La rubrica CNIT TALK è curata dai Professori del CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni), il Consorzio formato da 37 università pubbliche italiane diretto dal Professor Nicola Blefari Melazzi, che organizza l’evento di riferimento per il settore 5G Italy. L’obiettivo è la divulgazione di contenuti originali sui temi principali del mondo digitale dal 5G, alla Blockchain, dall’IoT all’elettromagnetismo, di carattere scientifico, ma divulgativo, con l’obiettivo di disseminare l’attività del Consorzio via web. Per consultare tutti gli articoli clicca qui.
Articolo del dr. ing. Gaspare GALATI, professore onorario di Sistemi Radar presso l’Università degli Studi di Roma Tor Vergata, coordinatore del Comitato di redazione della collana CNIT Technical Report
Introduzione
Nel mondo delle Telecomunicazioni e più in generale dell’Information & Communication Technology non è sempre noto che alcune delle sue principali tecnologie hanno origine nello sviluppo storico dei sistemi radar, a partire dalla grande spinta propulsiva dalla metà degli anni ’30 del 1900, e della seconda guerra mondiale, del cui esito il radar è stato un fattore essenziale.
Senza alcuna pretesa di completezza storica, nel seguito sono illustrati alcuni casi notevoli – e forse poco noti – che giustificano l’assunto di questo “talk”.
Le origini del radar (cenni)
Il radar e le sue prime sperimentazioni risalgono al – relativamente breve ma assai intenso – periodo di grande fermento culturale tra l’ultima decade dell’ Ottocento e lo scoppio della prima guerra mondiale. Dopo la formulazione fisico-matematica dell’elettromagnetismo e delle onde dovuta a James Clerk Maxwell e pubblicata nel 1864, la scoperta dei principi base della tecnica radio e radar risale agli anni ottanta dell’Ottocento con i primi esperimenti condotti da Heinrich Hertz sulla generazione delle onde elettromagnetiche e la loro riflessione da parte di corpi metallici (1886 – 1888) e con lo sviluppo degli elementi base per i processi di emissione e ricezione delle onde. Nel 1884 Temistocle Calzecchi Onesti realizzò il primo rilevatore di onde elettromagnetiche, il coherer. Negli anni ottanta il fisico russo Aleksander Stepanovic Popov continuò gli esperimenti di Hertz e degli altri pionieri delle onde radio e nel 1894 costruì un ricevitore, del tipo coherer, con le estremità collegate rispettivamente a terra e a un conduttore verticale, la prima antenna in grado di ricevere segnali elettromagnetici prodotti a distanza.
Su queste basi si svilupparono radio e radar, con due figure principali: Guglielmo Marconi, e Christian Hülsmeyer di Düsseldorf, un inventore di molteplici ritrovati che nel caso del radar fu assai meno fortunato, in termini di accettazione della propria invenzione (l’ambiente non era ancora pronto ad accoglierla) e quindi di risultati economici, del poco (precisamente, di 7 anni) più anziano Guglielmo Marconi. Benché in assoluto assai meno noto di Marconi, Christian Hülsmeyer è ben conosciuto nella comunità radar quale indiscusso inventore del radar, dato che il 30 aprile 1904 depositò il brevetto n. DE 165546 (si vedano le figure 1 e 2) dal titolo “Telemobiloskop” relativo al sistema da lui concepito e sviluppato.
Una prima dimostrazione pubblica del funzionamento del radar di Hülsmeyer ebbe luogo a Colonia il 17 maggio 1904, altre seguirono in giugno su bersagli navali. Tuttavia l’ambiente, civile e militare, non era ancora maturo per recepire il concetto del radar, e l’invenzione di Hülsmeyer rimase dimenticata per una ventina d’anni. Solo negli anni trenta del Novecento, quando la capacità di carico e di distanza degli aeromobili rese possibili i bombardamenti aerei, rinacque l’interesse per la rivelazione e localizzazione precoce di attacchi aerei.
In mancanza di sistemi elettromagnetici efficienti, i primi tentativi usavano le onde acustiche, cioè raccoglievano e amplificavano con i cosiddetti “aerofoni” il rombo dei motori degli aerei attaccanti. In Gran Bretagna, dove il timore di attacchi aerei era ampiamente giustificato, solo all’inizio del 1935 si iniziò a studiare un sistema basato su onde radio ed alternativo agli aerofoni. Esso fu realizzato in forme prototipale da Robert Watson-Watt il quale condusse esperimenti che dettero i primi frutti il 26 febbraio 1935 con la rivelazione di un bombardiere della RAF che veniva fatto volare nella zona di trasmissione dei una stazione di radiodiffusione della BBC sull’onda dei 49 metri. In pochissimi anni fu sviluppato l’intero, non semplice sistema, denominato Chain Home, per la difesa aerea del Regno Unito, vedere le figure 3 e 4.
