Quando spostare un’antenna di pochi metri cambia completamente una copertura radio

Un ripetitore viene installato sul tetto di un edificio.

Antenna nella posizione A:

copertura mediocre verso sud
BER elevato
zone d'ombra

La stessa antenna viene spostata:

4 metri

sulla stessa terrazza.

Stessa radio.

Stessa potenza.

Stesso cavo.

Stessa quota approssimativa.

Improvvisamente:

copertura molto migliore.

Possibile?

Assolutamente sì.

Ed è una delle caratteristiche più affascinanti — e spesso frustranti — della propagazione VHF/UHF.

La copertura radio non dipende soltanto da:

  • potenza;
  • altezza generale;
  • guadagno dell’antenna.

Dipende anche dalla posizione precisa dell’antenna rispetto a:

  • ostacoli;
  • riflessioni;
  • terreno;
  • strutture metalliche;
  • bordo del tetto;
  • altre antenne;
  • zona di Fresnel.

In alcuni casi spostarsi di pochi metri può produrre più miglioramento di un aumento di potenza di dieci volte.

Vediamo perché.


Il mito della postazione uniforme

Osservando una terrazza possiamo pensare:

“Tanto siamo sullo stesso tetto.”

Dal punto di vista RF non è necessariamente vero.

Possiamo avere:

POSIZIONE A
dietro locale ascensore
POSIZIONE B
vicino bordo tetto
POSIZIONE C
accanto torre metallica
POSIZIONE D
lato opposto dell'edificio

Geograficamente sono separate da pochi metri.

Elettromagneticamente possono essere ambienti completamente differenti.


Primo motivo: gli ostacoli

Immaginiamo:

             locale tecnico
                 █████
RPT A ●          █████────────► area da coprire

La struttura si trova direttamente nella direzione desiderata.

Spostiamo l’antenna:

                 █████
                 █████
                       ● RPT B ─────► area

Sono forse:

5 metri

di differenza.

Ma abbiamo eliminato un ostacolo importante.

Il miglioramento può essere enorme.


Non serve un muro completamente davanti all’antenna

Anche un ostacolo vicino al percorso può interferire attraverso:

  • diffrazione;
  • riflessione;
  • Fresnel.

La Recommendation ITU-R P.526 tratta proprio i meccanismi di propagazione dovuti alla diffrazione su ostacoli e profili del terreno.

Il problema è quindi tridimensionale.


La zona di Fresnel ritorna protagonista

Supponiamo che il percorso geometrico sia:

TX ----------------------------- RX

Attorno esiste la prima zona di Fresnel:

TX
 ●-----------------------------● RX
   \                           /
    \_________________________/

Un ostacolo può non bloccare la linea diretta ma entrare nella zona di Fresnel.

Per esempio:

TX ----------------------------- RX
             ▲
             │ albero

Se l’albero invade significativamente la zona, può produrre attenuazione.

Spostando l’antenna lateralmente di pochi metri possiamo cambiare la geometria.


Un esempio sul tetto

Posizione A:

antenna
  ●
   \
    \
     █ camino
      \
       \──────── area servita

Posizione B:

█ camino

      ● antenna
       \
        \──────── area servita

Abbiamo eliminato il camino dal percorso critico.

La potenza TX è identica.

Ma la perdita di propagazione è cambiata.


Secondo motivo: il multipath

Questo è probabilmente il fenomeno che produce i cambiamenti più sorprendenti.

Il segnale non arriva necessariamente al ricevitore attraverso un solo percorso.

Può arrivare:

direttamente

e contemporaneamente attraverso:

riflessione da edificio
riflessione da montagna
riflessione dal terreno
struttura metallica

Abbiamo quindi:

SEGNALE DIRETTO
+
SEGNALE RIFLESSO

Le diverse copie possono:

  • sommarsi;
  • cancellarsi.

Bastano centimetri

A:

430 MHz

la lunghezza d’onda è circa:

70 cm

Mezza lunghezza d’onda è:

35 cm

A:

145 MHz

la lunghezza d’onda è circa:

2,07 m

e metà lunghezza d’onda circa:

1,03 m.

