17 - La Propagazione delle Onde Radio

📘 Lezione 17 - La Propagazione delle Onde Radio

📌 Panoramica

• Materia: Radiotecnica e Propagazione
• Tempo di studio stimato: 60–75 minuti
• Prerequisiti: Fondamenti sulle onde elettromagnetiche, frequenza e lunghezza d’onda
• Obiettivi di apprendimento:
  • Comprendere i campi elettromagnetici e le loro proprietà.
  • Conoscere lo spettro elettromagnetico e le onde radio.
  • Comprendere i meccanismi di propagazione delle onde radio.
  • Comprendere la propagazione ionosferica e i vari strati (D, E, F1, F2).
  • Conoscere il ruolo del ciclo solare, MUF, LUF e FOT.

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📖 Appunti della Lezione

1. I Campi Elettromagnetici - Un po’ di storia

I primi studi sull’elettromagnetismo risalgono all’Ottocento, con figure illustri come:

• Michael Faraday (Induzione elettromagnetica)
• André-Marie Ampère (Relazione tra corrente e campo magnetico)
• Heinrich Lenz e Carl Friedrich Gauss (Legge di Lenz e Teorema di Gauss)
• Heinrich Rudolf Hertz (Esistenza delle onde elettromagnetiche)

La svolta epocale avvenne con James Clerk Maxwell, che elaborò le famose Equazioni di Maxwell, dimostrando che i campi elettrici e magnetici in variazione si sostengono a vicenda e si propagano nello spazio sotto forma di onde alla velocità della luce. Guglielmo Marconi, nel 1901, dimostrò la possibilità di usare queste onde per comunicazioni a lunga distanza. Successivamente, nel 1923, i radioamatori Fred Schnell e Léon Deloy dimostrarono la superiorità delle “onde corte” (HF) per i collegamenti transoceanici con debole potenza.

2. I Fondamentali del Campo Elettromagnetico

Il campo elettromagnetico è costituito da un campo elettrico (E) e un campo magnetico (H) concatenati.

• Nello spazio libero, il rapporto tra le loro intensità è costante: $E/H = 377 \Omega$ (impedenza dello spazio libero).
• I due campi sono sempre perpendicolari tra loro.
• La polarizzazione dell’onda è definita dal piano su cui giace il campo elettrico E rispetto a terra.

💡 Esempio Pratico: Un’antenna montata verticalmente (come quella del tetto dell’auto) genera un campo elettrico verticale rispetto al suolo, e l’onda è quindi a polarizzazione verticale. Un’onda emessa da un dipolo steso orizzontalmente avrà polarizzazione orizzontale.

La velocità di propagazione nel vuoto è pari a quella della luce ($V \approx 3 \cdot 10^5$ km/s). La lunghezza d’onda ($\lambda$) e la frequenza ($f$) sono inversamente proporzionali: $\lambda(m) = 300 / f(MHz)$.

3. Lo Spettro Elettromagnetico e le Onde Radio

Lo spettro elettromagnetico include onde radio, radiazione termica, luce visibile, raggi X e gamma. Le Onde Radio occupano la porzione di spettro con frequenza compresa tra $3$ kHz e $300$ GHz.

La propagazione nello spazio libero avviene in linea retta in modo sferico, con l’intensità del segnale che si riduce proporzionalmente al quadrato della distanza.

4. Propagazione Ionosferica e Ciclo Solare

La ionosfera è la parte alta dell’atmosfera terrestre, ionizzata dalle radiazioni solari (raggi UV e X). I principali strati riflettenti sono:

• Strato D: attivo di giorno, attenua le frequenze basse. Scompare di notte.

💡 Perché lo strato D attenua? Trovandosi molto in basso, la densità dell’aria è maggiore. Gli elettroni, eccitati dall’onda radio in transito, urtano frequentemente le altre molecole di gas dissipando l’energia dell’onda sotto forma di calore, invece di re-irradiarla come avviene negli strati superiori (più rarefatti).

• Strato E: attivo di giorno, attenua ma riflette in determinate condizioni.
• Strato F: principale responsabile delle riflessioni a lunga distanza. Di giorno si divide in F1 e F2, di notte si ricompone.

MUF, LUF e FOT

• MUF (Maximum Usable Frequency): la massima frequenza utilizzabile per la riflessione (circa 3 volte la frequenza critica $f_0$).
• LUF (Lower Usable Frequency): la minima frequenza utilizzabile (sotto di essa l’attenuazione è eccessiva).
• FOT (Frequency of Optimum Traffic): frequenza ottimale, circa l’80-90% della MUF.

La Zona di Ombra (Skip Zone) Tra il limite massimo coperto dall’onda di terra (che viaggia rasente al suolo per poche decine di km) e il punto in cui cade la prima riflessione ionosferica, esiste un’area dove il segnale non arriva. Questa è detta Zona di Ombra (o Skip Zone). È il motivo per cui potreste collegare gli Stati Uniti in HF ma non riuscire ad ascoltare un corrispondente nella regione vicina.

Riflessioni Multiple (Multihop) I segnali possono subire riflessioni multiple tra la ionosfera e il suolo, o modalità come il Duct Mode e Chordal Mode che riducono l’attenuazione (particolarmente alle latitudini equatoriali o lungo la gray line).

