Con il termine ponte radio (radio link) si intende un sistema di collegamento punto-punto che utilizza onde elettromagnetiche ad alta frequenza per trasmettere a distanza un determinato numero di informazioni (programmi musicali e/o televisivi, conversazioni telefoniche, informazioni codificate e dati digitali). A causa delle caratteristiche radioelettriche dei collegamenti in ponte radio, le tratte lineari che si possono raggiungere arrivano al massimo a 60 km, per tratte superiori, come per la realizzazione di lunghe dorsali, si deve ricorrere all’utilizzo di più tratte opportunamente progettate.

Le frequenze utilizzate sono dell’ordine dei GHz (1,5 ÷ 18, campo delle microonde) per cui la propagazione avviene in linea retta, cioè per onda diretta. I ponti radio vengono classificati in terrestri e satellitari:

• ponte radio terrestre collega due o più stazioni situate sulla superficie terrestre;
• ponte radio satellitare collega due o più stazioni terrestri poste a grandissime distanze utilizzando un satellite in orbita intorno alla terra, che funziona da ricevitore e trasmettitore.

I ponti radio vengono classificati anche in base al tipo di segnale trasmesso:

• ponte radio analogico impiega segnali analogici modulati in frequenza;
• ponte radio digitale o numerico impiega segnali digitali con modulazione PSK (Phase Shift Keying) a più fasi e la QAM (Quadrature Amplitude Modulation) tipo 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM.

Elemento fondamentale di un collegamento in ponte radio è l’antenna che deve avere un guadagno elevato e un’ altissima direttività, in genere si usano antenne paraboliche con diametri fino a cinque metri che rispondono perfettamente a questi requisiti unitamente al fatto di avere un lobo di radiazione molto stretto (larghezza del fascio) dipendente dalla frequenza e dal diametro, mediamente non superiore a 5/6 gradi. Un altro elemento importante di un collegamento in ponte radio è il cavo che collega l’antenna al trasmettitore o al ricevitore, ed è caratterizzato; dall’attenuazione espressa in dB/m (attenuation dB/100 m), dal valore dell’impedenza caratteristica (impedance) che dipende esclusivamente dal tipo di dielettrico utilizzato e dal rapporto tra il diametro del conduttore interno ed il diametro interno dello schermo, dalla massima potenza di transito (average power rating). Nel caso delle trasmissioni a radio frequenza il valore dell’impedenza di carico è stato normalizzato a 50 Ω. Per frequenze fino a 5/6 GHz vengono impiegati esclusivamente cavi rigidi con dielettrico in foam o aria, per frequenze superiori vengono impiegati cavi rigidi denominati guide d’onda (waveguide), cavi simili a tubi metallici senza conduttore centrale, di forma rettangolare, circolare o ellittica attraverso i quali le onde elettromagnetiche vengono convogliate al fine di ottenere una propagazione guidata. A seguito di quanto sopra esposto, il progetto di un collegamento in ponte radio si svolge secondo le seguenti fasi principali:

• determinazione delle prestazioni e delle necessità;
• individuazione del profilo del collegamento con verifica della visibilità ottica ed elettromagnetica;
• analisi e calcolo del collegamento (linkbudget).

La determinazione delle prestazioni e delle necessità è strettamente dipendente dalla natura delle informazioni che si vogliono trasmettere e dalla frequenza disponibile per il collegamento.

L’individuazione del profilo del collegamento con verifica della visibilità ottica ed elettromagnetica con particolare riguardo al 1° ellissoide di Fresnel, si effettua con l’ausilio di rilievi cartografici e/o satellitari dai quali ricavare un profilo altimetrico del collegamento oltre ovviamente ad opportuni sopralluoghi.

Per l’analisi e il calcolo del collegamento occorre fare riferimento al seguente schema:

1-     TX rappresenta il valore della potenza di trasmissione espressa in dBm cioè 0 dBm=1 mW, 3 dBm=2 mW, 10 dBm=10 mW, 30 dBm=1 W, 37 dBm=5 W, 40 dBm=10 W, 50 dBm=100 W, 60 dBm=1000 W.

