LE RADIOCOMUNICAZIONI ALLA PORTATA DI TUTTILE RADIOCOMUNICAZIONI ALLA PORTATA DI TUTTIProf. Alessandro Iscra, docente di elettronica e telecomunicazioni

Prof. Maria Teresa Quaglini, docente tecnico praticoIIS Maserati, Via Mussini 22, 27058 Voghera (PV)

Tel: 0383-43644, Fax: 0383-62862, e-mail: iscra@iscra.netLettura testi: Prof. Fabrizia Rolla

Luglio 2003

Una lampadina ed un’antenna

Una trasmissione nello spazio

Collegamenti terrestri…

Un collegamento di 9 km… Un collegamento di 55 km…

Interpretazione dei risultati

Un telefonino in trasmissione

Trasmissioni radio e ambiente

Misuriamo l’elettrosmogUna lampadina nello spazio Questo lavoro trae spunto dal progetto “I sistemi di radiocomunicazione fissi e mobili ed il loro impatto ambientale”, svolto presso il nostro istituto. Il progetto, originariamente destinato agli alunni delle classi quinte dell’indirizzo tecnico industriale con specializzazione in Elettronica e Telecomunicazioni, ha suscitato interesse anche sugli alunni del nostro Liceo Scientifico e Tecnologico e di molte altre scuole in occasione della “Giornata per la Scienza”, svoltasi a Pavia il 24 maggio 2003. E’ quindi emerso come, in seguito all’enorme diffusione dei telefoni cellulari, dei sistemi televisivi satellitari e delle reti di telecomunicazioni wireless, il mondo delle radiocomunicazioni coinvolge sempre più da vicino i giovani. Questa presentazione non vuole solo costituire la sintesi di un lavoro svolto all’interno del nostro istituto, ma anche dimostrare come il mondo delle radiocomunicazioni possa essere alla portata di tutti, se introdotto in modo semplice, ad esempio paragonando il comportamento di un’antenna a quello di una lampadina. Si consiglia di seguire la presentazione seguendo il percorso proposto e di attivare la riproduzione dei suoni, per ascoltare le voci che accompagnano i testi.

Accendiamo una lampadina che irradia uniformemente una potenza P = 10 watt nello spazio.

Nello spazio vuoto, la potenza irradiata si disperde, senza essere assorbita.

Una lampadina nello spazio

Costruiamo una sfera, di raggio R = 100 metri, avente

come centro la lampadina.

R = 100 mSe ci poniamo a grande distanza dalla lampadina, questa ci appare come un punto e può essere considerata una sorgente di potenza puntiforme.

La lampadina approssima una sorgente puntiforme e isotropica (cioè che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni).

L’area della superficie sferica vale A = 4R2 = 125600 m2.

A = 125600 m2

Ogni punto della superficie sferica è attraversato da una

densità di potenzaS = P/A =

10 W / 125600 m2 = 79.6 W/m2.

S = 79.6 W/m2

Abbiamo così introdotto il concetto di densità di

potenza, definitacome: S = P/A.

P è la potenza che incide normalmente su una

superficie, A è l’area della superficie.

~

Quale forma di energia irradia nello spazio una lampadina?

Una lampadina emette radiazioni luminose, cioè onde elettromagnetiche ad altissima frequenza.

Esistono altri modi per irradiare energia elettromagnetica nello spazio?

Si, ad esempio applicando una forza elettromotrice alternata ad alta frequenza ai capi di un’antenna.

Quali differenze incontriamo fra le onde irradiate da una lampadina e quelle irradiate da un’antenna?

Una lampadina ed un’antenna

Le frequenze della luce emessa dalla lampadina sono altissime (1014 Hz) e coprono

un vasto spettro.

La radiazione emessa da un’antenna è molto

concentrata intorno ad un’unica frequenza

appartenente alla banda delle onde radio (104..1011

Hz) ed è coerente (come la luce laser).

