Le antenne a corrente terrestre per la radio in grotta

1. Contesto: radio in grotta e comunicazioni through the earth

La radio in grotta nasce dall’esigenza di mantenere un collegamento affidabile tra squadre sotterranee e superficie quando VHF e cellulari sono inutilizzabili a causa dell’attenuazione fortissima dei segnali alle frequenze usuali.

I sistemi storici come il Molefone e, successivamente, HeyPhone e Sistema Nicola operano in banda LF (tipicamente intorno a 87 kHz) e usano antenne speciali per far passare il segnale “through?the?earth”, cioè attraverso centinaia di metri di roccia.[web:23][web:26][web:30]

In questo contesto si sono sviluppate due famiglie principali di antenne:

• loop magnetiche (grandi spire di cavo, tipicamente diametro ~1 m)
• antenne a corrente terrestre (earth?current antennas, ground dipoles, end?grounded horizontal electric dipoles)

Negli ultimi anni, soprattutto con HeyPhone e Nicola, c’è stato un passaggio progressivo dalle loop alle antenne a corrente terrestre per le comunicazioni di soccorso e servizio, perché a parità di potenza consentono distanze maggiori (500–800 m di roccia con 10 W sono stati dimostrati in vari test).[web:23][web:26][web:24][web:30]

2. Definizione: cosa sono le antenne a corrente terrestre

Con “antenna a corrente terrestre” si indica, in ambito cave radio, un’antenna formata da:

• due fili conduttori, lunghi tipicamente 20–25 m ciascuno,
• collegati al trasmettitore in un punto centrale,
• messi a terra (elettrodi o picchetti) alle estremità lontane.

Questa configurazione è detta anche:

• ground dipole
• earth antenna
• end?grounded horizontal electric dipole (HED), cioè un dipolo elettrico orizzontale con estremità messe a terra.[web:23][web:26][web:32]

La versione sotterranea usa di solito:

• cavo posato sul pavimento o lungo la parete della grotta,
• elettrodi costituiti da picchetti metallici, nastro da recinto elettrico, barre o simili infissi in punti umidi del suolo o della parete.[web:24]

In superficie la stessa geometria può essere replicata con due picchetti nel terreno collegati al radio.

3. Perché la spiegazione “del grande anello di corrente” è fuorviante

La spiegazione popolare spesso racconta così: la corrente esce da un elettrodo, viaggia nel terreno descrivendo un enorme anello che chiude il circuito passando per il secondo elettrodo e poi torna al trasmettitore; sarebbe questo “grande loop” nel terreno a generare il campo utile.

Sia David Gibson (CREG) sia diversi sperimentatori su LF/VLF hanno mostrato che questa immagine è incompleta o addirittura fuorviante per vari motivi:[web:22][web:25][web:31]

1. Il sistema è dominato dal campo vicino, non da una “loop” classica.

• Il funzionamento è controllato dall’interazione tra campo elettrico e campo magnetico nel volume di terreno compreso tra gli elettrodi (near?field conduction + induction), non da un singolo percorso di corrente ben definito.

1. La corrente non segue un unico percorso stretto.

• Dalle misure di impedenza e dai modelli di trasmission line risulta che la corrente si distribuisce su moltissimi percorsi nel volume di terreno, con profondità di penetrazione (skin depth) dell’ordine di decine di metri a 87–136 kHz, variabile con la conducibilità del suolo.[web:31]

1. L’antenna continua a funzionare anche senza reale “corrente nel terreno” diretta.

• Test con le estremità non direttamente piantate a terra ma collegate solo tramite “capacitance hats” (fascio di fili sospesi o appoggiati al suolo) mostrano che la comunicazione è ancora possibile, anche se peggiore: significa che il ruolo della corrente pura di conduzione nel terreno non è l’unico meccanismo; il sistema lavora anche come struttura capacitivamente accoppiata alla terra.[web:30]

1. Le prestazioni dipendono fortemente da impedenza e risonanze del sistema filo?terra.

• Misurando l’impedenza tra elettrodi su diverse distanze e frequenze (da poche centinaia di Hz a oltre 200 kHz) si osservano picchi e minimi di impedenza che ricordano il comportamento di una linea di trasmissione con componenti induttive e capacitive distribuite; in alcuni casi aggiungere pochi nF in serie aumenta molto la corrente e quindi il segnale ricevuto.[web:31]

In sintesi, il modello “grande anello di corrente nel terreno” è una metafora comoda, ma se preso alla lettera porta a scelte progettuali sbagliate (per esempio ossessionarsi sulla chiusura del “loop” e trascurare impedenza, accoppiamento capacitivo e geometria del sistema filo?terra).

