LE2GO - contributo riflessivo e contributo attenuativo

[i4mfa]

contributo riflessivo Iniziamo a... costruire con i mattoncini del LE2GO Il contributo riflessivo viene evidenziato in un contesto definito come Perfect Ground.

Un dipolo orizzontale ha un lobo di radiazione zenitale come quello che compare in blu nella parte sinistra della figura qui accanto (in rosso viene riportato quello azimutale); il guadagno non cambia al variare dell'angolo considerato. Il contributo riflessivo del terreno, qualora posizioniamo la antenna ad una altezza h pari a lambda mezzi, viene evidenziato nel lobo che compare in blu nella parte destra della figura accanto. Il massimo guadagno compare per un angolo di take-off di 30 gradi. Dalle leggi della fisica (riflessione) abbiamo ottenuto il precedente mattoncino, che ci dice che il ritardo subito dal raggio riflesso risulta pari a: ((0,5*lambda)/0,5)*(1-0,5) ovvero 180 gradi. Dalla teoria dei Campi Elettromagnetici sappiamo che, qualora l'indice di rifrazione del dielettrico contro cui l'onda incide sia maggiore, come nel tipico caso di terreno rispetto ad aria, se il campo elettrico giace nel piano incidente, polarizzazione orizzontale, esso subisce una rotazione di fase di 180 gradi. Ne consegue che il raggio riflesso ed il raggio diretto raggiungono il punto P, posto a 30 gradi di take-off, in fase: il contributo riflessivo del terreno genera un guadagno di 6dB. Qualora P fosse posto a 0 gradi di elevazione, stante che il ritardo subito dal raggio riflesso tende a 0 al tendere a 0 gradi dell'angolo di take-off, la componente risultante sarebbe nulla. La componente a 90 gradi di elevazione presente nel dipolo orizzontale si annulla qualora il raggio riflesso subisca un ritardo di 360 gradi, come nel caso di posizionamento ad altezze multiple di lambda mezzi. Nel caso di polarizzazione verticale, vediamo invece l'opposto, in quanto il campo elettrico giace nel piano ortogonale rispetto a quello incidente e non subisce rotazione di fase. Un dipolo verticale ha un lobo di radiazione zenitale con componente nulla a 90 gradi di elevazione.

Dispense Di Propagazione - Radio Rivista 03/2021 ... la altezza in termini di multipli di lambda quarti fortemente impatta sui lobi di radiazione nel piano zenitale: per multipli dispari di lambda quarti avremo un (rumoroso) lobo verso lo zenith; quando la altezza della nostra antenna orizzontale risulta invece multipla di lambda mezzi, detto lobo scompare. contributo attenuativo Il contributo attenuativo viene stimato in un contesto definito come Real Ground. Per bassi angoli di radiazione esso ha un forte impatto, molto sensibile nel caso di polarizzazione verticale. Il contributo attenuativo deve tenere conto dei differenti coefficienti di riflessione dovuti alla polarizzazione, riportati in figura per 14MHz. In sintesi, in un modello simulato Real Ground vediamo ridotti i benefici calcolati dal Perfect Ground teorico. Antenne, nozioni di base Abbiamo appreso in un precedente mattoncino del LE2GO che, come evidenziano i lobi di raziazione azimutale e zenitale della figura accanto, rosso e blu per il dipolo orizzontale, azzurro e giallo per quello verticale, il contributo attenuativo del suolo ci porta a stimare, ad un angolo di take-off di 5 gradi, G=+2dB per il dipolo orizzontale, posto ad una altezza pari a lambda, e G=-7dB per il dipolo verticale, posto ad una altezza pari a lambda quarti. Semplificando, possiamo vedere il contributo attenuativo in modo similare ad una attenuazione knife-edge causata dalla curvatura terrestre, che pone l'orizzonte in cima ad una collina. Innalzare il punto di alimentazione della antenna riduce il contributo attenuativo. Non essendo facile realizzare un modello sufficientemente accurato per il suolo, il contributo attenuativo non puo' essere che stimato: alla data di realizzazione del presente mattoncino, i dati, utilizzati da programmi come HFTA per la realizzazione di profili di terreni, si basano su rilievi laser attuati dallo spazio che hanno una precisione (1/3 arc-second) dell'ordine dei 20-30m, comparabile, per quanto riguarda le HF, con un ritardo di fase di 180 gradi. Dispense Di Propagazione - Radio Rivista 03/2021 La diffrazione, funzione anche delle caratteristiche geometriche del terreno, genera una attenuazione, che deve essere considerata sia presso la antenna che nei punti di un percorso multi-hop in cui si attua la riflessione al suolo. Focus on una tre elementi yagi guadagna 10dB, una verticale ha un basso angolo di radiazione... ... capiamoci!

