Guida alla progettazione RF    Cosa sono le onde radio ?

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In questa pagina guarderemo le caratteristiche delle onde radio per la progettazione di una apparecchiatura di comunicazione radio. Spiegheremo i metodi di elaborazione e comprenderemo le onde radio attraverso una prospettiva diretta sull'oggetto.
 

La gente e le onde radio

Da quando si è sviluppata questa tecnologia, una vasta gamma di dispositivi che trasmettono a onde radio, televisione, telefoni mobili etc., sono presenti interamente intorno noi. Le onde radio di per se stesse non sono qualcosa inventata dagli esseri umani ma esistono fin dal momento in cui si è formato l'universo. Le onde radio sono irradiate sulla superficie della terra dal sole e dalle altre stelle, inoltre le onde elettromagnetiche (onde radio) sono anche prodotte dal movimento della crosta terrestre, da illuminazione e così via.
Tuttavia gli esseri umani hanno scoperto l'esistenza delle onde radio e hanno concepito dispositivi per generarle. Le onde radio attualmente sono usate in ogni campo di applicazione. I dispositivi più comuni includono i telefoni mobili, la televisione, la radio, apparecchiiature radio etc. C'è stata una diffusione esplosiva dei telefoni mobili permettendo alla gente di mettersi in contatto con altri dovunque andassero. Lo scambio di messaggi è inoltre una funzione molto popolare. Le immagini della televisione sono trasmesse dai paesi dall'altro capo della terra e per la gente che non conosce realmente la tecnologia etc., il metodo di comunicazione non è importante, quello che importa invece è il contenuto di una comunicazione.
Se dobbiamo progettare una apparecchiatura per mezzo dei moduli radio, non è necessario per noi conoscere in modo approfondito le caratteristiche delle onde radio, appena una piccola conoscenza dell'oggetto è sufficiente per la progettazione dell'apparecchiatura radio.
Per informazioni più dettagliate sulle proprietà fisiche delle onde radio riferirsi alla relativa letteratura. In primo luogo riguarderemo le informazioni di base.

Ciò si riferisce ai moduli radio con portata di comunicazione di parecchi chilometri, la frequenza delle onde radio è in un range che va da diverse centinaia MHz a parecchi decine di GHz.

Proprietà fisiche delle onde radio

Ricordiamo gli esperimenti scientifici fatti a scuola, per esempio l'oscillazione dell'ago di una bussola per mezzo di due fili di rame disposti in cima ad essa fornendo una alimentazione con una batteria, oppure l'oscillazione dell'ago dell'amperometro spostando un magnete attraverso la bobina di rame. Nel primo caso abbiamo generato un campo magnetico dal cambiamento nella corrente (campo elettrico) e nel secondo caso, abbiamo generato una corrente (campo elettrico) dal cambiamento nel campo magnetico.
Quando una corrente ad alta frequenza entra in un'antenna, il campo elettrico cambia acutamente e nelle vicinanze viene generato un campo magnetico. Dunque da un campo magnetico viene generato un campo elettrico. Questo processo viene ripetuto e la materia nello spazio si muove perpendicolarmente nella direzione della vibrazione del campo elettrico e del campo magnetico secondo la forma dell'onda radio. Il campo elettrico (E) ed il campo magnetico (H) vibrano perpendicolarmente l'un l'altro. In questo modo, i campi elettrici ed i campi magnetici hanno un rapporto integrale nelle onde radio e nessuno dei due esiste indipendentemente dall'altro.
Le proprietà delle onde radio sono confrontate spesso a quelle delle onde sonore, ma la differenza è che le onde radio sono trasmesse anche in assenza della materia (un mezzo). (per trasmettere le onde sonore è necessaria l'aria)
In altre parole le onde radio possono essere trasmesse nel vuoto. Infatti sono usate dai satelliti di comunicazioni.

