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USO DELLA POLARIZZAZIONE DELL’ECONEI SONDAGGI IONOSFERICI

Umberto Sciacca, Cesidio Bianchi, Enrico Zuccheretti

Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Roma

Indice

Abstract 5

Introduzione 5

1. Alcuni richiami sulla polarizzazione delle onde elettromagnetiche 5

2. Polarizzazione delle onde che si propagano nel plasma ionosferico 62.1. Polarizzazione nel magnetoplasma omogeneo non assorbente 62.2. Propagazione nel magnetoplasma omogeneo dissipativo 7

3. Questioni relative alla misura dei raggi ordinario e straordinario 93.1. Discussione generale 93.2. Calcoli per l’estrazione dei segnali 10

4. Considerazioni sulle antenne utilizzabili 11

5. Struttura generale di un ricevitore discriminatore di polarizzazione 13

Conclusioni 15

Bibliografia 15

Abstract

While performing an ionospheric sound-ing the information brought by the polarisationof the received echo is not essential. In fact, the"AIS" ionosonde [Arokiasami 2002], developedat INGV in the recent years, does not allow forthis piece of information but it is able to gener-ate good quality ionograms, from which it ispossible to discriminate between the ordinaryand the extraordinary ray. Anyway, if the polar-isation information is available the automaticscaling of the ionograms can be more effective.This work consists of some theoretical and tech-nological considerations, fundamental to thedevelopment of an improved ionosonde model,that has been carried on at INGV. The magne-toionic theory of propagation of radio wavesinto the ionosphere is assumed as known; soonly some concepts concerning more tightly thewaves polarisation and the creation of the ordi-nary and the extraordinary rays are developed;eventually the practical ways by which it is pos-sible to discriminate them by means of a sound-ing instrument are described.

Introduzione

È ben noto dalla pratica dei sondaggiionosferici verticali che il segnale di eco, rice-vuto dopo che un impulso elettromagnetico si èriflesso nella ionosfera, risulta sdoppiato a causadella presenza del campo magnetico terrestre. Idue echi si propagano con indice di rifrazionediverso, impiegando tempi diversi a tornare alpunto di partenza. Questo fatto viene sfruttatodalle ionosonde non predisposte a discriminarela polarizzazione dell'onda ricevuta per distin-guere i due echi, chiamati raggio ordinario (o) eraggio straordinario (ex), per analogia con laterminologia usata in ottica geometrica. Ciòaccade ad esempio nella Advanced IonosfericSounder (AIS) sviluppata in INGV negli annipassati; in base a quanto appena detto, un inter-prete umano, oppure un programma di interpre-tazione automatica, è in grado di individuarecorrettamente i due raggi o ed ex nella maggiorparte dei casi.

La teoria magnetoionica, che descrive lapropagazione delle onde elettromagnetiche neimezzi ionizzati come la ionosfera, prevede che idue raggi arrivino con polarizzazioni differenti.Ciò spinge a pensare che sfruttando opportuna-mente l'informazione contenuta nella polarizza-zione delle onde ricevute sia possibile migliora-re la qualità degli ionogrammi prodotti e, di con-

seguenza, le loro interpretazioni. Ecco perché ilLaboratorio di Geofisica Ambientale dell'INGVsta sviluppando un nuovo modello di AIS ingrado di discriminare anche le polarizzazionidelle onde ricevute.

In questo lavoro vengono richiamati esviluppati concetti riguardanti proprio lo stato dipolarizzazione delle onde che si propagano nelplasma ionosferico. Dopo alcuni richiamiriguardanti la polarizzazione delle onde elettro-magnetiche, si passa a trattare la propagazionein un plasma sia non dissipativo che dissipativoin presenza di campo magnetico, prestando par-ticolare attenzione alla formazione dei raggiordinari e straordinari e alle loro polarizzazioni.

Il passo successivo è l'esame delle solu-zioni tecnologiche utili per rendere una ionoson-da in grado di riconoscere automaticamente ilraggio ordinario e straordinario. Vengono richia-mati alcuni concetti sulle antenne utilizzabili,passando poi alla presentazione sommaria deipossibili sistemi riceventi utili allo scopo, assie-me al confronto delle loro prestazioni attese.

