Modello di un Sistema di Telecomunicazioni Via Radio e Onde Elettromagnetiche

MODELLO DI UN SISTEMA DI TELECOMUNICAZIONI VIA RADIO e ONDE ELETTROMAGNETICHE

Un sistema di telecomunicazioni via radio sfrutta le capacità che ha un'antenna trasmittente di convertire in onde EM il segnale elettrico prodotto da un TX. Le onde si propagano nello spazio con direzione data dal TX fino alla RX. Campo elettromagnetico: è il campo formato dal campo elettrico e il magnetico.

• Un onda elettromagnetica (e.m.) è composta da un campo elettrico (E) e uno magnetico (H).

  Ē + Z H X

• Il vettore S è il vettore di Poynting ed è dato dal prodotto vettoriale di E, H. Indica la direzione di propagazione dell'onda e.m. Polarizzazione di un'onda em: è la direzione in cui avviene l'oscillazione del campo elettrico E
• Verticale: se E è sempre verticale durante la propagazione (agisce sul piano verticale)
• Orizzontale: se E è sempre orizzontale durante la propagazione (agisce sul piano orizzontale)
• Obliqua: se E è obliquo. Antenne Lineari verticali: irradiano onde e.m. con polarizzazione verticale e captano solo componenti verticali di E. Antenne Lineari orizzontali: irradiano onde e.m. con polarizzazione orizzontali e captano solo componenti orizzontali.

PROPAGAZIONE DELLE ONDE E.M. NELLO SPAZIO LIBERO

La propagazione delle onde elettromagnetiche (e.m.) nello spazio libero si riferisce al viaggio delle onde in un ambiente privo di ostacoli o riflessioni, come il vuoto o un'area aperta senza interferenze. In questo contesto, un'antenna isotropica è un'antenna teorica che irradia energia in tutte le direzioni con la stessa intensità, ideale per modelli di studio della propagazione.

• In questo contesto, è utile fare riferimento all'antenna isotropica, una rappresentazione teorica di un'antenna che irradia in tutte le direzioni con la stessa intensità (Pirr = Pin). La densità di potenza è la quantità di potenza per unità di area irradiata da un'antenna e diminuisce con l'aumentare della distanza dalla sorgente. L'intensità del campo elettrico ( E ) è una misura della forza del campo elettrico in un punto e dipende dalla distanza e dalla potenza dell'onda e.m. emessa. Esprime l'efficacia del segnale in una certa posizione. EIRP: per misurare la potenza effettivamente irradiata da un'antenna. I limiti governativi sull'EIRP sono imposti per prevenire interferenze tra diversi servizi di telecomunicazione e per limitare l'esposizione eccessiva alle onde e.m. Emax <= 6 V/m, per 100 KHz <= f <= 300 GHz Smax <= 0,1 W/m2, per 3 MHz <= f <= 300 GHZ

PROPAGAZIONE DELLE ONDE E.M. NELL'AMBIENTE REALE

Assorbimento delle Onde E.M.

Assorbimento: Le onde e.m. subiscono attenuazioni supplementari per assorbimento quando attraversano materiali che assorbono parte dell'energia, come il cemento o i tessuti umani. Questo fenomeno riduce l'intensità del segnale a seconda della composizione del materiale attraversato e della frequenza dell'onda stessa.

Riflessione su Superfici Metalliche

Riflessione x sup. metalliche: Quando le onde e.m. incontrano superfici metalliche, come quelle di edifici o veicoli, subiscono una riflessione. Questo significa che le onde vengono "rimbalzate" dalla superficie, creando percorsi multipli e, potenzialmente, interferenze con altre onde.

