Qual è la sfida delle comunicazioni radio in VHF?
La portata è uno dei fattori più importanti nelle comunicazioni radio. La portata in VHF è limitata alla portata ottica. Ciò significa che deve esserci una linea visiva libera tra il trasmettitore e il ricevitore per poter stabilire un contatto. Il collegamento radio diventa più debole o addirittura impossibile se uno dei partecipanti si trova dietro un ostacolo o dietro una montagna o un grande edificio. Tuttavia, funziona anche per i contatti oltre l'orizzonte. Ma come?
In questa pagina vogliamo illustrarvi le possibilità delle comunicazioni radio in VHF, come è possibile entrare in contatto con altri operatori radio oltre l'orizzonte (visivo) e l'importanza di scegliere la giusta antenna VHF.
Le gamme di frequenza (bande VHF)
Le classiche bande VHF da 2 m e 70 cm costituiscono la maggior parte delle operazioni radio. Le bande da 6 e 4 m e soprattutto quella da 23 cm tipicamente sono riservate agli specialisti. La gamma di frequenze generalmente indicata come VHF è suddivisa in VHF da 30 MHz a 300 MHz e UHF da 300 MHz a 3 GHz. Entro questi limiti si trovano un totale di quattro bande radioamatoriali:
Le bande più importanti in VHF si trovano nella gamma inferiore (da 110 a circa 450 MHz). In particolare, si tratta delle bande con lunghezze d'onda di circa 2 m e 70 cm. Queste riguardano i radioamatori, le radio marittime e aeronautiche e i servizi pubblici come la polizia e i vigili del fuoco. Naturalmente, esistono altre bande di frequenza che vengono generalmente chiamate "VHF" e che svolgono un ruolo molto importante in altri settori (telefoni cellulari, Wifi, radar, ecc.). Tuttavia, non considereremo queste bande in questa sede.
Campi di applicazione delle antenne VHF
Per quanto riguarda le possibili applicazioni, si fa distinzione tra radio mobile, cioè la stazione radio fissa, in auto, in barca o in aereo, o semplicemente la radio portatile; e uso stazionario, cioè il funzionamento da casa con una stazione fissa.
Radio mobile, cioè la stazione radio fissa, in auto, in barca o in aereo, o semplicemente la radio portatile
Caratteristiche distintive delle diverse antenne VHF
La maggior parte dei tipi di antenna VHF può essere classificata come segue:: Le antenne omnidirezionali sono antenne che irradiano l'energia del trasmettitore in modo uguale in tutte le direzioni."
Caratteristiche principali delle antenne omnidirezionali VHF
Le antenne con schema polare circolare sul piano orizzontale sono chiamate antenne omnidirezionali. Le antenne omnidirezionali polarizzate verticalmente sono ampiamente utilizzate nel settore commerciale, ad esempio nel settore del servizio pubblico e per le stazioni radio fisse e mobili. La polarizzazione verticale è comune anche in campo radioamatoriale in gamma FM. Tutte le stazioni ripetitrici FM in ambito radioamatoriale utilizzano antenne polarizzate verticalmente, per lo più omnidirezionali. Le antenne omnidirezionali sono disponibili non solo in versione monobanda, ma anche in due o tre bande, ad esempio 2 m, 70 cm e 23 cm.
Esistono differenze nell'alimentazione delle antenne omnidirezionali
- Nella sua forma più semplice, un'antenna omnidirezionale polarizzata verticalmente è un'antenna ʎ/4 o un'antenna groundplane per il funzionamento stazionario. Come i "ʎ/4-rod", i radiatori a quarto d'onda, sono spesso utilizzati per il funzionamento mobile. Il corpo del veicolo fornisce il contrappeso necessario.
- Il gruppo dei radiatori a mezz'onda comprende l'antenna Sleeve (radiatore interno), l'antenna a J e il radiatore ʎ-5/8 esteso oltre la mezz'onda. I radiatori a mezz'onda verticali sono per lo più alimentati ad un capo e producono un angolo di radiazione inferiore e un leggero guadagno.
- Solo il dipolo coassiale è elettricamente alimentato al centro, anche se non è evidente a prima vista.
- Zu guter Letzt zählt die Familie der kurzen Wendelantennen an den Handfunkgeräten auch zu den vertikalen Rundstrahlern.
Infine, la famiglia delle antenne elicoidali corte delle radio portatili include anche le antenne omnidirezionali verticali.
