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RADIOFREQUENZE E MICROONDE

I campi elettromagnetici con frequenze comprese tra 100KHz e 300GHz possono essere ulteriormente suddivisi in campi a RADIOFREQUENZE (RF)e campi a MICROONDE (MO): i primi aventi frequenze fino a 300 MHz, i secondi con frequenze da 300MHz a 300GHz.
Gli apparati che generano radiazioni elettromagnetiche non ionizzanti a radiofrequenze e microonde possono essere suddivisi in tre grandi categorie:
* riscaldatori industriali;
* apparati per telecomunicazioni;
* apparecchiature per applicazioni biomedicali.
La presenza di tali tipi di radiazioni nell’ambiente esterno è legata soprattutto a sorgenti dedicate a telecomunicazioni, come i ripetitori radio TV, ed impiegate per la telefonia cellulare, tra cui si devono considerare sia le stazioni radio base sia i telefoni cellulari.
  www.arpa.emr.it/elettrosmog/radiofrequenze.html  link diretto dove trovi tutto.

 

I4CVC

 

Salve a tutti coloro che avranno la pazienza di leggere queste note!

Premetto che non sono uno scrittore ma un appassionato di radiofrequenza e in particolare nel campo delle microonde quindi concedetemi qualche errore di sintassi.

 

LE MICROONDE

 Le microonde sono radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda compresa tra le gamme superiori delle onde radio e la radiazione infrarossa. Sebbene si tenda a considerarle separate dalle radioonde, le microonde sono comprese nelle parti UHF e EHF dello spettro radio, presentando comunque delle caratteristiche specifiche dovute alla loro alta frequenza. Il confine tra le microonde e le gamme di radiazioni vicine non è infatti netto e può variare a seconda dei diversi campi di studio. Sono così chiamate perché hanno onde molto corte, comprese tra 30 cm (frequenza di 1 GHz) e 1 mm (frequenza 300 GHz).

Al di sopra dei 300 GHz l'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche da parte dell'atmosfera terrestre è così intenso che può essere considerata opaca a queste frequenze. Ritorna però ad essere trasparente nella zona degli infrarossi e della luce visibile.

Le frequenze di cui tratterò saranno comprese tra 1 ghz e i 47 ghz perché è sono queste frequenze che io ho utilizzato e dove ho autocostruito apparati ed antenne.

 Storia

La predizione dell'esistenza delle onde elettromagnetiche, di cui le microonde fanno parte, è dovuta a James Clerk Maxwell con le sue famose equazioni del 1864. La dimostrazione dell'esistenza avvenne nel 1888 ad opera di Heinrich Rudolf Hertz che studiò le onde radio.

Alcuni nomi di personaggi che con le loro ricerche hanno contribuito allo sviluppo delle moderne applicazioni delle microonde sono: Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson noto come Lord Kelvin, Oliver Heaviside, Lord Rayleigh, Oliver Lodge.

Alcuni studi specifici sulle microonde e le applicazione sono:

  • Barkhausen e Kurz: Oscillatore a griglia positiva
  • Hull: magnetron
  • Fratelli Varian: Modulazione della velocità degli elettroni, Tubo klystron
  • Randall e Boot: magnetron a cavità risonanti

Le microonde non sono usate solo per trasmissione dati,video, voce o altro, ma vengono utilizzate anche nell’industria,riscaldamento di materiali ferrosi, tempera di acciai, magnetron o oscillatori di potenza molto elevata svariati KW a secondo dell’utilizzo i magnetron sono utilizzati anche in cucina nei forni a microonde alla frequenza di 2,45 ghz (potenze da 600 a 1500 W ).

I klystron sono anch’essi degli oscillatori variabili (valvole con sintonia) utilizzati molto in passato su apparati radar, oggi sostituiti da sistemi allo stato solido.

In campo medico la radarterapia è stata molto usata in passato per la cura di postumi da traumi ossei, io stesso per le fratture subite in passato ho fatto parecchie applicazioni di radarterapia a 5,7ghz, a tal proposito dopo l’abbandono di tali terapie oggi si sente parlare nuovamente parlare di radio applicazioni anche se a frequenze più basse.

