Controllo del ricevitore YAESU FRG-8800 con FLDIGI

FLDIGI è un programma sviluppato da David Freese W1HKJ ed altri radioamatori; essenzialmente è un modem che permette di operare via radio con una moltitudine di modulazioni e modi attraverso la scheda audio del PC.

Integra in sé anche un controllo degli apparati via CAT, rendendo completo ed automatico l'utilizzo della radio.

La descrizione ed il funzionamento dell'interfaccia hardware computer - radio è descritta in vari post nel mio blog.

Il programma FLDIGI permette di controllare il ricetrasmettitore oppure il ricevitore attraverso due modalità:

• Controllo via RigCAT;
• Controllo via HamLib.

Controllo via Hamlib

E' la modalità più utilizzata con questo programma. Essa usa la libreria HAMLIB ormai diventata uno standard: praticamente tutti i programmi che permettono il controllo via seriale di una radio ne dispone l'uso, a parte qualche rara eccezione.

Questa libreria interfaccia una notevole quantità di apparati diversi, integra tutti i comandi seriali da inviare alla radio e gestisce le risposte provenienti dalla stessa.

Permette anche il controllo dei più comuni rotori per antenne.

Per la configurazione, si seleziona la radio da controllare, si imposta la porta seriale e tutto dovrebbe funzionare.

Le Hamlib contengono le definizioni per i comandi dello Yaesu FRG-8800 in versione Untested. Ma sfortunatamente, con FLDIGI, non c'è modo di farle andare: il ricevitore non esegue alcun comando.

Controllo via RigCAT

Questa è una modalità personalizzabile. Vengono eseguiti dei file in formato xml, ovvero degli script in eXtensible Markup Language, nei quali vengono codificati tutti i comandi seriali della radio.

Un elenco ufficiale di questi files si trova all'indirizzo https://sourceforge.net/projects/fldigi/files/xmls/, ma qui purtroppo non si trova quello per FRG-8800.

Non resta altro che realizzarne uno.

Programmazione del file RigCAT

Il Rig Control CAT di FLDIGI non è altro che un parser di comandi seriali. Quando si lancia FLDIGI ed è stata configurata una radio con RigCAT, vengono eseguiti, quando richiamati dal software, i comandi inseriti nel file di configurazione xml.

Questo file adopera come formattazione un preciso standard: usa, per separare le singole informazioni, dei TAG del tipo

<tag>comando</tag>

I comandi non sono purtroppo tutti spiegati nel manuale on-line di FLDIGI, ne mancano diversi. L'elenco è disponibile presso l'indirizzo http://www.w1hkj.com/FldigiHelp/rig_xml_page.html.

Manca una descrizione del range di valori applicabili; manca infine soprattutto una descrizione di come questi comandi vengano eseguiti quando si avvia FLDIGI e si controlla una radio con questo metodo.

Per realizzare un file xml, l'autore consiglia di studiarsi i file xml pubblicati per le altre radio, crearlo quindi secondo le proprie esigenze e salvarlo con il nome della nuova radio.

Da quanto ho appreso dal manuale d'uso, fondamentalmente il file xml del RigCAT di FLDIGI è composto da queste sequenze di comandi:

• Inizia sempre con il tag <RIGDEF>;
  
• Una intestazione, con i tag <RIG>, <PROGRAMMER>, <STATUS> e <TITLE>;
• Settaggio porta seriale;
• <MODES>, definizione dei modi;
• <BANDWIDTHS>, definizione della larghezza di banda passante;
• <COMMAND>, un elenco di comandi;
  
• <REPLY>, un parser delle risposte della radio;
• Si chiude con </RIGDEF>.
  

Tra i comandi, vi sono <INIT> per inizializzazione della radio, <SETFREQ> con <SETMODE> per il settaggio di frequenza e modo e <GETFREQ> con <GETMODE> per ottenere la frequenza e modo come risposta dalla radio.

Ci sono pure alcuni comandi per l'impostazione e la lettura della potenza RF, per il set dello squelch e per la lettura dello S-Meter, oltre ad alcuni comandi per il debug.

All'avvio, il programma esegue un <INIT>, seguito da una richiesta di <GETFREQ> e di <GETMODE>.

I valori di frequenza e la codifica del modo restituiti dalla radio vengono letti da <REPLY>.

Se la radio non risponde entro un timeout preimpostato, il parser si ferma e chiude la comunicazione seriale. Quindi, se all'avvio <GETFREQ> non ottiene risposta, oppure <REPLY><FREQ> non restituisce il valore atteso, i comandi sembrano non funzionare più e la radio non reagisce come atteso.

Molto utile è il debug della seriale fornito nel menù Help. Per usarlo, inserire nell'xml dopo <RIGDEF> la stringa

<DEBUG>true</DEBUG>

Sin qui tutto bene, se non altro che l'FRG-8800 ha disponibile solo la linea RX data (Serial Input), vedi il precedente post. Quindi nessuna risposta può pervenire dalla radio. E quindi un file xml impostato in questo modo può non funzionare.

Ma c'è un modo per imbrogliare la lettura dalla radio: ho scoperto che basta istruire il programma in modo che la risposta REPLY contenga un dato a zero byte.

La codifica dei comandi dello Yaesu FRG-8800 è tratta dal manuale utente della radio:

Non è chiaro se il parser xml di FLDIGI preferisca avere come "codice di interruzione di riga" solo il Line Feed LF oppure la sequenza Carriage Return CR seguito da LF. Ho scritto la sequenza di comandi usando il programma gratuito Notepad++, scaricabile all'indirizzo

https://notepad-plus-plus.org/downloads/

ed ho usato la funzionalità testo Unix, che per interruzione di riga mette solo il LF. Il programma FLDIGI funziona sia sotto Windows® che Linux, quindi ci potrebbe essere un problema di compatibilità se l'xml non è scritto secondo lo standard Unix. Non ho verificato.

Possiamo allora scrivere la sequenza di comandi, che sarà la seguente:

        <RIGDEF>

Si inizia con questo tag. Segue poi l'intestazione:

        <RIG>Yaesu FRG-8800</RIG>

        <PROGRAMMER>
         Nome Cognome NOMINATIVO
         Tested by:  NOMINATIVO
        </PROGRAMMER>

        <STATUS>
         Beta
         Version: 1.00
         Date:  17 December 2022
        </STATUS>

        <TITLE>RigCAT - FRG-8800</TITLE>

Al posto degli spazi si può usare la tabulazione. E' importante chiudere sempre il tag aperto con il corrispondente </tag>. Andiamo poi a configurare la seriale:

        <ECHO>false</ECHO>
        <TIMEOUT>2000</TIMEOUT>
        <RETRIES>1</RETRIES>
        <WRITE_DELAY>5</WRITE_DELAY>
        <BAUDRATE>4800</BAUDRATE>
        <RTSCTS>true</RTSCTS>
        <ECHO>false</ECHO>
        <CMDPTT>false</CMDPTT>
        <STOPBITS>2</STOPBITS>
        <RTSCTS>false</RTSCTS>
        <POLLINT>500</POLLINT>

Definiamo qui i modi:

        <MODES>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>LSB</SYMBOL>
          <BYTE>01</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>USB</SYMBOL>
          <BYTE>02</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>CW-W</SYMBOL>
          <BYTE>03</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>CW-N</SYMBOL>
          <BYTE>0B</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>AM-W</SYMBOL>
          <BYTE>00</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>AM-N</SYMBOL>
          <BYTE>08</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>FM-W</SYMBOL>
          <BYTE>04</BYTE>
         </ELEMENT>
         <ELEMENT>
          <SYMBOL>FM-N</SYMBOL>
          <BYTE>0C</BYTE>
         </ELEMENT>
        </MODES>

