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Immaginate di trasmettere un segnale radio verso la Luna.
Il segnale percorre quasi 400.000 chilometri.
Colpisce la superficie lunare.
Una piccolissima parte viene dispersa nuovamente nello spazio.
Una frazione ancora più piccola torna verso la Terra.
Dopo un viaggio complessivo di oltre 750.000 chilometri, un’altra stazione radioamatoriale riesce a riceverla.
Non stiamo parlando di un satellite.
Non stiamo utilizzando Internet.
Non esiste alcun ripetitore.
Abbiamo utilizzato direttamente la Luna come enorme riflettore passivo.
Questa tecnica prende il nome di:
EME — Earth-Moon-Earth
o, più informalmente:
Moonbounce.
È una delle discipline tecnicamente più affascinanti dell’intero radiantismo.
Come funziona l’EME
Il principio di base è semplice.
Stazione A:
Terra → Luna
La Luna disperde parte dell’energia ricevuta.
Una piccola frazione ritorna:
Luna → Terra
Stazione B riceve il segnale.
Il problema è che la Luna non è affatto un buon riflettore radio.
La maggior parte della potenza:
- non viene intercettata;
- viene dispersa;
- viene assorbita;
- viene riflessa in direzioni differenti.
Il segnale di ritorno è quindi estremamente debole.
Quanto lontano viaggia il segnale?
La distanza media Terra-Luna è circa:
384.400 km.
Il segnale deve compiere:
Terra → Luna
e poi:
Luna → Terra.
La distanza totale è quindi nell’ordine di:
768.000 km.
Poiché le onde radio viaggiano alla velocità della luce, il ritardo andata/ritorno è nell’ordine di:
2,5 secondi.
Questo produce uno degli esperimenti più affascinanti possibili.
Trasmettiamo un breve impulso.
Aspettiamo.
Circa due secondi e mezzo dopo possiamo ascoltare il nostro stesso segnale tornare dalla Luna.
È il nostro eco lunare.
Perché il segnale è così debole?
Diversi fattori lavorano contemporaneamente contro di noi.
1. Enorme distanza
La densità di potenza diminuisce rapidamente con la distanza.
2. La Luna intercetta solo una parte del fascio
Anche con una buona antenna, il segnale si distribuisce nello spazio.
3. La superficie lunare non è uno specchio
È irregolare.
Produce scattering.
4. Il segnale riflesso si disperde nuovamente
Solo una frazione torna nella direzione della Terra.
5. Il percorso di ritorno introduce altre perdite
Il segnale deve affrontare una seconda tratta di quasi 400.000 km.
Il risultato è un link budget estremamente severo.
Il problema non si risolve soltanto aumentando la potenza
La potenza è importante.
Ma in EME diventano fondamentali:
- guadagno dell’antenna;
- temperatura di rumore;
- perdite nel feeder;
- preamplificatore;
- stabilità in frequenza;
- elaborazione digitale;
- polarizzazione;
- precisione di puntamento.
Aggiungere 3 dB di potenza equivale a raddoppiare la potenza trasmessa.
Ridurre 3 dB di perdita nel sistema ricevente può risultare altrettanto prezioso.
Su quali bande si fa EME?
L’EME viene praticato soprattutto sulle bande VHF, UHF e microwave.
Fra le bande classiche troviamo:
- 50 MHz;
- 144 MHz;
- 432 MHz;
- 1.296 MHz;
- 2,3 GHz;
- 3,4 GHz;
- 5,7 GHz;
- 10 GHz;
e frequenze ancora superiori.
Ogni banda presenta caratteristiche molto differenti.
144 MHz: l’ingresso classico al Moonbounce
I 2 metri rappresentano una delle bande più popolari per EME.
I vantaggi includono:
- apparecchiature relativamente disponibili;
- antenne Yagi;
- amplificatori reperibili;
- comunità EME numerosa;
- modi digitali estremamente efficienti.
Lo svantaggio principale è che per ottenere un elevato guadagno servono antenne fisicamente grandi.
432 MHz
Salendo a 70 cm le antenne diventano più compatte a parità di guadagno.
Diventano però più importanti:
- perdite del cavo;
- stabilità;
- preamplificatore;
- puntamento.
1.296 MHz
La banda dei 23 cm è una delle più affascinanti per EME.
Possiamo utilizzare:
- parabole;
- feed dedicati;
- amplificatori;
- LNA.
Una parabola relativamente compatta può sviluppare un guadagno molto importante.
Ma alle microonde ogni dettaglio del sistema diventa progressivamente più critico.
La grande antenna EME classica
Quando immaginiamo una stazione Moonbounce pensiamo spesso a:
quattro enormi Yagi incrociate su un rotore azimut/elevazione.
Ed è effettivamente una configurazione classica.
