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Autori › Dimensionamento Stazione EME a 144 MHz
Dimensionamento Stazione EME a 144 MHz

Dimensionamento stazione per EME a 144 MHz

by Giorgio IK1UWL


      Queste considerazioni si rivolgono a chi vuol valutare la possibilità di cimentarsi in questo modo, apportando le migliorie necessarie alla stazione.
Prendo in considerazione la banda dei 144 MHz perché è quella più diffusa e per la quale vi è la maggiore disponibilità di apparati.

Per i calcoli considero una stazione formata da:

  • un'antenna con due yagi con boom di 5 wl (5 lunghezze d'onda cioè circa 10 m). Il loro guadagno complessivo sarà di circa 19,5 dBi (cioè 17 dBd). Le suppongo dotate di elevazione, usando lo stesso sistema già adoperato per i satelliti.
  • Alimentiamole con un ottimo cavo coassiale in modo da limitare le perdite a 1,5 dB (25 m. di cavo da 6 dB/100 m., per esempio il 5020).
  • Sul palo, dove giuntiamo i due cavi, situiamo il relè R-T ed il preamplificatore da S/N 0,5 dB.
  • Suppongo un trasmettitore al limite legale di 500 W, ottenibile con una sola 4CX250 in classe C.

Unità di misura

Per chi ha poca dimestichezza con i calcoli, un breve riassunto.

Decibel, ossia dB

È il risultato di un calcolo con i logaritmi, perciò dire il doppio è come dire +3 dB. I fattori moltiplicativi diventano somme. Esempi: x1,5 equivale a +1,76 dB, x2,5 equivale +4 dB.

dBW, dBm

Decibel rispetto ad 1 Watt. Quindi 500 W sono +27 dBW, e 1000 W, cioè il doppio, sono 3 dB in più cioè +30 dBW. 1 mW è -30 dBW cioè 1 dBm. Quando si parla della sensibilità di un ricevitore usando i dBm, s'intende la frazione di 1 mW che applicata all'ingresso genera un segnale pari al rumore presente, in questo caso si ha un rapporto segnale/disturbo S/N=1=0 dB. Se il segnale è il doppio del rumore, si ha un S/N=3 dB cioè ½ punto S.

Rumore

Insieme al segnale desiderato riceviamo del rumore bianco. Per essere comprensibile il segnale deve essere paragonabile o superiore a questo rumore. Le sue origini sono tre.

Il sistema opera a temperatura ambiente cioè circa 290° sopra lo zero assoluto:

(17°C+273 = 290°K, gradi Kelvin). Gli elettroni in agitazione termica nei conduttori generano un rumore proporzionale alla temperatura assoluta, ecco perché si parla di temperatura di rumore. Per sistema si considera solo l'antenna ed il preamplificatore. Questo, con il suo guadagno, maschera il contributo del resto del sistema.

La seconda sorgente è cosmica. Nell'universo ci sono tante radiosorgenti, alcune molto intense ed in grado di alzare notevolmente il livello del rumore in un'antenna puntata nella loro direzione.

La terza è collegata all'attività umana, ed è ben conosciuta da tutti noi su tutte le bande. Anche con l'antenna puntata in alto, i lobi laterali e posteriori dell'antenna la raccolgono, ecco l'importanza di usare antenne con lobi secondari piccoli.

Operando da un QTH non troppo rumoroso, ci possiamo aspettare di trovare una temperatura di rumore dell'ambiente esterno, terrestre e cosmico, tra 160 e 500 °K per la banda dei 144 MHz.

A questo dobbiamo aggiungere il rumore termico dell'antenna, dei cavi e dei relè, fino al preamplificatore cioè all'ingresso del sistema ricevente, di circa 43,5 °K, ed il rumore generato dal preamplificatore da 0,5 dB, cioè circa 40 °K.

Ci troviamo quindi di fronte ad una temperatura di rumore del sistema TSIST=243,5÷583,5 °K, con i cui effetti dovrà confrontarsi il segnale riflesso dalla luna.

Per questa battaglia le nostre armi sono principalmente: il guadagno dell'antenna, la larghezza di banda del ricevitore e la potenza di trasmissione.

Sensibilità in ricezione

Il rumore bianco non ha una frequenza, è presente in tutto lo spettro. Quanto ne riceviamo dipende dalla fetta di spettro cioè dalla larghezza di banda con cui lo riceviamo. Si possono usare i filtri stretti di cui è munito il ricevitore, con una banda passante di qualche centinaio di Hz. Oppure interfacciarsi con un computer su cui operi un programma di DSP (Digital-Signal-Processing) e stringere ancor più, per esempio a B= 25 Hz (ovviamente per ricevere in CW).