4. Come funzionano davvero: quadro fisico semplificato

4.1 Campo vicino, conduzione e induzione

Alle frequenze tipiche della cave radio (circa 87 kHz):

• la lunghezza d’onda nel vuoto è di circa 3,4 km,
• nel terreno, per effetto della costante dielettrica elevata e della conducibilità, la lunghezza d’onda effettiva è molto più corta (centinaia di metri o meno).[web:31]

L’antenna a corrente terrestre lavora sostanzialmente nel campo vicino:

• il trasmettitore applica una tensione alternata tra i due elettrodi;
• nel terreno circostante circolano correnti alternate che creano un campo magnetico e un campo elettrico nella regione compresa tra gli elettrodi;
• il ricevitore, con un proprio ground dipole o una loop in prossimità del suolo, intercetta tali variazioni di campo.

Gibson e altri autori descrivono questo sistema come una combinazione di:[web:22][web:23][web:31]

• conduction: corrente reale che scorre nel terreno tra gli elettrodi,
• induction: accoppiamento magnetico e capacitivo tra il volume di terreno “eccitato” dal trasmettitore e l’antenna ricevente.

4.2 Terra come linea di trasmissione e “dipolo orizzontale”

L’insieme fili + elettrodi + volume di terreno può essere visto come:

• una linea di trasmissione sopra un mezzo conduttivo,
• oppure un dipolo orizzontale molto corto rispetto alla lunghezza d’onda effettiva nel terreno.

Misure di impedenza mostrano che:

• all’aumentare della frequenza l’impedenza tra elettrodi cresce, raggiunge un massimo, poi decresce, poi cresce di nuovo, con picchi diversi a seconda della lunghezza del “base line” (distanza tra elettrodi);
• questi picchi possono essere interpretati come condizioni in cui la lunghezza del base line è approssimativamente una frazione caratteristica della lunghezza d’onda nel terreno (?/4, ?/2, …).[web:31]

Da queste osservazioni derivano due conclusioni pratiche:

• la lunghezza del ground dipole non è arbitraria: per una data frequenza esistono lunghezze che portano a impedenze più favorevoli;
• la terra non è un semplice resistore ma un mezzo complesso con risposta fortemente dipendente da frequenza, umidità, composizione, ecc.

4.3 Skin depth e percorso di corrente

Il percorso della corrente nel terreno è controllato dalla profondità di penetrazione (skin depth) che dipende da frequenza e conducibilità. Stime e misure riportate mostrano valori tipici da ~10 a ~40 m per suoli normali intorno a 100 kHz.[web:31]

Ne consegue che:

• la corrente si distribuisce in un “ventaglio” tridimensionale tra i due elettrodi, non in un filo concentrato;
• la parte di campo magnetico utile alla ricezione è generata da questa distribuzione di corrente in un volume, che può estendersi profondamente sotto la superficie.

5. Vantaggi e limiti rispetto alle loop magnetiche

5.1 Vantaggi

Esperimenti comparativi in grotta e in superficie mostrano che, a pari potenza (~10 W su 87 kHz):

• una loop di circa 1 m di diametro permette comunicazioni vocali tipicamente fino a 150–180 m di roccia;
• un ground dipole ben realizzato (25–100 m tra elettrodi, buona messa a terra) arriva a 500–800 m e oltre; in alcune prove di Nicola si è arrivati a 900–1000 m in orizzontale e oltre 500 m in verticale.[web:24][web:26][web:30]

Motivi principali:

• area equivalente maggiore: l’antenna a corrente terrestre può essere interpretata come una “loop verticale” di area effettiva molto superiore alla loop fisica da 1 m;
• allineamento meno critico: a differenza di due loop che devono essere orientate correttamente, il ground dipole è meno sensibile all’orientazione reciproca di trasmettitore e ricevitore.[web:23]

5.2 Limiti

Gli svantaggi sono soprattutto pratici:

• richiede posa di cavi lunghi e pesanti e installazione di elettrodi efficaci;
• la resistenza e l’impedenza della terra possono cambiare rapidamente con la pioggia, con la litologia, con la presenza di strutture metalliche o linee elettriche;
• tensioni e correnti sul sistema possono diventare pericolose se si usano amplificatori di grande potenza, richiedendo procedure di sicurezza rigorose.[web:31]

Per radiolocalizzazione precisa (trovare la posizione in superficie di un trasmettitore sotterraneo) le loop restano invece preferibili, perché producono un pattern di campo magnetico più semplice da interpretare.

