I misteri della propagazione in 160 metri – 2° parte

La propagazione su lunghe distaze in 160 metri

In novembre 2016 Carl Luetzelschwab, K9LA, ha pubblicato sul suo sito K9LA uno studio molto interessante sui collegamenti in 160 meri fatti da VK9LL, op.Tomas VK2CCC,  nella sua DXpedition in settembre 2013 e tratta dalla mia analisi del log e dai grafici che avevo effettuato a quel tempo e pubblicati su questa pagina vk9ll---2013.htm.

Dalla pagina di Carl http://k9la.us/Nov16_A_Look_at_the_160-Meter_QSOs_of_VK9LL.pdf leggiamo:

“Uno dei commenti che Tomas fece dopo la DXpedition era che lui non capiva come mai avesse così tanti QSO più con l'Europa che con il Nord America. In 160 metri ha fatto 191 QSO europei ma solo 54 nord americani. Questa è una valida considerazione di Tomas per tre motivi:
1) A seconda del paese, il percorso verso l'Europa è di 16 - 17 mila chilometri, mentre il percorso per il Nord America è di 11 - 14 mila chilometri. Con un percorso più breve, l’America del Nord avrebbe dovuto prevalere grazie al minor assorbimento ionosferico ed alle minori perdite per riflessioni a terra.
2) Il percorso verso l'Europa aveva circa due ore di oscurità comune (questo è il tempo in cui l'intero percorso tra VK9LL e l'Europa era al buio - che è dove la RF deve transitare in 160 m.). Il percorso verso la costa occidentale del Nord America offriva circa sei ore e mezza di buio comune. Con più ore di oscurità, l’America del Nord avrebbe dovuto dominare grazie al molto tempo in più disponibile.
3) La direzione del percorso verso l'Europa, dalla parte di VK9LL, sembra trovare ostacoli nel terreno, mentre quello verso il Nord America ha un orizzonte aperto. Andando più a fondo, la carta geografica del terreno di Lord Howe Island indica che le colline a nord ovest di VK9LL in direzione dell’Europa sono circa 2,5 km di distanza ed arrivano a 147 metri. Facendo un po 'di matematica ci calcola che la RF sarebbe bloccata al di sotto di circa 3,5 gradi. Non vedo questo come un problema per i 160-metri.

Il motivo # 1 di cui sopra ci dà un indizio su quello che potrebbe essere accaduto. Infatti, quanto maggiore è la distanza, tanto più le perdite (assorbimenti e riflessioni a terra) e quindi meno potenza del segnale. Questo presuppone che la propagazione avvenga tramite multi-hop – successive rifrazioni e riflessioni tra la ionosfera e la terra. Se questo non accade, allora forse qualche altra modalità è coinvolta.

Propagazione “multi-hop”

Una semplice procedura di calcoli ci dimostra perché il “multi-hop” è un problema. Possiamo stimare l’intensità del segnale ricevuto (Pr in dBm) con la seguente formula:

Pt è la potenza trasmessa in dBm, Gt è il guadagno dell’antenna trasmittente in dBi, Gr è il guadagno dell’antenna ricevente in dBi, FSPL  (free space path loss) è la perdita per diffusione sferica dell’onda nello spazio in dB, abs è il totale degli assorbimenti ionosferici in dB, e gnd reflè il totale delle perdite per riflessioni a terra in dB.

Pt, la potenza trasmessa è 50 dBm per 100 watts, 60 dBm per 1 KW, 61,8 dBm per 1500 W e 70 dBm per 10 KW

Gt, il guadagno dell’antenna TX è generalmente zero per le antenne dei160 metri

Gr, il guadagno dell’antenna ricevente di solito si pone a zero, ma può essere anche molto negativo (- 50 dB con piccolo loop), che si recupera comunque con il preamplificatore

FSPL, (Free Space Path Loss) è la semplice perdita per diffusione dell’energia nello spazio (totale del percorso effettuato dall’onda attraverso le riflessioni) ed è calcolato con la seguente formula: FSPL = [32,5 + 20 * Log (d) + 20 * Log (f)].  La seguente tabella può essere utile per evitare calcoli logaritmici:

Abs, è la somma di tutte le perdite per assorbimenti ionosferici e dipende dal numero delle macchie solari, dalla frequenza operativa, dalla giro-frequenza, dall’angolo di radiazione del segnale e dall’angolo zenith ad ogni punto di rifrazione. Può essere calcolato cliccando su questo foglio excel,  ma generalmente si può considerare fra 5 ed 8 dB per ogni salto.

Gnd refl, è la somma di tutte le perdite per riflessioni a terra; esse dipendono dal tipo di terreno e dall’angolo d’incidenza dell’onda; possono venire stimate con la seguente tabella:

Facciamo una stima per un percorso di 11.000 km (il più breve per il North America da VK9LL). Sono necessari 6 salti, dato che la lunghezza massima di un salto in 160 metri è di circa 2.000 km, a prescindere che sia un salto via E o un salto via F (il segnale RF in 160 m. non riesce a raggiungere l’altezza di 350/400 km dello strato F come in 20 metri, ma viene rifratto nella sua parte più bassa, sotto i 200 km). Con Pt = 50 (VK9LL usava 100 Watts), Gt e Gr = 0, FSPL = 119, abs = 42 (7 dB per salto per 6 salti) e gnd refl = 10, otteniamo Pr = -121 dBm.