Non so se questa stringa è obbligatoria; <LSBMODES> dovrebbe includere tutti i modi disponibili nella radio che lavorano in banda laterale inferiore (LSB):

        <LSBMODES>
         <STRING>LSB</STRING>
        </LSBMODES>

Definiamo quindi l'INIT; viene richiamato all'avvio del programma e pone la nostra radio in modalita CAT:

        <COMMAND>
         <SYMBOL>INIT</SYMBOL>
         <SIZE>5</SIZE>
         <BYTES>00 00 00 00 00</BYTES>
        </COMMAND>

Questo comando non è documentato ma permette l'uscita dalla modalità CAT della radio quando si chiude il programma:

 

         <COMMAND>
         <SYMBOL>CLOSE</SYMBOL>
         <SIZE>5</SIZE>
         <BYTES>00 00 00 80 00</BYTES>
        </COMMAND>

 

Questo il comando per settare la frequenza nella radio:

        <COMMAND>
         <SYMBOL>SETFREQ</SYMBOL>
         <SIZE>5</SIZE>
         <DATA>
          <DTYPE>BCD</DTYPE>
          <SIZE>7</SIZE>
          <MAX>29000000</MAX>
          <MIN>150000</MIN>
          <RESOL>10</RESOL>
          <REV>true</REV>
         </DATA>
         <BYTE>01</BYTE>
        </COMMAND>

E di seguito il comando per settare il modo:

        <COMMAND>
         <SYMBOL>SETMODE</SYMBOL>
         <SIZE>5</SIZE>
         <BYTES>00 00 00</BYTES>
         <DATA>
          <DTYPE>BINARY</DTYPE>
          <SIZE>1</SIZE>
          </DATA>
         <BYTE>80</BYTE>
        </COMMAND>

Quindi i comandi fasulli per richiedere la frequenza ed il modo, con la lunghezza della parola a zero bytes:

        <COMMAND>
        <SYMBOL>GETFREQ</SYMBOL>
         <SIZE>0</SIZE>
         <INFO>FREQ</INFO>
        </COMMAND>

        <COMMAND>
         <SYMBOL>GETMODE</SYMBOL>
         <SIZE>0</SIZE>
         <INFO>MODE</INFO>
        </COMMAND>

E come risposta ai comandi fasulli delle reply fasulle:

        <REPLY>
         <SYMBOL>FREQ</SYMBOL>
         <SIZE>0</SIZE>
         <DATA>
          <DTYPE>BCD</DTYPE>
          <SIZE>0</SIZE>
          <MAX>0</MAX>
          <MIN>0</MIN>
          <RESOL>0</RESOL>
         </DATA>
        </REPLY>

        <REPLY>
         <SYMBOL>MODE</SYMBOL>
         <SIZE>0</SIZE>
         <DATA>
          <DTYPE>BINARY</DTYPE>
          <SIZE>0</SIZE>
         </DATA>
        </REPLY>

Per chiudere il file si usa questo tag:

        </RIGDEF>

Non mi è chiaro se questa sintassi sia corretta, ma così per ora funziona. Non sembrano esserci errori durante il debug. Quando poi avrò controllato a fondo il file, vedrò se sarà possibile farlo pubblicare nell'elenco ufficiale. Ogni consiglio sarà ovviamente ben accetto.

Buona sperimentazione!

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• Dove scaricare FLDIGI
• Notepad++
• YAESU FRG-8800 User Manual
  
• Pagina di W1HKJ
• Dove trovare i files xml per FLDIGI
• Manuale di FLDIGI
• eXtensible Markup Language, da Wikipedia 

CAT per Yaesu FRG-8800

 

La possibilità del controllo via computer della radio permette di aggiungere nuove possibilità di utilizzo, soprattutto se si opera con i modi digitali.

E questo vale anche se si tratta di un ricevitore.

La cosa fondamentale è che il ricevitore abbia una porta di comunicazione seriale, UART o USB, che ne permetta il controllo delle funzioni.

Il ricevitore

Il ricevitore è un vecchio ma ancora efficiente Yaesu FRG-8800. E' un ottimo apparato giapponese prodotto tra il 1985 ed il 1993. Copre le frequenze da 150 kHz a 30 MHz e, con l'opzione VHF, da 118 a 174 MHz, in AM (SSB e CW) ed FM.

Ha un'ottima resa sonora, che lo rende adatto all'ascolto del broadcasting.

Completato con il preselettore FRT-7700, permette l'ascolto con antenne filari o dipoli attenuando contemporaneamente i segnali fuori banda e, di conseguenza, possibili intermodulazioni o desensibilizzazione.

Il CAT

Il controllo via CAT fornito da questo apparato è alquanto semplificato. Le specifiche sono piuttosto scarne: dal manuale d'uso si sa che è disponibile un connettore DIN a 6 poli, del quale riporta lo schema:

Di utile ha soltanto l'ingresso dati (SI, Serial IN) e funziona con l'interfaccia proprietaria Yaesu FIF-232:

Non ha nulla di particolare. Ha un convertitore di livelli da RS-232 a UART ed invia questi segnali all'apparato tramite un opto isolatore.

Gli opto isolatori ed i trasformatori di isolamento per i segnali analogici sono fondamentali per evitare i ground loop e proteggere il lato ricevitore da scariche ESD o tensioni pericolose. Quindi, io evito sempre di collegare direttamente il PC a qualsiasi radio, se non usando una interfaccia isolata.

I comandi disponibili sono una manciata. Vi è il controllo della frequenza, del modo, attua l'accensione e lo spegnimento della radio ed ha il comando di inizializzazione ed uscita del modo CAT.

Si sa inoltre che le impostazioni della seriale sono:

• Bit rate 4800 Baud;
• 8 bit;
• Nessuna parità;
• 2 bit di stop;
• Nessun controllo di flusso.

Le scansioni sono prese dal manuale d'uso della radio.

L'interfaccia

Senza voler rifare l'interfaccia originale, che peraltro vuole una RS-232 dal computer, qui si può usare tranquillamente un convertitore USB-UART della FTDI.

Il problema sta infine nella logica dei segnali, se invertiti o meno.

Nella stragrande maggiornaza dei transceiver, la logica dei segnali UART è non invertita rispetto alla RS-232. Generalmente Yaesu implementa la logica invertita.

Per verificare se anche questo ricevitore rispetta lo standard, diamo un'occhiata allo schema elettrico, reperibile sul Service Manual:

Il processore è un Hitachi HD63A05, percisamente la versione a 64 pin. Dal datasheet si scopre che il pin 26 corrisponde a C6/RX, il pin 39 a D6/INT3. Sembra poi che, da come lavora il clock (fronte di discesa), la logica sia invertita.

La traccia in blu arriva all'uscita di uno stabilizzatore 7805, realizza quindi un pull-up per l'ingresso SI attraverso un resistore da 680 Ω.

Dovremmo avere quindi tutto per realizzare l'interfaccia. Il convertitore FTDI è un TTL-232R-5VWE** con uscita su sei fili (ma va benissimo anche la versione a 3 V, usare un resistore da 330 Ω ).

Resistori da 0.25 W tipo SMD package 1206 oppure, se a componenti tradizionali, usare un 2N2222. Il collegamento con il plug DIN va fatto obbligatoriamente con un buon cavo schermato lungo al massimo 30 cm e possibilmente con una ferrite snap-it materiale 46.