6. Implicazioni pratiche per l’uso in grotta

6.1 Realizzazione degli elettrodi

I test sul campo (Nicola, esperimenti radioamatoriali e documentazione CREG) convergono su alcuni principi pratici:[web:24][web:31]

• Bassa resistenza di terra
• Usare più picchetti in parallelo distanziati di qualche metro, collegati fra loro.
• Posizionare gli elettrodi in punti umidi, su suolo non completamente roccioso.
• Dove possibile, bagnare il terreno o usare nastro conduttivo largo (es. nastro elettrificatore per recinti) steso a terra.
• Contatto meccanico robusto
• Assicurare fissaggio stabile (picchetti conficcati, pesi, ancoraggi a massi) per evitare che durante le manovre in grotta il contatto si deteriori.
• Sicurezza
• Segnalare chiaramente i cavi e gli elettrodi per evitare inciampo.
• Evitare di toccare gli elettrodi durante la trasmissione se si usano potenze elevate o sistemi sperimentali.

6.2 Lunghezza e disposizione del dipolo

Indicazioni di buona pratica (HeyPhone, Nicola, sperimentazioni a 73/136 kHz):[web:23][web:24][web:26][web:31]

• lunghezze totali tra 50 e 100 m (25–50 m per braccio) sono spesso un buon compromesso a 87 kHz;
• in condizioni particolari si possono usare lunghezze minori, ma la portata tende a ridursi;
• è opportuno distendere i bracci lungo direzioni libere, evitando di avvolgerli troppo strettamente attorno a blocchi metallici o cavi di rete elettrica;
• sul terreno di superficie si può allineare il dipolo in direzione grossolana verso la zona di grotta interessata, ma non è critico al grado.

In grotta, se lo sviluppo del ramo lo consente, è utile distendere i bracci lungo la galleria; in alternativa si può adottare un layout “a L” o sfruttare diramazioni laterali.

6.3 Gestione dell’impedenza e adattamento

Le misure documentate mostrano che l’impedenza del ground dipole può variare da poche decine a molte centinaia di ohm a seconda di:[web:31]

• frequenza,
• distanza tra elettrodi,
• tipo e umidità del terreno.

Le soluzioni pratiche includono:

• uso di trasformatori di accoppiamento con prese multiple per adattare l’uscita dell’amplificatore all’impedenza del sistema;
• aggiunta di piccole capacità (pochi nF) in serie o in parallelo per “accordare” il sistema quando si osserva un aumento della corrente con la stessa potenza; questo va fatto con competenza, perché in alcuni casi la capacità può peggiorare le cose o introdurre tensioni elevate;
• scelta della frequenza di lavoro (se possibile) per posizionarsi vicino a una condizione di impedenza favorevole.

Per l’utilizzatore speleologico medio, questi accorgimenti sono spesso nascosti dentro il progetto dell’apparato (HeyPhone, Nicola, Cavelink, ecc.); tuttavia è importante sapere che cambiare lunghezza del dipolo o posizione degli elettrodi può modificare in modo significativo la portata.

6.4 Effetto delle condizioni del terreno

Dai test storici e recenti:[web:24][web:31]

• Suoli più conduttivi (umidi, argillosi, con falda superficiale) tendono a ridurre la resistenza di terra e aumentare la corrente, ma a volte non migliorano la portata, probabilmente perché restringono il volume effettivo in cui scorrono le correnti utili.
• Suoli troppo secchi o rocciosi possono avere resistenza elevata che limita la corrente; la soluzione è aumentare la superficie degli elettrodi o cercare fessure umide.
• Cambiamenti di umidità (pioggia intensa, piene, gelo) possono modificare le condizioni in poche ore; è buona pratica verificare periodicamente la resistenza tra elettrodi (se l’apparato lo consente) o misurare empiricamente il segnale ricevuto e ri?ottimizzare la disposizione.