2-     Cavo collegamento del TX con l’antenna che comporta una perdita di segnale espressa in dB per cento metri a determinate frequenze, generalmente per frequenze non superiori a 6 GHz si usano cavi rigidi con dielettrico aria o foam da ½” fino a 5/8” e attenuazioni massime di 10 dB x cento metri. All’attenuazione del cavo in funzione della lunghezza occorre aggiungere l’attenuazione di inserzione dei connettori, uno dell’antenna e uno dell’apparato, i dati relativi a queste attenuazioni sono ricavabili dalle caratteristiche fornite dai costruttori del cavo e dei connettori.

3-     Antenna in trasmissione ad altissima direttività e alto guadagno, generalmente di tipo a parabola, anche in questo caso le caratteristiche di installazione e i parametri tecnici sono forniti dal costruttore.

4-     Spazio libero, il mezzo attraverso il quale avviene la propagazione delle onde elettromagnetiche che presenta una certa attenuazione dipendente dalla frequenza e dalla distanza ricavabile in base alla seguente formula:

Attenuazione in dB = 28,14 + 20logFrequenza in MHz + 20logDistanza in km.

5-     Antenna in ricezione ad altissima direttività e alto guadagno, generalmente di tipo a parabola, anche in questo caso le caratteristiche di installazione e i parametri  tecnici sono forniti dal costruttore.

6-     Cavo collegamento del ricevitore con l’antenna, con le stesse caratteristiche e valutazioni di quello in trasmissione.

7-     Segnale presente all’ingresso del ricevitore espresso in dBm, volendo convertire tale valore in tensione, cioè in dBμV, occorre tenere presente che 0 dBm = 107 dBμV = 223,6 mV relativi ad una impedenza di carico di 50 Ω.

Il valore teorico in dBm del segnale in ricezione è dato dalla seguente relazione:

1 – 2 + 3 – 4 + 5 - 6 = segnale in ricezione

In fase di installazione di un ponte radio risulta di fondamentale importanza un corretto pre-puntamento delle antenne ottenibile, per quanto riguarda l’azimut con l’uso di rilievi cartografici ed una bussola, invece per quanto riguarda l’inclinazione o l’elevazione verticale è utile l’uso della seguente formula:

inclinazione/elevazione parabola in cm = (dislivello in m x diametro parabola in cm)/lunghezza tratta in m

Effettuato il pre-puntamento delle parabole, con l’ausilio di ricetrasmittenti e analizzatore di spettro si procede al puntamento definitivo utilizzando le apposite barre per la regolazione fine dell’azimut e dell’inclinazione o elevazione facendo molta attenzione ad effettuare il puntamento delle antenne, soprattutto delle parabole, sul lobo principale e non sui lobi laterali. Se l’intensità del segnale in ricezione risulta troppo forte in modo da non poter individuare con esattezza il lobo principale, è opportuno ridurre momentaneamente il segnale in ricezione con l’impiego di opportuni attenuatori o schermi sull’illuminatore fino a che il segnale in ricezione sia sufficiente all’individuazione senza errori del lobo principale.

Esempio

Si deve eseguire un collegamento radio utilizzando la frequenza di 2450 MHz tra due punti con visibilità ottica ed elettromagnetica distanti 46 km, l’antenna trasmittente si trova ad una hslm di 1353 m (1335 m la postazione con le apparecchiature + 18 m l’altezza dell’illuminatore dal suolo) collegata con un cavo rigido da ½” con dielettrico in foam della lunghezza di 28 m, l’antenna ricevente si trova ad una hslm di 958 m (945 m la postazione con le apparecchiature + 13 m l’altezza dell’illuminatore dal suolo) collegata con un cavo rigido da ½” con dielettrico in foam della lunghezza di 22 m.