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contributo riflessivo
un piccolo approfondimento

In figura viene riportato

• sopra, il lobo di radiazione (free-space) di un dipolo orizzontale,
  • in rosso quello sul piano azimutale,
  • in blu quello sul piano zenitale,
• sotto, il il lobo di radiazione (free-space) di un dipolo verticale,
  • in rosso quello sul piano azimutale,
  • in blu quello sul piano zenitale.

La radiazione e' simmetrica su entrambi i piani, quindi ci basta evidenziare un quadrante.
Sopra, in rosso, vediamo il notissimo lobo di radiazione del dipolo, con la sua ampiezza di circa 80 gradi a -3dB.
Sotto, in rosso, vediamo l'altrettanto noto lobo di radiazione della verticale, omnidirezionale.
Concentriamo la nostra attenzione sui lobi blu, quelli sul piano zenitale: ovvio (abbiamo girato la antenna) loro shape.
Il contributo riflessivo del suolo, nel caso di una verticale, che non ha radiazione (a 80 gradi di elevazione siamo gia' -15dB) verso l'alto, non potra' mai produrre un fastidioso lobo sopra la nostra testa (e con questo intendo dire a 90 gradi di elevazione), a prescindere dal posizionamento della antenna stessa. Riporto in figura (90 gradi = orizzonte, 0 gradi = sopra la testa) i lobi di radiazione sul piano zenitale risultanti dal contributo riflessivo (perfect ground, vedi LE2GO - free space e guadagno) del suolo; da sinistra verso destra a step di lambda ottavi di altezza dal suolo, le righe dispari per la antenna orizzontale e le righe pari per la antenna verticale. Come in precedenza spiegato, i massimi [non quelli sopra la testa... ovviamente] nella antenna orizzontale coincidono con i null in quella verticale.

Ma... occorre considerare anche il contributo attenuativo.

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contributo attenuativo
un piccolo approfondimento

PREMESSA
In un precedente mattoncino del LE2GO abbiamo imparato a calcolare la massima frequenza che viene riflessa verso terra dalla ionosfera nel punto in cui essa ha un misurato valore di foF2, ad esempio 9MHz per una riflessione in 10M; detto punto si trova a circa 1500Km di distanza, supposto hmF2 di 300Km, e viene raggiunto dalla componente zenitale a 5 gradi di take-off, consentendoci un hop di 3000Km; la componente zenitale a 8 gradi di take-off ci consentirebbe un hop di 2500Km, quella a 2 gradi di take-off un hop di 3500Km, che sarebbe fruibile in 10M anche con foF2 inferiore; la attenuazione di tratta relativa a detto hop risulta, vedi Dispense di Propagazione, di 131dB (la variazione per le altre due componenti citate risulta rispettivamente 2dB inferiore e 1dB superiore).
Da quanto sopra risulta evidente la importanza del guadagno della antenna per angoli di take-off (componenti zenitali) bassi: come impatta il contributo attenuativo del suolo? Come abbiamo visto, occorre attuare una stima (Real Ground) della attenuazione (da diffrazione, vedetela come un knife-edge e risulta semplice ed intuitiva) da parte del suolo.

