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La stima del campo EM ed il volume di rispetto
Campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici ad alta frequenza
Modulo 3 / Lezione 2
ing Marcello Cocozza
Corso di formazione“MONITORAGGIO DEI CAMPI ELETTROMAGNETICI”
Anno 2016
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 2
SOMMARIO
Definizioni generali delle grandezze e.m.
Regioni di campo
Modelli di previsione del campo em AF
Calcolo volume di rispetto
Sw di simulazione
- Armonica
- Vigila
- NFA3D
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 3
Campo elettrico
• Il campo elettrico è una grandezza vettoriale che rappresenta, in ogni punto di una data regione di spazio, il rapporto tra la forza esercitata su una carica elettrica di prova q e il valore della carica medesima
• Si misura in [V/m]
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 4
Campo elettrico: caratteristiche
• Esiste ovunque sia presente una carica elettrica
lo spazio circostante diviene sede di un campo di forze (legge di Coulomb)
• È creato da differenze di potenziale:
+ alta è la tensione + intenso è il campo elettrico
L’intensità diminuisce all’aumentare della distanza
E = V/d
• La maggior parte dei materiali scherma il campo elettrico
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 5
Campo magnetico
• Il campo magnetico è una grandezza vettoriale data dal
rapporto tra l’induzione magnetica e la permeabilità magnetica del mezzo
• L’induzione magnetica è una grandezza vettoriale che in ogni punto di una data regione, determina una forza su una carica q in moto con velocità
• Si misura in [A/m]
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 6
Campo magnetico: caratteristiche
• È generato da cariche elettriche in movimento:+ alta è la corrente + intenso è il campo magneticol’intensità diminuisce all’aumentare della distanza dal conduttore
H = I/2pi*d (legge Biot-Savart)
• Esiste solo se circola corrente– Cariche ferme -> solo E– Cariche in movimento -> sia E sia H
• Sono difficilmente schermabili
• È in grado di generare correnti nei materiali conduttori poiché genera in essi un campo elettrico indotto
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 7
Campo elettromagnetico
• Campi statici: possono esistere indipendentemente
• oscillazioni della corrente nel tempo corrispondono oscillazioni dei campi nel tempo e nello spazio
Campi tempo-varianti: nascono fenomeni di interazione fra i campila presenza di E(t) variabile nel tempo determina la presenza di un campo H(t) variabile e viceversa
Rapide variazioni nel tempo dei campi e.m. danno luogo a variazioni nello spazio dei campi (ritardo)
PROPAGAZIONE
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 8
Propagazione
La propagazione dei campi e.m. presenta un carattere ondulatorio
y(x,t) = Ysen(ωt – kx + Φ)
con ω = 2πf pulsazione
k = 2π/λ vettore d’onda (pulsazione spaziale)
Introduzione
t=t0 distanza
x=x0 tempo
velocità di fase
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 9
Propagazione
• La propagazione del campo e.m. comporta il trasporto di energia
• In ogni punto dove esiste un campo e.m. è associata una densità di potenza trasportata dell’onda [W/m2]
• Tale potenza è data dal modulo del vettore di Poynting
• Il verso e la direzione del vettore di Poynting coincidono con il verso e la direzione dell’onda e.m.
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 10
Quindi le grandezze fisiche che occorre valutare per la determinazionedell’esposizione ai campi elettromagnetici irradiati da un’antenna sono:
la densità di potenza (S)
l’intensità di campo elettrico (E)
l’intensità di campo magnetico (H).
Introduzione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 11
• Data una sorgente di campi e.m la distribuzione di campo nello
spazio dipende dalle caratteristiche geometriche ed elettriche della sorgente e dal punto di osservazione
• Si distinguono diverse regioni di campo
– Campo vicino:
• Campo reattivo Near Field
• Campo radiativo Near-far field zona di Fresnel
– Campo lontano:
• Campo lontano Far Field zona di Fraunhofer
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 12
Regioni Di Campo
D: dimensione max sorgente (altezza, larghezza), diametro della sfera circoscritta
λ: lunghezza d’onda
Nota le zone sfumano l’una nell’altra con continuità non esistono transizioni brusche
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 13
Regioni Di Campo
Espressione del campo e.m. generato da un dipolo elementare di lunghezza dl percorso da corrente I collocato nell’origine del sistema e diretto lungo z
Se kr>>1 Impedenza
d’onda
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 14
Zona Reattiva (Near Field) – 1/2
• È la zona immediatamente vicino alla sorgente (r~λ)
• In tale zona l’intensità del campo e.m. è molto elevata
• Le componenti dei campi elettrici e magnetici assumono una configurazione complessa, il rapporto tra le ampiezze non è costante.
