatori a galena) furono i più usati finché l’invenzione del triodo permise, non solo una rivelazione più efficiente, ma anche di amplificare il debole segnale captato dall’antenna, il quale, fino a quel momento, doveva produrre l’energia che si trasformava in onde sonore (di qui l’uso delle cuffie in questi primi apparecchi riceventi).

Teoria
Quando un conduttore è percorso da corrente elettrica alternata, esso produce un campo magnetico variabile, avente le linee di forza perpendicolari alla direzione del conduttore, e un campo elettrico, anch’esso variabile, avente le linee di forza parallele alla direzione del conduttore e quindi perpendicolari a quelle del campo magnetico. I due campi formano nel loro insieme il “campo elettromagnetico” , il quale ubbidisce a leggi di propagazione che discendono dalle equazioni di Maxwell.
Quando in un dato punto dello spazio, l’ampiezza del campo elettromagnetico varia nel tempo, tale variazione si propaga in tutte le direzioni con la velocità della luce: l’intensità dell’onda così prodotta risulta inversamente proporzionale alla distanza della sorgente del campo stesso (si ricordi che l’intensità di un campo elettrostatico e di un campo magnetostatico sono invece inversamente proporzionali al quadrato della distanza).In tal modo i campi elettromagnetici, e le onde elettromagnetiche ad essi associate, possono essere di sufficiente intensità anche a grandi distanze dalla sorgente. L’energia che un conduttore riesce a irradiare nello spazio sotto forma di onda elettromagnetica risulta proporzionale al quadrato dell’intensità della corrente che percorre il conduttore stesso e al quadrato del rapporto tra la lunghezza del conduttore e la lunghezza d’onda dell’onda irradiata.
Pertanto basterà far scorrere una corrente alternata di opportuna frequenza in un conduttore (comunemente chiamato antenna) perché si produca un’onda radio.
Naturalmente se quest’onda deve trasportare un’informazione è necessario che una o più delle sue caratteristiche vari nel tempo in relazione all’informazione da trasmettere. Se questa informazione è rappresentata da un’insieme di linee e punti intervallati fra loro (codice Morse o codice per telescriventi), la variazione viene effettuata facendo in modo che l’onda radio sia irradiata per un breve tempo se si deve trasmettere un punto, per un tempo più lungo per la trasmissione di una di una linea e non sia irradiata nei momenti di intervallo . Questo sistema di trasmissione è chiamato “radiotelegrafia” ed offre i vantaggi della estrema semplicità di progettazione e di costruzione dell’apparecchio trasmittente.
Esso non può però trasmettere qualsiasi genere di informazione (per esempio non può trasmettere il timbro della voce) e in più richiede un tempo piuttosto lungo per la trasmissione di messaggi anche brevi. Vari sistemi sono stati studiati per poter trasmettere direttamente il suono prodotto dalla voce o da altre sorgenti sonore, tra questi fondamentali sono: la modulazione d’ampiezza e la modulazione di frequenza.