Questo è certamente sopra l’MDS (minimum discernible signal) di un tipico moderno ricevitore (che è attorno a -135 dBm), quindi è tutto ok – d’accordo? No, non è così! Sfortunatamente, il rumore esterno, sia di origine delle attività umane che atmosferico, limita la performance del nostro ricevitore in 160 metri a circa -103 dBm in un tranquillo ambiente rurale. Ben peggio se viviamo in una zona più popolata e rumorosa (il rumore di origine umana sui 160 m. in un’area residenziale è di circa -83 dBm) come risultante dal grafico seguente.

Abbiamo bisogno di un accettabile rapporto segnale/disturbo - S.N.R. che, in questo caso, risulta essere: -121 dBm -103 dBm, =  -18 dB, non abbastanza per il normale orecchio umano.

Modificando leggermente i calcoli con Pt = 61.8 dBm (1500 Watts), l’SNR sale a -6 dB. Questo ci fa capire che 10,000 km, o lì in giro, sono approssimativamente la massima distanza raggiungibile con salti multipli in 160 metri. Naturalmente con l’impiego di potenze elevate e grandi antenne da entrambi i lati, si può andare oltre questa distanza, ma non di molto. Il modo possibile è via “ducting”.

Propagazione via “ducting”

Per percorsi simili in distanza a quelli tra VK9LL e l'Europa, è necessario prendere in considerazione il “ducting”, un condotto a maggiore densità di elettroni che si forma durante la notte nella vallata che esiste tra il picco della regione E ed il limite inferiore dello strato F.

Affinché il segnale possa entrare in questo condotto, deve avere un angolo di radiazione abbastanza elevato per passare attraverso la regione E, ma non troppo alto, per non essere rifratto direttamente a terra dalla regione inferiore dello strato F così alto da essere elevato da non essere rifratta indietro dalla regione inferiore F - e quindi ha bisogno di essere rifratto nuovamente in su dalla regione E, per proseguire poi nel condotto senza scendere a terra
Il programma di ray racing - Proplab Pro V3 della Solar Terrestrial Dispatch – dimostra che in 160m ci sono tre gamme di angoli di elevazione che ci danno tre diverse modalità. La figura seguente illustra questo concetto per un rappresentativo percorso notturno su questa banda.

In questo esempio sono tracciati i raggi da 9 a 24 gradi con intervalli di 3 gradi. Gli angoli di elevazione più bassi, fino a 15 gradi, portano a salti via strato E. Gli angoli di elevazione oltre i 21 gradi portano a salti via strato F. Solamente fra 15 e 21gradi vediamo la possibilità di entrata in modalità ducting con successive rifrazioni fra il picco della regione E e la parte inferiore della regione F. Con questa modalità non avvengono transiti attraverso la regione assorbente (Strato D) che aggiungono perdite, e non ci sono riflessioni a terra, che aggiungono altre perdite.

Il meccanismo del ducting può non essere lo stesso verso direzioni diverse in uscita da una data località. La ragione di fondo sta probabilmente nella densità degli elettroni della regione E e quella della bassa regione F. Da entrambe queste dipende con quale angolo di elevazione irradiato, un segnale possa entrare attraverso la regione E, essere rifratto poi in giù dalla bassa regione F e quindi di nuovo rifratto in su dalla regione E.

Dal nostro lato, a prescindere dalle simulazioni del programma, non è possibile sapere quale sia il migliore angolo di elevazione per entrare nel condotto e, in ogni caso, non è facile variare l’angolo di radiazione di un’antenna in 160 metri, come potrebbe esserlo in 6 metri. Questo dipende dal tipo di antenna usata, ma trovarsi con l’angolo giusto è un fatto di fortuna. Naturalmente dall’antenna non parte una freccia che possa colpire o non colpire l’obiettivo: il lobo di radiazione è sempre molto ampio, a tutti gli angoli di elevazione. Sappiamo comunque che già 3 dB in meno rappresentano una riduzione del 50% della potenza, sia in trasmissione che in ricezione, per cui vorremmo che la maggior parte possibile dell’energia irradiata venisse incanalata verso il nostro obiettivo DX.

Quante volte avete sentito una stazione modesta, in una località modesta, non lontana da voi, lavorare un DX che voi non ascoltate per niente, nonostante le vostre Beverages? Non arrabbiatevi e non siate invidiosi o, peggio ancora, non accusate il fortunato di usare un SDR remoto in un altro continente (anche se questo purtroppo avviene!). In tale occasione l’angolo di elevazione della sua antenna è fra quelli favoriti per entrare (o meglio uscire) dal “ducting”, mentre una splendida Beverage presenta un profondo “null” proprio in quella corrispondenza. (Soprattutto al sunrise succede che i segnali DX arrivano con angolo alto, ed un dipolo basso li riceve meglio di una Beverage). Un discorso analogo vale anche per la direttività orizzontale: quasi sempre i segnali provenienti da lunghe distanze via “ducting” risultano deviati fino a 60 gradi (generalmente verso il sud) rispetto alla direzione della mappa azimutale, ed anche qui una Beverage molto lunga ed efficiente, possa venire a trovarsi fuori dalla direzione da cui effettivamente proviene il segnale. 

In ogni caso il “ducting” è la modalità maggiormente responsabile del fenomeno della “Spotlight propagation” che favorisce, con segnali molto forti, alcune aree limitate, mentre a poche centinaia di chilometri di distanza non si ascolta nulla. I 160 metri richiedono molta pazienza e, prima o poi, il momento favorevole dello “spotlight” arriva per tutti, basta esserci!

16 gennaio 2017 – Luis IV3PRK