Le bande e lo spettro: il “territorio” del radioamatore

Le attività radiantistiche si svolgono in porzioni di spettro assegnate dal Regolamento delle Radiocomunicazioni ITU e, in Italia, gestite dal Ministero delle Imprese e del Made in Italy (MIMIT).
Queste bande, che vanno dalle onde lunghe fino alle microonde, sono assegnate al Servizio di Radioamatore con due diversi statuti:

• Primario, quando la banda è riservata con precedenza ai radioamatori (ad esempio 7 MHz, 14 MHz, 144–146 MHz, 430–440 MHz);
• Secondario, quando devono convivere con altri servizi, operando con cautela e senza interferire (come accade per i 3.5 MHz, 10 MHz o alcune porzioni dei 50 MHz e delle microonde).

Ogni banda ha una propria “personalità”: alcune portano lontano con poche decine di watt, altre permettono collegamenti diretti a vista, altre ancora aprono solo in certe condizioni atmosferiche o solari.
Tra i 3,5 MHz e i 430 MHz si estende il cuore dell’attività radiantistica, dove tradizione e sperimentazione convivono.

Banda dei 3.5 MHz (80 metri)
Statuto: secondario in Italia.
Caratteristiche: banda “notturna” per eccellenza, a onde corte (HF). Le onde di 80 m si propagano quasi esclusivamente per riflessione ionosferica durante le ore serali e notturne, offrendo ottimi collegamenti a media distanza (300–1000 km). È la banda preferita per i QSO locali e regionali, per il traffico nazionale e per l’attività CW e SSB.
Rumorosa e sensibile alle condizioni atmosferiche, ma affascinante per la sua vitalità.

Banda dei 5 MHz (60 metri)
Statuto: la porzione 5351,5–5366,5 kHz è attribuita al servizio di amateur su base secondaria; in Italia l’uso è soggetto a limitazioni di potenza e condizioni tecniche (limite tipico: 15 W EIRP).
Caratteristiche: È una banda molto interessante perché si trova in un’area di transizione che consente comunicazioni stabili a media distanza tutto il giorno.

Banda dei 7 MHz (40 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: una delle bande più attive e versatili. Durante il giorno consente collegamenti regionali, mentre di notte si apre al mondo grazie alla propagazione ionosferica a lunga distanza (DX).
È molto usata in CW, SSB e nei moderni modi digitali. In Italia la porzione disponibile va da 7000 a 7200 kHz.
Ottimo compromesso tra distanze e facilità di antenne.

Banda dei 10 MHz (30 metri)
Statuto: secondario, uso esclusivo in CW e modi digitali.
Caratteristiche: banda intermedia, tranquilla e silenziosa.
Offre propagazione stabile e prevedibile, utile per collegamenti internazionali a media-lunga distanza.
Molto amata dagli operatori CW e FT8 per la sua linearità e per la scarsa interferenza da traffico fonia.

Banda dei 14 MHz (20 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: È sempre stata la banda “regina” dei collegamenti a lunga distanza, quasi sempre attiva, con propagazione diurna eccellente e aperture anche notturne nei periodi di alta attività solare. Permette collegamenti intercontinentali con potenze modeste. È una delle bande più popolari per SSB, CW e FT8.

Banda dei 18 MHz (17 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: banda “tranquilla” e poco affollata, con propagazione simile ai 20 m ma meno congestionata.
Ideale per chi ama collegamenti DX puliti e a basso rumore. Spesso aperta anche quando i 15 m sono chiusi.

Banda dei 21 MHz (15 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: banda diurna tipica, molto dipendente dal ciclo solare.
Con buone condizioni ionosferiche, permette collegamenti mondiali con potenze minime e antenne compatte.
È amata dai contestatori e dagli sperimentatori digitali.

Banda dei 24 MHz (12 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: È una banda relativamente nuova e non molto frequentata, ma capace di aperture sorprendenti durante i picchi di attività solare.