5. Il Ciclo Solare

L’attività della ionosfera dipende direttamente dall’attività solare, influenzata da:

• Ciclo undecennale (Sunspot cycle): la quantità di macchie solari varia ciclicamente in periodi di circa 11 anni, influenzando notevolmente le condizioni di propagazione sulle onde corte.
• Ciclo di rotazione solare (27 giorni): il numero di macchie esposte verso la Terra varia durante la rotazione del Sole.
• Ciclo orbitale (Stagioni): cambia l’inclinazione dei raggi solari e quindi l’intensità della ionizzazione.
• Ciclo giornaliero: l’alternanza giorno/notte causa l’apparizione e scomparsa degli strati inferiori e la variazione della MUF.

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🔗 Mappa Concettuale

• Campo elettrico variabile e campo magnetico variabile → si sostengono reciprocamente → onda elettromagnetica.
• Orientamento del campo elettrico rispetto al suolo → definisce → polarizzazione dell’onda.
• Frequenza dell’onda → determina inversamente → lunghezza d’onda.
• Radiazione solare → ionizza → strati della ionosfera.
• Strato D → assorbe → segnali alle frequenze basse durante il giorno.
• Strato F → permette → collegamenti ionosferici a lunga distanza.
• LUF e MUF → delimitano → frequenze utilizzabili; FOT → individua → frequenza ottimale.
• Attività solare e alternanza giorno/notte → modificano → condizioni di propagazione.

📝 Punti Chiave

1. I campi elettrico e magnetico dell’onda sono perpendicolari tra loro; il campo elettrico ne definisce la polarizzazione.
2. La frequenza e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali: a frequenze più alte corrispondono lunghezze d’onda minori.
3. Di giorno lo strato D assorbe parte dei segnali, mentre lo strato F è il principale responsabile dei collegamenti ionosferici a lunga distanza.
4. Un collegamento ionosferico richiede una frequenza tra LUF e MUF; la FOT è scelta al di sotto della MUF.
5. La zona d’ombra si trova tra la portata dell’onda di terra e il primo punto raggiunto dall’onda riflessa dalla ionosfera.
6. I cicli solari e l’alternanza tra giorno e notte cambiano la ionizzazione e quindi le condizioni di propagazione.

❓ Domande di Comprensione

1. Perché l’orientamento di un’antenna influenza la polarizzazione dell’onda che irradia?
2. Come cambia la lunghezza d’onda quando aumenta la frequenza, mantenendo costante la velocità di propagazione?
3. Perché un segnale HF può essere attenuato di giorno dallo strato D e raggiungere meglio lo strato F di notte?
4. Quali difficoltà incontrerebbe un collegamento se la frequenza scelta fosse inferiore alla LUF o superiore alla MUF?
5. Perché può essere preferibile operare vicino alla FOT anziché esattamente alla MUF?
6. In che modo si forma una zona d’ombra anche quando sono possibili collegamenti ionosferici a maggiore distanza?
7. Come possono l’attività solare e il ciclo giornaliero modificare le bande utili per un collegamento?

📚 Glossario

• Campo elettromagnetico — combinazione di un campo elettrico e un campo magnetico variabili, che si propagano nello spazio.
• FOT (Frequency of Optimum Traffic) — frequenza ottimale per stabilire un collegamento, solitamente l’80-90% della MUF.
• Ionosfera — strato superiore dell’atmosfera terrestre contenente plasma (gas ionizzato).
• LUF (Lower Usable Frequency) — frequenza minima utilizzabile per un dato collegamento ionosferico.
• Macchie solari — regioni della fotosfera solare con intensa attività magnetica, collegate all’emissione di radiazioni ionizzanti.
• MUF (Maximum Usable Frequency) — frequenza massima che può essere riflessa dalla ionosfera tra due punti dati.
• Onde corte (HF) — frequenze comprese tra 3 e 30 MHz.
• Polarizzazione — orientamento del campo elettrico dell’onda elettromagnetica rispetto al terreno.

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📝 Quiz di Verifica

1. Durante il giorno, quale strato ionosferico è il principale responsabile dell'assorbimento (attenuazione) dei segnali in HF?

Lo strato D. Essendo denso, dissipa l'energia dell'onda. Di notte scompare e permette ai segnali di raggiungere gli strati superiori (F) ed essere riflessi molto più lontano.

2. Cos'è la FOT (Frequency of Optimum Traffic) e perché si preferisce usarla al posto della MUF?

È la frequenza ottimale di traffico, calcolata come circa 80-90% della MUF. Si usa perché la MUF è instabile: operare esattamente alla MUF rischia di far disperdere il segnale nello spazio al minimo cambiamento della ionosfera.

3. Se posiziono un'antenna filare stesa orizzontalmente, quale polarizzazione avrà il campo elettromagnetico irradiato?

Polarizzazione Orizzontale, poiché il campo E giace sullo stesso piano dell'antenna.

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👥 Partecipanti

• 👨‍🏫 Moderatore: Paolo
• 👨‍🏫 Relatore: i5WHC

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📅 Informazioni Lezione

Campo	Valore
Lezione numero	17
Data	09/09/2026
Durata stimata	~2 ore
Numero argomenti	3
Parole chiave	radiotecnica, campi elettromagnetici, onde radio, propagazione, ionosfera, MUF, LUF, FOT, ciclo solare, macchie solari, strati ionosferici