I collegamenti radio

17/04/21, Emanuele Bruno | (la videolezione) Per collegamento radio si intende una forma di comunicazione a distanza in modalità wireless, quindi senza fili, che utilizza un canale radio come mezzo per trasportare a distanza i segnali sotto forma di onde elettromagnetiche.

Come anticipato precedentemente, alla base delle trasmissioni radio ci sono le onde elettromagnetiche; il primo a dimostrare la loro esistenza è stato Maxwell con le sue quattro equazioni.

I dispositivi utilizzati per la trasmissione e ricezione delle onde elettromagnetiche sono le antenne, in particolare ci occuperemo del radiatore isotropico. Il radiatore isotropico è un'antenna ideale, quindi non esiste nella realtà, ma è soltanto teorica. Essa irradia onde elettromagnetiche alla stessa intensità in tutte le direzioni su una sfera centrata sulla sorgente del radiatore. Questa tipologia di antenne viene utilizzata come riferimento per studiare le caratteristiche di un'antenna reale .

Il guadagno di un’antenna si può calcolare con la seguente formula:

G = S/Si

Non è un guadagno classico perchè l’antenna non amplifica, ma è il rapporto   tra la potenza irradiata (S) dall’antenna in una determinata direzione e la potenza radiatore isotropico (Si) (per S non si intende una classica potenza ma una densità di potenza W/m^2).

Più ci allontaniamo da un'antenna è più si indebolisce l’onda. Per conoscere e studiare le altre caratteristiche di un’antenna possiamo inoltre calcolare un altro parametro che è la densità di potenza ad una determinata distanza in modo da conoscere la capacità di irraggiamento ad una distanza fissata.

La formula in questione è la seguente:

S = Pt Gt /(4 π d ²)

In cui, al numeratore troviamo la potenza trasmessa e il guadagno dell'antenna trasmittente, mentre al denominatore troviamo l’area di una superficie sferica, quindi la distanza a cui vogliamo calcolare la densità di potenza è data dal diametro della sfera.

Conoscendo la densità di potenza di un antenna possiamo conoscere quanta potenza si riceve.

Un’antenna è un dispositivo reversibile quindi funziona allo stesso modo sia in trasmissione che in ricezione.

Calcolo di un collegamento radio

Prima di calcolare un collegamento radio bisogna conoscere alcuni parametri.

 1) Attenuazione dello spazio libero

Nelle telecomunicazioni, l'attenuazione dello spazio libero (FSPL) è l’attenuazione della potenza di un segnale elettromagnetico risultante da un percorso in linea di vista attraverso lo spazio libero (generalmente aria), senza incontrare ostacoli che possano causare riflessioni o diffrazioni.

Nella seguente formula, λ indica la lunghezza d’onda che si misura in metri, f è la frequenza, d indica la distanza tra le due antenne e c è la velocità della luce nel vuoto:

 FSLP = (4 π d / λ  ) ² = (4 π d f / c ) ²

L’ FSLP tiene conto della distanza e della lunghezza d’onda infatti più è lontana l’antenna e più maggiore l’attenuazione, aumentando il guadagno delle antenne come ad esempio nelle antenne direttive è possibile ricevere la stessa potenza con una potenza trasmessa minore, perché le antenne direttive concentrano la loro potenza in determinate direzioni a differenza ad esempio di un'antenna isotropica che trasmette la potenza su linee concentrico.

 2) Area efficace dell'antenna ricevente:  

Aeff = Gr λ ² / 4 π   

L’area efficace è definita come il rapporto tra la potenza trasmessa dall'antenna ricevente e l’intensità dell’onda, quindi possiamo dire che indica la capacità dell’antenna ricevente di recepire la potenza delle onde elettromagnetiche che la investe.

Equazione di Friis 

Conoscendo i parametri riportati di sopra è possibile calcolare un collegamento radio tramite l’equazione di Friis che è la seguente:

Pr = Pt Gt Gr / FSLP

Pertanto, considerando due antenne di cui una trasmittente ed una ricevente, conoscendo la potenza del segnale trasmesso dall’antenna trasmittente e i guadagni delle due antenne, basta moltiplicarli tra di loro e dividere il prodotto per l’attenuazione dello spazio libero, per ottenere la potenza ricevuta. Il risultato di questa equazione però è da considerarsi in condizioni ideali, perché stiamo considerando come unica attenuazione quella dello spazio libero cioè solo l’attenuazione che si verifica perché le onde si propagano seguendo sfere concentriche sempre più grandi.

Nella realtà invece bisogna considerare anche altri fattori di attenuazioni come ad esempio la presenza di pioggia e altre condizioni atmosferiche, la presenza di ostacoli sulla linea della trasmissione che causano la riflessione delle onde elettromagnetiche, quindi arrivano a ricezione sia onde dirette che onde riflesse. Ovviamente le onde riflesse arrivano con ritardi diversi, per cui, sommandosi alle onde dirette possono causare un affievolimento del segnale.

Altri tipi di attenuazione da considerare possono essere quelle dovute ai i cavi collegati alle antenne. Tutti questi fattori di attenuazione vanno aggiunti al denominatore dell'equazione per far si che il risultato dell’equazione sia più verosimile possibile.

E' da evidenziare che essendo le dimensioni dell'antenna correlate con la lunghezza d’onda ( λ ), aumentando la frequenza diminuisce la lunghezza d’onda e quindi si possono utilizzare delle antenne di dimensioni più piccole.