Caratteristiche principali delle antenne direttive VHF
Un'antenna direttiva è composta da almeno due elementi, il radiatore e un riflettore, un elemento passivo accoppiato alla radiazione e assegnato allo stesso piano. Sul boom dell'antenna possono essere disposti altri elementi, i cosiddetti direttori, nella direzione del fascio, davanti al radiatore. Con l'aumento del loro numero, il guadagno davanti dell'antenna aumenta e l'angolo di apertura si riduce.
A seconda del montaggio orizzontale o verticale, le antenne direttive sono polarizzate orizzontalmente o verticalmente. Il diagramma di radiazione di tutte le antenne direttive è costituito da un grande lobo in avanti e da un possibile piccolo lobo dietro. Le loro caratteristiche sono il guadagno (davanti) e la perdita di ritorno. Quando si valutano le antenne, occorre distinguere tra il radiatore isotropico (dBi) (radiatore omnidirezionale teorico) e il guadagno su dipolo (dBd). Le specifiche di guadagno nei dati tecnici delle antenne VHF si riferiscono spesso al radiatore isotropico. La specifica di guadagno della stessa antenna in dBd, cioè sul dipolo come antenna di confronto, è sempre inferiore di 2,15 dB. Questo deve essere tenuto in considerazione quando si confrontano i dati dell'antenna! Un altro criterio è l'angolo del fascio orizzontale e verticale.
Le antenne ad array logaritmico-periodico sono molto adatte quando sono richieste gamme di frequenza molto ampie senza lacune di copertura. Le caratteristiche dell'antenna sono quasi costanti sull'intera gamma operativa. Tuttavia, a favore delle prestazioni a banda larga, non raggiungono gli elevati guadagni delle antenne Yagi con una larghezza di banda inferiore.
Antenne Yagi
Non a caso, l'antenna Yagi in versione corta o lunga è l'antenna direttiva più utilizzata nella gamma VHF e UHF dei radioamatori. È facile e poco costosa da realizzare, con una piccola quantità di materiale. Questo la rende adatta alla costruzione fai-da-te. Ulteriori vantaggi sono il basso carico al vento e la posizione favorevole del centro di gravità se disposta in configurazione ruotabile su un rotore. A seconda del concetto e del numero di elementi, una singola antenna Yagi raggiunge un guadagno davanti di circa 5 dBd fino a un massimo di 16 dBd. Oltre questo valore, l'ulteriore estensione del supporto dell'antenna e l'aggiunta di altri elementi parassiti non è più utile, perché il guadagno non aumenta linearmente con l'aumentare della lunghezza dell'antenna e del numero di elementi, ma solo con una curva sempre più piatta. A circa 5-6 m di lunghezza dell'antenna, si raggiunge il limite della fattibilità meccanica e della stabilità. Un ulteriore aumento del guadagno è possibile solo raggruppando (impilando) più antenne identiche. Forme speciali sono le cross-yagi, le antenne direttive con elementi a forma di anello quadrato e le antenne direzionali a polarizzazione circolare (antenne Helix).
Caratteristica
Quale antenna per cosa?
Le antenne omnidirezionali verticali sono preferibilmente utilizzate per le comunicazioni FM, dirette o tramite ripetitore. Nei qso locali con partecipanti in luoghi diversi sparsi in tutte le direzioni, un'antenna direttiva non è ovviamente molto adatta. In questo caso, è necessaria un'antenna omnidirezionale aggiuntiva. Le antenne omnidirezionali più grandi con un po' più di guadagno sono adatte anche per avere una previsione panoramica dell'occupazione della banda in gamma SSB in occasione di buone condizioni, in modo da passare a un'antenna direttiva polarizzata orizzontalmente per stabilire un collegamento successivo.
Anche se si può ottenere successo con un'antenna omnidirezionale in SSB in condizioni di propagazione molto buone, per partecipare regolarmente alle operazioni DX è indispensabile avere una potente antenna yagi che può essere ruotata per mezzo di un rotore. Con le yagi incrociate (cross yagi), il piano di polarizzazione può essere commutato tra verticale e orizzontale, e anche in modo circolare. Nelle comunicazioni FM è comune la polarizzazione verticale, per SSB, CW e altri modi la polarizzazione orizzontale. Inoltre, esistono le cosiddette antenne elicoidali, antenne direzionali con polarizzazione circolare (cioè rotante) utilizzate nelle radio satellitari. In breve: Per la radiofonia locale, le antenne da interno o piccole antenne "di compromesso" vanno bene, ma per il DX serio, le antenne devono essere all'aperto, il più possibile alte e senza ostacoli.