La stessa interfaccia, senza il BJT, andrebbe bene per pilotare un Kenwood. Mancherebbe solo la linea TX.

Il segnale, misurato tra il collettore e l'emettitore dell'LVT827 sarà questo:

Non ci sono tarature. Se correttamente costruito, deve andare al primo colpo.

Buon divertimento!

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• Caratteristiche Yaesu FRG-8800 su RigPix
  
• YAESU FRG-8800 User Manual
  
• YAESU FRG-8800 Service Manual
  
• Hitachi HD63A05X0 Datasheet
  
• BC817 Datasheet
  
• LTV-817 Datasheet
  
• TTL-232R-5V-WE Datasheet
  

La propagazione dei segnali radio

 

La propagazione di un'onda elettromagnetica è “tutto quello che avviene ai segnali radio dopo che hanno lasciato la nostra antenna”. E’ in pratica il processo per il quale le onde elettromagnetiche si trasferiscono da un luogo all’altro.

Essa inizia quando mandiamo una corrente attraverso un’antenna. Istantaneamente, un campo elettromagnetico inizia ad irradiarsi attraverso lo spazio, pressappoco alla velocità della luce. Questo campo elettromagnetico ha diverse dimensioni:

• Ampiezza, la forza del campo;

• Direzione;

• Lunghezza d’onda;

• Polarizzazione;

• Velocità.

Nello spazio intergalattico, ovvero nel vuoto, la propagazione assume un aspetto “ideale”. Il vuoto è definito come “un mezzo lineare, isotropico, nondispersivo, omogeneo e non dipendente dal tempo”.

• E’ lineare perchè conduce le onde nello stesso modo lungo il percorso.

• E’ isotropico perchè non ha direzionalità.

• E’ nondispersivo perchè non interessa la polarizzazione dell’onda;

• E’ omogeneo e non dipendente dal tempo perchè ha le stesse proprietà dielettriche nel tempo in tutto il percorso.

In realtà le cose sono un pò più complicate. Lungo la superficie terrestre, e nell’atmosfera, non avremo mai alcun percorso lineare, isotropico, nondispersivo, omogeneo e non dipendente dal tempo disponibile ad alcuna frequenza.

La Terra è una colossale barriera nei confronti della maggior parte dei segnali radio che, una volta lasciata l’antenna, iniziano ad interagire con ogni sorta di ostacolo: dalle molecole d’aria al pulviscolo, agli ostacoli naturali come montagne o alberi, alle costruzioni ed ai fenomeni atmosferici.

Sono due gli elementi essenziali da conoscere per effettuare con successo un collegamento radio:

• La frequenza di lavoro;

• La specifica natura del mezzo attraverso il quale si propagano i segnali.

Le bande di frequenza che abbiamo a disposizione vanno da 137 kHz a 250 GHz; abbiamo quindi uno spettro vasto in cui operare. Il mezzo che dovremo adoperare è tutto ciò che sta tra il suolo e la parte più alta dell'atmosfera terrestre. Avremo quindi diversi modi di propagazione di un'onda elettromagnetica, e questa si propagherà attraverso essi a seconda di diverse condizioni fisiche e della frequenza di lavoro.

I principali modi di propagazione saranno quindi:

• Collegamenti radio in portata ottica;
• Collegamenti radio via riflessione Troposferica e sue varianti;
• Collegamenti radio via riflessione Ionosferica e sue varianti;
• Collegamenti radio per mezzo di Satelliti o Terra-Luna-Terra (EME).

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• M. Burnette, "The fast track to understanding ham radio propagation", © 2018 M. Brunette
• ARRL, "The ARRL Handbook for Radiocommunications", © ARRL 2011
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", © 1979 Franco Muzzio & C. Editore
• M. Martinucci, "Elementi di propagazione ionosferica", © 1993 C&C Edizioni Radioelettroniche
• I. Poole, "Radio Propagation Principles & Practice", © RSGB 2013

Disturbi nella propagazione radio

Evanescenze

Il percorso di un'onda radio può essere perturbato da diversi fattori, tra i quali la riflessione e la rifrazione delle onde elettromagnetiche. Questi generano rotazioni di fase e ritardi nel segnale.

Se nel tragitto esistono più percorsi dovuti a riflessioni, nel luogo di ricezione il segnale risultante sarà la somma vettoriale delle varie componenti.

Questo significa che se arrivano in fase, otterremo un aumento del segnale. Se arrivano in controfase, otterremo invece un annullamento del segnale.

Ostacoli in movimento, riflessioni troposferiche e ionosferiche generano di continuo percorsi che contribuiscono all'effetto dell'evanescenza.

E' sempre possibile il collegamento bidirezionale?

Quando ascoltiamo una chiamata radio, siamo portati alla conclusione che possiamo sicuramente rispondere e venire ascoltati, in pratica che il collegamento radio teoricamente dovrebbe essere possibile.

Talvolta però succede che ciò non è vero.

Banalmente, può essere dovuto alla scarsa efficienza di una o di entrambe le stazioni, come ad esempio una potenza troppo bassa in trasmissione, oppure per la scarsa sensibilità del ricevitore o per l'uso di antenne inadeguate allo scopo.

Il tragitto dei segnali radio potrebbero avere direzioni diverse, oppure anche essere influenzati da diverse condizioni di MUF e LUF rispetto al percorso. Lo strato riflettente potrebbe avere una posizione inclinata rispetto alla superficie terrestre ma anche, nei salti per mezzo dello strato F2, ci potrebbe essere uno strato Es su un estremo del percorso.

Una cosa è chiara: di solito questo avviene quando una delle stazioni corrispondenti è sull'emisfero diurno e l'altra in quello notturno.

 

Disturbi da strato E-sporadico (Es)

Può essere ovvio che cos'è un disturbo nella propagazione. Segnali che normalmente riceviamo o collegamenti ritenuti "facili" non sono fattibili, se non con difficoltà. Ma potremmo notare anche il contrario: riuscire a collegare la stazione "troppo" vicina o "troppo" lontana.

Questo può essere dovito per esempio quando si forma uno strato Es con una MUF elevata. Avremmo un DX facile anche in bande che normalmente risultano chiuse.

Ma per i collegamenti normali, lo strato Es rimane un fattore di disturbo. Questo perchè i segnali, normalmente riflessi da uno degli strati F, vengono deviati ad opera dello strato Es, normalmente più basso, così da accorciare di molto la portata del segnale.

Ne consegue che sono necessari più salti per raggiungere il corrispondente, richiedendo un uso maggiore di potenza di trasmissione. Come se non bastasse, le zone che riflettono il segnale non sono fisse, disturbando la ricezione con fenomeni di fading e distorsione di fase.

Possiamo quindi dire che l'effetto di disturbo dello strato Es dipende dal percorso che fa il nostro segnale.

Per segnali che attraversano l'Equatore, i disturbi si manifestano quasi esclusivamente di giorno e tutto l'anno, poichè nella zona dell'Equatore gli strati Es sono spesso presenti e non influenzati dalle stagioni.

Contrariamente alle zone equatoriali, nelle zone polari gli strati Es sono presenti normalmente di notte; in questo modo i percorsi dei segnali vengono influenzati principalmente durante la notte polare.

Nella zona temperata, essi sono tipicamente stagionali, con i massimi in gennaio, tra maggio e luglio ed in dicembre, di giorno.

Disturbi da attività solare

Questi sono disturbi che si formano quasi senza interruzioni, con intensità molto diverse, colpendo in zone diverse e tempi diversi.

