NVIS Near Vertical Incidence Skywave

Come assicurare collegamenti radio quando non si è in portata ottica

L'incontro via e-mail con Mr. George Lane è stato uno degli eventi più interessanti che mi siano mai capitati da quando ho intrapreso il fantastico hobby della radio. Questa persona, molto competente nel campo delle telecomunicazioni HF professionali, in questi ultimi mesi mi ha fornito non so quanti suggerimenti, consigli ed utili informazioni. Nel 2000, su richiesta della Rockwell-Collins, egli ha redatto la User Guide di VOACAP(1) , un software per previsioni di propagazione HF molto quotato, alla cui realizzazione aveva collaborato tra il  1983 ed il 1996 creando il modulo per analisi di copertura radio (VOAREA). Leggendo questa guida, sono rimasto particolarmente colpito da uno dei capitoli nel quale George Lane, parlando dei problemi che si possono riscontrare nelle comunicazioni HF militari, ha descritto una soluzione interessantissima. Il problema era in seguente: le unità mobili usano spesso le antenne a frusta (whips) collocate sui propri mezzi oppure su apparecchi portatili. Queste antenne a polarizzazione verticale offrono un'ottima resa entro il limite dell'Onda di Terra in quell'area. Nelle regioni dove sia presente una folta vegetazione, l'onda di terra può essere però limitata a 10 km o meno. Questo accade perché l'energia emessa dalle antenne, propagandosi nella vegetazione, subisce una notevole deviazione verso la cima degli alberi e la portata si riduce di molto. Questo fenomeno è stato osservato dalle truppe statunitensi già durante il secondo conflitto mondiale nelle giungle delle isole situate nell'Oceano Pacifico ed è stato studiato dalla Department of Defense Advanced Research Project Agency a Panama nel 1964. La sua definizione è "Lateral-wave" o Onda laterale (Tamil 1967). Successivi studi e prove pratiche condotte in Vietnam hanno stabilito che l'Onda di Cielo può risolvere questo problema . Con riferimento alla fig. 1, l'onda di terra trasmessa dalle stazioni A e B risale gli alberi e si propaga verso l'alto senza giungere al corrispondente; l'onda di cielo invece, se emessa con un angolo molto alto, riesce a raggiungere la ionosfera per poi ritornare verso il suolo superando l'ostacolo costituito dalla vegetazione.

E' evidente che per mettere in contatto le due stazioni è necessario che l'onda di cielo trasmessa da una stazione venga riflessa dalla ionosfera nell'area dove si trova l'altra (linea NVIS). Per evitare infatti che l'energia venga riflessa a terra troppo lontano dal corrispondente, come mostrato nella fig. 1 dalle linee Skywaves, il segnale deve essere irradiato con un angolo quasi verticale. Questa tecnica è stata denominata nel 1974 Near-Vertical-Incidence Skywave (NVIS) o Onda di Cielo ad Incidenza Quasi Verticale. L'angolo di irradiazione, seppur notevole, deve comunque essere inferiore all'angolo critico che, notoriamente, è quello oltre il quale l'energia non è più riflessa dalla ionosfera ma si disperde nello spazio. L'angolo necessario alla NVIS varia a seconda dello strato ionosferico utilizzato e della distanza tra le stazioni A e B. Gli strati interessati sono F2 (1F2) ed E (1E). In linea di massima, per ottenere una riflessione che ricada tra le poche decine ed i 200 km (singolo salto) occorre un angolo di irradiazione compreso tra 90° e 50°, a seconda dello strato utilizzato.                                                                                                                                  NVIS ed i radioamatori Ma noi come possiamo applicare la NVIS in ambito radiantistico? Lo scopo di questo articolo è proprio quello di dare le indicazioni necessarie a fare nostra questa tecnica. A parte la caratteristica principale di poter "saltare" la vegetazione, che può tornare comoda se si dovesse operare nei nostri boschi, la conseguenza della tecnica NVIS che possiamo sempre utilizzare a nostro vantaggio consiste nell'annullamento della Zona di Silenzio (Skip Zone), dovuta proprio all'utilizzo di angoli di irradiazione elevati. Questa zona, come evidenziato dalla fig. 2, è compresa tra la fine della zona servita dall'Onda di Terra e l'inizio di quella servita dall'Onda si Cielo e risulta alquanto ridotta rispetto ad esse quando si applica la tecnica NVIS.