Propagazione
Le onde radio, come tutte le onde elettromagnetiche, si propagano in linea retta e subiscono i fenomeni di riflessione, rifrazione, diffrazione, assorbimento. Questi fenomeni, dovuti alle particolari caratteristiche elettriche del globo terrestre e dello spazio dal quale esso è circondato, permettono collegamenti a distanze molto superiori della distanza di visibilità ottica. Pertanto, oltre alla propagazione diretta che ha luogo tra due stazioni tra le quali esiste visibilità ottica, esistono molti altri tipi di propagazione dovuti a uno o più fenomeni suddetti.
Alcuni di questi tipi di propagazione sono normalmente sfruttati per radiodiffusione e per ponti radio aventi frequenze da 10 kHz a 30 MHz (propagazione per onda di terra, propagazione per riflessione ionosferica); altri sono usati per ponti radio aventi frequenze superiori a 30 MHz (propagazione per diffrazione ionosferica, per diffrazione meteoritica); altri sono completamente sporadici e quindi praticamente inutilizzabili per collegamenti continui tra due stazioni (fenomeno dei dotti, diffusione troposferica).
Particolare importanza riveste la propagazione per riflessione ionosferica che permette, in opportune condizioni, collegamenti a qualsiasi distanza; essa è dovuta alla presenza nella ionosfera di strati di gas fortemente ionizzati i quali riflettono le onde radio, provenienti dalla stazione trasmittente, verso la Terra, come uno specchio riflette i raggi luminosi. Questi strati sono prodotti dall’azione ionizzante delle radiazioni di elevata energia sulle molecole e sugli atomi di gas presenti nella ionosfera. Gli strati ionizzati, che racchiudono tutto il globo terrestre, non sono fissi, ma fluttuano variando in altezza, in spessore, in ionizzazione a seconda delle condizioni del momento e a seconda dell’ora del giorno o della stagione.
Gli starti ionizzati non sono però capaci, eccetto rare eccezioni, di riflettere onde aventi frequenze più elevate di 30 MHz. In più essi assorbono, specialmente per le onde più lunghe, una notevole parte dell’energia trasportata dalle onde stesse. A volte, a causa di un’anormale ionizzazione, si ha la formazione di uno strato molto ionizzato (e quindi capace di riflettere onde di frequenza molto alta – fino a 150 MHz -) il quale è chiamato “strato E sporadico” ed è situato tra 90 e 130 km di altezza.
Un’onda che raggiunge la superficie terrestre dopo essere stata riflessa dalla ionosfera può essere di nuovo riflessa dalla stessa superficie terrestre verso la ionosfera e da questa riflessa di nuovo verso la terra e così via (riflessione multipla, che permette collegamenti a grandissime distanze).
La propagazione per diffrazione ionosferica è dovuta al fatto che un’onda avente frequenza più alta di 30 MHz e di notevole potenza viene diffratta , in piccolissima parte, dagli strati ionizzati della ionosfera. Una piccolissima parte dell’energia trasportata dall’onda viene quindi inviata verso la superficie terrestre dove può essere raccolta da stazioni riceventi munite di radioricevitori particolarmente sensibili.
La propagazione per diffrazione meteoritica si avvale delle proprietà diffrattive di alcune parti della ionosfera altamente ionizzate dall’incontro con meteoriti provenienti dallo spazio esterno.
Collegamenti normali possono essere effettuati sfruttando la Luna come corpo riflettente delle onde radio. Per questo tipo di collegamento è necessario naturalmente che la Luna sia visibile sia dalla stazione trasmittente sia da quella ricevente.
Negli ultimi anni si sono perfezionate le tecniche di collegamento tra due stazioni per mezzo di satelliti artificiali; questi possono essere “passivi” (si limitano cioè a riflettere le onde radio dalle quali sono colpiti – come satelliti echo -) o “attivi” , ricevono l’onda radio e provvedono poi a ritrasmetterla, opportunamente amplificata verso la Terra.

Trasmettitori
I trasmettitori, siano essi per radiotelegrafia o per modulazioni d’ampiezza o di frequenza, sono essenzialmente composti di una sezione alimentatrice, una sezione “bassa frequenza” e una sezione “alta frequenza” .
La prima sezione, costituita da uno o più trasformatori, da diodi raddrizzatori di corrente, e da altri componenti elettrici, ha il compito di fornire la corrente continua necessaria al funzionamento delle valvole o dei transistori delle altre sezioni.
La sezione di bassa frequenza serve a trasformare l’informazione in segnale elettrico e ad amplificare tale segnale.
La parte ad alta frequenza è composta in genere da un oscillatore, il quale genera una corrente elettrica alternata avente una frequenza fissa e abbastanza alta da poter essere irradiata nello spazio, e da uno o più amplificatori necessari ad amplificare tale corrente.
Lo stadio amplificatore finale è seguito da uno o più circuiti risonanti accordati sulla frequenza dell’onda da irradiare, i quali servono ad eliminare correnti di frequenza diversa da quella desiderata che potrebbero essere state generate da uno degli stadi della parte ad alta frequenza.
Il processo di modulazione ha luogo collegando opportunamente il modulatore a uno degli stadi della sezione ad alta frequenza. La corrente elettrica modulata viene quindi inviata all’antenna, che provvede ad irradiarla nello spazio sotto forma di onde radio.