Particolarmente colpiti sono i percorsi dei segnali che attraverso le zone polari durante la notte. Invero, i tragitti alle medie latitudini geografiche sono interessati con minore intensità.

I percorsi dei segnali che attraverso invece la fascia equatoriale sono anch'essi disturbati moderatamente, ma per tutto l'anno.

Tutti questi disturbi si manifestano con un fading più o meno profondo.

Se il fattore di attenuazione dello strato D assume valori molto alti, non riusciremo più ad attraversarlo anche con l'uso di potenze maggiori.

Lo strato D è influenzato da tre disturbi:

• la Sudden Ionospheric Disturbance (SID; tempesta ionosferica);
• due tipologie di Polar Blackout (PB).

La SID si manifesta solo di giorno, colpendo contemporaneamente tutta la superficie esposta. Essa dura da alcuni minuti ad alcune ore: si manifesta improvvisamente e termina in modo lento e progressivo.

Le SID possono chiudere totalmente le bande radio se molto forti, anche se quelle più coinvolte sono le onde medio/corte e le basse onde corte.

I PB invece si manifestano soprattutto durante i massimi di macchie solari, presentandosi diverse volte  al giorno; durante i minimi invece possono passare mesi senza disturbi.

Il primo tipo di PB è piuttosto raro e lo avremo quasi esclusivamente durante i massimi di macchie solari, durando di solito per parecchi giorni.

Il secondo tipo è più frequente e coincide soprattutto con le fasi principali delle aurore polari (in marzo e settembre) e dura da alcune ore fino ad alcuni giorni.

Con i PB si ha la chiusura totale dei collegamenti radio solo se una parte del percorso dei segnali attraversa latitudini piuttosto elevate (60° e oltre).

Le onde lunghe e lunghissime sono un ottimo indicatore di SID e PB, in quanto si ha un forte aumento dell'intensità di campo.

La Grey Line e le onde terrestri

Le onde terrestri consentono normalmente un collegamento radio, su breve distanza, molto stabile. Ma durante le fasi locali dell'alba e del crepuscolo, quando lo strato D si sta formando oppure sciogliendo, coesistono sia le onde di terra che quelle riflesse dalla ionosfera.

Per effetto della somma delle fasi dei segnali che arrivano al ricevitore, ne deriva un'evanescenza più o meno profonda.

Questo effetto è molto sfavorevole, soprattutto nella ricezione delle stazioni commerciali sulle onde medie.

L'effetto Lussemburgo

Questo disturbo della propagazione è stato notato per la prima volta negli anni trenta quando, sintonizzata una stazione francese (Radio Paris), si poteva ascoltare in sottofondo la potente emissione di Radio Lussemburgo, che trasmetteva su di una frequenza alquanto distante dalla prima.

La differenza di frequenza era tale da escludere fenomeni di intermodulazione nel ricevitore stesso.

Da prove effettuate in quegli anni, il disturbo doveva essere causato da fattori esterni al ricevitore.

La causa poi teorizzata è l'interazione non lineare tra il plasma di elettroni negli strati riflettenti della ionosfera e le onde radio.

Quando due segnali a frequenza diversa vengono mescolati da un mezzo non lineare, il risultato è la formazione di diversi segnali a frequenze multiple tra loro dovute al prodotto tra i due.

Questo fenomeno è noto come intermodulazione. E' usato per esempio dai circuiti di conversione nei ricevitori supereterodina, ma è provocato anche dagli stessi quando forti segnali indesiderati "battono in frequenza" con quelli utili, generando sia spurie di modulazione che veri e propri segnali "fantasma" (frequenze immagine).

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• ARRL, "The ARRL Handbook for Radiocommunications", ARRL 2011
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", (C) 1979 Franco Muzzio & C. Editore
• M. Martinucci, "Elementi di propagazione ionosferica", (C) 1993 C&C Edizioni Radioelettroniche
• I. Poole, "Radio Propagation Principles & Practice", RSGB 2013

 

Previsioni di propagazione ionosferica

Le previsioni di propagazione ionosferica sono direttamente correlate all'andamento della meteorologia solare (Weather Forecast).

Nel web si trovano diversi servizi di previsione, gestiti principalmente da enti governativi.

Tutte le informazioni riguardanti la propagazione vengono elaborate e distribuite principalmente dal NOAA e dalla NASA:

http://www.swpc.noaa.gov/communities/space-weather-enthusiasts

Per l'Europa segnalo il sito dell'UKMO:

https://www.metoffice.gov.uk/weather/specialist-forecasts/space-weather

Altri siti, come:

http://www.solarham.net/
http://www.spaceweather.com/
http://www.hamqsl.com/solar.html
http://dx.qsl.net/propagation/

Riportano gli stessi dati, più o meno aggiornati.

I principali dati da tenere in considerazione sono riassunti in questo banner, scaricabile ed utilizzabile dal sito http://www.hamqsl.com/solar.html:

 Come interpretare i dati.

• SFI - Indice di flusso solare

E' un valore riportato dal DRAO (Dominion Radio Astrophysical Observatory) di Penticton, British Columbia, con valori che vanno da 62.5 a 300. Esso indica l'intensità della radiazione solare misurata a 2800 MHz (10.7 cm).

E' una buona indicazione della ionizzazione dello strato F: maggiore è questo numero, più alta sarà la ionizzazione e più alta sarà la MUF.

Viene misurato tre volte al giorno e viene riportata l'ultima misura. L'SFI è correlato al 304A (misura a 304 Angstrom).

• SN - Numero di macchie solare

E' un valore riportato dal NOAA, esso varia da 0 a 250. Il numero giornaliero di macchie solari riportato dal NOAA viene calcolato con la formula [R = k (10g + s)] (Rudolph Wolf, 1848), dove R è il numero di macchie, g è il numero di gruppi di macchie nel disco solare, s è il totale di macchie in tutti i gruppi e k è un fattore di scala variabile (normalmente minore di 1).

SN è vagamente correlato all' SFI. Viene aggiornato una volta al giorno.

• A - Indice planetario A

Sono valori compresi da 0 a 400. Indica il livello di instabilità del campo geomagnetico terrestre. E' la media di otto letture effettuate in tre ore del valore dell'indice K, misurato in nanotesla [nT].

Se usato assieme all'indice K indica l'instabilità del campo geomagnetico: con alti valori di A i segnali HF tendono a calare; alcuni path possono chiudersi mentre altri improvvisamente aprirsi.

Alti valori di K e bassi valori di A indicano invece una breve interruzione della propagazione HF e la presenza di aurore. Viene aggiornato una volta al giorno.

• K - Indice planetario K

Sono valori compresi da 0 a 9. Esso misura il disturbo nella componente orizzontale del campo magnetico terrestre.

I valori sono riportati in nT; viene misurato usando un magnetometro durante un intervallo di tre ore, viene poi convertito in un fattore.

Usato insieme all'indice A, si usa per determinare le condizioni di propagazione. Viene aggiornato otto volte al giorno.

• X-Ray or XRY, 304A, Pnt Flx, Elc Flx - Flusso di particelle

Questi sono valori sempre maggiori di 0. Essi misurano la quantità di particelle, come i raggi X, i protoni, gli elettroni e tiene conto dell'intensità di campo a 304 Angstrom, quindi del flusso e vento solare.

Vengono misurati dai satelliti in orbita polare NOAA, con valori aggiornati ogni ora.

• Aurora, Aur Lat - Aurora e latitudine minima di osservazione

Questo valore riporta la chiusura delle bande per nessuna o bassa attività aurorale: High LAT AUR per attività aurorale > 60 °N; MID LAT AUR per attività aurorale tra 60 ° e 30 °N. Aggiornato ogni ½ ora.