La lunghezza d’onda vale: = c/f (c = velocità d. luce).La radiazione emessa da

un’antenna è polarizzata: i campi elettrici e magnetici

vibrano lungo direzioni ben definite.

Un’antenna non è un radiatore isotropico, ma

irradia maggiormente verso alcune direzioni.

~

E

H

Una trasmissione nello spazio

Poniamoci ora in un punto ad una distanza R da un’antenna trasmittente che irradia una potenza P.

R

Se l’antenna fosse un radiatore isotropico, nel punto considerato si avrebbe ancora una densità di potenza S = P/(4R2).

Poiché in realtà l’antenna non irradia uniformemente in tutte le direzioni, la formula è modificata da un fattore moltiplicativo G, detto guadagno dell’antenna:S = PG/(4R2).

Molte volte interessa il valore di G nella direzione di massima radiazione dell’antenna.

Come si comporta un’antenna ricevente?

Un’antenna ricevente “cattura” una parte della

potenza transitante intorno al punto in cui è collocata e la invia sotto forma di segnale elettrico al radioricevitore.

Il meccanismo di “cattura” è particolarmente intuitivo nelle antenne a riflettore

parabolico: se AR è l’area della sezione del paraboloide,

la potenza ricevuta vale: PR = AR S.

Ogni antenna ha una propria area di cattura, inoltre ogni

antenna trasmittente può essere usata come ricevente.

L’area di cattura ed il guadagno sono legati dalla formula: AR = 2GR/(4).

PR = AR SAR = 2GR/(4)

S = PG/(4R2)

Collegamenti terrestri (e satellitari)Un collegamento radio terrestre è influenzato dalla presenza di eventuali ostacoli che si interpongono fra l’antenna trasmittente e quella ricevente, da fenomeni di rifrazione ed assorbimento delle onde elettromagnetiche da parte dell’atmosfera e da fenomeni di riflessione da parte di ostacoli che non intercettano la congiungente le due antenne.

Tali anomalie hanno effetti trascurabili (a meno dell’assorbimento dovuto alla pioggia) se la congiungente le due antenne è notevolmente libera da ostacoli, come nei collegamenti “a” e “b”.

ab

verso aeromobile o

satellite

I collegamenti “a” e “b” si trovano in condizioni di

visibilità e di spazio libero.

d

Il collegamento “c”,destinato a raggiungere un’abitazione

di un paese o di una città, potrebbe non trovarsi né in

condizioni di visibilità, né in quelle di spazio libero: la potenza ricevuta è molto

minore di quella stimata con le formule viste per lo spazio

libero.

c

Il collegamento “d” si trova ancora in condizioni di

visibilità, ma, forse, non più di spazio libero: il profilo montuoso che precede la

sommità retrostante potrebbe perturbare il calcolo della

potenza ricevuta.

Un collegamento di 9 km in visibilità ed in spazio liberoE’ stato sperimentato un collegamento radio fra l’Istituto Maserati di Voghera (PV), con l’antenna ubicata sul tetto, a quota di 114 m sul livello del mare ed un punto in collina nei pressi di Salice Terme (PV), località Cà Mori, a 255 m sul livello del mare. La distanza fra le due antenne vale R = 9 km.

IIS Maserati114 mslm

Cà Mori255 mslm

La frequenza impiegata è stata f = 433.3 MHz, a cui corrisponde una lunghezza d’onda pari a = c/f = 0.69 m. Le antenne, identiche, hanno ciascuna un guadagno pari a G = GR = 14.5.

Il trasmettitore, a Cà Mori, erogava una potenza pari a 4.2 W, di cui solo 2.25 W erano irradiati dall’antenna in seguito alle perdite del cavo di collegamento, quindi P = 2.25 W.

R = 9 km

La densità di potenza calcolata sul tetto dell’IIS Maserati vale:S = PG/(4R2) = 2.2514.5/(490002) = 32.110-9 W/m2.