7. Dal punto di vista progettuale: indicazioni per studenti e tecnici

Per chi volesse progettare o modificare sistemi di comunicazione through?the?earth per uso speleologico, emergono alcune linee guida chiave dalle pubblicazioni CREG, dalla documentazione HeyPhone/Nicola e dalla letteratura radioamatoriale su earth?current antennas:[web:22][web:23][web:24][web:25][web:26][web:31]

1. Frequenza di lavoro

• Intervallo tipico: 30–200 kHz; 87 kHz è uno standard de facto perché compatibile con HeyPhone, Nicola e molta strumentazione.
• Frequenze troppo alte aumentano l’attenuazione in roccia; troppo basse richiedono circuiti e filtri più ingombranti.

1. Scelta dell’antenna

• Loop magnetica: utile per radiolocalizzazione, configurazioni portatili rapide, comunicazioni su brevi distanze o in scenari didattici.
• Ground dipole / earth?current: scelta preferenziale per comunicazioni di soccorso su lunghe distanze, dove conta la portata su roccia.

1. Interfacciamento RF?antenna

• Progettare un’uscita flessibile con trasformatori e capacità selezionabili per adattare impedenze di terra variabili.
• Prevedere misure di corrente/tensione per aiutare l’operatore a trovare la configurazione migliore sul campo.

1. Filtraggio e ricezione

• Sulla ricezione, filtri audio o DSP (notch per 50 Hz, bandpass stretti intorno al tono voce/SSB) sono fondamentali per estrarre il segnale in presenza di forte rumore.
• Loop di ricezione piccole, amplificate, possono essere un’alternativa pratica alla coppia di elettrodi, soprattutto quando lo spazio è limitato.[web:31]

1. Sicurezza elettrica e robustezza meccanica

• Limitare tensione e corrente ai valori effettivamente necessari.
• Isolare meccanicamente e marcare chiaramente i cavi;
• Progettare contenitori stagni, resistenti agli urti e facilmente manutenibili (come nel case sdoppiato del HeyPhone).[web:26]

8. Applicazioni speleologiche e di soccorso

8.1 HeyPhone

• Progettato da John Hey per la British Cave Rescue Council e il Cave Radio & Electronics Group.
• Opera a 87 kHz in SSB, può usare sia loop sia antenne a corrente terrestre; con queste ultime ha dimostrato collegamenti fino a ~800 m di roccia in condizioni favorevoli.[web:23][web:26][web:29][web:34]
• È stato impiegato in numerosi soccorsi, inclusa la nota operazione di Tham Luang in Thailandia (2018), dove ha permesso di stabilire contatti tra squadre in grotta e superficie attraverso spessori importanti di roccia.[web:29]

8.2 Sistema Nicola

• Sviluppato da Graham Naylor in Francia dopo l’incidente del Gouffre Berger del 1996, per fornire un sistema di allarme e comunicazione specifico per il soccorso speleologico.
• Usa frequenze analoghe (circa 87 kHz) e supporta sia loop sia ground dipole;
• Test documentati riportano collegamenti >500 m verticali nel Berger e fino a ~900–1000 m orizzontali nel Dent de Crolles, grazie a ground dipole ben progettati e elettrodi a bassa resistenza.[web:24]

8.3 Sistemi più recenti

Nuovi apparati digitali (es. Cavelink) combinano:

• modemi dati a bassa velocità in banda LF,
• ground dipole simili a quelli di HeyPhone/Nicola,
• nodi ripetitori per coprire distanze anche superiori al chilometro attraverso la roccia.[web:27]

In tutti questi casi, la comprensione corretta del ruolo dell’antenna a corrente terrestre è cruciale per:

• scegliere lunghezza e disposizione dell’antenna,
• ottimizzare la messa a terra,
• stimare realisticamente portata e affidabilità del collegamento.