Questo significa che spostando l’antenna di pochi decimetri o di uno-due metri possiamo modificare significativamente la fase relativa dei segnali riflessi.


Interferenza costruttiva

Supponiamo che due segnali arrivino:

↑
↑

quasi in fase.

Si sommano.

Otteniamo:

SEGNALE FORTE
BER BASSO

Interferenza distruttiva

Spostandoci:

↑
↓

possono arrivare quasi in opposizione.

Si cancellano parzialmente.

Otteniamo:

SEGNALE DEBOLE

oppure perfino:

RSSI discreto
BER pessimo

perché il segnale è fortemente deformato.


È lo stesso fenomeno che vediamo camminando con una portatile

In casa possiamo osservare:

PUNTO A
ripetitore perfetto

un metro più avanti:

PUNTO B
robotico

un altro metro:

PUNTO C
perfetto

Non è cambiata la distanza in maniera significativa.

È cambiata la geometria del multipath.


Su una postazione fissa il fenomeno rimane congelato

Una portatile si muove continuamente.

Un’antenna di ripetitore no.

Se la installiamo casualmente in un punto sfavorevole possiamo lasciarla per anni in un:

minimo di multipath.

Spostarla di due metri può farla uscire da quel minimo.


Terzo motivo: il bordo del tetto

La posizione rispetto al bordo dell’edificio è importantissima.

Immaginiamo un’antenna al centro di una terrazza.

Verso l’orizzonte il segnale deve interagire con:

  • tetto;
  • parapetti;
  • locali tecnici.

Spostarla verso un bordo libero può modificare significativamente:

  • diffrazione;
  • angolo di partenza;
  • riflessioni.

Il tetto può diventare parte dell’antenna

Una grande superficie:

  • metallica;
  • cemento armato;
  • copertura industriale;

può modificare il diagramma di radiazione.

Non dobbiamo quindi immaginare l’antenna in isolamento.

La vera antenna installata è:

ANTENNA
+
SUPPORTO
+
TETTO
+
TORRE
+
CAVI
+
AMBIENTE

Quarto motivo: strutture metalliche vicine

Una torre, un parapetto o un’altra antenna possono alterare il diagramma.

Supponiamo:

ANTENNA ● │ TORRE

La struttura metallica può:

  • riflettere RF;
  • accoppiarsi;
  • distorcere il diagramma;
  • creare nulli.

Spostando l’antenna lateralmente possiamo ottenere un diagramma differente.


Un’antenna omnidirezionale non è sempre omnidirezionale dopo l’installazione

Sul datasheet possiamo vedere:

360°

Ma il diagramma viene normalmente misurato in condizioni controllate.

Se installiamo l’antenna:

20 cm da una torre metallica

il sistema reale non è più perfettamente simmetrico.

Possiamo ottenere:

ottima copertura nord
scarsa copertura sud-est

anche utilizzando un’antenna teoricamente omnidirezionale.


La distanza dalla torre conta

Non esiste una distanza magica valida per qualsiasi antenna.

Dipende da:

  • frequenza;
  • diametro della torre;
  • geometria;
  • supporto;
  • tipo di antenna.

Ma il principio è sempre lo stesso:

gli oggetti conduttori vicini diventano parte dell’ambiente elettromagnetico dell’antenna.


Quinto motivo: l’altezza

A volte non serve spostare lateralmente.

Basta:

+2 m

verticalmente.

Perché?

Possiamo:

  • superare un parapetto;
  • liberare una zona di Fresnel;
  • eliminare una schermatura;
  • modificare una riflessione dal terreno.

Ma più alto non è sempre automaticamente meglio

In generale l’aumento di altezza è estremamente vantaggioso.

Ma in presenza di multipath locale possiamo avere un comportamento non perfettamente monotono.

Per esempio:

10 m → ottimo
11 m → mediocre
12 m → eccellente

per specifiche direzioni.

La causa può essere la relazione tra:

  • segnale diretto;
  • riflessione dal terreno;
  • strutture.

Il modello a due raggi

Un esempio classico considera:

  1. segnale diretto;
  2. segnale riflesso dal terreno.
TX ----------------------- RX
 \                        ▲
  \                      /
   \________GROUND______/

La differenza di percorso determina la relazione di fase.

