Radar - San Vincenzo in

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.
Produzione
Le microonde possono essere prodotte in vari modi, classificabili in due categorie: a stato solido e
con tubi a vuoto.
I dispositivi a stato solido sono basati su semiconduttori (silicio o arseniuro di gallio) e possono
essere transistor ad effetto campo (FET), Transistor bigiunzionali (BJT), diodi Gunn e IMPATT.
Versioni speciali dei comuni transistor sono state sviluppate per le alte frequenze. L'evoluzione per
le microonde dei transistor BJT includono il heterojunction bipolar transistor (HBT), mentre le
varianti dei transistor FET comprendono: MESFET, HEMT o HFET e LDMOS. I dispositivi
integrati a microonde sono chiamati MMIC (monolithic microwave integrated circuit) e sono
realizzati a partire da wafer di arseniuro di gallio.
I tubi a vuoto si basano sul movimento balistico degli elettroni nel vuoto sotto l'influenza di campi
elettrici o magnetici di controllo. Includono: magnetron, klystron, travelling wave tube (TWT) e
gyrotron.
Utilizzi
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Ponti radio ovvero trasmissione tra antenne paraboliche terrestri, a distanze fino a centinaia
di km, di segnali analogici (ad es. TV) o digitali fino a capacitá di centinaia di Mbit/s. Si
utilizzano normalmente frequenze comprese fra i 2 GHz ed gli 80 GHz, in bande
specificamente stabilite dagli organismi regolatori nazionali ed internazionali. Le potenze
utilizzate sono di pochi watt o frazioni di watt, per ogni canale (portante).
I recenti telefoni cellulari GSM operano alla frequenza di 1,8 GHz per comunicare con la
stazione radio base.
Il forno a microonde utilizza un generatore a magnetron per produrre microonde alla
frequenza di circa 2,45 GHz per cuocere il cibo. Il riscaldamento e la conseguente cottura è
dovuto alla vibrazione indotta nelle molecole dell'acqua e di altre sostanze. Poiché la
materia organica è composta in prevalenza di acqua, il cibo può essere cucinato facilmente
con questa tecnica.
Antenna di un radar
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Le microonde sono utilizzate per le comunicazioni con i satelliti poiché attraversano
l'atmosfera terrestre senza subire interferenze, come accade invece per le onde radio. Si ha
inoltre più larghezza di banda (e quindi possibilità di trasportare più informazione) nelle
microonde che non nelle onde radio.
I Radar utilizzano le microonde per rilevare a distanza la presenza ed il movimento di
oggetti.
I protocolli di comunicazione senza fili, come il bluetooth e il IEEE 802.11 nelle varianti g e
b utilizzano microonde nella banda a 2,4GHz; la variante a lavora invece a 5 GHz. In alcune
nazioni sono in uso servizi di accesso ad Internet a lunga distanza (25 Km) operanti nelle
frequenze tra 3,5 e 4 GHz.
Alcuni servizi di diffusione televisiva, accesso ad Internet e telefonia su Cavo coassiale
utilizzano microonde di bassa frequenza.
Le microonde possono essere usate per trasferire energia a distanza. Durante la seconda
guerra mondiale furono effettuate ricerche in questa direzione. La NASA studiò negli anni
'70 e '80 un sistema di satelliti con ampi pannelli solari per produrre energia elettrica e
trasferirla sulla terra per mezzo di un fascio di microonde. Questi studi furono la base dei
moderni progetti di centrale solare orbitale.
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Il maser è un dispositivo simile al laser ma operante nello spettro delle microonde.
•
Un campo a microonde viene utilizzato per accelerare particelle cariche in alcuni tipi di
cavità risonanti utilizzate negli acceleratori di particelle
•
Vi sono diversi tipi di armi di nuova generazione che impiegano le microonde. Vedi armi a
microonde.
Bande di frequenza
Lo spettro delle microonde è definito solitamente nell'intervallo di frequenza compreso tra 1 GHz e
1000 GHz, ma altre definizioni includono frequenze minori. La maggior parte delle applicazioni
operano tra 1 e 40 GHz.
