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IV3PRK Pierluigi “Luis” Mansutti
160 Meters: DXing on the Edge
I misteri della propagazione in 160 m. - parte 2.
Propagazione a lunghe distanze.
Nel novembre 2016 Carl Luetzelschwab, K9LA, ha pubblicato sul suo sito uno studio molto interessante sulla DXpedition VK9LL a Lord Howe is. nel mese di settembre del 2013 da parte del mio amico Tomas, VK2CCC. Tale studio prendeva spunto dalla mia analisi del suo log e dai grafici pubblicati a quel tempo sulla mia pagina dedicata alle spedizioni nel Pacifico
Nell'articolo di Carl leggiamo:
«Uno dei commenti che Tomas fece in seguito alla sua DXpedition fu che egli non riusciva a capire come mai ebbe così tanti QSO in più con l'Europa piuttosto che con gli Stati Uniti. I QSO in 160 m. con l'Europa furono 191 e solamente 54 con il Nord America. Analizzando la situazione emergono almeno tre ragioni:
1) A seconda del paese, il percorso verso l'Europa varia da 16.000 a 17.000 km, mentre il percorso verso il Nord America è tra gli 11.000 e i 14.000 km. Con un percorso più breve, il Nord America avrebbe dovuto prevalere grazie a minori assorbimenti ionosferici e meno riflessioni a terra.
2) Il percorso verso l'Europa aveva circa due ore di “common darkness” (ossia il tempo in cui l'intero percorso tra VK9LL e l'Europa era nell'oscurità - che è “dove” la RF in 160 m. ha bisogno di essere). Il percorso tra la West Coast del NA godeva di circa sei ore e mezza di oscurità in comune. Con più ore di common darkness, il Nord America avrebbe dovuto dominare, avendo avuto molto più tempo a disposizione.
3) Il percorso in direzione dell'Europa, dal lato di VK9LL, sembra trovare un ostacolo nel terreno, mentre quello verso il Nord America ha un orizzonte libero. Approfondendo l'analisi della mappa topografica dell'isola di Lord Howe, si nota che le colline a nord ovest di VK9LL in direzione dell'Europa, distano circa 2,5 km e salgono a 147 metri. Facendo un po' di calcoli, si scopre che le colline bloccherebbero le onde radio al di sotto di circa 3,5 gradi. Non lo vedo, quindi, come un problema in 160 metri.
Il motivo #1 sopra riportato ci fornisce un indizio su cosa possa essere successo. Infatti, maggiore è la distanza, maggiori sono le perdite (assorbimenti e riflessioni al suolo) e quindi minore il segnale ricevuto.
Questo presuppone che la propagazione avvenga via “multi-hop” - rifrazioni e riflessioni successive - tra la ionosfera e il suolo. Se ciò non accade (non giunge a buon fine), allora può esserci qualche altra modalità.
La propagazione Multi-hop.
Una semplice procedura di calcolo dimostra perché il multi-hop è un problema oltre una certa distanza.
Con la seguente formula
possiamo stimare quanta della potenza trasmessa arriva al ricevitore distante migliaia di chilometri.
Pr è l'intensità del segnale ricevuto in dBm,
Pt è la potenza trasmessa in dBm,
Gt è il guadagno dell'antenna trasmittente in dB,
Gr è il guadagno dell'antenna ricevente in dB,
FSPL (free space path loss) è la perdita per la diffusione sferica nello spazio dell'onda in dB,
Abs è il totale delle perdite per gli assorbimenti ionosferici in dB,
Gnd refl è il totale delle perdite per le riflessioni sulla terra in dB.