1. Alcuni richiami sulla polarizzazionedelle onde elettromagnetiche

Per questa trattazione ci si avvale di alcu-ni risultati generali relativi alla composizionedei moti armonici, prendendo in considerazionesolo onde armoniche piane, con modo di propa-gazione TEM (Transverse Elecro-Magnetic),rimandando ad approfondimenti i casi in cui leonde non siano armoniche e localmente nonpiane [Bekefi, 1981; Budden, 1985; Stratton,1941]. Quando ci si riferisce a un'onda polariz-zata, si tiene conto della orientazione del vetto-re E; ad esempio, nel caso particolare in cui ilvettore E vibri in una assegnata direzione, nellafattispecie l'asse x, si dice che l’onda è linear-mente polarizzata nella direzione x. In generaleperò il vettore E descrive, nel piano normale alladirezione di propagazione, un'ellisse. Una qua-lunque onda armonica che si propaga lungo z hauna polarizzazione risultante che, nel piano xy opiù generalmente nel piano z= cost, può esserepensata come la somma di due componentiarmoniche, Ex ed Ey, che vibrano con la stessapulsazione ω rispettivamente nella direzione x ey. Le componenti di cui sopra si possono scrive-re come un sistema di due equazioni:

Umberto Sciacca, Cesidio Bianchi, Enrico Zuccheretti: Uso della polarizzazione dell’eco nei sondaggi ionosferici

5

(1.1)

Dal sistema di equazioni (1.1) per com-posizione di moti armonici si ha:

L'apice di E descriverà, nel piano norma-le alla direzione di propagazione, una curva,cosiddetta di vibrazione, che si ottiene per eli-minazione della variabile t dal sistema. Senzaperdita di generalità possiamo porre z=0, inmaniera da eliminare i termini kz dagli argo-menti del sistema. Nel caso generale si ripren-dono le (1.1) e, dopo aver aggiunto e tolto Φxdall'argomento del coseno nella seconda delle(1.1), si può scrivere:

Si facciano ora le posizioni seguenti: ϕy -ϕx= δ e ωt+ ϕx = A, per scrivere:

Per quadratura si può eliminare A (cheequivale a dire ωt) dalle equazioni le quali,dopo alcuni passaggi algebrici, forniscono lacurva di vibrazione:

La (1.2) è l'equazione di un'ellisse che sulpiano contenente Ex ed Ey può essere comunqueorientata. In essa i valori ±E0x ed ±E0y sono l'a-scissa e l'ordinata delle tangenti all'ellisse paral-lele agli assi coordinati; essi cioè vanno interpre-tati come i massimi valori che possono assume-re le componenti del campo E lungo gli assi, inparticolari istanti di ogni periodo di oscillazione.

L'asse maggiore dell'ellisse risulta ruotatodi un angolo α, contato positivamente dall'assex verso y, che si può calcolare usando la seguen-te relazione (si ricava confrontando opportuna-mente la 1.2 con l'equazione di un'ellisse centra-ta nell'origine e orientamento qualsiasi):

La (1.2) è la curva di vibrazione più gene-rale che si possa scrivere per un'onda monocro-matica piana, o localmente piana. L'ellisse dege-nera in un segmento rettilineo (contato duevolte) o in un circonferenza a seconda dei valo-ri di E0x, E0y e δ. Nell'intervallo -π ≤ δ ≤ π, i casidi polarizzazione particolare si hanno per:a) E0x o E0y uguali a zero; l'ellisse degenera in

un segmento, perciò la polarizzazione èlineare, con l'apice di E che vibra lungo unodei due assi principali x o y;

b) δ = ± mπ (m= 0, 1, 2, …); si ha ancora lapolarizzazione lineare, ma con inclinazionedel segmento di vibrazione dato da tg α = (-1)m E0y / E0x;

c) δ = (π/2) ± mπ (m= 0, 1, 2, …) e E0x = E0y; lapolarizzazione è circolare.

Usando la notazione che fa uso di espo-nenziali complessi si può scrivere:

Sfruttando l’identità di Eulero, se Eox =Eoy il rapporto tra le due componenti Ex / Ey,varrà ± j. In questo caso particolare si dice chel’onda è polarizzata circolarmente. L’apice delvettore che descrive la curva di vibrazione èun’orbita circolare. Il segno positivo descriveuna rotazione antioraria mentre è oraria se siprende il segno negativo.

2. Polarizzazione delle onde che si propa-gano nel plasma ionosferico

In questo paragrafo vengono esposti iconcetti relativi alla polarizzazione delle ondeelettro-magnetiche che si propagano nel plasmaionosferico. Viene presentato prima il caso incui il mezzo sia non assorbente, quindi il casogenerale di mezzo assorbente; in entrambi i casisi suppone sia presente il campo magnetico. Latrattazione generale si può trovare in bibliogra-fia [Bianchi, 1990; Ratcliffe, 1959].

2.1 Polarizzazione nel magnetoplasmaomogeneo non assorbente

Nel sistema di coordinate dato in figura 1,la direzione di propagazione coincide con l'assez (si può immaginare verticale, come di solitosuccede nei sondaggi), mentre il campo elettricogiace nel piano xy. Il campo magnetico (statico)giace nel piano zy e forma un angolo θ con l’as-


6

. (1.2)

.