• Un qualsiasi oggetto o la presenza stessa dell’operatore ne modifica la distribuzione e l’intensità
• Le misure effettuate in tale regione possono dar luogo a grossi errori a causa dei fenomeni di accoppiamento del campo e.m. con la sonda di misura.
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 15
Zona Reattiva (Near Field) – 2/2
• La potenza irradiata è costituita da potenza attiva e potenza reattiva (che decade molto rapidamente)
• Per sorgenti con frequenza elevata dell’ordine dei GHz, la zona si estende per qualche centimetro e pertanto questa zona viene normalmente trascurata nei calcoli.
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 16
Zona radiativa (Near-far Field) – 1/2
• Si estende dal limite della zona di campo reattivo fino ad una distanza di poche frazioni di lunghezza d’onda della sorgente emittente (zona di Fresnel)
• Il limite della zona di campo vicino
rR = Max ( λ, 2D2/λ )
Per antenne corte ( D<< λ ) rR= λ
Per antenne estese (D>> λ ) rR= 2D2/λ (distanza di Rayleigh)
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 17
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 18
Zona radiativa (Near-far Field) – 2/2• Il campo irradiato in tale zona è caratterizzato da una distribuzione
ed un andamento molto irregolare e con repentine variazioni d’intensità.
• I campi E ed H iniziano ad avere un comportamento radiativo ma non sono facilmente correlabili (forti fenomeni interferenziali)
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 19
Zona di campo lontano (Far Field) – 1/2• Si estende dalla distanza di Rayleigh all’infinito ( d> 2D2/λ )
• In tale zona la sorgente può considerarsi puntiforme
• In questa regione il campo e.m. può essere considerato localmente un onda piana
• I vettori campo elettrico e magnetico risultano ortogonali tra loro e alla direzione di propagazione formando una terna destrorsa
Regioni Di Campo
Impedenza d’onda
nel vuoto
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 20
Zona di campo lontano (Far Field) – 2/2• La potenza irradiata è solo potenza attiva
• I moduli E ed H sono proporzionali tra loro e decadono in maniera inversamente proporzionale alla distanza dalla sorgente
• Ad ogni antenna può essere associato il proprio diagramma di irradiazione
• La densità di potenza [W/m2] si può esprimere:
dalla conoscenza di una grandezza si può risalire
alla conoscenze delle altre due
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 21
Esempi: antenna corta• Stazione radio Onde Medie
– f = 600 kHz
– λ = 500 m
– D = 30 m
• La transizione campo vicino-campo lontano si ha per
rR= λ = 500 m
• i campi sono reattivi fino ~λ/10 ossia a 50 m dalla sorgente
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 22
Esempi: antenna estesa• Stazione cellulare
– f = 2.1 GHz
– λ = 14 cm
– D = 2 m
• La transizione campo vicino-campo lontano si ha per
rR= 2D2/λ = 57 m
• i campi sono reattivi fino ~λ/10 ossia a pochi cm dalla sorgente
• Il campo radiato di prossimità si estende a decine di metri dalla
sorgente (zona di Fresnel)
Regioni Di Campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 23
Modelli di previsione
Obiettivo
• Calcolo del livello di campo in opportuni punti dell’ambiente in esame
ovvero
• Stima dell’attenuazione (pathloss) che il campo subisce allontanandosi dalla sorgente
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 24
Modelli di previsione
Utilizzo
• Pianificazione di un sistema wireless
– Max l’area di copertura
– Min il numero di SRB
• Verifica degli obiettivi di copertura e qualità
– Min i livelli di campo e.m.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 25
Modelli di previsione
Necessitano
1. Descrizione dello scenario radiopropagativo
– L’ambiente deve essere modellato geometricamente ed em attraverso opportuni parametri
2. Descrizione del modello di propagazione
– Opportunamente scelto in base al tipo di ambiente e di tecnologia in esame
3. Descrizione dei sistemi radianti
– Posizione, frequenza, potenza emessa…
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 26
Modelli di previsione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 27
Modelli di previsione
Affidabilità
Il calcolo previsionale è soggetto ad errori dipendenti dall’incertezza con la quale si conoscono i parametri che contribuiscono alla valutazione stessa:
– Parametri radioelettrici (potenza trasmessa, diagrammi di radiazione)
– Coordinate geografiche sorgente
– Precisione dei dati cartografici
– Affidabilità degli algoritmi di calcolo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 28
Volume Di Rispetto
Definizione