Pt, la potenza trasmessa, è 50 dBm per 100 watt, 60 dBm per 1 KW, 61,8 dBm per 1500 W, 70 dBm per 10 KW; Gt, il guadagno dell'antenna trasmittente, è generalmente zero in 160 metri;
Gr, il guadagno dell'antenna rx è generalmente zero, ma può essere molto negative (- 50 dB con piccoli loop)
FSPL, la perdita per diffusione spaziale è la semplice perdita per la dispersione dell'energia nello spazio (viaggio effettivo su e giù dell'onda ) ed è calcolata con:
Ad evitare calcoli logaritmici, può essere utile questa tabella:
Distanza Km. = 20*Log (d) = perdita dB - Frequenza MHz = 20*Log(f) = perdita dB
10 20 - 1,8 5
100 40 - 3,5 11
1000 60 - 7 17
3000 70 - 14 23
10000 80 - 21 26
30000 90 - 28 29
Abs, è la somma di tutte le perdite per assorbimenti ionosferici e dipende dal numero delle macchie solari, la frequenza operativa, la gyro-frequenza, l'angolo di radiazione e l'angolo d'incidenza solare ad ogni punto di rifrazione. Può essere calcolato come sotto, o semplicemente stimato fra i 5 e gli 8 decibel per ogni salto.
Gnd refl, è la somma di tutte le perdite per riflessioni al suolo; esse dipendono dal tipo di terreno e dall'angolo d'incidenza dell'onda e possono essere calcolate con questa tabella:
Per ogni riflessione su Angolo d'incidenza Perdita in dB Angolo d'incidenza Perdita in dB
Mare Basso 0,5 Alto 0,2
Terra Basso 3 Alto 5
Neve/Ghiaccio Basso 6 Alto 8
Facciamo la stima di un percorso di 11.000 km (il più corto da VK9LL al Nord America). Saranno necessari 6 salti, dato che la massima lunghezza di un salto in 160 m. è di circa 2000 km – senza considerare se siano salti via E o via F. Fissato quindi Pt = 50 (VK9LL usava 100 Watt), 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 ricevitore moderno (con MDS generalmente attorno a -135 dBm), allora è tutto okay - giusto?
No, non lo è. Sfortunatamente, il rumore esterno (sia di origine umana che atmosferico) limita le nostre capacità di ascolto sui 160-Metri attorno ai -103 dBm in in un ambiente della massima tranquillità, come su un'isola. Molto peggio se passiamo poi dalla campagna ad una zona residenziale in città, dove il rumore originato dalle attività umane può raggiungere i -83 dBm, come indicato nel grafico sottostante. E questo succede sui 160 m.; il rumore esterno in 40 metri è inferiore di 15 dBm,, e di oltre 30 dBm in 10 metri: ecco dov'è il principale problema della nostra banda!
Pr = Pt + Gt + Gr – FSPL – Abs – Gnd refl.
FSPL = [32,5 + 20 * Log(d) + 20 * Log(f)]
Un rapporto segnale/disturbo - S. N. R. - accettabile è ciò di cui abbiamo bisogno e, in questo caso, esso risulta di -121 dBm -103 dBm, = -18 dB, non sufficienti per essere ricevuto sull'isola da VK9LL. Molto peggio in un'area residenziale del suo corrispondente: -121 dBm -83 dBm, = -38 dB.
Utilizzando le formule di Carl, K9LA, integrate da quelle di K. Davies, dal suo testo sacro “Ionospheric Radio Propagation”- National Bureau of Standards 1965, ho compilato una semplice procedura su foglio Excel che, purtroppo, non riesco a caricare qui., ma posso inviare via e-mail. Basta chiedere a: luis@iv3prk.it
Un esempio è rappresentato dalla schermata sottostante che illustra il calcolo delle perdite sul percorso da VK9LL fin qui citato, con lo stesso risultato del segnale ricevuto di -121 dBm. Dal mio lato, in una zona rurale con il rumore esterno stimato di -90 dBm, si ottiene un S.N.R. di -31 dB, non sufficiente per essere ascoltato.
Aumentando la potenza a 1500 watt (Pt = 61.8 dBm) l'S.N.R. sale a -20 dB ed usando grandi efficienti antenne da entrambi i lati si migliorerebbe ancora un po', rendendo il segnale leggibile almeno in FT8, ma sembra che i 10,000 km all'incirca siano la distanza massima per un percorso multi-hop in 160-Metri. È possibile anche andare oltre, ma non di molto. L'alternativa è il ducting.
Il ducting.