.

se z. Se θ=0 si ha la propagazione detta longitu-dinale; si chiama invece trasversale se θ = π/2.Per semplicità, si suppone che l'onda elettroma-gnetica incidente il plasma sia polarizzatalinearmente nel piano xy (lungo y), cosa che siverifica nei casi usuali di sondaggio.

La teoria magnetoionica fornisce le con-dizioni di propagazione; ricordando che ωp è lafrequenza caratteristica del plasma, si introdu-cono i seguenti parametri:

ωL e ωT sono pulsazioni caratteristiche (frequen-ze ciclotroniche) legate all'intensità del campomagnetico (B), alla carica (e) e alla massa (m)dell’elettrone. La relazione fondamentale utilein questo caso è la seguente:

Essa può essere riscritta usando le posi-zioni precedenti come segue:

La grandezza ρ è chiamata rapporto dipolarizzazione ed esprime semplicemente lapolarizzazione dell'onda, come visto nella (2.1).Infatti essa è essenzialmente una relazione difase tra le componenti del vettore E (ρ = Ex /Ey). Ricordiamo che l'unità immaginaria j serveappunto per indicare in maniera compatta l'in-sieme delle due componenti (asse reale: x, asseimmaginario: y).

La presenza di due soluzioni indica che nelcaso più generale l'onda elettromagnetica inci-dente si sdoppierà in due componenti, dette rag-gio ordinario e straordinario, con differente pola-rizzazione e velocità di propagazione (il segnosuperiore si riferisce al raggio straordinario).

Per θ =0, corrispondente alla propaga-zione longitudinale, la (2.2) fornisce le duesoluzioni (raggio ordinario e straordinario): ρ= ±j, cioè la componente ordinaria e straordi-naria sono polarizzate circolarmente con versodi rotazione opposto (raggio ordinario ρ = +jrotazione antioraria guardando il generatore,opposto per lo straordinario). Poiché si èassunto che (vedi fig.1) la direzione della nor-male d'onda si propaghi lungo z con i vettori Ee B dell'onda giacenti sul piano xy (ondaTEM), gli apici dei vettori d'onda E e B descri-vono su questo piano una circonferenza.

Per θ =π/2, propagazione trasversale (adessere più rigorosi: per θ → π/2), la (2.2) forni-sce le due soluzioni ρ=0 e ρ=∞. La prima rap-presenta la componente ordinaria; per essa ècome se il campo magnetico non esistesse, poi-ché il campo elettrico E dell'onda e il campomagnetico statico Bt sono paralleli e direttilungo y, per cui Bt non produce alcun effetto sulmoto degli elettroni. Quindi l'onda che si propa-ga è ancora un'onda TEM linearmente polariz-zata. Per la componente straordinaria (ρ=∞) siha un'onda ancora TEM linearmente polarizza-ta, solo che in questo caso, il vettore E è orien-tato lungo la direzione x.

2.2 Propagazione nel magnetoplasmaomogeneo dissipativoPer trattare questo caso, generalizzazione

del precedente, si deve introdurre un nuovoparametro, Z, che tiene conto delle proprietàdissipative: Z=ν/ω, in cui ν è la frequenza dicollisione tra gli elettroni e le molecole neutre.Il mezzo si può considerare non dissipativo se


7

Figura 1 Sistema cartesiano di riferimento.Figure 1 Cartesian system used as reference.

(2.1)

(2.2).

,

.

le collisioni avvengono molto raramente (se ν

Introducendo esplicitamente θ nelle(2.10) non è stato aumentato il numero dellevariabili, poiché nelle (2.9) YL e YT erano duevariabili distinte.

3. Questioni relative alla misura dei raggiordinario e straordinario

Una volta richiamati i concetti fonda-mentali riguardanti la propagazione in ionosfe-ra, si pone ora il problema della corretta rivela-zione dei raggi ordinario e straordinario, trami-te l'uso di una ionosonda opportunamentecostruita. A questo scopo sono utili le conside-razioni che seguono, naturale commento alleformule appena richiamate.

3.1 Discussione generaleRicordiamo intanto che le due componen-

ti (o ed ex) si propagano con un proprio indicedi rifrazione (di fase e di gruppo), differentivelocità e polarizzazione; in misura meno evi-dente anche con diverso assorbimento nelmezzo attraversato.