La potenza del rumore ricevuto è proporzionale alla temperatura di rumore ed alla larghezza di banda. Esprimendolo in dBW si ha:

PRUM= -191÷-187 dBW con TA = 160÷500°K, per B=25 Hz.

Se si usa B=250 Hz, dobbiamo aggiungere 10 dB, cioè PRUM= -181÷-177 dBW.

Vediamo cosa ci arriva dalla Luna.

Antenna

L'elemento del sistema più importante è l'antenna, sia nostra sia del corrispondente. Ci permette di concentrare la potenza emessa in uno stretto fascio e quindi massimizzare la parte intercettata dalla luna e raccogliere quanto più segnale possibile dell'eco emesso dalla luna.

Potenza emessa

Usiamo il limite legale attuale cioè 500 W. In dBW sono 27 dBW.

Aggiungendo il guadagno dell'antenna (19,5 dB) e togliendo le perdite del cavo (-1,5 dB) si ha una potenza emessa di 45 dBW cioè una ERP=31.623 W

(ERP= potenza equivalente se irradiata da una sorgente isotropica cioè non direzionale).

Eco

Il fascio emesso è largo circa 15° mentre la luna è un oggetto largo meno di 0,1°, inoltre la porzione di superficie lunare utile per l'eco è ancora più ridotta. Infine la superficie lunare non è un buon riflettore, né come conduttività né come forma. E ciò che è riflesso non è tutto diretto vero di noi ma si espande sfericamente nello spazio. Nelle condizioni migliori (luna al perigeo cioè alla minima distanza dalla terra) possiamo contare, in banda 144 MHz, su un'eco più bassa di 251,5 dB rispetto al segnale emesso. Quindi la nostra eco ritornerà con potenza 45-251,5= -206.5 dBW. Ascoltandola con la nostra antenna di guadagno 19,5 dBi, avrà un livello di -187 dBW.

Andando a riguardare la sensibilità calcolata prima (da -191 a -187 dBW), vediamo che noi sentiremo la nostra eco 4 dB sopra il rumore nelle condizioni migliori, che scendono a 0 dB nelle peggiori considerate, e leggermente sotto il rumore se non siamo con la luna al perigeo. Se il corrispondente è meglio equipaggiato, ovviamente ci sentirà meglio.

Questa è circa la soluzione minima per essere sentiti in CW da un ragionevole numero di altri "lunatici", non solo i big. Se poi anziché operare in CW usiamo il modo digitale WSJT, dovremmo guadagnare da 3 a 6 dB.

Altre strade di miglioramento, nell'ordine, sono antenne più potenti (per esempio 4 yagi), preamplificatori da 0,2÷0,3 dB di rumore, minori perdite del coassiale, e sperare che ci sia consentita una potenza massima maggiore.

Riassumo in una tabella:

Temp. rumore ambiente, incluso cielo      500      160      °K
Sensibilità Rx con S/N Pre 0,5 dB     -187     -191    dBW
Eco di 500 W e Ant. 19,5 dBi     -187     -187    dBW
S/N segnale ricevuto          0        +4      dB

Variazioni positive:

Corrispondente con 4 yagi      +3      +3      dB
Echi corrispondente con 1000 W      +3      +3      dB
Ns. antenna con 4 yagi   (*)      +3      +3      dB
Coassiale da 0,5 dB (Heliax 5/8)     +1,5     +1,5      dB
S/N Preamp. 0,25 dB    +0,25    +0,25      dB

(*) - Ricezione ns. echi + 6 dB

Variazioni negative:

Potenza tx 200 W      -4      -4      dB
Luna all'apogeo      -2      -2      dB


Appendice 1 - Calcolo temperatura di rumore

La temperatura di rumore del sistema, TSIST, è la somma di:

TAMB= 160÷500 °K



(LR-1)TL= 43,5 °K




LRTPRE= 1,15x35= 40 °K


   

temperatura di rumore dell'ambiente esterno, terrestre e cosmico,
a 144 MHz. (A frequenze più alte è minore).


rumore termico dell'antenna. Con LR =1,15 (conversione di 0,6 dB, perdite
cavo + relay tra antenna e preamp.) e TL=290°K, temp. fisica del cavo coax.


contributo di rumore del preamp. con NF= 0,5 dB
Si ha: NF = 10 log(1+TPRE/ TAMB) da cui
TPRE = [(antilog NF/10)-1]TAMB=(1,122-1)x290= 35 °K


Da cui TSIST = 160+43,5+40= 243,5°K min
                      500+43,5+40= 583,5 °K max



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