Su percorsi simili in distanza a quello tra VK9LL e l'Europa, bisogna prendere in considerazione il fenomeno del “ducting”, un condotto nella valle a densità di elettroni che si forma di notte fra il picco dello strato E e la parte inferiore dello strato F. Affinché una segnale possa entrare nel condotto, deve avere un angolo di elevazione abbastanza alto per attraversare lo strato E, ma non così tanto da essere rifratto troppo in basso dalla regione inferiore dello strato F, ritornando a terra – ma quel tanto necessario per essere rifratto nuovamente verso l'alto dallo strato E - e proseguire il suo viaggio rimbalzando fra i due.
Lavorando con il programma di ray tracing “Proplab Pro V3” della Solar Terrestrial Dispatch, si trovano tre ordini di angoli di elevazione in 160 metri che indicano tre modi differenti d'ingresso nella ionosfera.
La figura seguente illustra questo concetto sulla prima parte di un percorso notturno in 160 metri.
In questo esempio, vengono tracciati i raggi da 9 a 24 gradi in incrementi di 3 gradi. Ad angoli di elevazione fino a 15 gradi, il segnale viene rifratto dallo strato E. Quelli ad angoli di elevazione superiori a 21 gradi producono salti via strato F. Fra i 15 ed i 21 gradi vediamo che il segnale entra nel condotto e prosegue con successive rifrazioni fra il limite superiore dello strato E e quello inferiore dello strato F.
In modalità ducting il segnale non transita attraverso la regione assorbente più bassa (strato D) - che aggiunge perdite - e non ci sono riflessioni a terra - che aggiungono altre perdite.
Il meccanismo del ducting potrebbe non essere lo stesso per diverse direzioni in uscita da una data località. La ragione sottostante sta probabilmente nella differente densità degli elettroni nelle regioni E ed F. Entrambe queste variabili determinano se un angolo di elevazione può attraversare la regione E per essere poi rifratto verso il basso dalla regione F inferiore e di nuovo verso l'alto dallo strato E.
Da parte nostra, indipendentemente dalle simulazioni del programma, non è possibile sapere quale sia l'angolo di elevazione migliore per entrare nel condotto e, in ogni caso, non è facile variare l'angolo di radiazione di un'antenna dei 160 metri, come potrebbe essere sui 6 metri.
Dipende dal tipo di antenna ma, essere dentro l'angolazione migliore è soprattutto una questione di fortuna. L'antenna non scaglia una freccia, che dovrebbe colpire o non colpire un bersaglio: il suo lobo di radiazione è sempre largo, con un'ampia gamma di angoli. Tuttavia, sappiamo 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 della nostra energia irradiata fosse incanalata verso il nostro bersaglio DX. Questi sono i tipici lobi di radiazione verticale delle nostre antenne più comuni:
Quante volte vi è capitato di sentito una stazione con mediocri antenne in una mediocre località, non lontano da voi, collegare un DX che voi non riuscivate neppure a copiare, nonostante le vostre Beverages? Non arrabbiatevi e non siate invidiosi! (… anche se potrebbe succedere, e purtroppo succede sempre più spesso, che costui usi un SDR remoto in un altro continente, e questa è una vergogna!).
In quell'occasione, l'angolo di elevazione della sua antenna era fra quelli favoriti per entrare (o uscire) dal "ducting", mentre una bellissima Beverage presentava un profondo "null" proprio a quell'angolo. (Specialmente al sunrise succede che i segnali DX arrivino con angoli alti, ed un basso dipolo li riceve meglio di una Beverage).
Lo stesso succede per la direttività orizzontale: molto spesso i segnali che arrivano da lunghe distanze via “ducting” risultano deviati fino a 45 o 60 gradi (generalmente verso sud) rispetto alla loro direzione azimutale: anche in questo caso, a una Beverage molto lunga ed efficiente può capitare di trovarsi fuori dalla direzione dalla quale il segnale effettivamente arriva.
In ogni caso, il "ducting" è il principale responsabile della propagazione "Spotlight" che favorisce, con segnali molto forti, alcune aree molto limitate, mentre a poche centinaia di chilometri, non si ascolta nulla. I 160 metri richiedono pazienza e molta costanza: prima o poi, il momento favorevole dello "spotlight" arriva a tutti, l'importante è esserci!
16 gennaio 2017 – Luis IV3PRK