Radiofonia mobile
Naturalmente esistono anche casi d'uso speciali, come il funzionamento utilizzando la luna come riflettore passivo (EME, terra-luna-terra), la dispersione di meteoriti (meteor scatter) o il transito via satellite. Tutti questi casi d'uso si effettuano quasi esclusivamente in VHF, nella maggior parte dei casi con antenne direttive. A differenza della radio terrestre, in questo caso si utilizza spesso la polarizzazione circolare. Sulle frequenze più alte (da 13 cm a 2,4 GHz) vengono spesso utilizzate antenne paraboliche come antenne direttive, perché sulle frequenze più alte (lunghezze d'onda più corte) le dimensioni di queste soluzioni diventano gestibili.
Troposcatter
Radio satellitare
Meteorscatter
Terra-Luna-Terra
Comunicazioni aeronautiche
Radio Marina
Quanto è importante la scelta del cavo coassiale per le antenne VHF?
Un buon sistema d'antenna nella gamma VHF richiede un cavo coassiale di qualità superiore con bassi valori di attenuazione. Pochi metri di RG-58 con connettori PL saranno sufficienti per un funzionamento occasionale tramite il ripetitore FM locale. Cavi più lunghi e connettori economici annullerebbero il guadagno di una buona antenna. In questo caso i cavi a bassa attenuazione e i connettori di alta qualità ( N o BNC) sono sicuramente la scelta migliore. Il valore dell'attenuazione del cavo varia con la frequenza ed è solitamente indicato in dB standardizzati per una lunghezza di 100 m. L'attenuazione della lunghezza del cavo utilizzato può essere facilmente determinata dividendo per 100 il valore in dB specificato per il cavo e la frequenza e moltiplicandolo per la lunghezza del singolo cavo. Il collegamento del cavo coassiale all'antenna deve essere protetto dalle sollecitazioni e dagli agenti atmosferici, con un connettore che corrisponda al diametro del cavo e allo standard associato al connettore d’antenna predisposto per il collegamento.
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È assolutamente necessario un rotore per il funzionamento in VHF?
Forse una Yagi 4el può essere montata in una direzione fissa verso il ripetitore FM più prossimo. Le Yagi più lunghe e le altre antenne direttive hanno bisogno di un rotore per utilizzare efficacemente la loro direttività. A seconda delle dimensioni dell'antenna, del carico del vento e del peso, il mercato offre soluzioni adatte, che vanno dai piccoli rotori per le yagi di dimensioni prossime ad un’antenna televisiva fino alle attrezzature pesanti per la rotazione di array d’antenne di grandi dimensioni. I sistemi di elevazione/azimutali sono necessari per il funzionamento con i satelliti in orbita terrestre e per l'EME. Sono costituiti da una combinazione di due rotori e possono puntare un'antenna sia orizzontalmente a 360° in azimut sia verticalmente a 90° in elevazione.
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Di cosa ho bisogno per la ricezione VHF?
Per la sola ricezione, di cosa ho bisogno? Dipende: Se si vuole ascoltare solo il ripetitore FM più vicino, di solito è già sufficiente un’antenna quadrata da finestra montata in casa, una corta antenna mobile sul davanzale o una HB9CV in soffitta.
Per la ricezione di stazioni FM o SSB lontane fino a DX in buone condizioni, si raccomanda almeno una buona antenna omnidirezionale sul tetto della casa o su un palo tubolare. Alcune antenne hanno una polarizzazione orizzontale e un modello omnidirezionale, ad esempio la Big Wheel o l'antenna Halo.
Se si desidera ricevere tutte le bande della gamma VHF e UHF, è consigliabile scegliere un'antenna Discone. Grazie all'ampia larghezza di banda e alla polarizzazione verticale, è l'antenna ideale per la ricezione omnidirezionale.
Le comunicazioni radio mobili in VHF sono gestite principalmente dai numerosi ripetitori FM nelle bande dei 2 m e dei 70 cm e sulle frequenze dirette. Sempre più spesso, anche le nuove modalità operative della radiofonia vocale digitale stanno acquisendo importanza. La cosiddetta monobanda "ʎ/4-rod" è in qualche modo "passata di moda". Poiché richiede la carrozzeria come contrappeso, è possibile solo il montaggio diretto al centro del tetto. Dal punto di vista fisico, questa è la posizione di montaggio ottimale, ma non tutti vogliono fare un buco nel tetto dell'auto. Per un'antenna radio mobile VHF/UHF, esistono attualmente opzioni di montaggio reversibili con le forme d'antenna ʎ/2 e ʎ-5/8, come la base magnetica, il morsetto per il finestrino, il morsetto per il portapacchi, il verricello o il baule e l'antenna adesiva da attaccare all'interno del finestrino anteriore o posteriore.
