Onde Elettromagnetiche ed Antenne, concetti fondamentali di Fisica

Onde Elettromagnetiche

Che cos'è il campo elettromagnetico

La trasmissione radio sfrutta la possibilità di comunicare a distanza tramite l'irradiazione di onde elettromagnetiche (che abbrevieremo con e.m.) ottenute mediante antenne trasmittenti che trasformano (o meglio trasducono) i segnali elettrici che contengono le informazioni che vogliamo trasmettere. Queste onde e.m. si propagano nello spazio e possono essere ricevute e riconvertite in segnali elettrici da antenne riceventi. Ma cosa sono queste onde e.m .?

Il meccanismo di generazione e propagazione delle onde e.m. è abbastanza complicato e la sua spiegazione richiederebbe una formulazione matematica troppo complessa. Possiamo comunque tentare di descriverlo qualitativamente accennando a qualche concetto.

Sappiamo che se un filo conduttore viene attraversato da corrente attorno al conduttore si genera un campo magnetico. Se la corrente è variabile il campo magnetico generato è anche lui variabile. Questo campo magnetico variabile induce un campo elettrico variabile che provoca a sua volta un campo magnetico variabile e ..... così via.

E2 E1 E1 E2 H1 fig.1.1

Possiamo quindi dire che le onde e.m sono costituite della continua concatenazione di due elementi ( che variano e che non sono separabili) che sono il campo elettrico (campo vettoriale di modulo E) ed il campo magnetico (campo vettoriale di modulo H). Per semplificare ulteriormente consideriamo una particolare onda, chiamata onda polarizzata linearmente. Consideriamo il caso rappresentato nella fig.2. In questa onda il vettore E oscilla sempre in un piano (y, z) mentre il vettore H oscilla sempre in un piano (x, z) perpendicolare a quello di E. L'onda e.m. risultante da questa combinazione di campi si propaga lungo la direzione z, perpendicolare al piano (x,y) individuato dai due precedenti vettori.

Nel vuoto l'onda e.m. si propaga con la velocità della luce (indicata con "c" e pari all'incirca a 300000 Km/s) mentre nell'aria la sua velocità si riduce di circa 1%. Inoltre durante la sua propagazione l'onda e.m. trasporta energia che verrà "prelevata" dall'antenna ricevente.intensità di E Ey Z H x direzione di propagazione intensità di H fig.2.1

Consideriamo l'onda e.m. ottenuta da campi E ed H varibili sinusoidalmete. Se consideriamo un istante di tempo ( immaginiamo di poter fotografare l'onda e.m.) avremo una coppia di campi sinusoidali come rappresentato nella fig.2 in cui si vede che il valore di questi due campi (rappresentati dalla lunghezza dei vettori) varia in funzione della posizione (indicata dall'asse z) in cui ci troviamo. Allo stesso modo se ci fermiamo in un punto dello spazio e osserviamo come cambiano i due campi col passare del tempo otteniamo quanto riportato nella fig.3.

T intensità di E E +t H intensità di H fig.3.1

Nella fig. 2 è indicata la lunghezza d'onda (indicata con A e che si misura in metri) che rappresenta la distanza percorsa dall'onda e.m. in un tempo pari al suo periodo e che può essere calcolata con la seguente formula:

1 == = C.T

Nella fig.3 troviamo indicato il periodo T dell'onda e.m. che ci dice ovviamente che in ogni punto il valore del campo elettrico e del campo magnetico si ripetono nel tempo con frequenza f = 1/T (abbiamo considerato campi variabili sinusoidalmente e quindi periodici).Per poter proseguire in questa analisi delle caratteristiche fondamentali delle onde e.m. e della loro propagazione dobbiamo introdurre due concetti:

• Spazio libero: è lo spazio ideale (non esiste nelle vicinanze della terra) in cui non si hanno interferenze né sulla irradiazione né sulla propagazione delle onde e.m.
• Sorgente isotropica: è la sorgente ideale che, posta nello spazio libero, irradia uniformemente ( cioè con la stessa intensità) in tutte le direzioni. Quindi un'antenna trasmittente isotropica è un'antenna ideale che trasmette l'onda e.m. uniformemente in tutte le direzioni. In questo caso "l'antenna ideale" non è proprio quello che ci serve visto che non avrebbe senso trasmettere e irradiare uniformemente energia in tutte le direzioni, anche dove non ci sono ricevitori. Questo vale ovviamente anche per l'antenna ricevente che deve essere in grado di ricevere sopratutto nella direzione di provenienza del segnale. Vedremo infatti che una caratteristica di tutte le antenne è la direttività. Allo stesso modo un mezzo in cui la velocità di propagazione è costante in tutti i punti viene detto isotropo.

Intensità dell'onda elettromagnetica

Per dimensionare un collegamento effettuato tramite onde e.m. (ovvero un ponte radio) è importante conoscere l'intensità dell'onda e.m. ad una certa distanza dall'antenna trasmittente. Ovviamente il suo valore dipende da diversi fattori tra i quali la potenza emessa dal trasmettitore, il tipo di antenna utilizzata, la potenza effettivamente irradiata dall'antenna e l'ambiente in cui avviene la trasmissione. L'intensità dell'onda e.m. viene solitamente valutata tramite due parametri: la densità di potenza ( S) e l'intensità del campo elettrico ( E).

La densità di potenza rappresenta l'energia trasportata dall'onda e.m. nell'unità di tempo attraverso una superficie di area unitaria.