CONTENUTI
In tabella riporto un piccolo esercizio volto a comprendere, e correttamente stimare, il suddetto impatto:

h	1,0	PG	2,0	1,0	RGa	2,0	1,0	RGi	2,0	1,0	RGs	2,0
8	5,9	6,5	8,0	5,6	-2,2	7,7	5,1	-3,8	7,2	5,9	5,5	8,0
7	5,0	6,5	8,2	4,8	-2,9	7,9	4,3	-4,7	7,4	5,0	5,5	8,2
6	3,9	6,6	7,9	3,7	-3,8	7,6	3,3	-5,7	7,3	3,9	5,4	7,9
5	2,5	6,7	7,1	2,4	-4,9	7,0	2,1	-6,9	6,6	2,6	5,2	7,1
4	0,8	6,7	5,9	0,7	-6,3	5,7	0,4	-8,6	5,5	0,8	5,0	5,9
3	-1,6	6,7	3,9	-1,7	-8,3	3,8	-1,9	-10,7	3,6	-1,6	4,5	3,9
2	-5,1	6,8	0,7	-5,1	-11,3	0,7	-5,2	-13,9	0,5	-5,0	3,6	0,7
1	-11,0	6,8	-5,1	-11,0	-16,8	-5,1	-11,1	-19,6	-5,2	-11,0	1,1	-5,1

Abbiamo considerato, nella colonna PG, il contributo riflessivo del suolo, per la componente con un angolo di take-off di h gradi, di un dipolo (G=2,1dBi, bw=78deg, F=28,8MHz) verticale posto a lambda quarti, rapportandolo, nelle colonne accanto a sinistra e a destra, con un dipolo orizzontale posto a lambda e due lambda dal suolo; nelle colonne RGa, RGi e Rgs (e pariteticamente in quelle ad esse accanto) abbiamo ulteriormente considerato il contributo attenuativo del suolo per tre differenti tipologie, ovvero quella definita (da vecchi standard americani, la realta' europea odierna dovrebbe portarci a considerare average quella qui definita industrial) average, quella definita industrial e quella definita seaside.
Cosa notiamo?

• Notiamo che il contributo attenuativo del suolo, caso di riferimento industrial (ma anche average), impatta poco (meno di -0,5dB) nelle antenne a polarizzazione orizzontale e molto (oltre -12dB) nelle antenne a polarizzazione verticale;
• notiamo anche il famoso scarso impatto del contributo attenuativo dei suoli definibili seaside, che nel caso di una antenna a polarizzazione verticale (circa 12dB di attenuazione in meno) risultano rilevanti;
• notiamo infine la maggiore importanza della altezza dal suolo rispetto alla tipologia di terreno: la attenuazione si riduce di 5dB/6dB passando da lambda a due lambda di altezza dal suolo, per angoli di take-off di 5 gradi od inferiori (detta riduzione si riduce a 2dB per angoli di take-off di 8 gradi), in un dipolo orizzontale.

Nella successiva tabella troviamo un ulteriore piccolo esercizio che evidenzia questo ultimo punto, raffrontando (arrotondamento a 1dB per chiarezza) la attenuazione (contributo attenuativo del suolo) per tipologia industrial a differenti altezze, in un dipolo orizzontale prima, in uno verticale poi.

deg	0,5	1,0		deg	0,25	0,5	1,0
8	1	1		8	10	6	5
7	1	1		7	11	7	6
6	1	1		6	12	9	7
5	0	0		5	14	10	9
4	0	0		4	15	11	10
3	0	0		3	17	14	12
2	0	0		2	21	17	16
1	0	0		1	26	23	21

Vediamo anche valori per un dipolo orizzontale posizionato a lambda mezzi di altezza dal suolo, per meglio evidenziare che anche a tale altezza il suo guadagno, per la componente a 5 gradi di take-off (che risulta circa 5,5dB inferiore rispetto ad un posizionamento ad altezza 1 lambda), non varia sensibilmente (da -3,0dB a -3,4dB, quindi 0) se consideriamo una tipologia di suolo industrial; per un dipolo verticale il contributo attenuativo cala di 3dB/4dB passando da (poco sopra) lambda quarti a lambda mezzi dal suolo, raggiungendo i 5dB se consideriamo una altezza di lambda.