Banda dei 28 MHz (10 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: ha prestazioni molto mutevoli in base all’attività solare. Chiusa nei periodi di bassa attività, nei picchi di ciclo consente collegamenti a lunga distanza con potenze e antenne modeste. È la banda più ampia ed è usata per esperimenti e beacon.

Banda dei 50 MHz (6 metri)
Statuto: secondario in Italia (primario in altri Paesi).
Caratteristiche: è soprannominata “la magic band”, per la sua imprevedibilità. A metà strada tra onde corte e VHF, offre sia propagazione ionosferica (E sporadico, F2)^* sia diretta a vista. Può “aprirsi” a lunga distanza improvvisamente, e per questo è amatissima dagli sperimentatori.

Banda dei 70 MHz (4 metri)
Statuto: sperimentale/secondario.
Caratteristiche: non universalmente assegnata, ma in crescita. Simile ai 6 m, con aperture E-sporadico² molto frequenti. In Italia è soggetta ad autorizzazioni specifiche limitate nel tempo.

Banda dei 144–146 MHz (2 metri)
Statuto: primario.
Caratteristiche: prima vera banda VHF, con propagazione principalmente ottica. Ideale per collegamenti locali e regionali, ma capace di aperture troposferiche o in E-sporadico¹ su centinaia di chilometri. Usata in FM (ripetitori, simplex), SSB, CW, satelliti e digitali (APRS, packet, beacon). È il terreno d’incontro tra radiantismo tecnico e operativo.

Banda dei 430–440 MHz (70 cm)
Statuto: primario.
Caratteristiche: banda UHF con propagazione a vista, ma ottima riflettività su ostacoli e per collegamenti in ambiente urbano.
Usata in FM, ponti ripetitori, collegamenti diretti, ATV, modi digitali a corto raggio e satellitari. Molto stabile e con basso rumore, perfetta per esperimenti tecnici e ponti locali.

La propagazione

La propagazione radio è il fenomeno fisico attraverso il quale le onde elettromagnetiche si spostano da un trasmettitore a un ricevitore. Come il suono si propaga nell’aria o le onde nell’acqua, i segnali radio si propagano usando diversi meccanismi.

Propagazione ionosferica (Sky wave)

La propagazione per onda ionosferica, in inglese skywave, è il metodo principale per le comunicazioni radio a lunga distanza sulle bande HF. La parte del segnale che è trasmessa verso il cielo viene rifratta (deviata) dagli strati ionizzati della parte alta dell’atmosfera – la ionosfera – e rimandata verso la Terra, permettendo di coprire distanze di migliaia di chilometri con uno o più “salti” (hop).

La ionosfera è composta da vari strati di gas, ionizzati dall’attività solare, che mutano nel tempo in base alla quantità di energia che ricevono dal Sole.

Strato D: è localizzato ad altitudini comprese fra 60 e 90 km, si forma all’alba con il sorgere del sole e si dissolve al tramonto, attenuandosi progressivamente fino a scomparire di notte. È lo strato più basso e denso, a bassa ionizzazione, ed ha l’effetto di assorbire i segnali sulla parte bassa dello spettro HF (160 m, 80 m).

Strato E: è localizzato ad altitudini comprese fra 90 e 130 km, ed è presente principalmente di giorno. Di notte si indebolisce, ma non scompare completamente. Riflette bene le bande medio-basse (80 m, 40 m, 30 m), ed è adatto a comunicazioni a media distanza (500–1500 km). In condizioni particolari si generano nuvole di ionizzazione molto densa che consentono la riflessione di frequenze molto più alte, arrivando anche a sfiorare le UHF: è il cosiddetto E-sporadico.

Strato F1: è localizzato ad altitudini comprese fra 150 e 250 km. Contribuisce alla propagazione, ma meno dello strato F2.

Strato F2: è localizzato ad altitudini comprese fra 250 e 400 km. È quello che più di tutti contribuisce ai collegamenti a lunga distanza, riflettendo bene le frequenze superiori ai 10 MHz.