• Bz, SW - Componente Bz e Vento Solare

Bz indica la forza e direzione del campo magnetico interplanetario influenzato dall'attività solare. Quando il valore è negativo, diminuisce il campo magnetico terrestre aumentando l'effetto delle particelle solari.

SW indica la velocità  in km/s delle particelle che attraversano la Terra. Maggiore è tale velocità, maggiore sarà la pressione che esercitano sulla ionosfera. Valori più grandi di 500 km/s impattano nelle comunicazioni HF. Valori aggiornati ogni ora.

 

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• M. Burnette, "The fast track to understanding ham radio propagation", (C) 2018 M. Brunette
• ARRL, "The ARRL Handbook for Radiocommunications", ARRL 2011
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", (C) 1979 Franco Muzzio & C. Editore
• M. Martinucci, "Elementi di propagazione ionosferica", (C) 1993 C&C Edizioni Radioelettroniche
• I. Poole, "Radio Propagation Principles & Practice", RSGB 2013

Collegamenti radio in portata ottica

L'orizzonte radio

Quando si parla di “linea di vista”, si immagina che tutto ciò che sta oltre l'orizzonte visibile terrestre non possa essere veduto. Questo, per nostra fortuna, non è vero in quanto i segnali radio, oltre l’orizzonte ottico, vengono diffratti ottenendo un aumento di portata del 15 % rispetto alla luce.

Le onde radio viaggiano in tutte le direzioni. Prendendo quella in particolare tra due punti, essa diventa una linea retta.

Altra caratteristica fondamentale: le antenne devono vedersi dal punto di vista radio; il limite si è visto che è un pò più in là dell'orizzonte ottico. E più sono in alto, più lontano sarà l'orizzonte coperto.

Aumentando l’altezza delle antenne, si ottiene in corrispondenza un aumento della portata. L'orizzonte radio è dato dalla formula:

dr = 4.12 x √h

Dove:

• dr = distanza radio in [km]

• h = altezza delle antenne in [m] (somma)

Due portatili, a un metro e mezzo di altezza, daranno una portata massima teorica di circa 7 km. Questo perchè si andrà a creare una zona d'ombra via via che ci allontaneremo, oltre l'orizzonte radio.

 

Scatter terrestre e Multipath Fading

Sulla terraferma ci saranno inoltre molti ostacoli attorno a noi che potranno riflettere in modo caotico i segnali a frequenza molto alta (dalle VHF in su). Minore sarà la lunghezza d’onda, maggiore sarà l’effetto di riflessione.

Queste riflessioni creano dei percorsi multipli che, una volta arrivati al ricevitore, si sommano vettorialmente causando evanescenze e distorsioni del segnale.

Minore sarà la lunghezza d’onda e maggiore sarà l’effetto di riflessione.

 

Zona di Fresnel

Non ci devono essere tuttavia ostacoli tra le due antenne, neanche nelle immediate vicinanze: la loro presenza attenua, anche fortemente, il segnale a causa delle rifrazioni e conseguente generazione di multipath fading.

Si definisce zona di Fresnel la zona a forma di ellisse tra le due antenne dove le riflessioni delle onde radio non sono fattore di disturbo nella propagazione del segnale. Si calcola con la formula

Rf = ½ √λd x 0.6

dove Rf è il raggio visto alla distanza d dall'antenna più vicina.

 

Diffrazione “knife edge”

Un altro fenomeno della propagazione è la diffrazione a lama di coltello (knife edge diffraction).

E’ noto, sin dagli studi di Huygens nel 1600, che la luce si diffonde oltre uno spigolo secondo uno schema di interferenza. Essa è legata alla zona di Fresnel e crea, oltre all’ostacolo dello spigolo, una zona dove la ricezione può essere ancora possibile.

E’ evidente che molta parte del segnale viene persa, ma una situazione di questo tipo può risolvere o spiegare problemi di collegamento dovuti ad ostacoli.

 

Link Budget

Chi lavora con moduli radio ricetrasmittenti ha a che fare con un dato, reso dal costruttore, che è il Link Budget. Esso è la differenza, in decibel, tra la potenza massima trasmessa e la sensibilità del ricevitore, antenne e cavi compresi.

Si ricava con la formula:

Link Budget = Ptrasm1 + Gant1 + Gant2 - Sens2

dove:

• Ptrasm1 = Potenza del trasmettitore in dBm;

• Gant1 = Guadagno dell'antenna trasmittente in dB;

• Gant2 = Guadagno dell'antenna ricevente in dB;

• Sens2 = Sensibilità del ricevitore in dBm.

 

L'attenuazione di tratta

Il segnale deve percorrere una certa tratta in aria per arrivare dal trasmettitore al ricevitore. Ed in questo percorso subisce una attenuazione, la cosiddetta attenuazione di tratta.

Si calcola matematicamente con la formula di Friis:

At = 32.4 + 20 Log10(f) + 20 Log10(Dr)

dove:

• At = Attenuazione di Tratta in dB

• f = Frequenza in MHz

• Dr = Distanza in km

 

Questo in teoria, ma in pratica?

Mettendo insieme questi dati potremo così stimare la nostra copertura radio. Si dovrà tuttavia tener conto anche di:

• rumore;

• condizioni meteorologiche.

Il ricevitore aggiunge all'ascolto del rumore termico quando è connesso ad una antenna. Rumore generato dai componenti elettronici e dall'antenna stessa, magari emesso da dispositivi elettronici nelle vicinanze o dall'apparecchiatura ricevente stessa, dovuto a fenomeni atmosferici, rumore galattico prodotto nel profondo spazio (QRN), oppure generato artificialmente (QRM).

Questo va a sommarsi al segnale utile ricevuto, diminuendo la sensibilità del sistema, e quindi anche la portata. Potrebbero aggiungersi all'attenuazione di tratta, ovvero togliersi dal link budget, anche 20 o 30 dB.

Anche la presenza di pioggia, neve, temporali o grandine potrebbe influire, attenuando o talvolta rafforzando il segnale, condizionando così la portata stessa.

Rimanendo entro la copertura radio delle antenne, sottraendo quindi al link budget prima calcolato l'attenuazione di tratta e tenuto conto del rumore e dei disturbi di propagazione, ciò che rimane è il segnale utile. Se si tratta di fonia analogica, ci devono essere almeno 12 dB positivi rispetto alla sensibilità del ricevitore. Se stiamo al di sotto di questa soglia, riceviamo solo fruscio.

 

Cosa fare per aumentare la portata?

Con la potenza a disposizione fissa e la sensibilità non modificabile, potremo agire sugli altri dati.

• Antenne. Usiamo antenne migliori, magari con un certo guadagno. Almeno 3 dB di guadagno iniziano a fare la differenza. Con 6 dB raddoppiamo la portata.

• Posizione delle antenne. Se sono in vista, devono stare nella stessa posizione (polarizzazione): verticale. In presenza di riflessioni, si dovrà trovare la posizione ottimale.

• Posizione degli operatori. Spostiamoci più in alto, quadruplicare l'altezza significa raddoppiare la portata.

• Sfruttiamo eventuali riflessioni. Sono aleatorie, vanno trovate sperimentalmente.

• Agendo sulla potenza non otterremo un granchè. Al massimo i portatilini potrebbero dare 8...10 W. Per ottenere un raddoppio della portata, dovremmo quadruplicare la potenza (6 dB). Altrimenti otterremo solo un inutile consumo maggiore di batterie.