• Data l’enorme diffusione di SRB è necessario valutare il campo e.m. in prossimità delle antenne
• Il volume di rispetto è quella zona di spazio circostante l’antenna al di fuori della quale i livelli di campo e.m. sono al di sotto dei limiti stabiliti dalle normative
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 29
Volume Di Rispetto
• Il problema della determinazione della distribuzione dei livelli di campo e.m. irradiati da una sorgente è complesso
• I metodi numerici più utilizzati per risolvere problemi di elettromagnetismo applicato alle antenne si basano sul calcolo delle correnti sull'antenna con opportune modellizzazioni
• È necessario conoscere dettagliatamente la geometria dell’antenna
• Pertanto si utilizzano metodi analitici più semplici
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 30
Volume Di Rispetto
• metodo di calcolo semplificato
– in condizioni di campo lontano
– in una situazione di spazio libero
– trascurando riflessioni da parte del terreno, di infrastrutture, vegetazione e strutture orografiche eventualmente presenti
• Si sovrastima i valore del campo e.m. in un punto generico dello spazio ed è pertanto da intendersi di tipo
cautelativo.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 31
Volume Di Rispetto
• In condizioni di campo lontano, le componenti significative del campo sono quelle radiative, pertanto è possibile trascurare i contributi reattivi
• In queste condizioni l’intensità del campo elettrico nella direzione di max radiazione è
dove
Ping potenza totale al connettore d’antenna [W]
gn guadagno in naturale (gn=10Gmax[dBi]/10)
d distanza dall’antenna [m]
gnPd
ing301
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 32
Volume Di Rispetto
• Lavorando in alta frequenza le stime dei campi e.m. così ottenute sono significative e cautelative (dato che l’attenuazione reale è maggiore di quella dello spazio libero)
• Utilizzando la formula data e imponendo i valori limite del campo previsti dalle normative si ottiene una isosuperficie a campo costante
• Tipicamente si utilizza il valore di cautela: Elim= 6 V/m
in corrispondenza di edifici adibiti a permanenze non inferiori a 4 ore
(ovvero tutte le aree interne agli edifici e loro pertinenze esterne quali balconi terrazzi giardini e cortili …)
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 33
Volume Di Rispetto
• Per motivi di semplicità il volume di rispetto è generalmente rappresentato da geometrie note
– Parallelepipedo
– Cilindro a sezione ellittica
– Coppia di cilindri
• Esistono diversi metodi per il calcolo di tali superfici
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 34
Volume Di Rispetto
METODO 1Calcolo del parallelepipedo tramite tabelle
Calcolo del parallelepipedo tramite tabelle
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 35
Volume Di Rispetto – Metodo 1
CE è il centro elettrico dell’antenna
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 36
Volume Di Rispetto – Metodo 1
1. Dalle normative in vigore si sceglie il valore di cautela o l’obiettivo di qualità per il valore del campo Elim
2. Dalle caratteristiche tecniche dell’impianto si estrapolano:
– Ping i valori della potenza in ingresso al connettore d’antenna [W]
P = Nportanti*Pportante
– gn guadagno in naturale nella direzione di max
3. D1 distanza di rispetto lungo la direzione di max irraggiamento
gnPE
D ing301
1
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 37
Volume Di Rispetto – Metodo 1
4. Le distanze D2, D3 ,D4 si ottengono a partire da D1
Di = Ki * D1 i=2,3,4
Ki è un coefficiente che dipende dal pattern d’antenna
Piano orizzontale -> tabella1
Piano verticale -> tabella2
Le antenne sono suddivise in classi in ordine decrescente di direttività
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 38
Volume Di Rispetto – Metodo 1
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 39
Volume Di Rispetto – Metodo 1
5. K4 è il maggiore dei due valori individuati dalla tabella1 e tabella2
6. K2 è funzione del downtilt dell’antenna
Se ho 2° tilt K2=K2+0.034
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 40
Volume Di Rispetto – Metodo 1
LIMITI:
Per antenne non riconducibili ad una delle classi descritte nella tabella1 e tabella2, quali quelle isotropiche o quelle con due o più direzioni di massimo irraggiamento, il metodo non è applicabile
Nota:
Se sono disponibili i pattern H e V d’antenna è possibile calcolare direttamente dai grafici le distanze Di con i=2,3,4
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 41
Esempio - 1/2
SRB avente un’antenna Kathrein K730360 (HxWxD 654x258x103mm)
• f = 900 MHz
• G = 13 dBi
• Ping = 30 W
• Elim = 20 V/m
Piano H Piano V