Strato F: di notte gli strati F1 ed F2 si fondono in un unico strato, localizzato fra i 300 e i 500 km. Riflette principalmente le gamme di frequenza inferiori ai 10 MHz e permette salti (hop) più lunghi grazie all’altezza maggiore.

Il successo di questo tipo di propagazione dipende dall’interazione di tre elementi chiave.

Il primo è la scelta della banda di frequenza. In effetti, esiste una finestra di frequenze utilizzabile per ogni condizione ionosferica. Le frequenze troppo basse vengono assorbite dalla ionosfera, in particolare dagli strati D ed E. Le frequenze troppo alte penetrano attraverso la ionosfera e si perdono nello spazio. La frequenza massima utilizzabile per un determinato percorso è chiamata MUF (Maximum Usable Frequency).

Il secondo è l’angolo di radiazione, o incidenza, che è l’angolo con cui il segnale colpisce la ionosfera. È il parametro che determina la distanza del salto. Angoli più bassi, rasenti, producono salti più lunghi. Angoli troppo bassi o troppo verticali possono causare rispettivamente assorbimento o penetrazione, interrompendo la propagazione. Questo elemento è caratteristico delle varie tipologie di antenna e del modo in cui sono installate.

Il terzo è la densità di ionizzazione, cioè la quantità di carica negli strati ionosferici (D, E, F1, F2). È un valore non costante, che varia con il ciclo giorno/notte, le stagioni e il ciclo solare (SSN, sunspot number, che è il numero di macchie solari). Valori di alta densità (es. giorno, alto SSN) favoriscono le bande HF più alte (15 m, 12 m, 10 m). In caso di bassa densità (es. notte, basso SSN) sono più utilizzabili le bande HF più basse (80 m, 40 m).

La differenza fra giorno e notte è notevole. Di giorno gli strati ionosferici sono ben definiti (D, E, F1, F2). Lo strato D assorbe fortemente le bande basse (160 m, 80 m). Lo strato F2 è il principale responsabile delle comunicazioni a lunga distanza, e le bande migliori sono quelle medie e alte (20 m, 17 m, 15 m).

Di notte gli strati D ed E scompaiono quasi completamente, gli strati F1 e F2 si fondono in un unico strato F notturno, più in alto. L’assorbimento diminuisce, permettendo l’uso delle bande basse (160 m, 80 m, 40 m), mentre l’altezza maggiore dello strato F permette salti più lunghi.

Ci sono altri elementi da prendere in considerazione. Uno è il multipath, una condizione che consente al segnale di arrivare a destinazione tramite percorsi diversi e con un numero di salti differente, causando fading (evanescenza del segnale) per interferenza. Un altro è la cosiddetta propagazione greyline, costituita da brevi finestre di propagazione molto efficiente che si verificano all’alba e al tramonto lungo la linea di transizione giorno/notte. Altri elementi più rari, ma che pure vanno tenuti in considerazione, sono l’ulteriore elevazione dello strato F notturno in caso di forti venti solari, che può aumentare la distanza coperta da un singolo salto fino a oltre 6000 km, e anche lo skewed-path, in cui il segnale viene deviato non solo sul piano verticale, ma anche su quello orizzontale – fenomeno di interesse per chi usa antenne direttive.

Le previsioni

L’attività solare, che determina l’usabilità delle nostre bande, è tenuta sotto stretto controllo, e tra i vari parametri raccolti ce ne sono due chiave per capire come andranno le cose nell’immediato: SFI (Solar Flux Index) e Kp (planetary K-index). Il valore di SFI determina la frequenza massima utilizzabile attesa: con una formula semplificata, ma efficace, MUF (MHz) ≈ 0,15 × SFI. Il valore di Kp è indice della stabilità della propagazione: più alto è il valore, maggiore è l’instabilità, fino ad arrivare alla chiusura totale con Kp > 5. Esistono applicazioni specializzate che possono stimare l’andamento della propagazione verso un determinato punto della superficie terrestre, in modo da avere un quadro delle probabilità di effettuare collegamenti con stazioni specifiche.