• Usare la fonia analogica piuttosto che il digitale. Un canale analogico permette una sensibilità maggiore rispetto ad uno digitale, almeno come quantità di errori ricevuti. Meglio un segnale comprensibile con fruscio che uno comprensibile a tratti.

• Usare una larghezza di banda inferiore. Magari operare in NFM (modulazione di frequenza a banda stretta, ovvero a più bassa deviazione di frequenza e canale più stretto) può aiutare.

Tutto questo ovviamente senza sfruttare eventuali fenomeni di propagazione troposferica, come inversioni termiche e presenza di duct più o meno grandi.

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• Silicon Labs Si4464-63-61-60 Sub GHz RF Transceiver
• A. Barter, "International Microwave Handbook", RSGB 2008
• ARRL, "Antenna Book", 21st Edition
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", F. Muzzio & C Editore
• S.W. Best, "Il vademecum DX", F. Muzzio & C Editore
• I. Poole, "Radio propagation", RSGB 2004

DX via Ionosfera

Abbiamo visto sinora come si propagano le onde radio, tra punto e punto e nella parte bassa dell'atmosfera. Tali collegamenti non superano però i 500 km, solo eccezionalmente anche i 2000 - 3000.
Le frequenze in gioco spesso sono oltre i 50 MHz, frequenze più basse praticamente non risentono dell'effetto troposferico.

Ora vedremo come si possono realizzare collegamenti radio praticamente in tutto il globo, sfruttando la parte alta dell'atmosfera terrestre, la ionosfera.

La ionosfera terrestre

In questo tipo di propagazione, ci sono quattro grandi e complessi sistemi che interagiscono tra di loro:

• Il Sole;

• Il campo magnetico terrestre;

• La bassa atmosfera;

• La ionosfera stessa.

La ionosfera è la seconda parte più grande dell’atmosfera terrestre, dopo la esosfera che è la transizione verso lo spazio esterno.

Essa va da un’altezza di 40 km fino a circa 1600 km. L’aria è molto rarefatta e le relative molecole sono molto distanti tra di loro.

La parte più bassa della ionosfera è 1.000.000 di volte meno densa rispetto all’aria che respiriamo.
Tra i 60 ed i 400 km di altezza, l'atmosfera terrestre assume particolari condizioni fisiche, tra le quali l'estrema rarefazione dei gas, l'aumento repentino della temperatura e la ionizzazione delle molecole presenti, dovuta all'azione delle particelle energetiche provenienti dal Sole.

In questa parte dell'atmosfera avvengono fenomeni come le aurore e le scie luminose delle meteore.

Il Sole bombarda costantemente la Terra con radiazioni elettromagnetiche, dall’infrarosso fino ai raggi X e gamma. La parte di radiazione ionizzante (raggi ultravioletti, X e gamma) è sufficientemente energetica da ionizzare le molecole di aria incontrate. 

Queste molecole ionizzate, gli ioni, tendono fondamentalmente a perdere elettroni.

A causa della ionizzazione di questi strati di atmosfera, la radiazione ionizzante viene assorbita e non arriva fino a noi. Gli elettroni si trovano in un ambiente molto rarefatto, e la loro ricombinazione è molto bassa. Si viene a creare così un ambiente ricco di elettroni.

Avremo così, a diverse quote, diversi strati ionizzati riflettenti a diverse ore del giorno, stagioni e cicli solari.

Collegamenti via ionosfera

I collegamenti DX nelle onde medio/corte e corte e talvolta anche nelle onde ultracorte più lunghe si verificano mediante riflessioni del segnale sugli strati ionizzati della ionosfera. Sono noti quattro strati riflettenti, ma solo tre hanno caratteristiche utili alla riflessione dei segnali radio:

• strato E a 100...115 km di altezza

• strato F1 a circa 160 km di altezza

• strato F2 a circa 210...420 km di altezza

Il quarto strato, lo strato D, non possiede caratteristiche di riflessione o rifrazione; attenua invece le frequenze più basse. Si trova tra i 60 ed i 90 km di altezza.

Tutti questi strati sono dovuti all'irradiazione solare, quindi la presenza degli strati dipende dall'ora del giorno.
 
Gli strati E ed F sono presenti esclusivamente di giorno ed il massimo della loro efficacia è attorno al mezzogiorno locale.

Contrariamente, lo strato F2 è attivo sia di giorno che notte, nonostante sviluppi la sua massima efficacia durante il giorno, con il massimo un pò dopo il mezzogiorno locale. Ha una marcata dipendenza dalla stagione con un massimo dell'attività nei mesi invernali.
 
Lo strato attenuante D appare solo di giorno con il massimo dell'attività a mezzogiorno.

L'efficacia degli strati nei confronti della propagazione è legata alla frequenza delle macchie solari, che segue un ciclo di circa 11 anni (da 9 a 13 anni). Quando viene raggiunto il picco di macchie solari il DX è maggiormente favorito. La frequenza delle macchie solari è indicata come numero relativo di macchie solari (R).

Il tasso di ionizzazione non è costante in tutta la ionosfera. Il livello di questa attività elettrica è direttamente legato all’ora del giorno, dalla stagione e dall’attività solare; molto importante è il livello di macchie solari ed il flusso solare (Solar Flux).

Il rateo di ricombinazione è costante ad una data altitudine, dato che è legato alla densità dei gas. I processi presenti sono due: ionizzazione e ricombinazione.

Durante il giorno prevale la ionizzazione, durante la notte la ricombinazione. Più basso è lo strato, più veloce sarà la ricombinazione.

I massimi sinora registrati si aggirano sui 360 (19° ciclo). Le misurazioni risalgono dal 1750; nel periodo, sino ai giorni nostri, sono stati registrati dei minimi e dei massimi.
Attualmente siamo entrati nel 25° ciclo.

Diversi siti web diffondono regolarmente bollettini sulle condizioni DX. Un sito importante è quello del NOAA, "SPACE WEATHER PREDICTION CENTER". Vengono emessi regolarmente bollettini del meteo solare, corredati di immagini e grafici.

Quali frequenze usare?

Il numero di elettroni liberi determina il valore della minima frequenza usabile (LUF, Lowest Usable Frequency). Al di sotto di questa frequenza i segnali non verranno rifratti verso il suolo, ma si perderanno nello spazio.

La massima frequenza usabile (MUF, Maximum Useable Frequency) è la più alta frequenza che sarà rifratta con certe condizioni di propagazione ed un dato angolo di incidenza del segnale (takeoff).

Tutti i segnali con frequenza maggiore alla MUF attraverseranno lo strato,  proseguendo verso lo spazio esterno.

La Frequenza Critica (CF, Critical Frequency) è in relazione alla densità di elettroni liberi presenti. E’ la massima frequenza dei segnali provenienti verticalmente dal basso che sarà riflessa dallo strato.

La frequenza critica, considerando le sue oscillazioni legate al passare delle ore del giorno e della stagione, si trova per lo strato E sui 2...4 MHz, per lo strato F1 sui 3...6 MHz, e per lo strato F2 sui 3...14 Mhz.

La frequenza critica non è generalmente uguale alla MUF, ma ne è legata. Il valore della MUF è maggiore rispetto a quello della frequenza critica poiché l’onda arriva sempre con un angolo inferiore a 90°.

La frequenza di lavoro ottimale (OWF, Optimal Working Frequency) è circa l'85% dell'effettiva MUF corrispondente ad un certo angolo d'irradiazione.