La riflessione nella e sulla troposfera è il percorso di propagazione abituale e più comune per i contatti VHF a lunga distanza. Le riflessioni più durature consentono collegamenti completi in tutti i modi operativi, spesso anche con piccole potenze di trasmissione e piccole antenne se le condizioni di propagazione sono adatte. Spesso con la tropo-scatter sono possibili contatti fino a 700 km e oltre!
Le operazioni dei radioamatori attraverso i satelliti, in particolare, attualmente, attraverso il satellite geostazionario QO-100, è possibile con uno sforzo relativamente ridotto. Poiché il satellite è geostazionario, cioè in posizione fissa nel cielo, non è necessario il tracciamento dell'antenna. Ciò è in contrasto con i precedenti satelliti amatoriali. in orbita intorno alla terra.
Ciò significa che il satellite QO-100 può essere raggiunto in continuazione nella sua area di copertura. Il transponder del satellite trasmette una finestra di frequenza ampia 250 kHz, all'interno della quale molte stazioni possono comunicare simultaneamente in diversi modi, come SSB, CW o digimodi a banda stretta. L'uplink è a 2,4 GHz, il downlink è nella banda dei 10 GHz. Sono sufficienti pochi watt di potenza di trasmissione e un'antenna parabolica di un metro di diametro. Sono disponibili numerosi moduli per la costruzione fai-da-te e, anche se la tecnologia è complessa, lo sforzo finanziario per diventare QRV tramite QO-100 è sorprendentemente basso.
Lungo la traccia dei meteoriti che entrano nell'atmosfera terrestre, si forma una stretta zona di gas ionizzati su cui si riflettono i segnali VHF. Questo processo avviene a un'altitudine compresa tra 80 e 120 chilometri e consente di raggiungere distanze di comunicazione di oltre 2000 chilometri. Queste riflessioni, note come scattering di meteore, sono utilizzate in ambito radioamatoriale nelle gamme VHF e UHF, sulle bande amatoriali 50, 145 e 435 MHz, principalmente nelle date fisse delle piogge meteoriche annuali, per collegamenti sporadici. Poiché la ionizzazione è di solito molto breve (da un secondo a pochi secondi), la telegrafia ad alta velocità e capacità operativa sono utilizzate come modalità speciali. Uno sviluppo delle moderne applicazioni informatiche ha utilizzato una modulazione digitale all'avanguardia per trasmettere il maggior numero di dati in tempi brevi e con una larghezza di banda limitata. Per avere successo nei contatti attraverso le meteore sono necessarie un'antenna direttiva e una maggiore potenza di trasmissione.
Anche la luna può essere utilizzata come riflettore passivo per i collegamenti radio tra due punti distanti della Terra. L'elevata attenuazione nello spazio libero, ben superiore a 200 dB, e la bassa riflettività dovuta alla superficie ruvida e accidentata della Luna, oltre ai 770.000 chilometri che il segnale deve percorrere in media, richiedono uno sforzo d'antenna molto grande. Sono quindi necessari grandi gruppi di antenne yagi ad alto guadagno e l'inseguimento dell'antenna (vedere la sezione Rotori: Sistemi di elevazione/azimutali). Un gruppo di quattro antenne yagi lunghe e 400 W di potenza di trasmissione sono considerati come equipaggiamento minimo nella banda dei 70 cm.
Pertanto, per realizzare il guadagno d'antenna richiesto, si possono considerare solo le frequenze della gamma VHF. Il segnale radio richiede un tempo di propagazione di circa 2,5 secondi per i circa 770.000 chilometri fino alla Luna e ritorno. Le operazioni EME si svolgono nelle bande radioamatoriali a 144, 432, 1296 MHz e 10 GHz. Nelle bande 2-m e 70-cm si utilizzano soprattutto gruppi di antenne Yagi lunghe. Con una potenza di trasmissione di circa 750 W si possono ricevere gli echi della luna con quattro Yagi di 5 m di lunghezza ciascuna in una configurazione 2 x 2 impilata (stack). I modi d’emissione più utilizzati sono il CW (telegrafia) e i digitali. Sulle frequenze più alte, a partire da 1296 MHz, si utilizzano antenne paraboliche, che consentono collegamenti EME più affidabili con guadagni di 35 dB e oltre.
Anche gli aerei comunicano principalmente in VHF. Solo negli oceani e nelle regioni del mondo scarsamente popolate si utilizzano anche le onde corte. La classica modulazione AM è ancora lo standard globale per il controllo e la navigazione dei controllori del traffico aereo. Inoltre, anche le modalità automatizzate come ACARS (scambio di messaggi) e ADS-B (dati di posizione) avvengono in VHF e UHF.