Vorrei dire ancora poche parole sulle microonde e radiofrequenza in generale, PARLIAMO DI FASCI DI ONDE NON IONIZZANTI  ­­  N.I.R.   DA NON CONFONDERE CON I FASCI DI ONDE IONIZZANTI  I.R..

 I fasci non ionizzanti sono le onde elettromagnetiche (gli effetti sul corpo umano si hanno ad elevatissime concentrazioni e il risultato immediato è l’aumento locale della temperatura (come per la radar terapia ).

I fasci ionizzanti sono meglio conosciuti col nome di raggi X, tutti sanno della loro pericolosità anche con potenze modeste in quanto durante l’attraversamento del corpo umano hanno un effetto secondario di trasporto di materia.

Dopo queste premesse che ritenevo doverose passo alla parte che a noi interessa che sono i collegamenti a microonde.

   

Spettro delle onde radio  

ELF  

SLF

ULF  

VLF  

LF

MF

HF  

VHF

UHF  

SHF

EHF
3 Hz  

30 Hz

300 Hz   3 kHz   30 kHz  

300 kHz

3 MHz 30 MHz   300 MHz 3 GHz   30 GHz
30 Hz

300 Hz

3 kHz 30 kHz 300 kHz

3 MHz

30 MHz 300 MHz   3 GHz 30 GHz 300 GHz  
Suddivisione in bande del campo delle microonde
Sigla della banda   Gamma di frequenza
L 1 - 2 GHz
S 2 - 4 GHz
C 4 - 8 GHz
X 8 - 12 GHz
Ku 12 - 18 GHz
K 18 - 26 GHz
Ka 26 - 40 GHz
Q 30 - 50 GHz
U 40 - 60 GHz
V 50 - 75 GHz
E 60 - 90 GHz
W 75 - 110 GHz
F 90 - 140 GHz
D 110 - 170 GHz

  Le bande radioamatoriali in UHF sono:

  • 23/24 centimetri (1240 - 1298 MHz)     1296-1298  segmento cw ssb eme  fm
  • 12/13 centimetri (2300 - 2450 MHz)      2320 2322   =      =      =    =    =     =

La banda dei 23 cm ha una allocazione piuttosto estesa, che permette la sperimentazione di modi di trasmissione a larga banda come la ATV (televisione amatoriale). Sono anche presenti dei ripetitori in FM, ma in misura limitata, e si fa attività via satellite e via luna (EME).

La banda dei 13 cm, non molto usata, sta riscontrando un interesse crescente, visto che si tratta delle stesse frequenze utilizzate per i collegamenti Wifi  2450 mhz                                                                               SHF

Nelle SHF, non molto usate, vi sono tre bande radioamatoriali:

  • 5 centimetri (5650 - 5850 MHz)            5760-5762
  • 3 centimetri (10 300 - 10 500 MHz)      10368 -10500
  • 1,5 centimetri (24 000 - 24 050 MHz)    

La banda dei 6 cm non è molto sfruttata, mentre sui 3 cm sono state di recente scoperte delle modalità di propagazione molto interessanti come il rain scatter, ovvero la diffusione del segnale da parte delle perturbazioni atmosferiche. È in questo modo che si fanno ad esempio dei collegamenti tra radioamatori italiani (sud delle Alpi) e radioamatori dell'Europa centrale (al nord o al nord/est delle Alpi), con distanze che possono raggiungere i 500 km ed oltre, cosa impensabile fino a pochi anni fa in questa banda.

Anche sui 24 GHz si fanno interessanti esperimenti di propagazione e le stazioni che operano sono in aumento,chiaramente parliamo di una decina di stazioni operative

 EHF

Le EHF si prestano a sperimentazioni di livello avanzato: il loro uso da parte dei radioamatori è molto limitato. Le bande sono le seguenti:

  • 6 millimetri (47 - 47,2 GHz)
  • 3 millimetri (75,5 - 81,5 GHz)
  • 2 millimetri (122,5 - 141 GHz) - non interamente assegnato al servizio di radioamatore
  • 1,2 millimetri (241 - 250 GHz)

Su queste bande le stazioni sono poche in 47 ghz mentre a 77 e 122ghz ho visto solo due esemplari di stazioni per banda costruite da radioamatori veneti ed a parte di questi qso dimostrativi non si sente e non si vedono log di qso durante i contest dai 77 ghz a salire.