Modificando l’altezza dell’antenna modifichiamo questa differenza.

Il risultato può cambiare anche senza modificare potenza o distanza.


Sesto motivo: diffrazione sul bordo

Un ostacolo può comportarsi approssimativamente come un:

knife edge.

Immaginiamo:

TX               RX
●                 ●
 \               /
  \      ▲      /
   \____/ \____/
        cresta

Se la cresta entra nel percorso, il segnale raggiunge il ricevitore principalmente grazie alla diffrazione.

Piccoli cambiamenti di altezza o posizione possono cambiare in maniera sensibile la geometria relativa all’ostacolo e quindi la perdita.

La modellazione della diffrazione su bordi e ostacoli è uno dei temi centrali della Recommendation ITU-R P.526.


Quando pochi metri fanno passare dalla zona d’ombra alla visibilità

Supponiamo che l’antenna A sia:

1 metro sotto

il profilo utile di una cresta.

Antenna B:

3 metri più alta

può ottenere una geometria molto migliore.

Il risultato non è necessariamente:

+3 dB

Può essere:

+10
+20
o più dB

in casi particolarmente sfavorevoli.

Per questo l’altezza non può essere tradotta semplicemente in watt equivalenti.


Settimo motivo: vegetazione

Un’antenna può avere:

linea verso sud

che attraversa la chioma di un grande albero.

Spostarla:

5 m

può portarla fuori dalla vegetazione.

A VHF/UHF:

  • foglie;
  • rami;
  • acqua contenuta nella vegetazione;

possono introdurre attenuazione e scattering.

In estate il comportamento può essere peggiore che in inverno.


Ottavo motivo: il cavo

Supponiamo che la posizione A richieda:

40 m di coassiale

mentre posizione B:

15 m.

Se il cavo ha perdite significative a UHF, la differenza può valere diversi dB.

Spostare l’antenna può quindi migliorare la copertura non soltanto per propagazione ma anche perché riduce le perdite della linea.


Nono motivo: rumore locale

Un’antenna riceve anche il rumore.

La posizione A potrebbe essere vicina a:

  • inverter fotovoltaico;
  • alimentatore switching;
  • apparato dati;
  • illuminazione LED;
  • trasmettitore;
  • cavo Ethernet rumoroso.

Posizione B, cinque metri più lontana, potrebbe avere un noise floor molto più basso.

Risultato:

RSSI della stazione uguale

ma:

BER molto migliore.

L’antenna non deve soltanto trasmettere bene

Per un ripetitore metà del problema è:

TX

l’altra metà:

RX.

Una posizione apparentemente eccellente per irradiare potrebbe essere pessima per ricevere a causa del rumore locale.

Questo è uno dei motivi per cui la scelta del punto deve essere effettuata con misure bidirezionali.


Decimo motivo: accoppiamento con altre antenne

In una postazione possiamo avere:

DMR
FM
link UHF
VHF
LTE
microonde

Spostare l’antenna modifica l’isolamento rispetto alle altre.

Cinque metri in più possono ridurre significativamente il livello di un interferente presente all’ingresso del ricevitore.

Questo può migliorare:

  • desense;
  • intermodulazione;
  • blocking.

Quindi spostare l’antenna può risolvere anche problemi apparentemente “elettronici”

Immaginiamo:

Posizione A
TX vicino → BER RX 8%

Spostiamo l’antenna ricevente.

Posizione B:

BER 0,5%

Non abbiamo:

  • cambiato radio;
  • ritoccato duplexer;
  • aggiunto filtri.

Abbiamo semplicemente aumentato l’isolamento spaziale.


La separazione verticale

Nelle postazioni radio multiservizio è spesso utilizzata la separazione verticale tra antenne.

Per esempio:

ANTENNA A
   │
   │
   │ 5 m
   │
ANTENNA B

Aumentare la separazione può ridurre l’accoppiamento RF.

La quantità reale dipende dai diagrammi delle antenne e dalla geometria.


La separazione orizzontale

Anche:

A ●────────────● B

può essere efficace.