Esaminando più da vicino le polarizza-zioni, prevedere quali saranno è difficile, infat-ti i casi trattati analiticamente si riferiscono allesituazioni troppo ideali di propagazione tra-sversale e longitudinale, alle quali ci si avvici-na solo in vicinanza dell'equatore e dei polimagnetici. Cercando di trattare comunque ilproblema matematicamente, la teoria prevededei casi di propagazione "quasi longitudinale"(QL) e "quasi trasversale" (QT), non riportateper non appesantire inutilmente la trattazione.In realtà alle medie latitudini non è detto che siverifichino nemmeno questi casi semplificati,perciò sono da attendersi due onde polarizzateellitticamente, con assi inclinati rispetto almeridiano magnetico e piuttosto eccentriche, indipendenza della maggiore o minore dissipazio-ne incontrata (fig. 2).

Per rivelare correttamente le due compo-nenti non è necessario inviare un segnale usan-do un sistema di antenne multiple: anche se l'on-da parte polarizzata linearmente si generano ledue componenti ellittiche, perciò tanto valeusare un'antenna semplice a polarizzazionelineare, ad esempio una classica antenna rombi-ca; ciò non toglie che si possa pensare ad unsistema trasmittente più complesso, cosa realiz-zata da alcuni produttori di ionosonde.

In ricezione il discorso è più complesso.In genere a frequenze non troppo alte le duecomponenti arrivano con tempi di ritardo para-gonabili e tendono a sommarsi dando come

risultato una polarizzazione lineare (simile aquella del segnale trasmesso). Esse non sonoquindi facilmente separabili se si dispone di unasola antenna. All’equatore magnetico la propa-gazione è QT, la componente o è diretta lungo y(NS), mentre la componente ex diretta lungo x(EW) (ciò nel caso in cui l'onda trasmessa siaorientata lungo y); quindi le due onde possonoessere facilmente separate da due antenne linea-ri (ricezione indipendente sui due canali). A lati-tudini sufficientemente alte (o a frequenze suffi-cientemente alte) la propagazione è QL, dunquele ellissi di polarizzazione diventano essenzial-mente circonferenze. Le due componenti sonocircolarmente polarizzate e possono essere sepa-rate da due dipoli orientati nella direzione x e y,combinando opportunamente i segnali da essiricevuti. A latitudini intermedie si ha un casointermedio tra l’approssimazione QT e QL, lapolarizzazione è ellittica ma, se la trasmissioneavviene lungo la direzione NS, l'asse maggioredell’ellisse relativa al raggio ordinario continuaa rimanere orientato lungo NS, mentre quellorelativo al raggio straordinario lungo EW.

In ricezione dunque, l'uso di un sistema diantenne che discrimini le due polarizzazioniellittiche non è indispensabile. Osservando lafig.2 infatti si capisce che, anche in presenza diuna sola antenna ricevente a polarizzazionelineare, essa è in grado di rivelare i due segnali,per il fatto che essa si comporta come un rivela-tore della componente dei vettori elettrici (omagnetici) lungo la direzione di orientamento.Ovviamente si avrà un segnale di intensità ridot-ta e lo ionogramma presenterà le tracce relativeai due raggi sovrapposte; delegando ad unmomento successivo la loro separazione (opera-tore umano o software dedicato).

Posto che disporre di una coppia di anten-


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Figura 2 Polarizzazione delle componentio ed ex.Figure 2 Polarisation of the o and ex compo-nents (ordinary and extraordinary ray).

ne riceventi sia quindi utile allo scopo dellaseparazione "hardware" delle componenti o eex, è opportuno ricordare che l'effettivo orienta-mento delle stesse è ininfluente, purché sia pre-servata la perpendicolarità tra le direzioni diricezione. Il fatto che si usi orientare le antennesecondo le direzioni NS e EW è dato solo damaggiore comodità pratica (riconoscimentodelle antenne al momento della connessione esimili). Solo nel caso di propagazione QT è beneche le antenne mantengano lo stesso orienta-mento rispetto alla trasmittente, pena una inuti-le perdita di intensità del segnale ricevuto.

Per concludere, un cenno alle tecniche diinterferometria Doppler. Volendo implementaretale tipo di analisi in una ionosonda ci si puòchiedere se la presenza delle due polarizzazioninon sia di intralcio. La risposta dipende dallafrequenza che si sceglie per l'analisi Doppler,visto che in tale studio si preferisce lavorare conun'unica frequenza. Se essa è relativamentebassa, i due echi arrivano poco separati tempo-ralmente, perciò non danno luogo a problemi.Se dovesse capitare che la frequenza di lavoro èpiù alta ed in sua corrispondenza gli echi arriva-no separati, si deve operare solo su uno di essi;cosa che rafforza l'esigenza di una loro separa-zione automatica.