Per esempio:
4 × Yagi da 10–15 elementi
oppure:
8 × Yagi.
Mettendo più antenne in fase possiamo aumentare il guadagno.
Ma dobbiamo realizzare correttamente:
- splitter;
- linee di fase;
- lunghezze dei cavi;
- impedenza;
- struttura meccanica.
Array di Yagi
Supponiamo di avere una Yagi con un certo guadagno.
Raddoppiando idealmente il numero di antenne correttamente combinate possiamo ottenere circa:
+3 dB.
Quattro antenne rispetto a una:
circa +6 dB teorici.
Otto:
circa +9 dB.
Nella realtà entreranno naturalmente in gioco perdite e interazioni.
Parabole
Salendo in frequenza diventa molto interessante utilizzare un riflettore parabolico.
Il guadagno di una parabola cresce con:
- diametro;
- frequenza;
- efficienza.
Una parabola da pochi metri può diventare una formidabile antenna EME a 1,2 GHz e oltre.
Il feed
Una parabola senza un buon feed è soltanto un grande pezzo di metallo.
Il feed deve illuminare correttamente il riflettore.
Se illumina troppo poco:
non utilizziamo tutta la superficie.
Se illumina troppo:
parte dell’energia supera i bordi.
Avremo:
spillover.
Un buon progetto deve quindi bilanciare:
- illuminazione;
- efficienza;
- rumore;
- polarizzazione.
Puntare la Luna
Una normale antenna HF può funzionare anche se è orientata con alcuni gradi di errore.
Una grande stazione EME no.
La Luna ha un diametro apparente di circa mezzo grado.
Le antenne ad alto guadagno possono avere beamwidth relativamente stretti.
Occorre quindi conoscere:
- azimut lunare;
- elevazione;
- movimento;
- posizione precisa della stazione.
Serve un sistema di tracking.
Rotore Az/El
L’antenna EME viene generalmente controllata su due assi:
AZ — azimut
e
EL — elevazione.
Il software calcola continuamente la posizione della Luna.
Il sistema di rotori la segue.
In configurazioni avanzate il puntamento può essere completamente automatico.
Si può puntare manualmente?
Con antenne relativamente larghe e nelle fasi iniziali, sì.
Ma con grandi array o parabole diventa progressivamente difficile.
Una piccola imprecisione può ridurre sensibilmente il segnale.
Il preamplificatore deve stare vicino all’antenna
Immaginiamo:
antenna
↓
25 metri di coassiale
↓
LNA.
Se il cavo introduce 3 dB di perdita abbiamo già perso metà della potenza del segnale prima di amplificarla.
In EME questo è un lusso che non possiamo permetterci.
Per questo il LNA — Low Noise Amplifier viene normalmente installato il più vicino possibile all’antenna.
Idealmente:
antenna
↓
LNA
↓
cavo.
Noise Figure
Il preamplificatore deve avere:
- basso Noise Figure;
- guadagno sufficiente;
- buona linearità;
- protezione durante la trasmissione.
Ridurre il rumore del primo stadio ricevente può produrre miglioramenti enormi.
Sequencer
Qui compare un componente fondamentale nelle stazioni EME.
Il preamplificatore si trova vicino all’antenna.
Ma durante la trasmissione potremmo inviare:
100 W;
500 W;
1 kW
nella stessa catena RF.
Il nostro LNA potrebbe essere distrutto istantaneamente.
Serve quindi una precisa sequenza di commutazione.
Sequenza TX
- disattivare LNA;
- commutare relè;
- abilitare amplificatore;
- trasmettere.
Ritorno RX
- interrompere RF;
- disabilitare amplificatore;
- commutare relè;
- riabilitare LNA.
Un sequencer automatizza questa procedura.
Potenza
Storicamente l’EME richiedeva spesso:
- grandi array;
- molta potenza;
- ricevitori eccellenti;
- operatori estremamente esperti.
L’elaborazione digitale ha cambiato radicalmente la situazione.
Oggi sono possibili collegamenti EME con stazioni molto più piccole rispetto a quelle necessarie nell’era esclusivamente CW/SSB.
EME in CW
Rimane probabilmente la forma più elegante di Moonbounce.
Il segnale può essere:
- debole;
- instabile;
- immerso nel rumore.
Occorrono:
- buon orecchio;
- filtri;
- stabilità;
- esperienza.
Sentire realmente un segnale CW ritornare dalla Luna rimane qualcosa di speciale.
EME digitale
Ed è qui che entra in gioco il lavoro di Joe Taylor, K1JT.
WSJT e successivamente WSJT-X hanno introdotto modalità progettate specificamente per comunicazioni weak signal.
JT65 nacque proprio con l’EME VHF e superiori fra le applicazioni principali. Le versioni moderne di WSJT-X includono inoltre Q65, particolarmente efficace per EME e altri percorsi weak-signal su VHF e bande superiori.