Consideriamo il caso ideale in cui un'antenna isotropica trasmette nello spazio libero. Durante la propagazione dell'onda l'energia si dirada distribuendosi su fronti d'onda costituiti da superfici sferiche sempre più grandi. Quindi man mano che ci allontaniamo dall'antenna trasmittente l'intensità dell'onda diminuisce. Per cercare di comprendere questo concetto facciamo un esempio. Consideriamo un palloncino gonfiabile e immaginiamo che la plastica di cui è composto rappresenti la potenza totale trasmessa dall'antenna. Quando il palloncino è piccolo, abbiamo in ogni unità di superficie una certa quantità di plastica; gonfiando il palloncino, questo diventa sempre più grande, la sua superficie aumenta, il suo spessore diminuisce e quindi la plastica contenuta in ogni unità di superficie diminuisce. Non abbiamo perso niente: la plastica è sempre la stessa, ma ne avremo sempre di meno in ogni unità di superficie se continuiamo a gonfiare il palloncino.

Succede più o meno la stessa cosa con la potenza nel caso della trasmissione delle onde e.m .. Vedremo in seguito che questa diminuzione di potenza viene valutata attraverso un parametro chiamato attenuazione dello spazio libero. Questa attenuazione non è una dissipazione (cioè una perdita) ma, come detto prima, dipende solo dal fatto che la potenza irradiata da un'antenna isotropica si distribuisce su superfici sempre più grandi se ci allontaniamo dell'antenna trasmittente, con conseguente diminuizione dell'intensità del segnale captato all'aumentare della distanza. Nel caso considerato (antenna isotropica e spazio libero) la potenza P (W) si distribuisce su superfici sferiche e quindi la densità di potenza alla distanza r (m) dall'antenna trasmittente si può calcolare con la seguente formula:[ W/m2]

S = P 4r2

Utilizzando la precedente formula possiamo calcolare anche il valore del campo elettrico alla distanza r dalla sorgente isotropica. Innanzitutto va detto che il valore efficace del campo elettrico E si misura in [V/m] mentre il valore efficace del campo magnetico H si misura in [A/m]. Tra questi due campi esistono le seguenti relazioni fondamentali:

E=Z . H S =E . H = E2 Zo Zo : impedenza caratteristica del mezzo

Per lo spazio libero si ha Zo = 120 -T = 377 92

Utilizzando le precedenti formule (in cui la potenza è espressa in Watt e la distanza in metri) possiamo calcolare il valore efficace del campo elettrico E:

E= S.Zo P . 120 T = 30 · P 4.T.r2 ľ

Quindi l'intensità del campo elettrico E varia in modo inversamente proporzionale alla distanza (r) dalla sorgente.

Oltre che per il corretto dimensionameto del collegamento radio, il calcolo (o la misura) dell'intensità del campo e.m. può essere effettuato per verificare il rispetto delle normative relative all'inquinamento elettromagnetico. Tali normative stabiliscono ad esempio che nei luoghi in cui si ha una permanenza delle persone superiore alle 4 ore (come scuole, abitazioni, ospedali, uffici ..... ) il campo elettrico E non deve essere superiore a 6 V/m (valore di attenzione) mentre per le frequenze dei dispositivi della telefonia mobile i limiti di esposizione sono pari a 20 V/m.

Quando si deve misurare l'intensità dell'onda e.m. di solito si preferisce misurare il campo elettrico E (più facile da rilevare) per poi calcolare la densità di potenza S.

Propagazione in un ambiente non ideale

Nel vuoto, lontano dall'atmosfera terrestre, da corpi materiali e ostacoli il mezzo in cui si propaga l'onda e.m. è omogeneo e quindi isotropo. Possiamo dire di essere in presenza dello spazio libero, cioè un ambiente ideale, e la propagazione avviene in linea retta ed in modo indipendente dalla frequenza dell'onda. Al contrario l'atmosfera terrestre è un ambiente reale e la propagazione dell'onda e.m. dipende dalle caratteristiche dell'ambiente oltre che dalla frequenza dell'onda. In questo caso, durante la sua propagazione, l'onda risulta soggetta a: rifrazione, riflessione, diffrazione e attenuazione. Dell'attenuazione ci occuperemo dopo.

Sinteticamente i primi tre fenomeni, per cause differenti, causano la variazione della direzione di propagazione dell'onda, che quindi non sarà più rettilinea. Ad esempio la diffrazione è quel fenomeno che avviene quando un'onda passa vicino al contorno di un oggetto che non può attraversare. L'onda irradia energia anche dietro l'ostacolo ed è come se si "incurvasse". L'effetto della diffrazione aumenta con il diminuire della frequenza ed è per questo che le onde radio a bassa frequenza possono seguire la cuvatura terrestre.

4 A B fig.4.1

Proprio a causa dei fenomenti sopra elencati la propagazione delle onde e.m. avviene in maniera diversa, come detto, in funzione della frequenza dell'onda e della zona di atmosfera in cui l'onda si sta propagando.

La fig.5 riassume la suddivisione in gamme di frequenze delle onde e.m. con i relativi limiti di frequenza, lunghezza d'onda e gli acronimi corrispondenti.

Class.	Limiti di Frequenza	Limiti di lunghezza d'onda	Abbr.
Very low	10 - 30 KHz	30 - 10 km	VLF
Low	30 - 300 kHz	10 - 1 km	LF
Medium	300 - 3.000 kHz	1 - 0,1 km	MF
High	3 - 30 MHz	100 - 10 m	HF
Very high	30 - 300 MHz	10 - 1 m	VHF
Ultra high	300 - 3.000 MHz	1 - 0,1 m	UHF
Super high	3 - 30 GHZ	10 - 1 cm	SHF
Extrem. High	30 - 300 GHZ	10 - 1 mm	EHF
Calore/infrared	103 - 4x105 GHZ	0,3 - 7,6x10-4
Visibile	4 - 8x105 GHZ	7,6 - 3,8x10-4

fig.5.1