La seguente tabella elenca la suddivisione in bande secondo la Radio Society of Great Britain
(RSGB):
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
Il codice P e a volte usato per le frequenze UHF sotto la banda L
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:
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•
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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
Sicurezza
Simbolo di pericolo dovuto a radioonde di frequenza generica
Nonostante le microonde siano largamente impiegate dalla metà del XX secolo la loro pericolosità è
ancora in discussione. Al di la' di questo, un rischio è ben documentato relativamente all'uso del
magnetron.
La cornea dell'occhio non è percorsa da vasi sanguigni che possano raffreddarla e corre il rischio di
surriscaldarsi se colpita da microonde, anche perché non è trasparente a queste lunghezze d'onda.
Per questo motivo l'esposizione cronica alle microonde, esattamente come alla luce solare può
aumentare l'incidenza della cataratta in età avanzata. Se dalla luce solare ci si può difendere con
occhiali da sole, non esistono protezioni simili contro le microonde.
Un forno a microonde con il portello difettoso può essere fonte di rischi. È opportuno quindi evitare
di usare apparecchi danneggiati e controllare eventualmente il campo disperso con appositi
strumenti. Per lo stesso motivo è bene evitare di trovarsi nel lobo di emissione dell'antenna dei
potenti radar aeronautici, così come guardare direttamente e da vicino i sensori di antifurto a
tecnologia radar.
Spettro delle onde radio
ELF
SLF
ULF
VLF
3 Hz
30 Hz
300
Hz
3 kHz 30 kHz
30
Hz
300
Hz
3 kHz
30
kHz
LF
300
kHz
MF
300
kHz
3 MHz
HF
VHF
3 MHz 30 MHz
30
MHz
300
MHz
UHF
300
MHz
3 GHz
SHF
EHF
3 GHz 30 GHz
30
GHz
300
GHz
Letter Designations of Microwave Bands
Different authors have used different frequency boundaries for letter designation of the microwave
bands. Three of those are shown here:
FREQUENCY (MHz)
DESIGNATION Ref. Data for Radio
US Navy
RSGB
Engin.
100 - 150
I
150 - 225
G
P
225 - 390
225 - 390
L
390 - 1,550
390 - 1,550
1,000 - 2,000
S
1,550 - 5,200
1,550 - 3,900
2,000 - 4,000
C
3,900 - 6,200
3,900 - 6,200
4,000 - 8,000
X
5,200 - 10,900
6,200 - 10,900
8,000 - 12,000
Ku
K
Ka
Q
10,900 36,000
15,350 17,250
33,000 36,000
36,000 - 46,000
10,900 36,000
15,250 17,250
33,000 36,000
36,000 - 46,000
18,000 26,500
12,000 18,000
26,500 40,000
33,000 - 50,000
40,000 - 60,000
U
V
46,000 - 56,000
46,000 - 56,000
W
56,000 - 100,000
56,000 - 100,000
First columns from Reference Data for Radio Engineers, Fifth Edition, Howard W. Sams & Co.,
Inc., Indianapolis, Indiana: 1970.
The columns headed "US Navy" were copied from US Navy Submarine Communications Spectrum
at http://mintaka.spawar.navy.mil/ftp/pmw173/APX-C.pdf.
The columns headed "RSGB" were derived from a chart posted by the Radio Society of Great
Britain at http://www.rsgb.org.uk/society/uwinfo/uwfaq6.htm
Scott Hudson posted yet another chart of letter designations with different boundaries than shown
above.
Radar
Antenna radar a lunga portata (diametro 40 m) può ruotare per controllare qualsiasi settore
nell'intero orizzonte.
Radar è l'acronimo della frase inglese radio detection and ranging. Viene utilizzato per scoprire,
fornire informazioni sulla distanza e tracciare mappe di oggetti in movimento, quali gli aeroplani e
la pioggia. Trasmette onde radio dotate di forte intensità, mentre un ricevitore molto sensibile riceve
ed interpreta ogni eco. Analizzando il segnale riflesso, l'oggetto che ha provocato la riflessione può
essere localizzato e, a volte, identificato. Nonostante la quantità di segnale riflesso sia molto
piccola, i segnali radio possono facilmente essere rilevati ed amplificati.