APPARATI E COMPONENTI

 Fino a metà degli anni 80 il mercato della componentistica per microonde non permetteva ai radioamatori una vasta scelta, ciò che si poteva trovare erano i diodi varactor per usare come moltiplicatori di frequenza e diodi a capello (1N23:::::) come diodi rivelatori e qualche transistor di potenza in banda vhf.

Gli apparati perciò consistevano in un convertitore di frequenza in discesa (DOWN CONVERTER) utilizzante un oscillatore locale  che convertiva il segnale microonde in un segnale hf o vhf, a secondo di quale apparato si aveva a disposizione, si partiva da un quarzo e ottenuta tramite moltiplicazioni la frequenza desiderata si iniettava sul diodo mixer assieme al segnale presente in antenna; la sensibilità ottenuta era bassa e la cifra di rumore era alta.

La parte trasmittente era invece costituita da un amplificatore di potenza che portava il segnale di un apparato fm 144 mhz alla potenza necessaria a pilotare dei circuiti a varactor a seconda delle moltiplicazioni effettuate, dei rendimenti di questi diodi con i relativi circuiti di accordo e la separazione delle frequenze utilizzate.

Le potenze ottenute erano in media di qualche w ma a causa del sistema utilizzato (FM) e la scarsa sensibilità dei convertitori i collegamenti (DI MEDIA DISTANZA;IN CONDIZIONI PROPAGATIVE NORMALI) rimanevano sempre difficili.

Le antenne usate sono le stesse che si usano oggi perché nulla è cambiato in questo campo e perciò l’uso di yagi, loop e parabole è valido come allora e il guadagno a parità di costruzione è lo stesso.

Quindi per potere operare bisognava avere due apparati uno in rx,uno in tx un convertitore  un moltiplicatore di frequenza e chiaramente anche l’antenna .

C’è una cosa che và detta i microondisti allora venivano chiamati GLI IDRAULICI , non perché usassero l’acqua ma a causa del fatto che i moltiplicatori i filtri, i lanciatori le transizioni in guide d’onda gli apparati assomigliavano molto a circuiti idraulici ed oltretutto il peso era anche notevole.

A metà degli anni 70 in commercio diventò facile trovare le cavità per antifurti operanti nella banda dei 10 ghz, esse consistevano in cavità risonanti al cui interno si trovava un diodo gunn usato come oscillatore e trasmettitore e di un diodo a capello o anche un diodo schottky (PIU? RARO)queste cavità sfruttano l’effetto doppler per segnalare la presenza di un intruso, non mi dilungo su questo sistema ma se richiesto posso approfondire anche perché oggi questi sistemi si stanno spostando a 24 ghz e per noi microondisti possono essere interessanti.

Dicevo che l’acquisizione ad un prezzo diciamo accessibile e all’idea che ebbe se non ricordo male la paternità i4ber, goliardo, di utilizzare questa testina e aggiungendo un po’di elettronica facilmente acquisibile si otteneva un RTX a 10 ghz in FM. dalle prestazioni finora non ottenute coi moltiplicatori fece sì che quasi tutti i microondisti migrassero su questa banda, chiaramente abbandonando le frequenze più basse.

Ma come è facile immaginare era difficile sapere esattamente dove cavolo stessimo operando dopo avere smontato la cavità e avere aggiunto una vite, quanti filetti doveva essere introdotta nella cavità?

I collegamenti duravano a volte delle ore a causa di queste problematiche e pochi avevano accesso a strumenti che potessero chiarire l’omerico dilemma.

Anche in questo caso i4ber che lavorava al centro radioastronomico di medicina avendo a disposizione la strumentazione adatta a chiarire e a stabilire dove stavamo trasmettendo organizzò il primo congressino microonde a medicina e per due giorni si fecero misure, era l’anno1978.