Il contributo tecnico-scientifico degli studi ed esperienze sul radar
All’inizio della seconda guerra mondiale, con apparati radar (sia di scoperta che di inseguimento) operativi da ambo le parti in conflitto, le tecniche radar hanno “preso in prestito” dalla radiotecnica. Durante le operazioni belliche la situazione, sotto questo profilo, si capovolge: sotto la spinta delle esigenze militari nuove tecniche e tecnologie e nuovi concetti di sistema si sviluppano in campo radar da ambo le parti, con uno sforzo che per gli Alleati risultò ben superiore, ad esempio, a quello dello sviluppo della bomba atomica.
La necessità di guidare i propri aerei da caccia verso i bombardieri nemici spinge a realizzare radar di inseguimento di alta precisione con un notevole progresso nel campo delle antenne a riflettore ad alto guadagno, come quella del Würzburg e della sua versione gigante (figura 5).
Già durante il conflitto, oltre alle antenne a riflettore furono sviluppate le antenne ad array, v. figura 6.
La tecnica “phased array” con scansione elettronica del fascio, che a molti può apparire relativamente recente, in realtà è stata usata in apparati radar germanici già durante la seconda guerra mondiale, v. figura 7.
La sempre maggiore potenze richiesta in trasmissione unita alla necessità di apparati leggeri e compatti, in particolare per le applicazioni avioniche (v. figura 8) porta i ricercatori a sviluppare nuovi dispositivi a microonde, primo dei quali, il magnetron (figura 9), capace di alcuni KW fino alla banda X. Il magnetron E 1189 N. 12 fu portato segretamente in Nord America dalla missione Tizard del 1940.
Nel primo dopoguerra i requisiti di coerenza e stabilità delle sorgenti di potenza portarono allo sviluppo, inizialmente per le applicazioni radar, di nuovi tubi a microonde, tra i quali il klystron e il TWT (tubo ad onda progressiva).
Durante il conflitto e nel primo dopoguerra emerse l’esigenza di separare gli echi radar dei bersagli in movimento da quelli, ben più intensi, degli oggetti naturali (terreno, pioggia..) e dei disturbi intenzionali (nuvole di strisce di stagnola dette window e poi chaff). Già nel corso della guerra furono messe a punto ed applicate operativamente le tecniche oggi note come MTI (Moving Target Indicator. Si veda la fig. 10 per il filtro MTI del tipo “doppio cancellatore”). In tale contesto, il principale problema tecnico per i radar ad impulsi era la necessità di confrontare segnali separati da un ritardo eguale a (o multiplo di) un periodo di ripetizione degli impulsi, il cui ordine di grandezza per i sistemi a media-grande portata è quello del millisecondo. Nel mondo analogico di allora l’unico modo di realizzare simili ritardi con linee di dimensioni accettabili fu quello di trasformare il segnale elettrico in un segnale acustico che si propagava in linee di ritardo al quarzo o al mercurio, con successiva riconversione in segnale elettrico. Si realizzava così un sistema di elaborazione dei segnali in forma tempo-discreta, seppure non ancora numerica. Questo aprì la strada (anni sessanta del secolo scorso per la parte teorica, anni settanta per la parte applicativa) all’elaborazione numerica dei segnali, che dal mondo radar passò poi a quello delle telecomunicazioni.
Conclusioni
Si è mostrato che alcune fondamentali soluzioni proprie dei sistemi ed apparati di telecomunicazioni sono state precedentemente sviluppate da ricercatori ed ingegneri “radaristi”. Tra di esse emergono due: le tecniche della scansione elettronica del fascio di antenna usate nelle comunicazioni mobili (le antenne delle stazioni 5G possono così “inseguire” i terminali mobili massimizzando l’efficienza del collegamento) e le tecniche digitali veloci a banda larga basate sull’elaborazione numerica dei segnali (DSP). Entrambe sono state anticipate da tempo, e senza troppa pubblicità, nell’ambito dei sistemi radar.
In sostanza: è vero che la prima rete radar operativa per la difesa aerea (Chain Home, U.K., 1939) usava antenne e frequenze simili a quelle della BBC, ma è pur vero che i sistemi di telecomunicazioni post-bellici usarono, ed usano, molte tecnologie radar.
Riferimento: Gaspare Galati, “100 Years of Radar” , Springer, 2016, e “Cent’anni di Radar – Ricerca, Sviluppi, Persone, Eventi”, Aracne editrice, 2012