3.2 Calcoli per l'estrazione dei segnaliSappiamo che l’eco consiste nella sovrap-

posizione di due onde “o” e “ex” polarizzateellitticamente. Pur avendo un massimo in unadirezione in genere non nota a priori, usandosegnali captati da due antenne distinte orientateortogonalmente, è possibile separare le duecomponenti in maniera semplice. Seguono i cal-coli di principio da effettuare su quanto ricevutoper raggiungere lo scopo. Indichiamo con Ex edEy i segnali ricevuti dalle due antenne dispostelungo due assi, con Eor e Eex le ampiezze delledue componenti incidenti sull’antenna; i segnaliin uscita saranno:

Le due componenti “o” e “ex” , come sideduce facilmente, sono sfasate di 90 gradi. Seintroduciamo un ritardo di fase di π/2 in uno deisegnali (diciamo Ex) relativamente all’altro, si

può ottenere:

Sommando la (5.3) alla (5.2) si ha:

cioè la componente ordinaria. Sottraendo invecesi ha:

cioè la componente straordinaria.A questo punto risulta chiarito perché

non è importante l'orientamento delle antenne:anche invertendo le antenna "x" e "y", il risul-tato non cambia, come è facile verificare, otte-nendo il segnale "o" sempre all'uscita E(-) e il"ex" all'uscita E(+). Questo in definitiva si spie-ga perché nelle polarizzazioni circolari (o ellit-tiche) così rivelate quello che conta è il verso dirotazione delle componenti e non l'asse divibrazione preferenziale.

Un sistema che realizzi questo metodo dirivelazione deve introdurre il ritardo di fase in unpunto della catena ricevente. Un modo alternati-vo consiste nell'introdurre il ritardo nel segnaledi oscillatore locale usato per una delle conver-sioni che si realizzano nel ricevitore; quest'ulti-ma scelta può essere preferibile in quanto va adagire sul generatore di un segnale forte generatoall'interno del ricevitore e non sui deboli segnaliprovenienti dalle antenne. Inoltre, se vi è più diuna conversione, si può andare ad agire su una incui l'oscillatore locale è fisso, cosa che semplifi-ca l'implementazione del ritardo.

In realtà si può dimostrare che l'operazio-ne di estrazione descritta sopra si può realizzareanche se la conversione avviene verso la bandabase. Si ricordi infatti che "Eo" e "Eex" in praticapossono essere visti come ampiezze (inviluppi)di impulsi inviati e poi ricevuti con differentiritardi, quindi funzioni del tempo. Se i segnali(5.3) e (5.2) si fanno battere con una sinusoidedi oscillatore locale a frequenza ˆ, si ottengonoin uscita di banda base i seguenti risultati (ilsegnale usato per ottenere y2 è ritardato di π/2):


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(5.2)

(5.1)

(5.3)

,

,

;

(5.4)

esse possono essere filtrate delle componenti afrequenza doppia, cosa equivalente a:

ed infine, dopo somma e differenza:

esattamente come nel caso in cui lo sfasamentoera stato introdotto sul segnale ricevuto.

4. Considerazioni sulle antenne utilizzabili

Si visto che dunque per discriminare dueonde che giungono al sito di ricezione con pola-rizzazione circolare (o ellittica) basta disporre diuna coppia di antenne, ciascuna sensibile ad unapolarizzazione lineare e disposte ortogonalmen-te l'una rispetto all'altra. I segnali ricevuti vannopoi sfasati e combinati opportunamente, comespecificato nel precedente paragrafo. Nel pre-sente paragrafo vengono approfonditi alcuniconcetti proprio sulle antenne che possono esse-re usate. Per approfondimenti si rinvia allabibliografia [Kraus, 1988].

Come antenne è possibile usare le "classi-che" antenne rombiche o delta, che, a differenzadei semplici dipoli, sono antenne ad onda pro-gressiva e non ad onda stazionaria. Ciò nonostan-te possono considerarsi sempre antenne "elettri-che", nel senso che il campo radiato è essenzial-mente quello elettrico; analogamente per ilcampo cui l'antenna è sensibile in ricezione.Inoltre si tratta di antenne a polarizzazione linea-re, con la direzione di polarizzazione giacente nelpiano individuato dall'antenna stessa.

Spesso si ha la necessità di disporre diantenne piccole, almeno in ricezione, ad esempioper implementare sistemi Doppler interferometri-ci, utili per discriminare la direzione di provenien-za dell'eco. Da questo punto di vista, le antennetradizionali sono contraddistinte da ingombrinotevoli, perciò può risultare più convenienteusare tipi di antenne basate su principi diversi.