Questa tradizione non si è persa e ogni anno questo congressino viene organizzato in posti diversi, questo anno con il contributo del crbr viene organizzata la  2° due giorni del microondista e il XXX congressino microonde a BAGNARA DI ROMAGNA chiaramente la strumentazione è migliorata, ci sono strumenti per le misure di rumore fino a 26ghz per la potenza il guadagno e la certezza di frequenza fino a 47 ghz.

 Parte II

 
 
 
STAZIONE TIPICA    convertitore in ricezione
 Moltiplicatore in trasmissione ingresso 144mhz 2w   uscita 2304 mhz 0,5w
STRUMENTI DI MISURA E CALIBRAZIONE A sinistra in basso generatore 2-5 ghz sopra generatore 0.1-512 mhz  ,a destra in basso misuratore di rumore sopra analisi di spettro 0.01-18 ghz,al banco i4BER ,tutti gli strumenti sono analogici ed erano il sogno di ogni microondista
 
 

Il frequenzimetro del povero microondista era l’ondametro ad assorbimento che era costituito da una lunga cavità al cui interno scorreva un pistone collegato ad una asta millimetrata ,all’interno della cavità c’erano un loop caricato a 50 ohm in cui si iniettava il segnale di frequenza sconosciuta dall’altro lato un diodo rivela la tensione presente,si faceva scorrere il pistone e si misurava la distanza in mm tra i 2 minimi di tensione,tale distanza è il valore della lunghezza d’onda.

       
300000:distanza inmm= f/mhz            se si misura 175 mm   300000:175=1714 mhz 
UNO DEGLI STRUMENTI USATI OGGI.
 
Analisi di spettro da 9khz a 22ghz con opzione 26 ghz risoluzione 30 hz  strumento digitale
 

Il mondo delle microonde come detto precedentemente si spostò sui 10 ghz , RADIO KIT e NUOVA ELETTRONICA fornirono dei kit di montaggio per autocostruire dei RTX funzionanti su questa banda e come parte a 10 ghz si usava un gunnplexer della microwave.Il gunnplexer a differenza delle comuni testine antifurto ha al suo interno oltre al diodo gunn usato come oscillatore un diodo schottky usato come rivelatore, un diodo varicap usato per variare la frequenza del diodo gunn e un circolatore per isolare la parte RX dalla parte TX.Questo sistema è un vero RTX , si trova ancora in commercio (anche se in esaurimento)e viene impiegato specialmente in meteorologia per misurare le velocità di rotazione delle trombe d’aria e marine sfruttando l’effetto doppler.

 
 
L’utilizzo di questi kit fece crescere le stazioni sulla banda dei 10 ghz,questo portò ad una sperimentazione ed a una ricerca sulla propagazione permettendo di stabilire quali fossero gli orari migliori per tentare un collegamento a lunga distanza,cominciarono a sentirsi parole come superrifrazione supertropo canali di bassa attenuazione con presenza di nebbie e un accenno al rain scatter (relazione  di i4BER e i4CHY )
 
 
IL GIGAFONO: semplice e completo rtx a 10 ghz in fm utilizzante una cavità antifurto
 
MICROONDISTI  DUBUS 4/1977

CAZ……… QUANTI CAPELLI AVEVO!!!!!!!!!!!!