Simulando con VOAREA un circuito NVIS, si ottiene il risultato di fig. 3.

In questo caso si è riprodotto un circuito operante sulla gamma dei 40 metri via 1F2 nel centro Italia alle ore 12:00 UTC, mese di novembre 2001; è evidente l'area coperta dall'onda di terra, quelle coperte dalla NVIS e la Skip Zone. La zona circostante il trasmettitore risulta coperta dall'onda di terra per un raggio di 20 km mentre la Skip Zone, con la quale non è possibile comunicare, è molto ridotta. Oltre questa zona infatti, a partire da una distanza di circa 50km dal trasmettitore e fino a circa 150km da esso, le comunicazioni sono di nuovo possibili grazie all'onda di cielo (NVIS) riflessa a terra dalla ionosfera (1F2). Per collegamenti HF all'interno della stessa Regione, specie durante interventi di protezione civile, questa caratteristica può essere determinante. Se non si impiegasse questa tecnica, infatti, l'unica onda di possibile utilizzo sarebbe quella di terra. L'onda di cielo infatti, riflessa a notevoli distanze, renderebbe la zona di silenzio molto più estesa; probabilmente sarebbe facile comunicare con stazioni distanti ma non con il nostro territorio di interesse.                                                                                                                               Indicazioni pratiche Per le stazioni base, l'aumento dell'angolo di irradiazione ai valori indicati di 50° - 90° si può ottenere con l'impiego di dipoli 0,5 ? posti a 0,25 - 0,2? di altezza. La ridotta distanza dal suolo, infatti, permette angoli molto elevati e di conseguenza l'annullamento della Zona di silenzio anche in presenza di ostacoli naturali, come vegetazione e montagne. La fig. 4 rappresenta proprio un dipolo di questo genere ed il suo diagramma di irradiazione verticale su di un terreno ideale (linea scura) e su una terra media (area ombreggiata).

Sui mezzi mobili dotati di whips, invece, il consiglio è quello di piegare le antenne tramite un tirante in materiale isolante fino a raggiungere un angolo di 45° (fig. 5).

Questo "rivoluzionario" sistema di piegare le antenne dalla posizione "A" (Verticale) a quella "B" (NVIS), che è stato suggerito in un manuale tecnico del Department of the Air Force statunitense già nel 1968(2), permette di modificare il diagramma di irradiazione verticale della whips da "Normal" (fig. 5A) a "NVIS" (fig. 5B). Questa alterazione permette a parte dell'energia emessa di raggiungere la ionosfera con un angolo piuttosto elevato. La whip piegata in questo modo può essere assimilata ad una Inverted-L. I mezzi mobili debbono essere fermi durante le prove le antenne vanno piegate solamente nel caso ci si trovi nella zona servita dalla NVIS, ma vanno mantenute nella posizione "A" (verticale) quando si opera nella zona dove sia presente la sola onda di terra. Concludendo il discorso sulla NVIS, George Lane ha pubblicato sulla stessa Guida un aneddoto accaduto negli anni '70 in Florida durante una esercitazione congiunta tra USAF (Aviazione), Us Army (Esercito) e Us Navy (Marina). Per assicurare le comunicazioni tra le navi al largo e le unità sbarcate sulla costa mediante onda di terra furono utilizzate le antenne verticali delle imbarcazioni e le whips da campo dell'Esercito. Tutto bene fino a quando le truppe non hanno spostato il loro comando dalla spiaggia all'interno per 15 km. A quel punto le comunicazioni, fino a quel momento buone, sono scomparse nel rumore. Il personale USAF, imbarcato per l'occasione sulle navi ed addestrato preventivamente all'utilizzo della tecnica NVIS, fece piegare immediatamente le whips di 45° e diede ordine alle truppe di terra di installare dei dipoli molto bassi rispetto al terreno. Nonostante lo scetticismo da parte dei marinai ed ufficiali della Marina, le comunicazioni furono riprese immediatamente. Credo che dopo avere letto questo aneddoto, qualche radioamatore incuriosito, approfittando della possibilità di operare in portatile, faccia delle prove NVIS sui 40 ed 80m. Buon divertimento. Riferimenti: (1) George Lane " Signal-To-Noise Predictions Using VOACAP - A User's Guide" - Rockwell-Collins Apr. 2001  - Chap. 9.8 (2) Department of the Air Force " High Frequency Radio Communications in a Tactical Environment" - Sept. 1968 -  pages 50 and 51

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