9. Spunti didattici per studenti

Per studenti di elettronica, geofisica o ingegneria interessati alla cave radio, il tema delle antenne a corrente terrestre offre un campo ricco di spunti:

• Fisica dei campi in mezzi lossy
• Analisi della propagazione EM in mezzi conduttivi (terra, rocce), calcolo di skin depth, costante dielettrica effettiva, attenuazione.
• Modellazione della terra come circuito distribuito
• Simulazione numerica (per esempio con modelli a parametri distribuiti o metodi FEM) del sistema fili?terra, per prevedere impedenza e pattern di campo.
• Progettazione di apparati LF compatti
• Amplificatori efficienti a 80–100 kHz, filtri SSB, DSP a bassa potenza, interfacce utente semplificate per uso in grotta.
• Sperimentazione sul campo
• Misure a varie distanze e configurazioni, confronto tra loop e ground dipole, variazione di lunghezza dei bracci e del tipo di elettrodi.

Un progetto didattico completo potrebbe prevedere:

1. progettazione e costruzione di un piccolo trasmettitore/ricetrasmettitore LF;
2. realizzazione di diverse configurazioni di antenna (loop, ground dipole di varie lunghezze, capacità terminali);
3. campagna di misure su campo aperto e, se possibile, in cavità artificiali o naturali, con documentazione delle condizioni geologiche.

10. Sintesi operativa per speleologi

Per l’utilizzo pratico in grotta, indipendentemente dall’apparato specifico, alcune regole semplici aiutano a sfruttare al meglio le antenne a corrente terrestre:

• Distendere due bracci di filo quanto più lunghi è ragionevole (idealmente 25–50 m per braccio a 87 kHz), evitando gomitoli inutili.
• Curare la messa a terra alle estremità: più metallo nel terreno, meglio è, preferibilmente in punti umidi.
• Se le prestazioni sono scarse, provare a:
• spostare gli elettrodi su terreno più umido,
• aumentare la distanza fra gli elettrodi,
• controllare collegamenti e integrità dei cavi.
• Ricordare che la comunicazione non dipende da un unico “anello di corrente”, ma dall’interazione campo?terreno complessiva: piccoli cambiamenti di geometria possono produrre differenze importanti.

Questa comprensione più corretta del funzionamento delle antenne a corrente terrestre è fondamentale sia per usare meglio gli apparati esistenti (HeyPhone, Nicola, Cavelink), sia per progettare generazioni future di sistemi di comunicazione through?the?earth ancora più efficaci e affidabili.

Fonti
[1] HeyPhone Introduction – British Cave Research Association https://bcra.org.uk/creg/heyphone/introduction.html
[2] Par Graham NAYLOR (BCRA CAVE RADIO & ELECTRONIC GROUPE) https://pe2bz.philpem.me.uk/Comm/-%20ELF-VLF/-%20ELF-Theory/-%20CaveTheory/CaveRadio1/article.html
[3] [PDF] The HeyPhone story https://bcra.org.uk/creg/heyphone/pdf/descent-octnov-2001.pdf
[4] 2026 BCRA Online Seminars via Zoom https://bcra.org.uk/seminar?talk=2
[5] SAQ Alexanderson Day transmission on 20190630 https://klubnl.pl/wpr/en/2019/08/21/how-cave-communications-works/
[6] earth communications https://pe2bz.philpem.me.uk/Comm/-%20ELF-VLF/-%20ELF-Theory/Th-115-EarthCurrents/com.pdf