Per ogni strato si calcola la LUF e la MUF; teoricamente solo nel tratto compreso fra questi due limiti di frequenza è possibile il collegamento DX, tenendo conto che i segnali riescono ad attraversare due volte lo strato attenuante D, vengono riflessi da uno degli strati E e/o F, e giungono al ricevitore con sufficiente intensità di campo.

La LUF, infine, è limitata solo dallo strato attenuante D. Essendo questo strato presente solo di giorno, la LUF limita la propagazione soltanto nelle ore diurne.

La LUF può avere valori di 10...15 MHz, ma dipende notevolmente dalla potenza di trasmissione. Con un aumento di potenza è possibile abbassare la LUF verso frequenze più basse, ovviamente entro certi limiti.

Con circa 100 W di potenza, essa si aggira attorno ai 5...8 MHz; con una potenza dieci volte maggiore può essere ulteriormente abbassata fino alla metà circa; i valori dipendono a seconda dell'attività solare.

Per valori inferiori di LUF l'unico collegamento possibile è quello per onde terrestri.

Come già detto, i valori di LUF - CF e le condizioni di propagazione ad esse collegate sono riferiti a tragitti verticali del segnale, non utili per un collegamento. Abbassando l'angolo di emissione del segnale, in corrispondenza, la MUF cresce sempre più.

Questo spiega come, nella pratica, si possano effettuare dei DX anche con frequenze superiori alla frequenza critica. Con angoli di irradiazione prossimi allo zero, la MUF può essere da tre a cinque volte il valore della CF.

Quindi, quanto più piatto è l'angolo d'irradiazione, tanto più alta può essere la frequenza di esercizio.

Lo svantaggio nell'avere  un angolo di irradiazione basso o piatto sta in una zona d'ombra (skip) molto grande, nella quale il segnale non può essere ricevuto. Aumentando la frequenza, la zona d'ombra si estende sempre di più.

La portata per riflessione dei segnali dipende dall'altezza degli strati e dell'angolo d'irradiazione. Per più di un salto basta calcolare il relativo multiplo.

Tuttavia bisogna tener conto del fatto che l'angolo d'irradiazione del segnale è strettamente collegato con l'angolo d'irradiazione dell'antenna, che generalmente è attorno ai 15° di elevazione.

Le portate per riflessione singola in pratica vanno raramente oltre i 2500 km. Le distanze maggiori si ottengono solo per mezzo di riflessioni a doppio o multiplo salto.

In teoria, per poter ricevere un segnale, la polarizzazione delle antenne deve essere la stessa, sia dal lato TX che RX. In realtà, a causa delle rotazioni di fase e di polarizzazione dovute alle turbolenze negli strati riflettenti e alle riflessioni multiple dovute agli ostacoli, non ha importanza come viene polarizzata l'antenna.

E sporadico

Lo strato E si forma ad un'altezza di 100 km. Occasionalmente e limitatamente, viene a formarsi uno strato riflettente che agisce sino alle frequenze in banda 2 metri.

A causa della sua comparsa non prevedibile, viene chiamato strato E sporadico (Es).

Sembra sia legato all’attività degli sciami meteorici, non dimostrando una correlazione con l'attività solare.

Mostra comunque un andamento annuale e giornaliero, con dei massimi tra i mesi di maggio e luglio, dicembre e gennaio, in particolar modo nella tarda mattinata e nelle prime ore serali.

Ogni anno circa 50.000 tonnellate di meteore impattano nell’atmosfera terrestre. La maggior parte ha dimensioni inferiori ad un granello di sabbia, ma almeno 80.000 di questi “sassolini” superano il peso di 10 grammi.

Le meteore entrano nell’atmosfera superiore (meteoriti) ad una velocità tra 7 e 70 km/h. Ognuna di queste meteore lasciano una traccia di gas ionizzati, presenti prevalentemente all’altezza dello strato E.

L’aumento di ioni di gas e di particelle metalliche rilasciate dalla scia delle meteoriti favorise la riflessione di segnali in banda 10, 6 e 2 metri.

La ricombinazione nello strato E è particolarmente veloce, così la possibilità di collegamento dura da alcuni secondi ad alcuni minuti.

Propagazione aurorale

La Terra può essere considerata come un enorme magnete, le cui linee di forza percorrono lo spazio esterno (atmosfera) dal polo nord al polo sud. Queste linee di forza vengono perturbate da altri campi magnetici, in particolare dal vento solare. Tali linee di forza costituiscono la magnetosfera.

In condizioni di quiete, solo poche particelle del vento solare (protoni ed elettroni) penetrano nell’atmosfera. Esse tendono ad essere catturate dai poli magnetici terrestri. Nelle fasi di intensa attività solare, la velocità del vento aumenta ed il numero di particelle pure.

La magnetosfera cambia così forma, generando una apertura (cusp), nella quale viene catturata la maggior parte delle particelle solari, il campo elettrico terrestre ne aumenta la velocità generando le spettacolari aurore polari.

Essendo così la ionosfera nei pressi dei poli ricca di elettroni, la propagazione dei segnali ne viene influenzata. Si ha così una cancellazione totale dei segnali in HF nei percorsi sopra ai poli, i collegamenti sono quindi limitati solo a particolari latitudini.

Per frequenze dai 6 ai 2 metri invece si ha una intensa riflessione, consentendo collegamenti anche oltre i 1000 km.

Propagazione transequatoriale

La propagazione transequatoriale (TEP, Trans-Equatorial Propagation) è una speciale forma di propagazione che avviene tra le medie latitudini, approssimativamente alla stessa distanza nord-sud relativa all’equatore.

L’equatore magnetico non è sovrapposto a quello geografico, così come i poli magnetici non corrispondono a quelli geografici.

Non sono noti i meccanismi di questo tipo di propagazione. Essa avviene nel tardo pomeriggio e sera ed è massima nei periodi di massimo solare. Le frequenze coinvolte sono nella banda dei 6 metri, ma alla sera lavorano bene anche quelle dei 2 metri e 70 cm.

La portata dei segnali varia tra i 300 ed i 7500 km ed è maggiore la sera.

Il DX in pratica

Con queste nozioni possiamo dedurre che:

• Le bande dei 160 ed 80 metri sono tipicamente notturne, attive solo quando manca lo strato attenuante D. I segnali possono raggiungere l'unico strato riflettente F2. Le migliori possibilità di DX si trovano nelle lunghe notti invernali, dove il traffico avviene lungo l'emisfero notturno della terra. Le migliori condizioni le possiamo trovare nei periodi di numeri relativi bassi, poichè abbiamo un rumore di fondo dovuto a fenomeni atmosferici minore. La zona d'ombra quasi non esiste.

• Le bande degli 60 e 40 metri si comportano grosso modo nello stesso modo. Occasionalmente si possono effettuare buoni collegamenti anche di giorno. La zona d'ombra ha fino a 200 km di raggio.

• La banda dei 30 metri ha caratteristiche simili alle bande più basse, ma di giorno le possibilità di collegamento sono migliori. Già qui durante l'alba e il crepuscolo troviamo ottime occasioni per collegamenti a lunga distanza, poichè i segnali si trovano a percorrere la parte buia della superficie terrestre. La zona d'ombra si fa molto estesa.

• Le bande dei 20, 17 e 15 metri sono onde prevalentemente diurne, ma che si propagano bene anche di notte durante i massimi di macchie solari ed in particolar modo all'alba ed al crepuscolo, nella cosiddetta grey zone. La zona d'ombra ha spesso più di 1000 km di raggio.