Un'antenna sicuramente poco ingombran-te se si rinuncia ad un alta sensibilità è la cosid-detta antenna a telaio (o a loop), che è sensibile

al campo magnetico invece che a quello elettri-co. Essa è composta da un avvolgimento di unconduttore in varie spire in modo da formareuna specie di solenoide, anche se nella praticaspesso queste antenne sono costituite solo dauna spira. In questa sede non è il caso di richia-mare le caratteristiche analitiche di tale antenna.Qualitativamente, le sue proprietà possono esse-re ricavate agevolmente per dualità dal casoelettrico corrispondente, rappresentato dal dipo-lo. Il parallelo va fatto con il cosiddetto dipolo"corto", cioè di lunghezza molto inferiore allalunghezza d'onda (λ) da trasmettere o ricevere;analogamente il telaio deve avere dimensionimolto inferiori alla lunghezza d'onda. La lun-ghezza del dipolo dovrebbe essere quindi infe-riore a λ/10; analogamente per il perimetro deltelaio. Si prende in considerazione un telaioquadrato, ma il comportamento non cambiasostanzialmente per uno circolare. La figura 3visualizza la situazione spaziale in cui sonoposte le due antenne. Le antenne sono stateorientate come in figura per opportunità grafica.Nella realtà conviene pensare ad un asse y ver-ticale, la direzione di sondaggio.

Il diagramma di radiazione delle dueantenne ha la stessa forma: un toro con asse coin-cidente con l'asse z, dunque si ha uno zero diradiazione lungo z; viceversa l'antenna si com-porta in maniera isotropa nel piano xy. Un dipo-lo elettrico orientato secondo NS quindi non irra-dia lungo NS ma lo fa sia verso l'alto che versoEW. Un "dipolo magnetico", cioè un telaio, conl'asse lungo NS si comporta in maniera analoga,ciò che cambia nelle due antenne è il tipo dicampo, dato che i campi elettrico e magneticorisultano invertiti. Come ausilio visivo si puòosservare la fig.4, limitatamente ai tre diagram-mi superiori, che si riferiscono al telaio magneti-co "corto" (per il dipolo elettrico basta sostituireE con H e viceversa). I diagrammi rappresentanole sezioni del solido di radiazione sui tre pianicoordinati. Questi orientamenti generali dannopoi i ben noti casi particolari: per il dipolo ilcampo E è parallelo al dipolo se osservato lungol'asse y; per il telaio il campo H osservato sul-l'asse z è parallelo a tale asse (questi orientamen-ti sono segnati in fig.3). In fig. 4 sono stati segna-ti solo E o H, per non appesantire le figure; ladirezione dell'altro campo si ricava però facil-mente ricordando che deve essere perpendicola-re sia a quello già segnato, sia alla direzione dipropagazione; dunque esso è sempre perpendi-colare al piano del foglio.

Ora, non è detto che le lunghezze d'ondasiano sempre tali da far risultare l'antenna come"corta" o "piccola". Ad esempio, un telaio di 5m


11

; (5.5)

di perimetro risulterebbe "piccolo" solo per fre-quenze inferiori a circa 10-12 MHz.Aumentando la frequenza, l'antenna tende avariare le sue proprietà. Nel caso elettrico essadiviene "aperiodica", pur con proprietà radiativesfruttabili in certi casi. In corrispondenza di par-ticolari frequenze, si innescano onde stazionariee l'antenna diventa un dipolo risonante, con leben note buone proprietà di guadagno.

Nel caso magnetico accade qualcosa disimile e il diagramma di radiazione si modificain maniera interessante. Un'analisi può essereeseguita pensando di trasformare una coppia didipoli elettrici lunghi λ/2 e distanti λ/4, piegan-done le estremità lunghe λ/8 in modo da crearei due rami lunghi λ/4 che completano il quadra-

to di lato λ/4. Il diagramma di radiazione risul-tante è praticamente uguale a quello dei dipoli aλ/2. La trattazione completa esula dal presentelavoro, ma si può trovare facilmente su testidedicati alle antenne.

Prendendo in considerazione il caso diperimetro uguale a λ (nell'esempio di primaquesta situazione si raggiunge a 60 MHz), ildiagramma di radiazione ideale è ancora untoro come per il telaio piccolo, ma esso si ribal-ta lungo uno dei due assi x o y (fig.4). Nel casodel telaio piccolo risultava ininfluente il puntodi alimentazione; in questo caso non più, e l'as-se del toro di radiazione (che porta ad uno zerodi radiazione) si trova lungo la direzione per-pendicolare a quella dove il telaio è alimentato.


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Figura 3 Dipoli piccoli elettrico e magnetico a confronto.Figure 3 Electric and magnetic short dipoles comparison.

