Armando Caligiuri, elettroni in movimento
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                          Benvenuti nella pagina dedicata al radiantismo e alla radiotecnica


Nella presente pagina proverò a trasferire, a chiunque dedichi qualche minuto alla lettura di questa pagina web, le basi della radiotecnica, cercherò di utilizzare il più possibile un linguaggio semplice così come nello spirito di questo sito.
Ribadisco come sempre che è impossibile condensare un argomento così vasto in poche righe, ma se avete bisogno di approfondire potete contattarmi visitando la pagina "Contatti"
Un pensiero e un rigraziamento và alla persona che ha reso possibile tutto ciò di cui parleremo, cioè Guglielmo Marconi, senza di lui e le sue scoperte tutto questo non esisterebbe.
Guglielmo Marconi che tra l' altro venne una volta nel mio paese, nella residenza del suo medico personale, cioè l' illustre scienziato, medico e biologo Giuseppe Tallarico.

                                                                                    
Introduzione

La radiotecnica è la scienza che utilizza l' elettricità, l' elettromagnetismo e quindi l' elettronica per inviare e ricevere onde radio a scopo di comunicazione (radiocomunicazioni) o controllo. Essa prevede lo studio e la progettazione degli apparati elettronici preposti allo scopo, cioè i radiotrasmettitori, i radioricevitori e le antenne di trasmissione e ricezione.

Cercando di semplificare il concetto, si tratta di inviare, nello spazio circostante, delle onde elettromagnetiche (portante) aventi frequenza e lunghezza d'onda opportune a cui si sovrappone opportunamente l' informazione da trasportare (modulazione), questo lavoro viene svolto dal trasmettitore, il quale ha, collegata alla propria uscita tramite una linea di trasmissione accordata (cavo coassiale o guida d' onda),
l' antenna tramittente, la quale si occupa di trasdurre il segnale elettrico in un campo elettromagnetico di intensità proporzionale alla potenza presente al suo ingresso. Ulteriori informazioni sui campi elettromagnetici si possono recuperare da  questa pagina.

Tutto si basa sui circuiti di tipo oscillatorio, che possono essere di tipo serie oppure più sovente di tipo parallelo, essi sono dei circuiti elettrici che sfruttano la proprietà fisica degli induttori e delle capacità di accordarsi su una sola frequenza a seconda del valore dei componenti utilizzati, si deduce da ciò che per modificare la frequenza di risonanza e quindi selezionare (ricevitore) o produrre (trasmettitore) basta variare il valore di uno dei componenti del circuito oscillatorio.

Le onde elettromagnetiche verrano poi ricevute ed amplificate dalle antenne di ricezione, le quali sono anche esse dei circuiti oscillatori accordate su una determinata frequenza, ed operano il procedimento inverso, cioè trasducono un campo elettromagnetico in un segnale elettrico.
Il segnale ottenuto viene in seguito inviato tramite un' altra linea accordata all' apparato di ricezione (radioricevitore), il quale tramite il solito circuito oscillatorio selezionerà tra le tante, la frequenza che ci interessa ricevere e provvederà a separare le informazioni trasmesse, dalla portante a radiofrequenza (demodulazione). Affronteremo il capitolo trasmettitori, ricevitori ed antenne in seguito, in trattazioni separate per meglio comprenderli.
A volte il trasmettitore e il ricevitore radio possono coesistere in un solo apparato elettronico, in questo caso si parla di ricetrasmettitore.
Le frequenze e quindi lunghezze d' onda su cui è possibile trasmettere sono riportate nello spettro elettromagnetico ed indicizzate in varie
bande visibili nelle tabelle ingrandibili che trovate al rigo sottostante.