Volume Di Rispetto – Metodo 1
Apertura a 3dB 33° -> classe O1 Apertura a 3dB 6° -> classe V1
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 42
Volume Di Rispetto – Metodo 1
Esempio - 2/2Dalla relazione
A grande distanza d>5λ (circa 1.6m)
gn = 19.95
D1 = 6.7m
D2 = 1.7m (classe V1) K2=0.26
D3 = 3.1m (classe O1) K3=0.47
D4 = Max(0.63,0.33) < 1.6m D4=1.6m
gnPE
D ing301
1
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 43
Volume Di Rispetto
METODO 2Calcolo del volume di rispetto secondo le linee
guida CEI 211-10
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 44
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Calcolo del volume di rispetto tramite formule
Per stabilire il volume di rispetto la guida CEI 211-10 indica come calcolare i tre parametri fondamentali:
LM: profondità del volume
dimensione massima nella zona antistante l’antenna
LV: altezza del volume
dimensione parallela al piano verticale dell’antenna
LH: larghezza del volume
dimensione parallela al piano orizzontale dell’antenna
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 45
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Per il calcolo di un volume di rispetto di forma parallelepipeda
Il centro dell’antenna si trova nel punto medio di LV e LH.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 46
Volume Di Rispetto – Metodo 2
1. Dalle normative in vigore è fissato il limite di esposizione per il campo E
2. Dal data sheet d’antenna si deve conoscere:
– Ping potenza in ingresso al connettore d’antenna [W]
P = Nportanti*Pportante
– Gmax guadagno nella direzione di max [dBi]
– θH ampiezza angolo a metà potenza nel pattern H [°] (apertura 3dB)
– θv ampiezza angolo a metà potenza nel pattern V [°] (apertura 3dB)
– FB valore front-back dell’antenna [dB]
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 47
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 48
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Da cui si ricavano:
gnPE
L ingM 301
1
fbPE
L ingM 301
2
2/sin3021
VingV gnPE
L
2/sin3021
HingH gnPE
L
Nota che i guadagni nelle formule sono sempre naturali gn guadagno in naturale nella direzione di max (gn=10Gmax[dBi]/10) fb front back in naturale (fb=10(Gmax[dBi]-FB)/10)
θH
θv
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 49
Volume Di Rispetto – Metodo 2
La dimensione verticale calcolata (LV) è valida solo se il livello del lobo secondario (SLL) è al di sotto di una certa soglia
dove
θsl è la direzione lobo secondario
rispetto al lobo principale
sl
VSLL
sin
2/sin
2
2log20 10
2/sin3021
VingV gnPE
L
θH
θv
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 50
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Altrimenti LV va ricalcolato per ogni lobo secondario (i) e si sceglie il suo valore max:
pertanto LV in generale è pari a:
sli
GSLLi
ing
isllVE
PMAXL sin
10302
10/max
)(
)()3( , sllVdBVV LLMAXL
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 51
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Conoscendo la profondità, la larghezza e l’altezza del volume sono facilmente calcolabili nel sistema di riferimento solidale all’antenna i vertici del volume di rispetto - parallelepipedo
X Y Z
Vertice 1: -LM2 -LH/2 -LV/2
Vertice 2: LM1 -LH/2 -LV/2
Vertice 3: LM1 LH/2 -LV/2
Vertice 4: -LM2 LH/2 -LV/2
Vertice 5: -LM2 -LH/2 LV/2
Vertice 6: LM1 -LH /2 LV /2
Vertice 7: LM1 LH /2 LV /2
Vertice 8: -LM2 LH /2 LV /2
1 2
34
56
78
x
z
y
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 52
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Per il calcolo di un volume di rispetto di forma cilindrica a sezione ellittica
Valgono le stesse formule viste prima
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 53
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Conoscendo la profondità, la larghezza e l’altezza del volume sono facilmente calcolabili nel sistema di riferimento solidale all’antenna i vertici del volume di rispetto – cilindro a sezione ellittica –coordinate asse maggiore e minore dell’ellisse
X Y Z
Vertice 1: -LM2 0 -LV/2
Vertice 2: LM1 0 -LV/2
Vertice 3: (LM1 - LM2)/2 -LH/2 -LV/2
Vertice 4: (LM1 - LM2)/2 LH/2 -LV/2
Vertice 5: -LM2 0 LV/2
Vertice 6: LM1 0 LV /2
Vertice 7: (LM1 - LM2)/2 -LH/2 LV /2
Vertice 8: (LM1 - LM2)/2 LH/2 LV /2
z
x
y
12
5
asse maggiore
asse minore
asse maggiore
asse minore
6
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 54
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Per il calcolo di un volume di rispetto di formato dall’unione di due cilindrici
Racchiude sia il lobo principale che quelli secondari
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 55