I segnali utilizzati per il radar possono essere generati con potenza variabile e, soprattutto, le onde
riflesse che vengono captate con l'ausilio di antenne opportunamente dimensionate, possono essere
amplificate moltissimo e quindi rilevate anche se d'intensità molto debole. Per questo il radar riesce
a localizzare oggetti a distanze molto grandi, anche dove altri tipi di riflessione, come il suono o la
luce visibile, sarebbero troppo deboli.
Equazione del radar
Nel caso di bersaglio singolo, la quantità di potenza Pr che ritorna all'antenna ricevente è data
dall'equazione del radar:
dove
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•
Pt = potenza del trasmettitore,
Gt = guadagno dell'antenna del trasmettitore,
Ar = superficie dell'antenna del ricevitore,
= coefficiente di riflessione dell'oggetto,
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•
Rt = distanza dal trasmettitore all'oggetto,
Rr = distanza dall'oggetto al ricevitore.
Nel caso più comune, dove trasmettitore e ricevitore sono nello stesso posto, Rt = Rr e quindi Rt² Rr²
può essere sostituito da R4, dove R è la distanza dall'apparato radar all'oggetto.
La formula mostra come la potenza dell'onda riflessa diminuisce con la quarta potenza della
distanza, quindi l'entità del segnale ricevuto è veramente esigua.
Frequenze operative
I nomi delle bande delle frequenze operative hanno avuto origine in alcuni casi da nomi in codice in
uso durante la Seconda Guerra Mondiale e sono ancora in uso sia negli ambienti civili sia in quelli
militari in tutto il mondo. Sono stati adottati negli Stati Uniti dall'IEEE, e in ambito internazionale
dall'ITU.
La maggior parte dei paesi ha dei regolamenti che stabiliscono quali segmenti di ciascuna banda
sono utilizzabili e per quali usi.
Gli altri utenti dello spettro di frequenze radio, come la trasmissione e le contromisure elettroniche
(ECM), hanno invece sostituito le designazioni provenienti dagli ambienti militari con propri
sistemi.
Bande di Frequenze dei Radar
Nome
della
Banda
HF
3-30 MHz
P
< 300 MHz 1 m +
'P' per 'previous'
VHF
50-330
MHz
0,9-6 m
lungo raggio, penetra nel terreno; 'frequenza molto alta'
UHF
300-1000
MHz
0,3-1 m
lunghissimo raggio (p.es. controllo balistico), penetra nel
terreno; 'frequenza ultra alta'
L
1-2 GHz
15-30 cm
controllo del traffico aereo a lungo raggio e sorveglianza;
'L' per 'long', onde lunghe
S
2-4 GHz
7,5-15 cm
controllo del traffico aereo nei terminal, situazione del
tempo a lungo raggio; 'S' per 'short', onde corte
C
4-8 GHz
3,75-7,5 cm
un compromesso (banda 'C') tra le bande X e S; situazione
meteorologica
X
8-12 GHz
2,5-3,75 cm
puntamento missili, orientamento, impieghi marittimi,
situazione del tempo; negli USA il segmento 10.525 GHz
±25 MHz è utilizzato negli aeroporti.
Ku
12-18 GHz 1,67-2,5 cm
K
dal tedesco kurz, cioè 'corto'; non utilizzabile se non per
18-27 GHz 1,11-1,67 cm individuare le nuvole, perché assorbita dal vapore acqueo,
Ku e Ka furono utilizzate per la sorveglianza
Ka
27-40 GHz 0,75-1,11 cm cartografia, impieghi a corto raggio, sorveglianza
Frequenza
Lunghezza
d'onda
10-100 m
Note
alta frequenza
creazione di mappe ad alta risoluzione, altimetria
satellitare; frequenza subito sotto la banda K (under, quindi
'u')
aeroportuale e traffico a terra; frequenza subito sopra la
banda K (above, quindi 'a')
mm
40-300 GHz 1 - 7,5 mm
V
40-75 GHz 0,4 - 0,75 cm
W
75-110 GHz 0,27 - 0,4 cm
banda millimetrica, suddivisa in
Voci correlate
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Radar Doppler
Radar a onda continua
Radar ad apertura sintetica o SAR