                         

                
Spettro elettromagnetico ingrandibile                                                                                  Suddivisione in bande dello spettro elettromagnetico ingrandibile


La scelta della banda di trasmissione dipende dalla distanza da coprire e dall' orografia del terreno, questo perchè i segnali con frequenza nella parte bassa dello spettro hanno la capacità di superare gli ostacoli che si frappongono tra il trasmettitore e il ricevitore (prevalenza della componente magnetica su quella elettrica), ma vanno sostenuti da potenze elevate con relativo proporzionato inquinamento da elettrosmog.
Inoltre fino a circa 30 MHz la ricezione di dette emissioni è affetta dal cosiddetto fading, cioè la variazione continua dell' intensità del segnale ricevuto, questo è dovuto alla variazione continua di spessore degli strati dell' atmosfera terrestre che riflettono questo tipo di segnale e ne permettono la propagazione a lunghe distanze. La propagazione per onda diretta rimane invece stabile.
Purtroppo l' utilizzo delle bande basse, per i limiti esposti prima stà gradualmente cadendo in disuso, esse sono sostituite dallo streaming internet e dalle comunicazioni satellitari numeriche le quali permettono una buona qualità senza i limiti intrinseci a questo tipo di emissioni.
Si utilizzano comunque, ancora prevalentemente quando bisogna coprire vasti spazi con un solo trasmettitore.

Al salire della frequenza le onde elettromagnetiche tendono ad essere assorbite e schermate dagli ostacoli che si frappongono, fino ad avere dopo i 30 MHz una portata ottica, cioè il trasmettitore deve vedere il ricevitore, altrimenti la ricezione del segnale irradiato diventa impossibile, ma vi è il vantaggio di poter utilizzare potenze di trasmissione relativamente basse, vista la necessità per coprire una determinata zona di installare più di un' impianto di  trasmissione .
Si cerca comunque di collocarli sempre in una posizione il più elevata possibile per estendere l' orizzonte ottico e quindi aumentare la zona servita dall' impianto di trasmissione.

Si deve tener presente anche, che la scelta della banda di trasmissione condiziona direttamente la qualità dell' informazione trasmessa, questo perchè nelle bande basse si è obbligati visto il poco spazio ad utilizzare la modulazione d' ampiezza AM, tutto ciò implica che la massima frequenza modulabile sia di 4,5 KHz se il canale di trasmissione è di 9 KHz, e 3KHz se il canale è largo 5 KHz.
Invece utilizzando la modulazione di frequenza FM, la quale è insensibile ai disturbi di qualsiasi tipo la qualità migliora tantissimo.
Usando poi la FM a banda larga, che purtroppo è confinata necessariamente alle bande alte visto il canale a 75 KHz, la massima frequenza trasmissibile diventa 15 KHz quindi di qualità Hi-Fi.
Con le modulazioni digitali poi la qualità dipende dal B.E.R. (bit error rate) e dal tipo di compressione dati utilizzato, vi è comunque il vantaggio dell ' altissima immunità ai disturbi e la possibilità di trasmettere grandi quantità di informazioni in un canale stretto (compressione).
 
Generalmente, si sfrutta la propagazione ottica delle onde elettromagnetiche con frequenza elevatissima per le comunicazioni da punto a punto, cioè si realizzano dei ponti radio, i quali servono per realizzare delle dorsali di comunicazione (telefoniche,TV, radio o altro), a cui saranno poi collegati i trasmettitori locali. I ponti radio sono raffigurabili come nella figura quì sotto.

                                 
Nei ponti radio si usano delle antenne molto direttive, di solito paraboliche.
Di seguito alcune immagini che vi permetteranno di capire meglio quanto esposto.


