A proposito di ponti radio terrestri: uso degli specchi riflettenti. Con quale materiale sono realizzati, che dimensioni hanno di solito, di quanti dB attenuano il segnale, quante tratte si possono fare con gli specchi e in quale banda sono utilizzati. Il guadagno massimo di una parabola a quanto può arrivare (nella realtà)? Grazie

I ponti radio sono dei collegamenti a microonde punto-punto per trasmettere in modo relativamente semplice e poco costoso (rispetto al collegamento con cavi o fibre ottiche) una grande quantità di informazione, p.es. canali telefonici.

Per avere un’idea delle frequenze, delle potenze in gioco, dei tipi di modulazione vedete l’ottima risposta

In particolari condizioni, per superare ostacoli come colline, o piccole catene montuose, come schematizzato in figura 1 (da [1]),

Figura 1 – Schema di tratta con ripetitore passivo (da [1])

si possono usare dei ripetitori passivi, cioè dei veri e propri specchi per radioonde (figura 2, da [1]).

 

Figura 2 – Uno specchio elettromagnetico (da [1])

 

Un piano di materiale conduttore ideale, cioè perfettamente piano e con conducibilità infinita, riflette perfettamente le onde elettromagnetiche. La conducibilità dei metalli è talmente elevata da non causare apprezzabili perdite per dissipazione. Quello che influisce sulla bontà di uno specchio elettromagnetico è invece la planarità (e il grado di lavorazione della superficie) e come si vedrà l’area.

La rugosità di una superficie influisce sulla bontà di uno specchio se le dimensioni delle imperfezioni sono comparabili con la lunghezza d’onda. Negli specchi ottici (lunghezze d’onda inferiori al micron) la perfezione del piano metallico è importantissima, e il metallo viene ricoperto da una lastra di vetro proprio per proteggere la superficie metallica riflettente.

Per le onde radio un piano riflettente può essere costituito anche da una griglia metallica, purché gli spazi vuoti siano molto più piccoli della lunghezza d’onda λ. Alcune antenne sono costituite da griglie, si veda anche la risposta sulla gabbia di Faraday, in particolare dove viene descritta la riflessione delle onde dai mezzi metallici.

Per quanto detto, supponendo di avere un piano metallico preciso e ben lavorato, l’attenuazione del segnale, cioè la variazione della densità di potenza dell’onda, da poco prima della riflessione a poco dopo è nulla, il segnale viene interamente riflesso.

 

Però ha senso chiedersi di quanto si attenua il segnale dall’antenna trasmittente a quella ricevente, rispetto al caso in cui si trattasse di trasmissione ideale nello spazio libero.

 

La riflessione dello specchio può essere studiata attraverso l’equazione del radar, che infatti sfrutta l’energia riflessa dagli oggetti per misurarne la distanza attraverso la misura del tempo di ritardo tra la trasmissione e la ricezione dell’eco. Il fenomeno è schematizzabile applicando due volte la formula del trasferimento radiativo: la prima tratta è caratterizzata dalla potenza effettivamente trasmessa (PT), dal guadagno in trasmissione (GT), dalla distanza dell’oggetto riflettente (R) e da un’area efficace equivalente (s) che rappresenta la capacità di captare le onde in arrivo (da una direzione) e rifletterle (in un’altra direzione), a questo punto si ha la potenza ricevuta nella prima tratta, che può essere interpretata anche come potenza trasmessa nella seconda tratta (PT‘), caratterizzata dal guadagno in ricezione (GR):

 

l’area efficace equivalente s si chiama radar cross section, ed ha le dimensioni fisiche di un’area. Per una sfera la radar cross section è pari alla superficie della sezione massima, anche se a contribuire alla riflessione è solo una piccola zona della superficie sferica.

Per un piano di area A la radar cross section è

dove α è l’angolo di vista del piano metallico (rispetto alla perpendicolare).Possiamo calcolare la differenza tra le due situazioni di una tratta di ponte radio nello spazio libero ed una con un piano riflettente a metà strada.

P. es. sia PT=1W, R=30km, GT=GR=40dB, f=10GHz, A=100m2

Nello spazio libero si ha:

 

con lo specchio si ha

 

PR=0.125 mW

 

con un’attenuazione di 4.8dB.

 

Per l’attenuazione in dB si può ricavare la formula

dove R1 ed R2 sono le due tratte prima e dopo lo specchio. Si noti che se lo specchio è abbastanza esteso si può avere alla fine un guadagno e non un’attenuazione (è come se avessi un’antenna a riflettore).

 

Per quanto riguarda i guadagni delle antenne a riflettore (in generale di antenne ad apertura) vale la formula
 
dove D è il diametro dell’antenna; il guadagno dipende anche dalla frequenza.

Per un’antenna parabolica per TV via satellite (11GHz), D=1.2m, si ha G=45dB, a cui va tolto qualcosa per le perdite di antenna. Anche le antenne per ponti radio di solito non superano i 40-50dB per problemi di dimensioni e di puntamento.

Per applicazioni radioastronomiche invece si costruiscono antenne enormi (cfr figura 3)

Figura 3 – L’antenna dell’osservatorio di Arecibo da [2]

In questo caso più che di guadagno si parla di potere risolutivo: per l’antenna di Arecibo si ha una risoluzione angolare di 20” (secondi di arco), cioè circa 5 millesimi di grado e corrisponde ad un guadagno G ≈ 90dB!
 

Riferimenti

[1] Stefano Paggi – Progettazione dei ponti radio numerici terrestri

[2] http://leonardodavinci.csa.fi.it/studenti/altrimondi/ricerca/radioastronomia/osservatori.htm