Onda diretta

Su frequenze più elevate, la propagazione del segnale avviene per onda diretta, con antenna trasmittente e ricevente entrambe in vista una dell’altra.

L’onda diretta (space wave o line-of-sight wave) è la componente del segnale che viaggia secondo un percorso quasi rettilineo dal trasmettitore al ricevitore. Opera tipicamente da 30 MHz a microonde, dove gli effetti ionosferici sono trascurabili e il percorso “ottico” è dominante. Tuttavia, anche nell’onda diretta, il segnale non è mai perfettamente lineare: interagisce con ostacoli, superfici e discontinuità. Gli effetti principali sono riflessione e diffrazione, oltre ad effetti di scattering, che vedremo più avanti.

La riflessione si verifica quando il segnale incontra una superficie abbastanza grande e abbastanza liscia da rimbalzarlo, proprio come avviene con la luce su uno specchio o sull’acqua. Avviene sul suolo, soprattutto se è umido o pianeggiante, sulla superficie del mare, su pareti di edifici, facciate di vetro, tetti metallici, su montagne o pendii ampi, su veicoli, torri, infrastrutture metalliche. La riflessione crea quasi sempre percorsi multipli (multipath): il ricevitore riceve sia l’onda diretta, sia una o più copie riflesse. Poiché queste copie arrivano con un ritardo e un’ampiezza diversa, si verificano effetti di distorsione e fading. È il tipico effetto che si nota muovendosi in auto in città: basta spostarsi di qualche metro per vedere il livello del segnale salire e scendere. La riflessione è molto marcata in ambiente urbano e lungo percorsi vicino al terreno. Nelle bande più alte (UHF–SHF), dove le lunghezze d’onda sono piccole, il fenomeno è ancora più evidente.

La diffrazione è la capacità del segnale di piegarsi intorno agli ostacoli, avviene perché le onde radio non seguono un’unica linea geometrica, ma si distribuiscono nello spazio e tendono ad allargarsi. È un fenomeno che si manifesta, ad esempio, sul bordo di una collina o di un rilievo che ostruisce parzialmente il collegamento; sugli spigoli degli edifici, su tetti, creste rocciose, pendii marcati.
La diffrazione permette che il segnale venga ricevuto anche senza una visibilità ottica perfetta. È grazie alla diffrazione se un ponte radio VHF può funzionare anche quando lo “spigolo” di un crinale copre leggermente la linea fra le due antenne. Il rovescio della medaglia è che la diffrazione indebolisce il segnale, anche in modo importante, e più l’ostacolo occupa il percorso, più il segnale cala. Salendo in frequenza, la diffrazione diventa molto meno efficace.
Per questo motivo in VHF certe tratte funzionano anche senza visibilità perfetta; in UHF funziona molto meno; in microonde (SHF) praticamente non funziona e serve visibilità ottica pura.

Scattering

Lo scattering è il fenomeno per cui un segnale radio, invece di proseguire in una direzione unica, viene disperso in molte direzioni quando incontra superfici irregolari, ostacoli piccoli o disuniformità atmosferiche.

A differenza della riflessione, che è un rimbalzo ordinato su una superficie liscia, e della diffrazione, che è una piegatura dell’onda intorno agli ostacoli, lo scattering è un fenomeno disordinato, in cui l’energia viene sparpagliata casualmente. Fenomeni di scattering si manifestano anche in ambito terrestre, ma quelli più interessanti per il radioamatore sono principalmente due.

Troposcatter (scattering troposferico)

Il troposcatter è legato alla troposfera: quando un segnale in UHF o microonde attraversa gli strati superiori di questa regione atmosferica, alcune disomogeneità (turbolenze, variazioni di densità dell’aria) “sparpagliano” una parte dell’energia radio verso il basso. Questo meccanismo consente collegamenti su distanze ben superiori alla semplice linea di vista, tipicamente fino a qualche centinaio di chilometri. Dal punto di vista operativo si impiegano potenze elevate e antenne direttive ad alto guadagno, poiché la frazione di segnale “scattered” è ridotta, ma comunque sufficiente a stabilire collegamenti stabili. Anche la modalità digitale FT8 si presta bene ai collegamenti via troposcatter, purché il percorso non sia eccessivamente lungo e le condizioni rimangano relativamente stabili. È infatti una delle modalità più efficaci per realizzare QSO al limite del rumore in VHF/432 MHz in condizioni di scatter debole.