                           

 
    Impianto di trasmissione con ponti radio e RADAR                                                                                      Circuito oscillatorio di tipo serie


                           

     Antenna parabolica per comunicazioni spaziali a lunghissima distanza                                                      Circuito oscillatorio di tipo parallelo


                                                                       Trasmettitori

Per trasmettere le onde radio tramite le antenne ci si avvale di apparati progettati e costruiti allo scopo, stiamo parlando dei trasmettitori a radiofrequenza, i quali sono apparati molto complessi, formati da vari stadi, diversi a seconda del tipo di modulazione utilizzata, ma che comunque prevede sempre come primo stadio un oscillatore elettronico che genera la portante avente la frequenza desiderata  e come ultimo stadio un amplificatore di potenza che eleva i valori di tensione e corrente ai valori opportuni che necessitano per generare la potenza adatta a coprire la distanza desiderata.

L' oscillatore è un circuito elettronico utilizzante componenti elettronici attivi e passivi, che genera tramite un circuito oscillatorio accordato,  e un componente attivo (transistor o valvola), un segnale elettronico di frequenza stabilita in fase di progetto, che  deve coincidere con la frequenza di trasmissione che ci interessa, è molto importante che l' oscillatore fornisca un segnale con frequenza che sia stabile nel tempo, per ottenere ciò si introduce nel circuito oscillatorio un particolare componente ad effetto piezoelettrico chiamato quarzo, il quale stabilizza l' oscillazione e la rende indipendente dalla tensione di alimentazione ed entro certi limiti anche dalla temperatura. Nei circuiti multicanale per evitare di utilizzare molti quarzi si usa un circuito particolare chiamato P.L.L. (phase locked loop), il quale utilizza un solo quarzo per generare tutte le frequenze in modo stabile.
Ultimamente stà prendendo piede un circuito digitale di nuova concezione chiamato D.D.S.  (dyrect digital sintesis) a controllo numerico il quale presenta molti vantaggi rispetto a quelli analogici.

Il segnale in uscita dall' oscillatore perviene quindi allo stadio  modulatore, cioè il circuito che sovrappone l' informazione da trasmettere alla portante da irradiare. Esso è diverso a seconda che si utilizzi la modulazione d' ampiezza (AM) in cui la frequenza della portante rimane stabile e se ne varia l' ampiezza, oppure la modulazione di frequenza (FM) in cui l' ampiezza rimane stabile e se ne varia la frequenza, o modulazioni di fase tipo FSK o AFSK.
Esistono anche modulazioni di tipo digitale (utilizzate per il wi-fi) e questo presuppone un modulatore diverso per ogni tipo.

Infine il segnale modulato arriva allo stadio amplificatore di potenza selettivo, il quale ne eleva i valori di tensione e corrente fino ad arrivare alla potenza che il progetto necessita al fine di coprire la zona prestabilita.

Bisogna tenere presente che tutte le linee di trasmissione a cavo coassiale o a guida d' onda hanno un ' impedenza caratteristica che và rispettata nella totalità del percorso, per evitare disadattamenti e perdite di segnale, questo sia in trasmissione che in ricezione.
L' impedenza caratteristica in trasmissione è di solito stabilita in 52 Ω negli apparati di trasmissione e 75 Ω in quelli di ricezione.
Di seguito lo schema a blocchi ingrandibile di un generico trasmettitore ed altre immagini esplicative.






                                

         Vista ingrandibile di un ricetrasmettitore banda HF 27 MHz                                                               Impianti di trasmissione radio TV con relativi ponti di rete



                                                                                                        Radioricevitori   

Il radioricevitore è un ' apparato elettronico che si occupa di ripristinare (demodulare) un segnale precedentemente trasmesso dal trasmettitore radio.
Il segnale raccolto dall' antenna ricevente, trasformato da onda elettromagnetica a differenza di potenziale dalla stessa, viene quindi inviato
all' ingresso del ricevitore, il quale come primo stadio ha un amplificatore-filtro di banda sintonizzato sulla frequenza da ricevere, esso è un amplificatore per piccoli segnali e a basso rumore, in modo da riuscire ad amplificare anche i segnali di bassa intensità e quindi aumentare la sensibilità del ricevitore.
Gli stadi seguenti in caso di ricevitore supereterodina sono un oscillatore (oscillatore locale) a frequenza variabile sintonizzato sulla frequenza da ricevere meno il valore della frequenza intermedia (455 KHz in caso di ricevitore AM e 10,7 MHz in caso di FM) e uno stadio convertitore-mescolatore dove viene mescolato il segnale proveniente dall' antenna-amplificatore-filtro (front-end) con quello dell' oscillatore locale.