Riflessione e Rifrazione nei Dielettrici

Riflessione e rifrazione nei dielettrici: Quando le onde attraversano mezzi con proprietà diverse, come l'aria e un muro, possono subire rifrazione, ovvero un cambio di direzione causato dalla differente velocità di propagazione nel nuovo mezzo. Anche la riflessione può verificarsi, con l'onda che ritorna indietro. Questi effetti sono tipici in mezzi dielettrici come l'atmosfera o le pareti degli edifici.Diffrazione: Le onde e.m. possono aggirare gli ostacoli tramite un fenomeno chiamato diffrazione. Quando incontrano bordi o angoli di un oggetto, le onde si piegano attorno a esso, rendendo possibile la ricezione del segnale anche in zone che altrimenti sarebbero in ombra.

Scattering delle Onde E.M.

Scattering: Infine, la diffusione (o scattering) si verifica quando le onde incontrano superfici irregolari o materiali non omogenei, come pioggia, fogliame o muri rugosi. Questo causa una dispersione del segnale in più direzioni, influenzando la qualità della ricezione.

PROPAGAZIONE DELLE RADIOONDE e CLASSIFICAZIONE

La propagazione delle radioonde si riferisce al modo in cui le onde elettromagnetiche, in particolare le onde radio, si diffondono nell'ambiente. Le onde radio coprono un ampio spettro di frequenze, utilizzate per comunicazioni a breve e lunga distanza, come radio, TV, e trasmissioni satellitari. Le onde radio si propagano in vari modi e possono attraversare l'atmosfera terrestre, ma la loro propagazione è influenzata da ostacoli, superfici e strati atmosferici.

• Troposfera (0-10 km): Le onde a bassa frequenza possono viaggiare più facilmente in questo strato, che ha un ruolo fondamentale per le comunicazioni a breve distanza, anche grazie al fenomeno dello scattering troposferico, che permette alle onde di diffondersi su lunghe distanze.
• Stratosfera (10-50 km): Questo strato è generalmente trasparente alle onde radio e non gioca un ruolo rilevante nella propagazione, poiché le onde lo attraversano senza significative interferenze.
• Ionosfera (oltre i 50 km): È ricca di particelle ionizzate e riflette le onde a frequenza inferiore ai 30 MHz, permettendo comunicazioni a lunga distanza tramite riflessione ionosferica. Le onde di lunghezza d'onda grande (bassa frequenza) risentono meno degli ostacoli, mentre quelle di lunghezza piccola (alta frequenza) sono più sensibili alla dispersione e all'assorbimento.

Modalità di propagazione delle onde radio

1. Onda di superficie: L'onda di superficie è un tipo di onda radio che viaggia seguendo la curvatura del suolo, permettendo la comunicazione anche a grande distanza, specialmente sulle basse frequenze.
2. Onda spaziale: L'onda spaziale è un'onda radio che si propaga attraverso l'atmosfera, includendo sia quelle che viaggiano in linea retta, sia quelle riflesse o diffuse negli strati superiori dell'aria.
3. Onda diretta: L'onda diretta è un'onda che si muove in linea retta dal trasmettitore al ricevitore e funziona solo se i due punti sono visibili tra loro, senza ostacoli.
4. Onda riflessa: L'onda riflessa è un'onda radio che rimbalza su oggetti o strati atmosferici, come la ionosfera, permettendo di raggiungere luoghi lontani senza una linea retta diretta.
5. Scattering troposferico: Lo scattering troposferico è un fenomeno in cui le onde radio si diffondono irregolarmente nella troposfera, riuscendo così a superare ostacoli e coprire distanze oltre l'orizzonte.

FADING e TECNICHE PER COMBATTERE IL FADING

Il fading è una variazione del segnale radio ricevuto, che può diventare più debole o instabile a causa di ostacoli, riflessioni o interferenze durante il suo percorso. L'attenuazione del percorso è la perdita di potenza del segnale radio man mano che si allontana dalla sorgente, a causa della distanza e delle caratteristiche dell'ambiente attraversato. Il fading lento avviene quando il segnale cambia lentamente nel tempo, spesso a causa di ostacoli in movimento o variazioni dell'ambiente. Il fading da percorsi multipli si verifica quando il segnale arriva al ricevitore seguendo diversi percorsi (diretto, riflesso, deviato), causando interferenze tra i segnali sovrapposti. La diversità di spazio consiste nell'uso di più antenne in posizioni diverse per ricevere lo stesso segnale, in modo da ridurre il rischio di perdita di segnale. Il frequency hopping è una tecnica che cambia rapidamente la frequenza di trasmissione, così da evitare interferenze o fading persistente su una sola frequenza.