[9] CREG Journal: radio soccorso Nicola 4, antenne loop e telemetria … https://www.scintilena.com/creg-journal-radio-soccorso-nicola-4-antenne-loop-e-telemetria-ipogea-nel-nuovo-numero-della-rivista-britannica-di-tecnologia-speleologica/03/08/
[10] Cavway X1 enters the global cave surveying comparison – Scintilena https://www.scintilena.com/cavway-x1-enters-the-global-cave-aurveying-comparison/05/17/
[11] Una Radio Sottoterra: Il Sistema Nicola – Scintilena https://www.scintilena.com/una-radio-sottoterra-il-sistema-nicola/09/17/
[12] Tecnologia e Comunicazione nel Sottosuolo: Il Nuovo Incontro del Cave Radio & Electronics Group – Scintilena https://www.scintilena.com/tecnologia-e-comunicazione-nel-sottosuolo-il-nuovo-incontro-del-cave-radio-electronics-group/02/11/
[13] Galles, RESCON03 International Cave Rescue Conference – Scintilena https://www.scintilena.com/galles-rescon03-international-cave-rescue-conference/07/06/
[14] International Speleocamp for young cavers Juhöfola 2020, Germany – Scintilena https://www.scintilena.com/international-speleocamp-for-young-cavers-juhofola-2020-germany/01/16/
[15] Dalla grotta al Pianeta Rosso. Tunnel lavici lunari e marziani https://www.scintilena.com/dalla-grotta-al-pianeta-rosso-tunnel-lavici-lunari-la-luna-offre-un-possibile-rifugio-per-astronauti-e-una-nuova-frontiera-per-la-speleologia-planetaria/06/16/
[16] Manuale tecnico-operativo https://www.scintilena.com/wp-content/uploads/2026/04/manuale_fauna_cavernicola_tecnico_operativo_v3.pdf
[17] Bel Torrente, 19 anni di esplorazioni speleosubacquee nella grotta … https://www.scintilena.com/bel-torrente-19-anni-di-esplorazioni-speleosubacquee-nella-grotta-sarda-che-non-e-ancora-finita/06/13/
[18] il numero 124 del CREG Journal – Scintilena https://www.scintilena.com/nuove-frontiere-della-comunicazione-e-della-localizzazione-nelle-grotte-il-numero-124-del-creg-journal/12/07/
[19] Cave Converter Update Released https://www.scintilena.com/cave-converter-update-released/03/19/
[20] 12°esimo simposio internazionale di soccorso speleologico in Bulgaria: Com’è andata – Scintilena https://www.scintilena.com/12%C2%B0esimo-simposio-internazionale-di-soccorso-speleologico-in-bulgaria-come-andata/05/16/
[21] BCRA: Un Anno di Eventi e Novità per il 2025 – Scintilena https://www.scintilena.com/bcra-un-anno-di-eventi-e-novita-per-il-2025/01/14/
[22] [PDF] Raccolta Agosto 2018 – Scintilena https://www.scintilena.com/wp-content/uploads_andrea/2020/03/2018_8_Raccolta_Scintilena_Agosto.pdf
[23] Il Monitoraggio della Grotta dell’Eiskapelle – 33 Anni di Studio di un Campo di Ghiaccio Firn nel Sistema Carsico delle Alpi Tedesche – Scintilena https://www.scintilena.com/il-monitoraggio-della-grotta-delleiskapelle-33-anni-di-studio-di-un-campo-di-ghiaccio-firn-nel-sistema-carsico-delle-alpi-tedesche/07/27/
[24] How Earth-Current Antennas Really Work https://www.semanticscholar.org/paper/1d847b06802d2356abe41b83f25ef7c39c6908a2
[25] Miniaturized buried low-frequency acoustically actuated magnetoelectric antenna for soil moisture adaptive underground communication https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11536042/
[26] Enhanced Underground Communication: A Circularly Polarized Smart Antenna with Beam Steering for Improved Coverage https://www.mdpi.com/2673-6489/5/1/14
[27] Antenna Array Enabled Space/Air/Ground Communications and Networking for
6G https://arxiv.org/pdf/2110.12610.pdf
[28] CREG Journal Search – British Cave Research Association https://bcra.org.uk/pub/cregj/search.html?lookfor=gibson
[29] Communications Catalogue – ECRA – European Cave Rescue Associaton https://caverescue.eu/documents/communication/communications-catalogue/
[30] BCRA monthly online seminars – summer season with CREG https://www.facebook.com/groups/britishcaveresearchassociation/posts/4539177206363365/
[31] In with the Old: How a 17-Year-Old DIY Radio Helped Save the Thai Soccer Team – Engineering.com https://www.engineering.com/in-with-the-old-how-a-17-year-old-diy-radio-helped-save-the-thai-soccer-team/
[32] ?????? “????????” : ???????????????????????????? https://www.isranews.org/content-page/item/67275-cave-phone67275.html
[33] Can Use the Earth as an Antenna? The Earth Electrode Antenna! https://www.youtube.com/watch?v=R-0p_v1lsZ0
[34] The Heyphone – A Radio Designed Specifically For Cave … https://blog.adafruit.com/2018/07/11/the-heyphone-a-radio-designed-specifically-for-cave-communications/