• Le bande dei 12 e 10 metri sono attive solo nei massimi di attività solare, quando è possibile effettuare collegamenti con tutto il mondo. I segnali sono tipicamente diurni. La zona d'ombra diventa molto grande se non intercontinentale.

Ovviamente questi consigli sono del tutto generali, in quanto ci possono essere spesso variazioni anche notevoli nella propagazione, dovuti per esempio a tempeste solari e perturbazioni geomagnetiche.

Si può ricordare come regola generale:

• Sotto i 10 MHz (30 metri) i collegamenti sono generalmente notturni, tra stazioni poste nella zona buia del globo.

• Sopra i 10 MHz e generalmente fino ai 30 MHz i collegamenti sono generalmente diurni, tra stazioni poste nella zona illuminata del globo, anche se il segnale deve compiere un tragitto maggiore rispetto alla distanza effettiva delle stazioni (long path).

 73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• ARRL, "The ARRL Handbook for Radiocommunications", ARRL 2011
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", (C) 1979 Franco Muzzio & C. Editore
• M. Martinucci, "Elementi di propagazione ionosferica", (C) 1993 C&C Edizioni Radioelettroniche
• I. Poole, "Radio Propagation Principles & Practice), RSGB 2013
  
• M. Burnette, "The fast track to understanding ham radio propagation", (C) 2018 Michael Burnette

 

DX via Troposfera

L'atmosfera dove respiriamo

La troposfera è lo strato d'aria dell'atmosfera situato tra il suolo terrestre ed un'altezza che, alle nostre latitudini geografiche, arriva circa sino a 11 km di quota.

All'Equatore si estende fino a 18 km, ai poli arriva a 6; l'altezza non è quindi uguale a tutte le latitudini.

Nella troposfera avvengono tutti i fenomeni meteorologici che noi percepiamo direttamente, come vento, pioggia, fulmini, grandine, neve, bel tempo.

La temperatura media è attorno ai 20 °C. Essa decresce con l'aumentare della quota, in teoria, quando l'aria è mescolata in modo uniforme. L'umidità relativa dell'aria dovrebbe fare lo stesso. Dove la temperatura raggiunge quello che si chiama punto di rugiada (dew point) si formano le nuvole.

L'inversione termica

Nella realtà però questo non avviene, a causa della stratificazione delle masse d'aria, specialmente quando siamo in presenza di alte pressioni anche estese, caratterizzate normalmente da bel tempo e calma di vento.

In questi casi, l'aria si stratifica in aree più calde, secche e leggere poste sopra ad aria fredda ed umida, quindi più pesante. Tra le due masse d'aria la temperatura e l'umidità cambiano bruscamente creando il fenomeno dell'inversione di temperatura.

Nella zona di inversione di temperatura viene impedito il moto ascensionale delle correnti. Il fenomeno si verifica in modo particolare in autunno ed in inverno. In particolare, in inverno, si vedono i fumi dei camini che tendono a ridiscendere al suolo e la nebbia è spesso presente.

Propagazione via inversione termica

Quando i segnali radio colpiscono la zona di inversione, essi vengono rifratti verso la superficie terrestre. Si tratta dunque di un fenomeno molto simile al DX ionosferico.

Le portate per riflessione ottenibili dipendono dall'altezza dell'inversione e dall'angolo verticale d'irradiazione dei segnali. Le quote di inversione variano dai pochi centimetri agli 8 km.

Le inversioni termiche esplicano il loro effetto dai 20 fin oltre i 100 MHz; la polarizzazione dei segnali è sostanzialmente orizzontale con angoli di irraggiamento pressochè piatti.

E' sufficiente un'altezza delle antenne di 2 o 3 lunghezze d'onda; questo vuol dire, per la banda dei 2 m, circa 4...6 m.

Con le inversioni a quote maggiori, si otterrebbero teoricamente portate per salto singolo di circa 800 km. Nella pratica, un'inversione termica si può formare a qualsiasi altezza, quindi salti di 300 km sono la norma. Serve però una potenza di trasmissione bassa: stazioni QRP con antenne semplici, quali un dipolo con un elemento passivo, possono realizzare ottimi DX.

Un collegamento DX per inversione termica si riconosce da una lento QSB poco accentuato.

Propagazione via "duct" troposferico

Se l'inversione termica si fa molto estesa, soprattutto sopra i mari ed i grandi laghi, ci possono essere rifrazioni multiple dei segnali radio; la propagazione avviene per salto doppio o multiplo.

Questo perchè si viene a creare una sorta di guida d'onda tra la superficie terrestre e lo strato di inversione (duct).

Per poter funzionare, ci deve essere tra l'inversione e la superficie terrestre una altezza di almeno cinquanta volte la lunghezza d'onda impiegata, ovvero per i segnali a 144 MHz si parla di almeno 100 m.

Con il duct troposferico si possono superare distanze di 1000 km, non è tuttavia raro arrivare e superare anche 2000 km.

Il percorso del segnale è condizionato dalla presenza di turbolenze e dai salti multipli, quindi gran parte della potenza trasmessa viene dispersa. In questi casi sono necessarie antenne ad alto guadagno e particolare cura deve essere posta alla sensibilità del ricevitore.

Propagazione via "scatter" troposferico

Lo scatter troposferico (tropo-scatter) è generato da turbolenze al limite superiore della troposfera che provocano di continuo inversioni termiche.

Esso è possibile in qualsiasi momento della giornata. Servono comunque potenze elevate ed antenne ad alto guadagno e direttività. Si ottengono con questo modo di propagazione portate che arrivano fino a 300 km, occasionalmente fino a 500 e raramente raggiungono i 1000 km.

Le frequenze utilizzabili vanno dalla gamma dei 2 m a quella dei 70 cm. I segnali scatter sono riconoscibili da profonde evanescenze.

Altre forme di propagazione troposferica

Ci sono altre forme di propagazione troposferica, riconducibili tutte a fenomeni meteorologici e coinvolgenti le frequenze dai 30 MHz in su:

• Rain scatter: la fitta pioggia (rain) sotto una nube temporalesca (come rovesci o downburst) funge da riflettore per le onde radio a frequenze UHF e superiori.

• Hail scatter: è simile al rain scatter, ma è formato da grandine (hail).

• Sleet scatter: qui è il nevischio (sleet) che riflette i segnali radio.

• Lightning scatter: in teoria è possibile usare la ionizzazione dovuta ai fulmini (lightning) per riflettere i segnali radio.

• Aircraft scatter: gli aerei (aircraft) in volo possono riflettere segnali dalle basse VHF in su. Sono note riflessioni pure per segnali al di sotto dei 30 MHz.

Conoscere la meteorologia per programmare un DX via troposfera

Per praticare il DX troposferico, bisogna essere a conoscenza di alcuni elementi di meteorologia. Da qui si accede al mio sito meteorologico, dove ottenere interessanti informazioni sul tempo in real time.

Ausili come le carte meteorologiche ed i bollettini MeteoMar possono costituire un validissimo orientamento. Anche la ricezione di stazioni televisive analogiche (TV-DX, ormai raro) e broadcasting in banda 87 - 108 MHz FM può indicare buone possibilità di DX.

Infine, con la ricezione dei satelliti polari APT (i vari NOAA), facilmente realizzabile con un PC ed un ricevitore VHF aeronautico o il classico dongle RTL-SDR, si ha la possibilità di formulare semplici previsioni meteorologiche; questi satelliti operano nella gamma 137... 138 MHz.

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• ARRL, "The ARRL Handbook for Radiocommunications", ARRL 2011
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", (C) 1979 Franco Muzzio & C. Editore