Minore lunghezza delle onde radio e più qualità di luce consentono maggiore rettitudine, cioè concentrando l'energia in un senso si ottiene forte direttività. Inoltre, più alta è la frequenza, maggiore è l'attenuazione dell'energia dell'onda.
In generale si considera che le onde radio si propagano in linea retta, ma che cosa accade se ci sono vari ostacoli fisici nel loro percorso quali le montagne, le costruzioni, le pareti, o la gente e così via ?
Se prendiamo in esempio un'area urbana dove ci sono molte costruzioni, troviamo onde dirette che arrivano direttamente, onde riflesse che arrivano dopo avere colpito le costruzioni e simili, onde diffratte che aggirano le ombre delle costruzioni, onde che arrivano passando attraverso vetri o pareti delle costruzioni e così via. I generi di onda differiscono secondo il tipo (materiale) di ostacolo. Le onde radio possono passare attraverso vetro e ceramica (permeazione), mentre sono riflesse da metallo e da calcestruzzo. Inoltre, le onde con frequenze superiori a parecchi GHz sono sparse ed assorbite da pioggia, da neve, da nebbia etc. e la loro potenza tende ad attenuarsi.

Poichè nel vuoto la velocità al secondo delle onde radio è di circa 300.000 chilometri (circa 3 x 10⁸ [ m/sec ]), a 433 MHz la lunghezza di onda L è 

C'è uno stretto rapporto fra la lunghezza dell'onda radio e le caratteristiche dell'antenna.

Se le antenne trasmettenti e riceventi utilizzate sono antenne isotrope, la perdita di propagazione dello spazio libero è denominata perdita base di propagazione nello spazio libero LB.

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Se proviamo una frequenza a 400 MHz e una distanza di 500 m., otteniamo LB [ dB ] = 78.5 dB
Con una frequenza a 2.400 MHz e una distanza di 500 m., otteniamo LB [ dB ] = 94.0 dB.
È facile vedere la differenza del deperimento dovuto alla frequenza.

Avrete sentito parole come multipath (multipercorsi) o fading (indebolimento), ma cosa significano realmente?
Le onde radio emesse dal trasmettitore arrivano alla ricevente da una varietà di percorsi, ma nello stesso tempo, la resistenza ricevuta dal campo varia secondo gli effetti dei differenti itinerari presi e delle differenze in distanza. Questo fenomeno è denominato fading (indebolimento).
Ci sono molti generi di indebolimento secondo le cause, ma un genere rappresentativo è l'indebolimento dovuto al multipath (multipercorso). Multipercorso significa che le onde radio raggiungono la ricevente da vari percorsi e l'onda radio ricevuta dall'antenna può avvertire interferenze e oscillare ampiamente. Se i segnali sono in fase, la resistenza di campo è alta, ma quando sono fuori fase diventa debole. La lunghezza d'onda delle microonde è particolarmente breve, per questo l'effetto multipath è particolarmente acuto.

Perché capitano gli errori ?

C'è una varietà di cause per le interferenza che si presentano in una trasmissione radio nello spazio. Alcuni leggeri errori dovuti al rumore etc. possono accadere con immagini e suoni e i dati non possono raggiungere correttamente la ricevente. In alcuni casi questo non è un problema, infatti non siamo importunati da un leggero disturbo quando guardiamo la televisione o con i telefoni mobili quando il suono è interrotto o distorto.
Però, quando studiamo la possibilità di controllare un macchinario usando le onde radio in un settore industriale, se il controllo del macchinario è instabile a causa di errori causati dal rumore questo potrebbe provocare incidenti. Se per esempio stessimo trasmettendo un comando ad un computer, eseguire l'applicazione che contiene anche solo un 1 bit di errore potrebbe provocare la perdita dei dati importanti.
Le cause di questi problemi sono dovuti a rumore ed interferenza. Dopo guarderemo un sommario delle cause possibili.

Quali sono gli effetti delle onde radio sul corpo umano e su altre apparecchiature?

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