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Cilindro esterno
La dimensione del cilindro esterno è funzione del lobo principale
e valgono le formule usate precedentemente
gnPE
L ingM 301
1
fbPE
L ingM 301
2
2/sin3021
)3( VingdBV gnPE
L
2/sin3021
HingH gnPE
L
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 56
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Cilindro interno
La dimensione del cilindro interno è funzione dei lobi secondari
Il raggio LMsll è pari:
L’altezza LVsll è pari a:
sli
GSLLi
ing
isllME
PMAXL cos
10302
10/max
)(
sli
GSLLi
ing
isllVE
PMAXL sin
10302
10/max
)(
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 57
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Conoscendo la profondità, la larghezza e l’altezza del volume sono facilmente calcolabili nel sistema di riferimento solidale all’antenna i vertici del volume di rispetto – doppio cilindro – coordinate asse maggiore e minore
X Y Z
Vertice 1: -LM2 0 -LV3dB/2
Vertice 2: LM1 0 -LV3dB /2
Vertice 3: (LM1 - LM2)/2 -LH/2 -LV3dB /2
Vertice 4: (LM1 - LM2)/2 LH/2 -LV3dB /2
Vertice 5: -LM2 0 LV3dB /2
Vertice 6: LM1 0 LV 3dB /2
Vertice 7: (LM1 - LM2)/2 -LH/2 LV 3dB /2
Vertice 8: (LM1 - LM2)/2 LH/2 LV 3dB /2
Cilindro esterno base ellittica
X Y Z
Vertice 1: -LMsll 0 -LVsll/2
Vertice 2: LMsll 0 -LVsll/2
Vertice 3: 0 -LMsll -LVsll/2
Vertice 4: 0 LMsll -LVsll/2
Vertice 5: -LMsll 0 LVsll/2
Vertice 6: LMsll 0 LV sll/2
Vertice 7: 0 -LMsll LV sll/2
Vertice 8: 0 LMsll LV sll/2
Cilindro interno base circolare
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 58
Volume Di Rispetto – Metodo 2
I vertici dei solidi individuati precedentemente sono riferiti al sistema di riferimento solidale all’antenna (XL,YL,ZL)
Per riportarli in un sistema di riferimento generale (XG,YG,ZG)
è necessario effettuare una traslazione e rotazione degli assi
(β downtilt, α allineamento)
A
A
A
L
L
L
G
G
G
z
y
x
z
y
x
z
y
x
cos0sin
sinsincoscossin
sincossincoscos
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 59
Volume Di Rispetto – Metodo 2
NOTA
L’utilizzo di un particolare modello geometrico è funzione della accuratezza che si vuole ottenere.
Il volume di rispetto ottenuto tramite l’unione dei due cilindri rappresenta un’approssimazione più accurata.
Il volume di rispetto fornito rappresentato da un parallelepipedo è più immediato e di facile comprensione
In ogni caso i modelli geometrici comportano sempre una stima conservativa dei valori del campo reali.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 60
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Caso1: antenna ominidirezionale
valgono tutte le formule precedenti ma è presente ovviamente una simmetria tra l’irradiazione frontale e posteriore alla sorgente
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 61
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Caso2: presenza di + sorgenti
In presenza di più sorgenti è necessario calcolare il volume di rispetto di ciascuna sorgente considerando contemporaneamente le emissione di tutte le antenne.
Supponendo che le sorgenti siano incorrelate, è possibile effettuare un analisi di massima sommando in potenza i contributi dovuti a ciascuna sorgente per la determinazione del campo e.m. totale, ovvero:
M
i iEE1
2
M
i iSS1
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 62
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Esempio1: antenne uguali con medesimo puntamento
Considerando due antenne uguali e affiancate ad una distanza dtrascurabile rispetto alle dimensioni dei singoli volumi di rispetto, è possibile calcolare il volume di rispetto totale con le formule viste precedentemente considerandole come un’unica antenna posta nel punto medio e avente:
Ping =P1+P2
Gmax=G1=G2
d distanza tra le due antenne
gnPE
L ingM 301
1
fbPE
L ingM 301
2
2/sin3021
VingV gnPE
L
dgnPE
L HingH 2/sin3021
Termine correttivo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 63
Volume Di Rispetto – Metodo 2
Esempio2: caso generale
È necessario calcolare:
1. Il volume di rispetto per ogni antenna con i modelli semplici, ossia determinazione di LM LV LH
2. Calcolo puntuale del campo e.m. generato da tutte le sorgenti nell’intorno dei volumi stimati
3. Verifica del rispetto dei limiti, ed allargamento delle dimensioni LM
LV LH in caso di superamento dei limiti fino a rientrare nella norma
4. Il volume di rispetto complessivo è dato dall’unione dei singoli volumi
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 64
Volume Di Rispetto
Stime + accurate
Il volume di rispetto è il luogo geometrico di punti a campo costante, pari al limite di esposizione e può essere rappresentato da una isosuperficie.