Ma l’isolamento dipende:

  • distanza;
  • orientamento;
  • strutture;
  • frequenza.

Non basta quindi dire:

“Sono distanti cinque metri.”

Bisogna misurare.


Spostare un’antenna di un metro può migliorare il VSWR?

Possibile.

La vicinanza di:

  • strutture metalliche;
  • altre antenne;

può alterare l’impedenza.

Spostando l’antenna il sistema può risultare più vicino alle condizioni previste dal costruttore.

Ma attenzione:

un VSWR migliore non significa automaticamente migliore copertura.

Sono due fenomeni collegati ma distinti.


Una ROS perfetta non garantisce una buona antenna

Possiamo avere:

SWR 1:1

su un carico fittizio.

Non irradia praticamente nulla.

Quindi per valutare una posizione dobbiamo misurare:

  • Return Loss;
  • potenza;
  • diagramma;
  • copertura;
  • BER;
  • RSSI.

Come scegliere davvero il punto migliore?

Non dobbiamo installare definitivamente l’antenna e sperare.

Possiamo effettuare una:

site survey RF.


Fase 1 — Identificare le posizioni candidate

Per esempio:

A — centro terrazza
B — bordo nord
C — bordo sud
D — torre +5 m

Fase 2 — Installazione temporanea

Montiamo l’antenna in maniera sicura ma temporanea.

Manteniamo per quanto possibile:

  • stessa radio;
  • stessa potenza;
  • stesso cavo;
  • stessa antenna.

Cambiamo soltanto:

la posizione.


Fase 3 — Utilizzare stazioni di riferimento

Scegliamo punti rappresentativi:

NORD
SUD
EST
OVEST

e possibilmente:

area urbana
fondovalle
zona marginale

Per ciascuna posizione dell’antenna registriamo i risultati.


Fase 4 — Misurare RSSI e BER

Esempio:

AntennaNord BERSud BEREst BEROvest BER
A0,5%7,2%1,0%2,1%
B0,6%0,8%1,1%2,0%
C2,2%0,5%5,1%1,8%
D0,3%0,4%0,6%0,7%

La posizione D è chiaramente migliore.

Non dobbiamo affidarci al:

“Mi sembra che vada bene.”


Misurare sia uplink sia downlink

Per un ripetitore dobbiamo verificare:

UTENTE → RIPETITORE

e:

RIPETITORE → UTENTE.

Possiamo avere una posizione eccellente in trasmissione ma soggetta a forte rumore in ricezione.


Creare una mappa prima e dopo

Questa è una prova estremamente efficace.

Posizione A

Registriamo:

GPS
RSSI
BER

lungo un percorso.

Poi spostiamo l’antenna.

Posizione B

Ripetiamo lo stesso itinerario.

Possiamo produrre una vera:

drive-test comparison.


Un esempio

Posizione A:

km 10: BER 0,4%
km 20: BER 1%
km 30: BER 5%
km 40: perso

Posizione B:

km 10: BER 0,3%
km 20: BER 0,5%
km 30: BER 0,8%
km 40: BER 2%
km 50: BER 4%

Spostando l’antenna di pochi metri abbiamo modificato enormemente la copertura utile.


Quanto sarebbe servito aumentando la potenza?

Supponiamo che la posizione migliore ci abbia regalato:

10 dB

verso una determinata area.

Per ottenere 10 dB attraverso la sola potenza avremmo dovuto passare da:

5 W

a:

50 W.

Una semplice modifica meccanica può quindi equivalere, in quella direzione, a moltiplicare la potenza per dieci.


Ecco perché prima di comprare un amplificatore bisogna spostare l’antenna

Questa dovrebbe essere quasi una regola radioamatoriale.

Prima di:

50 W → 100 W

provare:

  • +2 metri di altezza;
  • altra posizione;
  • cavo migliore;
  • antenna libera dagli ostacoli.

Spesso il risultato è superiore.


Anche pochi centimetri possono contare nell’hotspot

Il principio vale su scala minore.

Un hotspot appoggiato:

dietro il computer

potrebbe funzionare peggio rispetto a:

sopra una mensola

a causa di:

  • schermature;
  • riflessioni;
  • rumore elettronico.