Verifica del segnale in ricezione usando un trasmettitore con potenza in uscita di 10 W, due parabole del diametro di 2 m con guadagno a 2450 MHz di 33 dB e larghezza del fascio di radiazione pari a 3,4 gradi, assumendo perdite complessive di collegamento antenne (cavo e inserzione connettori) pari a 2,3 dB in trasmissione e 2 dB in ricezione:

40 – 2,3 + 33 – 129,2 + 33 – 2 = -27,5 dBm = 79 dBμV = 9 mV

L’inclinazione delle parabole ai fini del pre-puntamento sarà: ((1353 – 958) x 200)/46000 = 1,7 cm

Dall’analisi del risultato appare evidente che il collegamento può funzionare anche con un trasmettitore di potenza minore, ad esempio 5 W, il risultato diventerebbe -30,5 dBm equivalente a 76,5 dBμV, 6,6 mV che garantirebbe comunque un livello accettabile in ricezione anche in presenza di eventuale evanescenza (fading). Mentre i dati relativi alla potenza in trasmissione, quelli relativi al guadagno delle antenne e le perdite dei cavi risultano attendibili e stabili nel tempo, all’attenuazione di tratta dovuta alla propagazione nello spazio libero occorre aggiungere perdite che impongono larghi margini nel dimensionamento dell’impianto.

In realtà la traiettoria che un’onda elettromagnetica segue nel collegare due punti sulla superficie terrestre non è retta ma incurvata per effetto della rifrazione troposferica. Ciò significa che mediamente un’onda elettromagnetica si propaga incurvandosi verso l’alto, cioè la visibilità elettromagnetica in presenza di atmosfera risulta migliore che nello spazio libero. Per piccole frazioni di tempo è anche possibile che l’onda elettromagnetica sia incurvata verso il basso; di ciò occorre tenere conto per assegnare adeguati margini di visibilità al collegamento. Quindi, in realtà, la propagazione avviene attraverso l’atmosfera che con le sue irregolarità influenza notevolmente il campo in arrivo producendo in esso continue evanescenze (fading). Anche la prossimità del suolo può modificare notevolmente le condizioni di propagazione (ellissoide di Fresnel) introducendo attenuazioni indesiderate, per cui è buona norma scegliere siti senza ostacoli vicini, praticamente cime di montagne o di  colline e posizionare le antenne più in alto possibile rispetto al terreno sottostante.

In conseguenza di ciò, la conoscenza della distribuzione probabile del fading in un determinato collegamento, risulta di fondamentale importanza, in alcuni casi sono indispensabili prove di propagazione preliminari che dovrebbero protrarsi per un ciclo annuale o almeno comprendere i mesi caldi che sono generalmente i peggiori, in altri casi più semplici è possibile fare previsioni su un dato collegamento qualora siano note le caratteristiche di altri collegamenti simili ubicati nella stessa zona. Il rilievo sperimentale delle caratteristiche del fading consiste nella registrazione del segnale ricevuto in funzione del tempo, dall’analisi delle registrazioni si possono ricavare curve di probabilità sia per l’intensità che per la durata del fading.

In sostanza, per la scelta di tutti i componenti di un collegamento in ponte radio, con particolare riguardo alla potenza in trasmissione, risulta di fondamentale importanza l’analisi prolungata nel tempo della tratta individuata, sia per quanto riguarda le caratteristiche logistiche dei siti (facilità di accesso, presenza di neve e ghiaccio, repentini sbalzi di temperatura, presenza di vento forte, posizione in cima a monti o colline possibilmente con terreno circostante in forte pendenza discendente, assenza di ostacoli circostanti come alberi e case) sia per quanto riguarda lo spazio libero interessato (pioggia, neve, grandine).

Essendo in gioco lunghezze d’onda dell’ordine di pochi centimetri, violente nevicate, grandinate o piogge provocherebbero notevoli problemi di evanescenza (fading) lungo il collegamento che porterebbero ad una diminuzione del segnale in ricezione con relativo degrado della qualità delle informazioni trasmesse. Rilievi sperimentali prolungati nel tempo risultano utili anche nel caso in cui sia necessario valutare per le antenne l’uso di coperture di protezione a cupola “radome” a bassa attenuazione per ridurre il carico al vento e per proteggere l’illuminatore, e la possibilità per il collegamento delle antenne nel caso si dovessero utilizzare cavi a bassissime perdite con dielettrico aria, di installare opportuni sistemi di pressurizzazione al fine di evitare formazione di condense pericolose.

Applicazioni utili a riguardo: AirLink