ANTENNE

Un'antenna è definita come un trasduttore che in trasmissione converte un segnale elettrico a radiofrequenza, fornito dal trasmettitore, in onde e.m. irradiate nelle direzioni desiderate, mentre in ricezione converte in modo efficiente le onde e.m. che la colpiscono in un segnale elettrico a RF. Principio di reciprocità: Il principio di reciprocità afferma che, in un sistema elettromagnetico lineare e passivo (cioè senza componenti attivi come amplificatori), il comportamento della trasmissione è uguale nei due sensi: se un'antenna A può trasmettere un segnale a un'antenna B, allora anche B può trasmettere lo stesso segnale ad A con le stesse caratteristiche (guadagno, direzione, attenuazione, ecc.).

DIAGRAMMA DI RADIAZIONE e SOLIDO di RADIAZIONE

180° 180° zona meno illuminata -90º + 90° -90º +90° diagramma di radiazione zona più illuminata 0° 0º Il diagramma di radiazione è una curva, riportata di solito su un diagramma polare con al centro l'antenna, che rappresenta come la potenza in ingresso all'antenna viene distribuita nelle varie direzioni del piano considerato, mettendo in evidenza l'attitudine che ha un'antenna a concentrare o meno la potenza in certe direzioni.

• Piano verticale (x antenne verticali) o piano E: è il piano in cui giace il vettore campo elettrico E ed è anche il piano su cui giace l'antenna lineare.
• Piano orizzontale (x antenne verticali) o piano H: è il piano in cui giace il vettore campo magnetico H ed è anche il piano che taglia ortogonalmente l'antenna. Omnidirezionale: diagramma di radiazione come un cerchio e l'antenna irradia uniformemente in tutte le direzioni. Direttiva: diagramma di radiazione, presenta delle direzioni preferenziali di irraggiamento, anteriore o posteriore. Unidirezionale: presenta delle direzioni preferenziali di irraggiamento, il sig è trasmesso avanti con lobi dietro.

GUADAGNO DI UN'ANTENNA

è un parametro che mette in evidenza quanto un'antenna è in grado di concentrare la potenza in una certa direzione rispetto a un'antenna di riferimento. Il guadagno di un'antenna è quindi una misura della sua direzionalità. Quanto più un'antenna è direttiva (cioè concentra la potenza in una direzione) tanto più alto è il suo guadagno nella direzione di massimo irraggiamento. La direttività è una caratteristica di un'antenna che indica quanto riesce a concentrare l'energia del segnale in una direzione specifica, rispetto a un'antenna che irradia uniformemente in tutte le direzioni (antenna isotropica). Il rendimento ti dice quanta dell'energia che entra nell'antenna viene davvero trasmessa nell'aria sotto forma di onde radio, e quanta invece si perde > n = Pirradiata Pingresso Direttività = Guadagno

ANTENNE OMNIDIREZIONALI

Le antenne omnidirezionali sono dispositivi progettati per trasmettere o ricevere onde elettromagnetiche in tutte le direzioni all'interno di un piano orizzontale. Questo significa che il loro diagramma di radiazione è simmetrico attorno all'asse verticale, consentendo una copertura uniforme in tutte le direzioni orizzontali, mentre l'emissione è ridotta o nulla lungo l'asse verticale stesso. Le antenne omnidirezionali sono ampiamente utilizzate in contesti come reti Wi-Fi, sistemi di comunicazione mobile e stazioni base radio, grazie alla loro versatilità e copertura uniforme.