Spostarlo di un metro può modificare:

BER 5%

in:

BER 0,3%.

Ma attenzione: non tutto è multipath

Se spostare l’antenna migliora il sistema, dobbiamo comunque capire perché.

Potrebbe essere:

  • Fresnel;
  • ostacolo;
  • rumore;
  • isolamento;
  • cavo;
  • multipath.

Non bisogna attribuire automaticamente qualsiasi variazione al multipath.


Un metodo scientifico: una variabile alla volta

Supponiamo di modificare contemporaneamente:

  • antenna;
  • posizione;
  • altezza;
  • cavo;
  • potenza.

Il sistema migliora.

Cosa ha funzionato?

Non lo sappiamo.

Meglio:

TEST 1
stessa antenna
stesso cavo
stessa potenza
nuova posizione

Poi:

TEST 2
stessa posizione
+2 m altezza

Poi:

TEST 3
nuovo cavo

Così possiamo quantificare il contributo di ogni modifica.


Fotografare e documentare

Per una rete di ripetitori è molto utile conservare:

  • fotografie della postazione;
  • altezza;
  • coordinate;
  • orientamento;
  • distanza dalle strutture;
  • modello antenna;
  • lunghezza cavo;
  • misure BER/RSSI.

Se in futuro qualcosa cambia possiamo confrontare.


Una nuova antenna vicina può cambiare tutto

Immaginiamo che la nostra postazione funzioni perfettamente.

Un altro operatore installa:

una nuova antenna

a un metro dalla nostra.

Potrebbe modificare:

  • ambiente elettromagnetico;
  • accoppiamento;
  • intermodulazione;
  • diagramma;
  • noise floor.

Una copertura cambiata dopo lavori sulla torre non deve essere considerata una coincidenza finché non è stata verificata.


La posizione ideale è un compromesso

Potremmo trovare:

POSIZIONE A
ottima copertura
molto rumore RX

e:

POSIZIONE B
copertura leggermente minore
ricezione pulitissima.

Per un ripetitore B potrebbe essere complessivamente migliore.

Non dobbiamo ottimizzare soltanto:

ERP.

Dobbiamo ottimizzare:

l’intero collegamento bidirezionale.


La potenza non risolve i nulli

Se una determinata direzione presenta un profondo nullo nel diagramma causato dall’ambiente, aumentare la potenza aumenta tutto proporzionalmente ma non cambia la geometria del nullo.

Spostare l’antenna può invece modificare il diagramma.

Questo spiega perché:

+3 metri

possono risultare più efficaci di:

+50 watt.

La copertura non è un cerchio perfetto

Sulle mappe tendiamo a immaginare:

       █████
    ███████████
  █████ RPT █████
    ███████████
       █████

Nella realtà può essere:

███████████
   █████
       █████████████
 ██
          █████

perché il territorio modifica continuamente il segnale.


Uno spostamento cambia l’intera geometria

Muovere l’antenna significa cambiare il punto da cui partono tutti i raggi verso:

  • montagne;
  • edifici;
  • vallate;
  • ostacoli.

Anche se lo spostamento è minimo rispetto alla distanza totale, vicino alla postazione può essere sufficiente a cambiare:

  • un angolo;
  • una schermatura;
  • una riflessione.

L’effetto è particolarmente importante quando l’ostacolo è vicino

Se un camino si trova a:

3 m dall'antenna

uno spostamento laterale di:

3 m

modifica enormemente la geometria.

Se l’ostacolo si trova a:

30 km

lo stesso spostamento modifica pochissimo l’angolo.

Quindi i primi elementi da osservare sono proprio quelli vicini all’antenna.


Guardarsi intorno prima di guardare la cartina

Prima di aprire un sofisticato software di propagazione, osserviamo:

  • torre;
  • parapetti;
  • locali tecnici;
  • alberi;
  • antenne;
  • pannelli solari;
  • tralicci.

Molti problemi nascono nei primi:

10-100 metri

dal sistema.


Poi arriva il software di propagazione

Una volta ottimizzata la postazione locale possiamo utilizzare modelli digitali del terreno per analizzare:

  • line-of-sight;
  • Fresnel;
  • diffrazione;
  • copertura prevista.