Figura 4 Diagrammi di radiazione dei telai corto (in alto) e con perimetro lungo λ (in basso).Figure 4 Radiation diagrams of a loop antenna, short (upper) and with a λ perimeter (lower).

Se ad esempio il telaio è alimentato lungo unodei rami paralleli all'asse x (come in fig.3), lozero di radiazione si ha lungo l'asse x, mentrel'antenna risulta isotropica nel piano yz. Lacosa che risulta maggiormente contraria all'in-tuizione è che il campo magnetico, osservatolungo l'asse z, non è più parallelo all'asse deltelaio ma è perpendicolare. Nella realtà laforma del diagramma si discosta dalla situazio-ne ideale di fig.4: in yz non è una circonferen-za perfetta ma si allunga, mentre negli altripiani non si ha uno zero perfetto ma solo unadiminuzione dell'intensità radiata.

La cosa più importante per le applicazio-ni è però che cambia solo la direzione deglizeri di radiazione, ma lungo y (cioè verso l'"alto") si ha sempre un massimo qualunque siala lunghezza del telaio; in tutti i casi si ha unanon trascurabile perdita in direzioni non signi-ficative (x o z). Anche l'orientamento deicampi non varia.

Le antenne a telaio hanno prestazioni piut-tosto povere e peculiari. Non presentano guada-gno, anzi, tendono piuttosto a perdere rispettoalle corrispondenti antenne elettriche, però rie-scono a sopprimere i campi provenienti da dire-zioni non volute in maniera più efficiente.L'impedenza dell'antenna è molto bassa (pochiohm), per cui può risultare difficile l'adattamento.

Come modello circuitale equivalente sipuò pensare ad un generatore di corrente con inparallelo un'induttanza (della spira), oltre alleresistenze del filo e quella di radiazione (moltopiccole entrambe). L'induttanza della spiratende a mettere in corto circuito il generatore;

questa perdita di efficienza però, per le dimen-sioni usate di solito nei sondaggi ionosferici, siverifica per frequenze veramente basse (dell'or-dine dei 10-20 kHz), quindi, solo se si vuolecostruire un ricevitore per le VLF assume unacerta importanza abbassare il più possibile lafrequenza di taglio inferiore (ad esempio accop-piando l'antenna ad un amplificatore con resi-stenza di ingresso nulla). Nei casi usuali di son-daggi nelle HF è più proficuo cercare di adatta-re lo stadio di ingresso del primo amplificatoretramite una rete che compensi il più possibilesia l'induttanza del telaio sia le sue capacitàparassite, che portano l'antenna a risuonarenella parte alta delle HF (circa 15-20 MHz).D'altro canto appare molto auspicabile porre ilprimo amplificatore direttamente sotto all'an-tenna, visto il basso guadagno che essa presen-ta; in tal modo si migliorano le prestazionianche nei confronti della cifra di rumore com-plessiva che assumerà il ricevitore.

5. Struttura generale di un ricevitorediscriminatore di polarizzazione

Una volta che siano disponibili i segnalidalle due antenne, che possiamo chiamare NS eEW, anche se non è necessario che esse abbianorealmente tale orientamento, si pone il problemadi progettare un ricevitore che li combini secon-do quanto visto nel paragrafo 3.2. Sono possibi-li varie scelte per l'architettura generale di talericevitore; la più flessibile prevede due ricevito-ri separati da collegare alle antenne (come


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Figura 5 Ricevitore / rivelatore dei raggi (o) e (ex): due catene separate.Figure 5 Receiver / detector for the (o) and (ex) rays: two separate chains.

mostrato, anziché sfasare il segnale principale,è preferibile sfasare di 90° l'oscillatore locale).Lo schema che ne risulta è rappresentato infig.5. Da notare che la conversione in bandabase (BB) è stata segnata con il simbolo deldiodo solo per semplificare lo schema; in realtàsi preferisce realizzarla in modo coerente conl'impiego di altri mixer, analogamente a quantofatto verso la IF.

Nello schema di fig.5 si è ipotizzato direalizzare l'estrazione delle componenti (o) e(ex) in BB; per non appesantire lo schema non èstato riportato il fatto che ormai in tutti gli appa-rati le uscite in BB sono due, in fase ed in qua-dratura (I-Q); il principio illustrato nello schemaperò non cambia nella sostanza: in uscita dairivelatori BB si hanno due segnali, e a ciascunodi essi va applicata la combinazione di somma edifferenza indicata nella parte in basso a destra.

La soluzione proposta ha il grande van-taggio di presentare alle uscite i segnali dovuti a(o) e (ex) contemporaneamente, in risposta adun unico impulso trasmesso. Purtroppo lo sdop-piare completamente il ricevitore rende questasoluzione anche costosa. Inoltre va posta parti-colare cura che i tempi di ritardo nei due ramisiano identici, per evitare perdita di sincronismonella rivelazione degli echi.