Il contributo attenuativo del suolo (diffrazione) dipende quindi quasi nulla dalla tipologia (average/industrial) di esso per le antenne orizzontali, mentre per le antenne verticali la tipologia impatta per 2dB (con la nota eccezione del seaside); la altezza dal suolo ha invece un maggiore impatto, di circa 6dB. Sintetizzo questo concetto nella successiva tabella, stima del contributo attenuativo del suolo di un dipolo orizzontale in funzione della altezza, che riporta nelle ultime due colonne i valori per un dipolo verticale ad altezza (poco superiore a) lambda quarti (ultima colonna seaside invece di industrial).

deg	0,5	1,0	2,0	Vi	Vs
8	7	2	0	10	1
7	8	3	0	11	1
6	9	4	0	12	1
5	12	6	1	14	2
4	13	7	2	15	2
3	16	10	4	17	2
2	19	13	7	21	3
1	25	19	13	26	6

Concludendo, il contributo attenuativo del suolo appare identico (se vogliamo, leggermente a favore del primo) a meno di 3dB fra un dipolo orizzontale ad altezza lambda mezzi ed uno verticale ad altezza lambda quarti, configurazioni che potremmo definire tipiche. Esso impatta per 6dB/12dB fino a 5 gradi di take-off, cresce fino ad oltre 24dB per angoli di take-off inferiori. Aumentare la altezza dal suolo da lambda mezzi a lambda, o da lambda a due lambda, comporta una riduzione di questi valori di 6dB.

[I2NOY]

Molto interessante.
Se ho capito bene, con una terra buona si guadagna qualcosa, rispetto ad una terra "cittadina", soprattutto per le antenne verticali. Il grosso guadagno sta invece nel posizionare le antenne almeno a 1 lambda (meglio 2) dalla terra.
Qui entra in gioco il quesito che posi giā 4 anni fa:"dove sta la terra in cittā?"

[i4mfa]

Certo che un molto interessante se scritto da i2noy Fabrizio ti permette di concludere la giornata gongolandoti alquanto... grazie!
A precisazione della prima frase, che si riferisce alle tipologie di suolo:

... ovvero quella definita
(da vecchi standard americani, la realta' europea odierna dovrebbe portarci a considerare average quella qui definita industrial)
average, quella definita industrial e quella definita seaside.

l'impatto della tipologia del suolo nelle antenne, verticali ed orizzontali, non ha variazioni di rilievo: in una simulazione, poni tranquillamente industrial (e a conforto leggiti la documentazione americana di classificazione); mentre nelle pianure degli USA occidentali nel 1927 si poteva apprezzare, con moderato impatto di diffrazione, la differente conducibilita' del suolo prossimo (1mi) alla antenna, oggi l'impatto della diffrazione (specie in Europa) dovuto alla presenza di elementi (case) con differente (rispetto al pascolo) conducibilita' e' sostanziale ed estremamente forte per la polarizzazione verticale a bassissimi angoli di radiazione. Cosa che non e' sul mare! Li' le cose cambiano, per tutte le antenne, soprattutto verticali, stante la precedente affermazione.
L'altezza dal suolo, orka, si che impatta! E chiaramente anche qui, analogamente a quando dai 100E ad un principe e ad un povero, chi risulta messo peggio sente i maggiori vantaggi (antenne corte, ad esempio).
Veniamo al punto #2,

posizionare le antenne almeno a 1 lambda (meglio 2) dalla terra

"dove sta la terra in cittā?"

a cui mi tocca rispondere con una domanda ad una domanda, cosa che non si dovrebbe fare...
Near-field o far-field? Impedenza o (maggior) valore del campo elettromagnetico (insomma, direttivita', lobo e guadagno)?
Supposto che si parli di far-field, per definizione matematica il suolo e'... al suolo: la luna non si avvicina se io e te' saliamo sul tetto di casa nostra (campo gravitazionale). Ricorda pero' che il contributo attenuativo e' solo stimabile e che considerarlo come una attenuazione knife-edge (modello geometricamente logico) ci permette una migliore sua visione. Io posso anche mettere industrial per stimarlo, magari in centro a Milano suggerirei Higly Industrial... che comunque per una yagi, come abbiam visto, cambia poco.
Per il calcolo del contributo riflessivo, un grattacielo da 20 piani non e' la collina di i4LEC ma... 60m si.
A Milano centro, tutta la citta' sono case di 6 piani... pure 60m: la luna non si abbassa nemmeno passando su Milano!
E facciamo un caso noto: una bella Opti-Beam su un 9m di traliccio posto sul tetto di una casa di tre piani? 18m.
Effetti del tetto in tegole sul near-field? Trascurabili... soprattutto considerando tutto il resto...