Ma il modello non conosce necessariamente:

  • il camino sulla terrazza;
  • la ringhiera;
  • l’albero appena cresciuto;
  • la nuova antenna del vicino.

Per questo previsione e misure reali devono essere utilizzate insieme.


Il drive test rimane insostituibile

Un modello può prevedere:

-85 dBm

in una determinata zona.

Il test reale ci dice:

RSSI -80
BER 8%

Abbiamo molto segnale ma pessima qualità.

Potrebbe esserci:

  • multipath;
  • interferenza.

La mappa teorica non basta.


Misurare BER, non soltanto tacche

Questa è un’altra lezione importante per DMR.

Una nuova posizione potrebbe produrre:

RSSI +2 dB

e sembrare un miglioramento modesto.

Ma:

BER 6% → 0,4%

dimostra che il cambiamento è enorme.

Il BER racconta ciò che l’S-meter non riesce a descrivere.


Un esempio reale ideale

Supponiamo di voler coprire una valle a sud.

Antenna A

altezza 20 m
centro terrazza
dietro parapetto

Risultato:

RSSI utenti buono
BER alto

Antenna B

altezza 20 m
5 metri verso sud
oltre parapetto

Risultato:

RSSI +4 dB
BER quasi zero

Non abbiamo aumentato:

  • watt;
  • guadagno nominale;
  • altezza.

Abbiamo soltanto trovato il punto RF migliore.


La postazione deve essere “ascoltata”

Una buona installazione non dovrebbe essere considerata conclusa appena:

ROS = 1:1

Dovremmo verificare:

noise floor
sensibilità
BER
copertura
isolamento.

Solo allora sappiamo veramente come funziona.


Piccolo spostamento, grande differenza

Possiamo quindi avere:

ANTENNA A

e:

ANTENNA B

separate soltanto da:

3 metri

ma con:

A:
BER 8%
B:
BER 0,5%.

Non c’è nulla di misterioso.

È la conseguenza combinata di:

  • lunghezza d’onda;
  • multipath;
  • ostacoli;
  • Fresnel;
  • ambiente locale.

La lezione per il radioamatore

Quando una stazione fissa riceve male una determinata direzione, non dobbiamo pensare immediatamente:

“Mi servono più watt.”

Proviamo:

  1. spostamento laterale;
  2. aumento dell’altezza;
  3. allontanamento da strutture;
  4. riduzione cavo;
  5. diversa posizione sul tetto.

La radiofrequenza spesso ricompensa queste modifiche molto più di un amplificatore.


La lezione per il sysop

Prima di rendere definitiva una nuova postazione sarebbe ideale testare almeno:

2-4 posizioni

per l’antenna.

Registriamo:

  • RSSI;
  • BER;
  • noise floor;
  • copertura.

Solo dopo scegliamo.

Un’ora di prove prima dell’installazione definitiva può evitare anni di copertura mediocre.


Conclusione

Spostare un’antenna di pochi metri può cambiare completamente la copertura perché il campo radio attorno alla postazione non è uniforme.

La posizione determina il rapporto con:

OSTACOLI
+
FRESNEL
+
MULTIPATH
+
STRUTTURE
+
RUMORE
+
ALTRE ANTENNE.

Alle frequenze UHF una lunghezza d’onda è inferiore a un metro.

Questo significa che anche movimenti sorprendentemente piccoli possono cambiare le relazioni di fase fra i vari percorsi.

Uno spostamento maggiore può invece:

  • eliminare completamente un ostacolo;
  • liberare il bordo di un edificio;
  • ridurre il rumore;
  • aumentare l’isolamento da un altro trasmettitore.

Ecco perché:

la posizione dell’antenna non è un dettaglio dell’installazione. È parte integrante del sistema radio.

Prima di aumentare:

5 W → 50 W

vale sempre la pena chiedersi:

“Ho davvero messo l’antenna nel punto migliore?”

Perché qualche volta cinque metri di spostamento possono regalare gli stessi decibel che cercheremmo inutilmente acquistando un amplificatore molto più potente.

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