Q65
Q65 è diventato uno degli strumenti più importanti per l’EME moderno.
È progettato per segnali:
- estremamente deboli;
- soggetti a Doppler;
- con fading;
- spesso non percepibili chiaramente a orecchio.
Le varianti utilizzano differenti durate e spaziature dei toni.
Nella documentazione WSJT sono state indicate, per esempio, configurazioni Q65 differenti in funzione della banda EME; la scelta del submodo dipende quindi dal tipo di collegamento e dalla frequenza utilizzata.
Quanto sotto il rumore?
Qui nasce uno degli aspetti più affascinanti dei modi digitali weak signal.
Un operatore può guardare il waterfall e pensare:
“Non c’è assolutamente nulla.”
Il decoder, invece, riesce a recuperare:
nominativo;
locator;
report.
Questo non significa creare informazione dal nulla.
L’algoritmo utilizza:
- banda stretta;
- integrazione;
- sincronizzazione;
- codifica;
- struttura prevedibile del messaggio.
Riesce così a identificare segnali ben al di sotto del livello di rumore percepito all’interno della normale banda audio.
QMAP e MAP65
Per stazioni EME avanzate esistono strumenti che consentono di osservare una porzione più ampia dello spettro e decodificare contemporaneamente numerosi segnali.
QMAP è stato sviluppato proprio con particolare attenzione alle applicazioni EME e permette, in specifiche configurazioni Q65, di sorvegliare una porzione relativamente ampia del sottobanda mentre WSJT-X gestisce il QSO.
Il Doppler lunare
Anche la Luna produce Doppler.
La velocità relativa:
Terra;
rotazione terrestre;
orbita lunare;
posizione delle due stazioni
produce variazioni della frequenza apparente.
Alle microonde il fenomeno diventa molto importante.
Il software moderno può calcolare e correggere automaticamente buona parte del Doppler.
Doppler proprio e Doppler DX
Possiamo considerare:
- Doppler previsto nella nostra stazione;
- Doppler visto dalla stazione remota;
- geometria complessiva del percorso.
I programmi EME moderni possono utilizzare modelli astronomici accurati per correggere la frequenza.
La libration fading
La Luna non è un riflettore puntiforme.
Diverse zone della superficie producono segnali con:
- differenti percorsi;
- differenti fasi;
- piccoli Doppler differenti.
I contributi possono sommarsi oppure cancellarsi.
Il risultato è il cosiddetto:
libration fading.
Il segnale può variare rapidamente anche quando tutto il nostro sistema rimane perfettamente stabile.
Polarizzazione
Un’altra sfida è la polarizzazione.
La polarizzazione ricevuta può essere influenzata da:
- geometria;
- rotazione relativa;
- propagazione ionosferica;
- Faraday rotation alle frequenze in cui il fenomeno è significativo.
Potremmo avere una stazione fortissima ma riceverla debolmente perché le polarizzazioni non coincidono.
Polarizzazione incrociata
Per questo le grandi stazioni VHF possono utilizzare:
dual polarization.
Per esempio:
orizzontale + verticale.
Il ricevitore può scegliere o combinare il canale migliore.
MAP65, per esempio, è stato progettato anche per sistemi a doppia polarizzazione e può sfruttare i due canali nelle comunicazioni EME.
Sky noise
L’antenna non riceve soltanto il segnale lunare.
Riceve anche rumore proveniente dal cielo.
La temperatura di rumore dipende dalla direzione nella quale stiamo puntando.
Se la Luna attraversa una zona con forte rumore galattico, le prestazioni possono peggiorare.
Sun noise
Il Sole rappresenta una sorgente radio molto intensa.
Gli operatori EME possono sfruttarlo perfino per verificare la sensibilità del sistema.
Puntando:
spazio freddo
e poi
Sole
possiamo osservare l’incremento del rumore.
Il cosiddetto Sun Noise Measurement permette di valutare le prestazioni complessive della stazione ricevente.
Moon noise
Alle frequenze più elevate e con grandi antenne è possibile osservare perfino l’aumento di rumore quando la parabola punta direttamente verso la Luna.
Questo permette di verificare:
- puntamento;
- sensibilità;
- prestazioni del sistema.
Echo test
Prima di tentare il primo QSO possiamo provare ad ascoltare il nostro eco.
Trasmettiamo una sequenza.
Attendiamo circa 2,5 secondi.
Se la nostra stazione possiede link budget sufficiente, il segnale ritorna.
Ricevere il proprio eco lunare rappresenta già un traguardo straordinario.
Quanto grande deve essere la stazione?
Non esiste una risposta unica.
Dipende da:
- banda;
- modo;
- stazione corrispondente;
- condizioni;
- antenna;
- potenza.