I modelli visti pertanto massimizzano le reali dimensioni del volume di rispetto dell’antenna, soprattutto con antenne direttive.
Per costruire un’iso-superficie è necessario calcolare il campo in un opportuno insieme di punti e collegare i punti a campo costante.
Attraverso SW di simulazione è possibile ottenere stime 2D e 3D
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 65
SW Di Simulazione
Nei modelli descritti precedentemente i livelli di campo sono colcolati utilizzando l’approssimazione di campo lontano: in generale si possono utilizzare le tecniche di calcolo in campo vicino ma per questo esistono opportuni SW di simulazione
- ARMONICA
- VIGILA
- NF3D
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 66
Campagne di monitoraggio
• Da diversi anni le istituzioni hanno iniziato anche compagne di
monitoraggio delle aree sensibili come scuole, ospedali..
• Le stazioni di monitoraggio vengono periodicamente spostate per
avere un database spazio-temporale
• Il parametro misurato è il campo elettrico (E) e la sua unità di misura
è il Volt/metro (V/m), ed in tabella si riporta il valore medio massimo
(Emax) riferito a un intervallo di tempo di 6 minuti, rilevato nell'arco
della giornata.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 67
Campagne di monitoraggio
• Campagne di monitoraggio in continuo concluse nella provincia di
Rimini
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 68
SW Di Simulazione
ARMONICA(ARpa MONItoraggio dei Campi e.m. dell'Ambiente)
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 69
SW Di Simulazione - ARMONICA
ARMONICA
• Armonica nasce dalla collaborazione tra Dipartimento di Elettronica Informatica e Sistemistica dell’ UNIBO, il FUB, e l’ARPA Emilia Romagna
• È uno strumento di previsione dei campi e.m. valido per ogni tipologia di installazione fissa
• Consente di determinare accuratamente il volume di rispetto con un algoritmo caratterizzato dalla combinazione di diversi modelli di propagazione
• Consente di valutare l’interazione dell’onda e.m. con l’ambiente (riflessione e diffrazione)
• Integrato di recente su piattaforma GIS georeferenziazione delle SRB
e possibilità di sovrapposizione mappe e foto alla stima del campo em
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 70
Modelli:
Ogni modello è valido ad una certa
distanza dalla sorgente
SW Di Simulazione - ARMONICA
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 71
SW Di Simulazione - ARMONICA
INPUT: dati progetto
• Nome sito
• Posizione geografica
• limiti normativi
•…
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 72
SW Di Simulazione - ARMONICA
INPUT: dati sorgente
• gestore
• posizione
• potenza
• frequenza
• allineamento
• downtilt
•…
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 73
SW Di Simulazione - ARMONICA
INPUT: griglia di calcolo
• Risoluzione
• piano di calcolo
• tipo di calcolo
• modello di calcolo
• digitalizzazione
ambiente di
simulazione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 74
SW Di Simulazione - ARMONICA
OUTPUT
Mediante
Curve di livello
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 75
SW Di Simulazione - ARMONICA
ARMONICA consente di
• stabilire il volume di rispetto
• effettuare analisi dei livelli di campo e.m
– per diverse altezze del trasmettitore
– variando le potenze trasmissive
– per diverse tipologie di antenne
• determinare i punti critici in siti urbani complessi
• determinare la max potenza attribuibile al Tx
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 76
SW Di Simulazione
VIGILA
Telecom Italia Lab
http://vigila.tilab.com/
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 77
SW Di Simulazione - VIGILA
VIGILA
• Vigila è uno strumento di simulazione in grado di calcolare e visualizzare l’andamento dei campi e.m. in prossimità delle SRB e delle postazioni radio televisive
• È uno strumento di supporto per la realizzazione delle analisi di conformità dei siti radio
• Mostra un’interfaccia grafica che consente di modificare agevolmente i dati tecnici del sito (posizione, tilt, potenza totale al connettore di antenna, tipo di antenna)
• Presenta un Building Editor dedicato che consente di creare mappe vettoriali di aree non comprese nella banca dati.