 
Da questa tabella riportata su dubus del 1980 si puo’ notare la migrazione verso i 10 ghz.
Sono riportati anche i quadratoni collegati e la distanza massima collegata,gli om italiani erano i dominatori delaa banda dei 10 ghz!!!  Ma sulle bande basse come detto prima l’attività era scarsa.
I componenti per i 24 ghz purtroppo non erano così di facile accesso e le stazioni attive erano poche e i collegamenti difficili e laboriosi.
Solo una parte di radioamatori non ha mai abbandonato le frequenze più basse da 1 a 5.7ghz pur continuando a trasmettere anche a 10 ghz,io sono uno di quelli! Ho sempre creduto nella evoluzione di tutte le bande su modi di trasmissione più performanti cominciai a costruire i primi up converter da 144 mhz in ssb a 1.3-2.3-5.7-10 ghz con potenze molto basse ma  che nonostante il bassissimo livello di potenza i collegamenti erano realizzabili con segnali uguali se non migliori confrontando i due segnali.
L’idea di costruire dei transveter cominciò così a maturare,grazie al fatto che con il passare del tempo  la componentistica per microonde che i radioamatori potevano trovare aumentava e i prezzi cominciavano ad essere accessibili.Le riviste specializzate nel campo erano e sono: VHF COMMUNICATION  e  DUBUS che oltre ad essere una rivista elettronica è anche una rivista di informazione sulle attività  propagazione e attrezzature usate dai vari team e radioamatori singoli.
VHF communication offriva anche kit di montaggio di alcuni articoli pubblicati,da qui l’incremento di autocostruttori.Dunque, dicevo,i dispositivi a microonde permettevano di ottenere potenze da 10w a 1296 fino a 300mw sui 10ghz
 

DISPOSITIVI RF

Transistor    

Bfq 34   1,5 W a 1,3ghz  

Bfq68     3W    a 1,3ghz   Bfq136   5 W   a 1,3 ghz  
Gaasfet  

Mgf1302 mgf1303 10mw a 10ghz  0,5 dbnf  a 1,3ghz  e1,5 a 10ghz.

Mgf 1801   250-300 mw a 10ghz

 

POTENZE E ANTENNE

Come tutti sappiamo la nostra stazione è composta da 2 elementi fondamentali, il ricetrasmettitore e l ‘antenna,la potenza del ricetrasmettitore è legata ai dispositivi che troviamo sul mercato mentre l’antenna in microonde è legata all’esperienza e manualità dell’operatore e allo spazio sul tetto.
Per frequenze fino ai2.5ghz si possono usare parabole o antenne direttive multielementi ,su queste frequenze io ho sperimentato,ed ancora oggi uso,accoppiamenti di antenne loop yagi da 50 elementi che mi assicurano un guadagno di 23-26 db mentre per frequenze superiori si usano parabole da 60cm a salire garantendo un guadagno sui 30 db a 10 ghz..
Abbiamo detto che la nostra potenza in 1296 è di 10w,il guadagno dell’antenna è di 26 db la nostra potenza e.r.p. (EFFECTIVE RADIATED POWER; cioè POTENZA IRRADIATA IN QUELLA DIREZIONE) di 2-4 KW !

In 5-10 ghz con 0.3W passiamo a 300W !         Se paragoniano questi dati con una stazione in hf  1kw + 6 db di antenna (3_4 ELEMENTI) p erp =4 KW !

DA CIO’ SI INTUISCE LA CURA E L’IMPORTANZA CHE OGNI RADIOAMATORE DEVE DARE ALL’ANTENNA!!!!!

In ricezione i gaasfet a basso rumore,0,5db-1,5db permettevano di aumentare notevolmente la sensibilità.

In queste condizioni i collegamenti migliorarono parecchio in distanza e il numero di qso in contest cominciò ad aumentare e con esso anche il qrb medio,anche se le stazioni oltralpe erano e rimangono un numero elevato, erano poche quelle con cui si riusciva a fare qso,una conferma però era chiara e cioè che l’uso della ssb e dei transverter(convertitori in salita e in discesa con l’uso di un solo oscillatore locale)era la scelta giusta
Ma tutto ciò stuzzicava l’appetito di dx , il limite era dato dalla potenza troppo bassa a disposizione, per cui nella sperimentazione non potendo aumentare l’area delle antenne andò verso gli amplificatori di potenza a valvole in quanto i gaasfet e transistors di potenza avevano prezzi proibitivi.
CON QUESTE RIGHE VORREI CHIUDERE LA PARTE DI STORIA CHE DEFINIREI DI ESORDIO IN ITALIA,VOGLIO RICORDARE ANCHE I MICROONDISTI, CHE PURTROPPO NON CI SONO PIU’, MA CHE CON ME HANNO INIZIATO A SPERIMENTARE LE MICROONDE E MI HANNO AIUTATO NEI QSO.
73 de  I4CVC

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