Soluzioni meno costose devono fare usodi un'unica catena ricevente, che deve compor-tarsi alternativamente come la prima o la secon-da contenuta nello schema di fig.5. Quindi èpossibile usare una sola sezione "filtri e amplifi-catore RF", "filtri e amplificatore IF" e "rivela-tore BB". D'altro canto bisogna inviare dueimpulsi: quando si riceve il primo si connette alricevitore una delle due antenne e l'oscillatorelocale viene usato con fase a 0°; quando si rice-ve il secondo impulso si connette l'altra antennae si sfasa l'oscillatore locale a 90°. Quanto viene

prelevato all'uscita non è ancora il segnale pro-porzionale a (o) e (ex); bisogna memorizzaretemporaneamente quanto ricevuto, finché non èarrivato anche la seconda eco; quindi si combi-nano le uscite effettuando la loro somma e ladifferenza ottenendo quanto cercato. Questasoluzione non sembra soddisfacente perché, purrisparmiando sui ricevitori, è costretta ad intro-durre i registri per memorizzare temporanea-mente le uscite in vista della loro combinazione.Inoltre bisogna usare un commutatore di anten-na, componente delicato che sarebbe meglioevitare se possibile.

Una soluzione simile alla precedente, mache non necessita di un commutatore di antennané dei registri di memoria è quella illustrata infig.6. In questo caso si è accantonata la discri-minazione basata sull'oscillatore locale, ma siopera direttamente sui segnali di antenna, i qualinon vengono commutati ma combinati (cioèsommati): gli ingressi sono trattati diversamen-te, in modo che quello di un'antenna sia sfasatodi π/2 rispetto all'altro, operazione realizzabilecon componenti di facile reperibilità (anche senon agevole da ottenere su una banda larga). Perrealizzare la somma e differenza dei due segna-li una delle due antenne viene alternativamenteamplificata con amplificatore in configurazioneinvertente e non invertente. Questa soluzionerisulta molto compatta e fa uso di componentinon critici (a parte il combinatore che deve esse-re sufficientemente preciso nel combinare leentrate a π/2). C'è ancora bisogno di mandaredue impulsi, sincronizzati col segnale di coman-do dell'amplificatore di antenna da commutare,ma in compenso le uscite corrispondenti ai dueimpulsi sono già i segnali cercati (proporzionalia (o) e (ex)) senza bisogno di memorizzarli ecombinarli in un secondo tempo.


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Figura 6 Ricevitore / rivelatore dei raggi (o) e (ex) a combinazione di antenna.Figure 6 Antenna combination receiver / detector for the (o) and (ex) rays.

Conclusione

In questo lavoro sono stati richiamati esviluppati concetti di elettromagnetismo e fisicaionosferica utili per lo sviluppo di uno strumen-to di sondaggio ionosferico capace di discrimi-nare automaticamente gli echi dovuti al raggioordinario e quello straordinario. Le considera-zioni tecnologiche generali che costituiscono laseconda parte del lavoro sono il naturale com-pletamento dei concetti teorici; esse sono incorso di elaborazione ulteriore presso il gruppodi lavoro che sta sviluppando una nuova iono-sonda INGV con la capacità di discriminazioneesaminata. Ciò non esclude altre caratteristichemigliorative rispetto alla prima AIS sviluppata,ma tali caratteristiche esulano dall'argomentodella presente pubblicazione.

Bibliografia

Arokiasamy, J.B., Bianchi, C., Sciacca, U., Tutone,G., Zuccheretti E. (2002) The new AIS-INGVdigital ionosonde design report. RapportoTecnico INGV n°12, Roma

Bekefi, G. (1981) Vibrazioni elettromagnetiche, ondee radiazione. Zanichelli, Bologna.

Bianchi, C. (1990) Note sulle interazioni delle ondeelettromagnetiche nel plasma ionosferico.ING, Roma

Budden, K.G. (1985) The propagation of radiowaves. Cambridge university press,Cambridge.

Davies, K. (1990) Ionospheric radio. PeterPeregrinus, London.

Kraus, J.D. (1988) Antennas. McGraw-Hill, NewYork, 2nd edition.

Ratcliffe, J.A. (1959) The magneto-ionic theory andits applications to the iononosphere.Cambridge university press, Cambridge.

Stratton, J.A. (1941) Electromagnetic theory.McGraw-Hill, London.

Toraldo di Francia, G., Bruscaglioni, P. (1988) Ondeelettromagnetiche. Zanichelli, Bologna.


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