Meteor scatter

Il meteor scatter sfrutta le scie ionizzate prodotte dai meteoroidi quando penetrano nell’atmosfera terrestre (tipicamente tra 80 e 100 km di quota). Quando queste scie vengono “illuminate” da un segnale radio, parte dell’onda può essere riflessa o diffusa verso la Terra, rendendo possibile la ricezione su distanze altrimenti irraggiungibili con un percorso diretto. La lunghezza – e quindi la durata – della traccia dipende dalle dimensioni del meteoride. Si tratta di una tecnica utilizzata soprattutto in VHF, con collegamenti di durata molto breve, dell’ordine di pochi secondi. La propagazione è sfruttabile in modo più sistematico durante gli sciami meteorici, ma esiste sempre un certo margine di attività sporadica anche al di fuori di essi.

Un esempio applicativo è il sistema radar francese GRAVES (Grand Réseau Adapté à la Veille Spatiale), che trasmette una portante fissa a 143,05 MHz con grande potenza (non resa pubblica, in quanto coperta da segreto militare). È relativamente semplice ricevere, in gran parte dell’Europa – Italia compresa – gli echi dei suoi segnali riflessi dagli oggetti che attraversano il suo campo di osservazione, dai quali è possibile ricavare informazioni sull’oggetto che ha generato la traccia.

Onda di terra (Ground wave)

L’onda di terra è una modalità di propagazione tipica delle frequenze basse e medie (LF, MF e in parte HF), in cui il segnale radio si appoggia e si propaga seguendo la curvatura terrestre. A differenza dell’onda diretta (linea di vista) o dell’onda riflessa dalla ionosfera, l’onda di terra sfrutta l’interazione con il suolo: la superficie terrestre guida l’onda elettromagnetica, che si attenua progressivamente a causa della conducibilità del terreno e delle perdite dielettriche.
Questa forma di propagazione è particolarmente utile perché consente di raggiungere distanze significative anche senza riflessioni ionosferiche, garantendo una copertura stabile e continua, soprattutto di giorno quando l’onda ionosferica è meno affidabile. L’attenuazione dipende dalla frequenza (più bassa è la frequenza, maggiore è la portata) e dalla natura del terreno (suoli conduttivi come quelli marini favoriscono la propagazione, mentre terreni rocciosi o secchi la attenuano).

Un caso molto noto di propagazione per onda di terra è il segnale di DCF77, trasmettitore tedesco situato a Mainflingen, vicino a Francoforte. Opera su 77,5 kHz e trasmette un segnale di sincronizzazione oraria, codificato in modo da poter essere ricevuto da orologi radiocontrollati in gran parte dell’Europa. Grazie all’onda di terra, il segnale si diffonde stabilmente per centinaia di chilometri, coprendo vaste aree senza bisogno di riflessioni ionosferiche. La bassa frequenza garantisce un’ottima penetrazione e continuità, anche in ambienti urbani. È un esempio che mostra come l’onda di terra sia ideale per servizi di diffusione continua e affidabile, dove la precisione e la disponibilità del segnale sono fondamentali.

Un altro impiego cruciale dell’onda di terra riguarda i sistemi VLF (Very Low Frequency, 3–30 kHz) utilizzati per comunicare con i sottomarini. Si usano frequenze bassissime, con lunghezze d’onda chilometriche. L’onda di terra a queste frequenze ha una portata enorme, e oltre a seguire la curvatura terrestre può anche penetrare parzialmente nell’acqua marina, permettendo ai sottomarini in immersione di ricevere ordini e messaggi senza emergere. La propagazione per onda di terra, in questo caso, è vitale: nessun’altra modalità consente di mantenere un collegamento affidabile con unità sommerse su scala globale.