All' uscita dal convertitore troviamo un segnale a frequenza fissa indipendentemente da dove sintonizzeremo i circuiti oscillatori del filtro
d' ingresso e dell' oscillatore locale, questo segnale è il risultato del battimento tra le due frequenze (frequenza intermedia).
Il segnale a frequenza intermedia viene poi inviato a due o tre stadi amplificatori sintonizzati e selettivi, i quali amplificano solo la frequenza intermedia ed eliminano qualsiasi altro segnale non voluto.

Gli stadi del ricevitore così come esposto fino ad adesso sono uguali a prescindere dal tipo di modulazione, invece lo stadio seguente, cioè il demodulatore è diverso a seconda del segnale da demodulare, esso è semplice (un diodo e un condensatore di basso valore) nel caso della A.M. molto più complesso nel caso della F.M. e di complessità via via più crescente con le modulazioni di fase o quelle digitali.

Lo stadio successivo ed ultimo è un amplificatore audio, che amplifica il segnale demodulato in modo da pilotare un altoparlante, esso può essere del tipo esposto nella pagina componenti attivi di questo sito.

Esistono anche ricevitori ad amplificazione diretta, cioè senza oscillatore locale e mescolatore, ma solo con un circuito oscillatorio sintonizzato sull' ingresso d' antenna, il demodulatore e un amplificatore audio. Naturalmente questi tipi di ricevitori non possono avere le caratteristiche di sensibilità e selettività dei supereterodina, ma per iniziare vanno bene, ne trovate un esempio realizzabile nella figura sotto.

Recentemente si sono affacciati sul mercato mondiale dei ricevitori di nuova generazione in cui l' elaborazione del segnale dopo la sintonizzazione e la conversione viene effettuata in modo totalmente digitale previa conversione A/D, i vantaggi sono molti, tra cui filtraggio migliore, eliminazione dei fruscii eccetera, ma soprattutto il vantaggio maggiore è che tutto il ricevitore stà in un solo circuito integrato di dimensioni piccolissime e di costo irrisorio, un tipico circuito integrato ricevitore di questo tipo è l' SI4702 di cui trovate il datasheet a
questo link, gli svantaggi sono una minore sensibilità, un adattamento alle variazione del segnale non proprio veloce e una qualità audio in certi casi discutibile o con una sensazione di artificiosità.
Di seguito alcune immagini esplicative, per una migliore visione bisogna ingrandirle.

                                   
                                                                                                                     Schema a blocchi di un tipico ricevitore supereterodina


                      

       Ricevitore commerciale Supereterodina AM visto all' interno con i vari stadi                                                  Ricevitore AM  a demodulazione diretta


                          
 
                      
                                   Front-end sintonizzato senza demodulatore                                                                 Scala di sintonizzazione a cordina di un vecchio ricevitore

                                  


                                                                                   Antenne riceventi e trasmittenti

Per concludere l' argomento l' argomento radiotecnica parleremo adesso del componente forse meno considerato ( a livello amatoriale) in questo campo ma forse il più importante, cioè l' antenna.
Essa serve per irradiare il segnale prodotto dal trasmettitore e a ricevere lo stesso segnale all' ingresso del ricevitore.

