La presenza di conduttività elettrica nell`acqua è la causa fondamentale
dell`estinzione dell`onda elettromagnetica. Alti valori di conduttività,
presenti nell`acqua marina, sono favorevoli per i collegamenti fuori dell`acqua,
poiché l`onda si propaga in superficie come in un conduttore ma sono disastrosi
per il percorso sott`acqua. Minore è la frequenza minore è l`assorbimento,
possiamo affermare che :
La distanza o la robustezza di un collegamento radio sott`acqua a parità
di potenza trasmessa, guadagno antenne, sensibilità ricevitore e conducibilità
dell`acqua, è tanto maggiore quanto è minore la frequenza utilizzata. Il
problema principale è che per tenere il guadagno d`antenna costante le
dimensioni delle antenne aumentano in modo inversamente proporzionale all`abbassamento
di frequenza.
I militari, per comunicazioni verso i sommergibili, usano frequenze
comprese tra 10-15 Khz, VLF (Very Low frequency). Gli americani di recente
utilizzano la frequenza di 76 Hz, ELF
(Extremely Low Frequency)1.
Le potenze in gioco sono dell`ordine di centinaia di migliaia di Watt.
Essendo impossibile realizzare
antenne λ/4 (circa 1000 km)
si usano antenne accorciate.
Sono immerse nel terreno costiero e nonostante le dimensioni di alcuni
chilometri, presentano notevoli perdite (decine di decibel) rispetto al
dipolo isotropico. È come usare un Walkie-Talkie a 27 Mhz
con un`antenna
a stilo lunga 1 cm al posto di quella classica di circa 2 metri.
Sono frequenze d`impiego improponibili, non solo a livello hobbistico,
anche per chi si accontenta di qualche metro di portata. La potenza irradiata può
essere notevolmente ridotta proporzionalmente, ma è impossibile scalare
ulteriormente, a dimensioni ragionevoli, le antenne già ridotte di un
fattore 200 nella realtà. Non sarebbe emesso nessun segnale.
Il problema che si pone ora non è più la conoscenza della frequenza
ottima per realizzare un collegamento robusto (così interpreto il termine
“un ponte radio efficace”), ma diviene il seguente:
“In base alle gamme di frequenze assegnate ai radiocomandi commerciali che
cosa posso ottenere sott`acqua?”
Non ho esperienza di trasmissioni di questo tipo, tuttavia ho fatto,
anche per personale curiosità, alcune considerazioni di carattere generale
e un’analisi molto approssimata che permetterà di fare sperimentazioni
con cognizioni di causa.
Cominciamo con la scelta della frequenza: se vogliamo usare apparati
commerciali la più bassa frequenza disponibile è 27 Mhz2 .
Un collegamento è realizzabile solo se l`attenuazione totale inserita
tra le antenne trasmittente e ricevente è minore del “guadagno complessivo
di sistema” (Potenza trasmettitore, sensibilità ricevitore più guadagno
o perdita delle antenne).
Il guadagno complessivo di sistema è noto con i termini Power budget
o System Gain.
Ad esempio un discreto radiocomando a 27 Mhz che utilizza un`antenna
a stilo di λ/4 per la trasmissione ed un`antenna accorciata per la
ricezione nel sommergibile, può avere 1 Watt (30 dBm)
per la potenza irradiata
e
-80 dBm come valore minimo della potenza3
all`ingresso dell`antenna
di ricezione. Otteniamo un power budget di 110 dB (30-(-80)).
Il
collegamento sarà fattibile solo se la perdita complessiva inserita tra
l`antenna trasmittente e ricevente è minore di 110 dB.
L`attenuazione complessiva α è data dalla somma
(in unità logaritmiche) di tre cause:
Dove chiamiamo:
- αs
la normale perdita geometrica nello spazio libero tra antenna trasmittente
e l`antenna ricevitore sommergibile. - αr
l`attenuazione causata dal fatto che durante l`attraversamento aria/acqua
una parte d`energia viene r riflessa invece che rifratta. - αa la
perdita dovuta all`assorbimento del mezzo nel percorso superficie
dell`acqua-sommergibile.
Attenuazione spazio libero, αs
Per semplicità trascuriamo le perdite del percorso sulla superficie
dell`acqua e consideriamo solo le perdite geometriche nello spazio libero
tra antenna trasmittente e sommergibile. Applicando la seguente relazione:
Otteniamo a 27 Mhz circa 22 dB con Z di 10 metri.
L`attenuazione dello
spazio libero aumenta di 6 dB ad ogni raddoppio della distanza Z. Avremo
quindi 28 dB a 20 metri 34 dB a 40 metri e così via.
Attenuazione per rifrazione, αr
Maggiore è la conduttività dell`acqua maggiore è la perdita per rifrazione.
La perdita diminuisce all`aumentare della frequenza.
Dove f è la frequenza in Hz e σ è la conduttività dell`acqua
in Siemens/m
Consideriamo due valori di σ uno che dovrebbe essere il valore
dell`acqua di lago ed uno massimo per l`acqua di mare di media salinità.
Otteniamo a 27 Mhz una perdita di 14 dB per σ = 0.04 S/m
e 34 dB per 4 S/m. Questa perdita è indipendente dalla
lunghezza del collegamento .
Attenuazione sott`acqua, αa
L`attenuazione dovuta all`assorbimento di un onda elettromagnetica
piana con il campo elettrico che giace sull`asse x e si propaga in un mezzo
dissipativo lungo l`asse z, è data da:
.
Dove z è la profondità in metri.
Ho riportato nel grafico le attenuazioni specifiche per un metro di
profondità, dell`onda elettromagnetica in funzione della frequenza, considerando
che i due valori di conduttività siano uniformi nel volume d`acqua interessato.
Osserviamo che la conduttività dell`acqua ha un effetto dominante rispetto
a tutte le altre grandezze in gioco.
Siamo in grado ora di calcolare la profondità massima del sommergibile
Fissiamo a 20 metri la lunghezza del collegamento (aria+acqua). Le
perdite di spazio libero4
sono di 28 dB, utilizziamo un apparato
a 27 Mhz con un power budget di 110 dB.
I decibel di margine che ci possiamo permettere di perdere in acqua
sono:
.
Dal grafico ricaviamo che la perdita dei due tipi d`acqua sono rispettivamente
di 18 dB/m e 180 dB/m .
Otteniamo le seguenti distanze massime teoriche:
Nell`acqua salata anche decuplicando la potenza trasmessa il beneficio
è di qualche centimetro.
Conclusione: ha poca importanza spendere molto per gli apparati, la
scelta del tipo d`acqua è determinante.
Infine vorrei segnalare il sito della Associazione Modellismo
navigante che ha anche
un settore relativo ai sommergibili:
http://www.nonsolovele.com/FAQ%20SOMMERGIBILI.htm
Note:
- A
questa frequenza la comunicazione è di pochissimi bit ed è utilizzata,
data l’elevatissima capacità di penetrazione delle onde elettromagnetiche,
solamente per avvertire i sottomarini in navigazione a gran profondità
(fino a 100 metri) che è in arrivo una comunicazione in VLF in modo che
questi possano portarsi ad una quota tale da poter ricevere. - In
base al
Piano Nazionale delle Frequenze
le bande
di frequenza per l`uso di radiocomandi sono: 27, 35, 40 e 72 Mhz. -
Il
vantaggio di usare unità logaritmiche è notevole: è sufficiente ricordare
che i dBm sono un modo per esprimere un valore assoluto di potenza, poiché
sono dB riferiti ad 1 mW. - Il percorso in aria sarà uguale a 20 m – la
lunghezza del percorso in acqua.