• Presenta un Terrain Editor che permette di ottenere il terreno circostante il sito effettuando una triangolazione a partire da coordinate di alcuni punti noti
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 78
SW Di Simulazione - VIGILA
MODELLI:
• Calcolo del campo elettromagnetico
– in spazio libero
– con la tecnica GTD
– Algoritmi efficienti per il calcolo del Near-Field e Far-Field
• Valutazione del volume di rispetto di uno o più sistemi d’antenna
• Possibilità di valutare l’interazione delle emissioni radio con gli edifici, le infrastrutture e l’ambiente circostante.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 79
Vigilia è caratterizzato da due finestre
SW Di Simulazione - VIGILA
• Workspacearea di lavoro consente
visualizzazioni 2D e 3D;utilizzando il mouse è possibile"navigare" all'interno della scenaeffettuando zoom, panoramiche erotazioni per migliorare lavisualizzazione e l’interpretazionedei risultati
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 80
SW Di Simulazione - VIGILA
Vigilia è caratterizzato da due finestre
• ConsoleUtile per capire eventualicause di errore, consetendo lavisualizzazione di messaggilegati alle operazioni dicalcolo.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 81
SW Di Simulazione - VIGILA
INPUT
I dati di ingresso sono utilizzati per la descrizione di due differenti ambienti:
1. Ambiente elettromagnetico
l'insieme dei sistemi radianti collocati all'interno dell'area in analisi;
2. Ambiente geografico
l'insieme di edifici e terreno che costituiscono il modello semplificato dello scenario radiopropagativo
Per facilitare il processo di inserimento dei dati è possibile creare un database dei siti, evitando così di inserirli ogni volta a mano.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 82
SW Di Simulazione - VIGILA
INPUT: ambiente elettromagnetico
• La sua descrizione prevede l'inserimento di una o più antenne e la loro caratterizzazione:
– posizione
– potenza di alimentazione
– perdite
– diagramma d'irradiazione
– guadagno
– frequenza…
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 83
SW Di Simulazione - VIGILA
INPUT: ambiente geografico
• La descrizione può essere ottenuta attraverso un database cartografico indicando
– Coordinate centro scena
– la dimensione in metri della porzione
di mappa che si vuole importare
– quali elementi importare
edifici e/o terreno
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 84
SW Di Simulazione - VIGILA
INPUT: ambiente geografico
• È possibile modificare manualmente le caratteristiche geometriche e dielettriche degli edifici
– inserire o cancellare un vertice
– modificare o aggiungere un materiale selezionato
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 85
SW Di Simulazione - VIGILA
INPUT: ambiente geografico
• ll Buildings & Terrain Editor è uno strumento CAD che permette utilizzando il mouse di inserire, cancellare e modificare forma e posizionamento degli edifici e dei punti del terreno
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 86
SW Di Simulazione - VIGILA
OUTPUT
• calcolo del campo elettromagnetico su piani;
• calcolo dei volumi di rispetto;
• calcolo del campo elettromagnetico sulle superfici accessibili;
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 87
SW Di Simulazione - VIGILA
OUTPUT: campo elettromagnetico su piano
• È stato calcolato il campo sul piano XY e sul piano obliquo "verticale“
• Si è utilizzato il modello Freespace
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 88
SW Di Simulazione - VIGILA
OUTPUT: campo elettromagnetico su piano
• È stato calcolato il campo sul piano XY e sul piano obliquo "verticale“
• Si è utilizzato il modello UTD
si notano le zone d’ombra
intorno gli edifici
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 89
SW Di Simulazione - VIGILA
OUTPUT: volume di rispetto
• Settato il metodo di calcolo, il Background field, il valore limite vengono calcolati anche i volumi semplici
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 90
SW Di Simulazione - VIGILA
OUTPUT: volume di rispetto
• esempio di isosuperficie per un sito trisettoriale
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 91
SW Di Simulazione - VIGILA
OUTPUT: volume di rispetto
• esempio di calcolo di campo sulle superfici accessibili comprese in una certa regione con la tecnica del Ray-Tracer, tenendo conto della presenza del terreno e di tutti edifici della mappa
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 92
SW Di Simulazione
NFA3D
Near Field Analayzer
http://www.aldenasoft.it/
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 93
SW Di Simulazione – NFA3D
NFA3D
• È un efficace software di simulazione di campi e.m. in prossimità di SRB o broadcasting radio TV sviluppato dalla ADLENA
• Rappresenta l’evoluzione dei tridimensionale del sw NFA2K che consentiva soltanto analisi sulle proiezioni bidimensionali della scena
• Permette di calcolare il volume di rispetto del campo complessivo generato dalle antenne attive del sistema radiante
• Riduzione a conformità:
definiti i valori limite di campo e.m., il programma identifica tutti i punti in
cui tale livello viene superato e automaticamente determina relativo grado di riduzione di potenza di ciascun trasmettitore
• Calcolo della potenza ai morsetti d’antenna
• New SW EMLAB consente anche previsioni di copertura
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 94
SW Di Simulazione – NFA3D
Il menu principale individua tre blocchi fondamentali
1. Antenne elementari
2. Sistema radiante
3. Postazione
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 95
SW Di Simulazione – NFA3D
ANTENNE ELEMENTARI
• Si intende il più piccolo elemento irradiante di cui si conoscono:
– diagrammi d’ampiezza e di fase orizzontali e verticali alle
– frequenza
– guadagno
– return loss
– dimensioni meccaniche
– ecc...