Le antenne riceventi e trasmittenti si basano sulle stesse leggi fisiche e sono reversibili, cioè la stessa antenna può essere usata sia in ricezione che in trasmissione, naturalmente se la stessa è dimensionata per ricevere la potenza del trasmettitore.
L' antenna ricevente è un sistema risuonante accordato, che fornisce ai suoi capi un segnale elettrico proporzionale al campo elettromagnetico in cui si trova immersa.
l' antenna trasmittente è un sistema risuonante accordato che crea intorno a se un campo elettromagnetico proporzionale alla potenza del segnale applicato ai suoi capi.

Il valore della frequenza e lunghezza d' onda in cui essa si trova a risuonare, e quindi quella in cui ha la massima sensibilità, dipende dalle sue dimensioni fisiche, per cui l' antenna ideale per una data frequenza deve essere della stessa lunghezza in metri della sua lunghezza d' onda, in questo caso si parla di antenna ad onda intera, che poi è quella di maggior rendimento. Le antenne possono anche essere realizzate con misure sottomultiple della lunghezza d' onda tipo 1/2, 3/4 e 1/4 accettando un piccolo calo del rendimento di conversione e di propagazione, ma anche antenne di dimensioni molto più piccole nel caso di trasmissioni nella parte bassa dello spettro elettromagnetico.

l' antenna più semplice realizzabile e che fà da base a tutte le altre è il dipolo hertziano, essa è composta da due elementi di materiale conduttore con lunghezza  totale calcolabile tramite la formula 300000/frequenza, in cui 300000 è la velocità della luce in Km/s , e la frequenza è quella in cui il dipolo deve funzionare ed è espressa in Hertz.
Partendo dal dipolo, il quale se collocato in posizione verticale irradia omnidirezionalmente il proprio campo, si ottengono aggiungendo altri dipoli passivi antenne direttive o direzionali, che hanno la caratteristica di irradiare in un solo senso.
Il vantaggio delle antenne direttive è quello di concentrare il campo irradiato o il campo ricevuto in un solo senso, così da servire solo una determinata zona, oppure ricevere solo in una direzione e scartare tutte le altre.
Le antenne direttive più utilizzate sono la Yagi e la parabolica, utilizzata per la sua alta direzionalità nei ponti radio o per comunicazioni cosmiche o satellitari.

l' antenna sarà poi collegata al trasmettitore o al ricevitore tramite una linea di trasmissione formata da un cavo coassiale di impedenza caratteristica uguale a quella dell' uscita del trasmettitore o all' ingresso del ricevitore.
Il cavo coassiale è formato da un conduttore immerso in un materiale isolante di forma cilindrica e a sua volta ricoperto da una calza di materiale conduttore con la funzione di schermo verso il conduttore interno. Il tutto è protetto da una guaina in materiale plastico o gommoso
che isola il tutto dalla pioggia e dai traumi meccanici.
La sezione dell' isolante cilindrico determina l' impedenza caratteristica della linea di trasmissione e come detto prima per evitare perdite essa deve coincidere con quella dell' apparato a cui sarà collegata.

Cliccando su questo testo potete scaricare un file XLS da me realizzato appositamente con cui è possibile calcolare un dipolo partendo dalla frequenza su cui deve risuonare.


                      

                   
Linee di trasmissione verso le antenne                                                                    Antenna a dipolo in onda corta HF  a bordo di una nave


                      

      Rappresentazione grafica di un classico dipolo con linea di trasmissione                                    Torre con ponte radio e pannelli direzionali per segnali telefonia cellulare


                       

      
  Antenna yagi HF a tre elementi direttiva (Wikipedia)                                                                 Tralicci strallati autoirradianti per onda media OM





Per concludere voglio ribadire che è impossibile condensare in questo piccolo testo tutto quello che c'è da dire riguardo alla radiotecnica, ma se avete intenzione di approfondire o avete bisogno di una consulenza professionale potete mettervi in contatto con me tramite la pagina "Contatti".
Grazie di aver visitato il mio sito.



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Armando Caligiuri, Electronic senior expert, electronic and I.T. maintainer, I.T. consultant.      e-mail: info@armandocaligiuri.it
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