"Sebbene i telefoni cellulari abbiano trovato ampio spazio nel mondo marittimo, la radio VHF è ancora il mezzo di comunicazione più importante a bordo di una nave. A sua volta, l'elemento più importante dell'intero sistema radio è probabilmente l'antenna.
Nella navigazione commerciale il VHF viene utilizzato per il traffico radio a bordo e per quello con i centri radio distrettuali, i centri di controllo del traffico, il servizio radio di governo della nave, i piloti, i porti e le chiuse, nonché per il traffico radio con altre navi in aree di traffico densamente popolate. Ciò è dovuto alla breve portata della radio marittima VHF.
Il VHF trova impiego anche nella navigazione da diporto come trasmettitore di soccorso, fonte di messaggi di allarme meteorologico e nautico, mezzo di comunicazione con i centri radio distrettuali, i porti e le chiuse, nonché per l'interazione sociale.
Inoltre, le radio marittime sono dotate di funzioni aggiuntive, come il GPS o l'AIS integrati. In alcuni casi è necessario installare un'antenna aggiuntiva. In altri casi è l'antenna radio a supportare il servizio.
È importante notare che le prestazioni del sistema radio di bordo sono notevolmente ridotte da un collegamento non ottimale dell'antenna o del cavo tra il trasmettitore e l'antenna."
Radio mobile VHF
L’uso della radio mobile VHF su 2 m e 70 cm avviene quasi esclusivamente tramite numerosi ripetitori, a causa della propagazione delle onde radio solo a portata ottica. Modalità come Echolink e i vari ripetitori collegati tra loro aumentano notevolmente l'area di copertura. Di conseguenza, la radio VHF ha smesso da tempo di essere solo locale o limitata al proprio Paese e consente di stabilire contatti a livello mondiale anche al di fuori dell'Europa. Inoltre, le nuove modalità vocali digitali, come C4FM, DMR e D-STAR, integrano sempre più possibilità di comunicazione. Nella radiofonia mobile si utilizza quasi esclusivamente l’antenna in polarizzazione verticale.
Funzionamento della stazione fissa
Le operazioni in una stazione fissa con antenne direttive sufficientemente alte e senza ostacoli consente di partecipare alle attività DX sulle bande VHF.
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Comunicazioni FM
La radiofonia locale tramite ripetitori FM e su frequenze simplex richiede uno sforzo minore ed è già possibile con antenne interne o da balcone. Le comunicazioni via ripetitore e la maggior parte del traffico radio FM sono gestite con antenne polarizzate verticalmente.
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Operazioni DX terrestri
Per raggiungere stazioni lontane è necessario utilizzare antenne direttive. Le operazioni radio nei contest VHF si svolgono esclusivamente sulle frequenze dirette (iso), di solito in SSB e CW. In questo caso le antenne sono quasi sempre polarizzate orizzontalmente.
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Applicazioni speciali come EME, radio satellitare, ecc.
Oltre alla radio FM e alle operazioni DX in SSB, esistono altre applicazioni estremamente interessanti in VHF. Ad esempio, utilizzare la luna come riflettore o il transito sui satelliti a bassa quota. In questo caso si utilizzano quasi esclusivamente antenne direzionali, in alcuni casi molto grandi. La polarizzazione dipende dalla situazione, spesso viene utilizzata la polarizzazione circolare.
Ecco le caratteristiche più importanti e pratiche dell'antenna, che sono in comune alle antenne VHF nell'elenco dei dati tecnici:
Il guadagno rispetto a un radiatore omnidirezionale isotropico
Il guadagno rispetto a un dipolo
Rapporto tra il valore nella direzione principale del fascio e gli inevitabili lobi laterali posteriori. Specificato solo per le antenne direttive.
Impedenza alla base o al punto di alimentazione dell'antenna
Il valore al quale l'intensità del segnale, dalla direzione del fascio principale verso i lati (o verso l'alto/il basso), si dimezza (-3 dB). Solitamente specificato solo per le antenne direttive.
Di solito è specificato come l'intervallo di frequenza in cui l'SWR è pari o inferiore a 2:1.
Non tutti i valori possono essere ottimizzati contemporaneamente. Un guadagno elevato richiede un grande fattore di forma (lunghezza per le yagi), un'ottimizzazione del guadagno di solito va a svantaggio del rapporto FB e della larghezza di banda, e così via. Dovete quindi decidere quale valore è più importante per voi quando progettate la vostra antenna.