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 96
SW Di Simulazione – NFA3D
ANTENNE ELEMENTARI
• È possibile accedere ad un utile DB antenne per selezionare quella di interesse
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 97
SW Di Simulazione – NFA3D
SISTEMA RADIANTE
• È l’insieme di Antenne elementari
alimentate dallo stesso trasmettitore
• Una SRB è composta da diverse celle,
ciascuna delle quali è alimentata
da un trasmettitore differente
• Il sw effettua la somma vettoriale
dei campi di tutte le Antenne elementari
che compongono il Sistema.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 98
SW Di Simulazione – NFA3D
SISTEMA RADIANTE
• È possibile visualizzare:
– dati relativi al sistema e alle singole antenne impiegate
– Calcolo del diagramma orizzontale
– Calcolo del diagramma verticale
– …
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 99
SW Di Simulazione – NFA3D
POSTAZIONE
• È l’insieme di Sistemi radianti
dislocati nella stessa area geografica e
alimentati da frequenza diverse
• Una SRB è composta da una serie di
sistemi radianti dislocati sullo stesso
traliccio o su tralicci differenti
nella stessa area (·)
• NFA3D esegue la somma quadratica
dei campi di tutti i Sistemi che
compongono la Postazione per
ottenere il campo complessivo (V).
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 100
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto 2D
Permette di realizzare il calcolo del
Volume di Rispetto del campo complessivo
generato dai Sistemi attivi della Postazione
(quelli con il checkbox somma attivato),
per il Valore di campo in V/m e
con la Risoluzione in metri impostata.
Sezione orizzontaleRappresentazione curve isolivello
Vengono definiti i 7 livelli di campo elettrico
disponibili con i rispettivi colori.
L’immagine di sfondo può essere attiva/disattiva
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 101
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto 2D
Sezione verticalecurve isolivello
definiti i 7 livelli di campo
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 102
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto 3D
• Visualizzazione 3D dove è possibile zoomare, ruotare e spostarsi
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 103
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto
• Rappresentazione del parallelepipedo con relative dimensioni in m
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 104
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto
• Visualizzazione 3D
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 105
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto
• Visualizzazione 3D
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 106
SW Di Simulazione – NFA3D
OUTPUT: volume di rispetto
• Visualizzazione 3D delle zone di Fraunhofer (sfera) entro cui definire l’area di incertezza dei calcoli, ossia dove è valida l’approssimazione di campo lontano
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 107
SW Di Simulazione – EMLAB
EMLABNuovo SW di ALDENA consente
• di progettare complessi sistemi radianti e valutarne il solido d’irradiazione
complessivo 3D
• di calcolare gli sfasamenti, tra le antenne, necessari ad ottenere tilt elettrici,
riempimenti del primo nullo, nulli di protezione.
• di verficare l’analisi dell’impatto ambientale a scopi sanitari
• previsioni di copertura radioelettrica su base orografica utilizzando diversi
algoritmi di calcolo (Spazio Libero + Riflessioni e Diffrazioni
Multiple,Hokumura-Hata , Cost 231, ITU-R 1546...
• di visualizzare e ricostruire 3D l'ambiente urbano circostante, calcolandone
l'ostruzione di massima.
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 108
SW Di Simulazione – EMLAB
Sistema radiante 3D Profili di tratta
CoverageMulti-Coverage
Multi-Coverage
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 109
RIFERIMENTI
• Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettromagnetici nell'intervallo di frequenza 10kHz-300GHz, con riferimento all'esposizione umana - Norma CEI 211-7, Milano, 2001.
• Guida alla realizzazione di una Stazione Radio Base per rispettare i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici in alta frequenza - Norma CEI 211-10, Milano, 2004. Appendice G: Valutazione dei software di calcolo previsionale dei livelli di campo
elettromagnetico Appendice H: Metodologie di misura per segnali UMTS
• Protezione dai campi elettromagnetici non ionizzati – Andreuccetti, Bini, Checcucci, CNR, 2001
• Legge 22 febbraio 2001, n. 36 – Legge quadro sulla protezione dalle esposizioni a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici
• NFA3D http://www.aldenasoft.it/ • Vigila http://vigila.tilab.com/• A.Paraboni, M.D’Amico: “Radiopropagazione” McGraw Hill• C.A. Balanis: “Advanced Engineering Electromagnetics”, New York: Wiley, 1989.• G.Franceschetti: “Electromagnetics: Theory, Tecniques and Engineering Paradigms”,
Plenum Press, New York 1997• Radio mobile http://www.cplus.org/rmw/english1.html
Monitoraggio dei Campi e.m. anno 2016 110
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