Una piccola stazione digitale può collegare una grande stazione EME.
Per collegare due stazioni piccole servono invece condizioni e prestazioni migliori.
Big gun e small station
Uno degli aspetti interessanti dell’EME moderno è la possibilità di iniziare cercando stazioni molto attrezzate.
Una grande stazione può avere:
- array enorme;
- elevata potenza;
- ricevitore eccellente.
Il suo margine di collegamento può consentirci di effettuare un QSO anche con una configurazione relativamente modesta.
Possiamo provare con una sola Yagi?
Con le modalità weak signal moderne e una controparte molto forte, una stazione relativamente piccola può riuscire in collegamenti che decenni fa sarebbero sembrati estremamente difficili.
Non bisogna però pensare:
“una Yagi e 10 W garantiscono EME”.
L’intero sistema deve essere ottimizzato.
Ogni dB conta.
Dove trovare quei dB
Possiamo migliorare:
Antenna
+3 dB.
Seconda antenna in array
circa +3 dB ideali.
Cavo migliore
+1 dB.
LNA sul palo
+1–3 dB equivalenti nella catena RX, a seconda del sistema.
Potenza doppia
+3 dB TX.
Migliore puntamento
potenzialmente diversi dB.
Migliore polarizzazione
anche molti dB in condizioni sfavorevoli.
È la somma delle piccole ottimizzazioni a creare una stazione EME.
La precisione diventa una filosofia
Nelle HF possiamo permetterci molte approssimazioni.
In EME impariamo velocemente che:
- un connettore conta;
- mezzo dB conta;
- il cavo conta;
- il rumore conta;
- il puntamento conta;
- la temperatura conta;
- la stabilità conta.
È quasi un laboratorio RF all’aperto.
Una possibile stazione iniziale 144 MHz
Come progetto concettuale:
RTX multimodo 144 MHz
↓
PA
↓
sequencer
↓
relè coassiale
↓
Yagi ad alto guadagno
e sul lato RX:
Yagi
↓
LNA vicino antenna
↓
coassiale low-loss
↓
RTX / SDR
↓
WSJT-X.
Successivamente possiamo passare a:
2 Yagi;
4 Yagi;
tracking automatico;
dual polarization.
Log e sched
Molti QSO EME vengono organizzati in anticipo.
Si concordano:
- frequenza;
- orario;
- modo;
- sequenza TX;
- polarizzazione.
Questo viene spesso chiamato:
schedule, o semplicemente sked.
Non toglie nulla alla difficoltà tecnica.
Serve semplicemente a sapere dove ascoltare un segnale che potrebbe essere 20 o 30 dB sotto il rumore.
TX first e TX second
Nei modi digitali sincronizzati una stazione trasmette nel primo periodo.
L’altra nel secondo.
È essenziale che entrambe rispettino correttamente la sequenza.
Anche l’orologio del computer deve essere accuratamente sincronizzato.
La Luna non è sempre disponibile
Per fare EME dobbiamo considerare:
- moonrise;
- moonset;
- declinazione;
- elevazione;
- visibilità comune fra le due stazioni.
La Luna deve essere contemporaneamente utilizzabile da entrambi gli operatori.
La finestra comune
Una stazione italiana e una giapponese non possono necessariamente utilizzare la Luna nello stesso momento.
Serve una finestra nella quale entrambe abbiano:
Moon above horizon.
Il software EME calcola queste condizioni automaticamente.
EME e radioastronomia amatoriale
Una volta costruita una buona stazione EME, il passo verso esperimenti di radioastronomia diventa relativamente naturale.
Possiamo iniziare a osservare:
- rumore solare;
- rumore lunare;
- sorgenti radio forti;
- temperatura del cielo.
Il sistema d’antenna diventa un vero radiotelescopio amatoriale.
Conclusioni
L’EME rappresenta forse una delle espressioni più pure della sperimentazione radioamatoriale.
Non abbiamo:
- ripetitori;
- Internet;
- infrastrutture intermedie.
Abbiamo due stazioni.
E abbiamo la Luna.
Il segnale percorre centinaia di migliaia di chilometri, colpisce un altro corpo celeste e ritorna sulla Terra così debole da essere quasi indistinguibile dal rumore.
Eppure possiamo decodificarlo.
Possiamo fare un QSO.
Possiamo perfino ascoltare il nostro stesso eco tornare circa due secondi e mezzo dopo averlo trasmesso.
Poche attività riescono a mettere insieme con tanta eleganza:
astronomia, radiofrequenza, antenne, meccanica, elettronica, software e propagazione.
Quando un segnale torna dalla Luna non è soltanto un altro QSO nel log.
È la dimostrazione pratica che una stazione radioamatoriale costruita in garage può utilizzare un corpo celeste distante quasi 400.000 chilometri come parte integrante del proprio sistema d’antenna.