L’area di cattura dell’antenna ricevente vale: AR = GR2/(4) = 14.50.692/(4) = 0.55 m2.

La stima della potenza ricevuta è PR = ARS = 0.5532.110-9 = 17.6 nW,di cui solo 9.44 nW dovrebbero essere misurati, per le perdite del cavo.La potenza misurata valeva PR,MIS= 10.5 nW, valore molto vicino a quello stimato.

P=2.25W

S=32.1 nW/m2

PR=9.44 nW

PR,MIS=10.5 nW

Un collegamento di 55 km in visibilità, ma non in spazio liberoE’ stato realizzato un altro collegamento radio fra l’IIS Maserati di Voghera, con ancora l’antenna ubicata sul tetto (questa volta 111 mslm) ed un punto nel comune di Castelrocchero (AT), a 405 m sul livello del mare. La distanza fra le due antenne vale R = 55 km.

IIS Maserati111 mslm

Castelrocchero405 mslm

R = 55 km

Anche in questo caso f = 433.3 MHz e = c/f = 0.69 m. Le antenne hanno ancora G = GR = 14.5, quindi AR = 0.55 m2.

Con una potenza irradiata da Castelrocchero P = 2.25 W, la densità di potenza stimata sul tetto dell’IIS Maserati vale: S = PG/(4R2) = 2.2514.5/(4550002) = 85910-12 W/m2. La stima della potenza ricevuta è:

PR = ARS = 0.5585910-12 = 472 pW,di cui solo 253 pW dovrebbero essere misurati, per le perdite del cavo che collega l’antenna ricevente al misuratore di potenza.La potenza misurata valeva: PR,MIS= 28.1 pW, valore nove volte inferiore rispetto a quello stimato.

P=2.25W

S=859 pW/m2

PR=253 pW

PR,MIS=28.1 pW

Nota: un valore che risulta nove volte inferiore rispetto al previsto potrebbe risultare, a prima vista privo di senso. Nell’ambito delle misure radioelettriche, discrepanze che interessano anche diversi ordini di grandezza sono normali e molte volte prevedibili.

Interpretazione dei risultati

Il collegamento Salice Terme – Voghera è in buone condizioni di visibilità e spazio libero, come visibile dal profilo altimetrico, ottenuto da una carta topografica: la retta congiungente i due siti è marcatamente libera da ostacoli.

Il profilo altimetrico relativo al collegamento Castelrocchero – Voghera mostra ancora la retta libera (condizioni di visibilità), ma in prossimità dell’IIS Maserati è molto vicina al suolo (ed alle costruzioni): le condizioni di spazio libero non sono più verificate.

Esistono criteri quantitativi per stabilire se siamo in condizioni di spazio libero?Si, ma la loro trattazione non trova spazio in questa presentazione.

I bassissimi valori della potenza ricevuta consentirebbero la ricezione del segnale?In molti casi si: un telefonino riceve bene con 0.1 pW; un’autoradio in FM con qualche pW.

100

200

300

400

-30 -20 -10 10 20 30

d - R/2 [km]

y [m

]

Castelrocchero

Terra(livello del mare)

IIS Maserati

50

100

150

200

250

300

-6 -4 -2 2 4 6

d-R/2 [km]

y [m

] IIS Maserati

Cà Mori

Terra(livello del mare)

Profilo altimetrico

Profilo altimetrico

Un telefonino in trasmissione

Con quanta potenza deve trasmettere un telefonino?

Dipende da molti fattori, fra cui:

-la frequenza (900 o 1800 MHz);

-la distanza dalla stazione radio base;

-gli ostacoli presenti.

P = ?

L’antenna di un telefonino ha unguadagno circa unitario.

L’antenna della stazione radio base ha GR 20, e può ricevere bene con PR = 1 pW.

Pertanto, alla frequenza di 1800 MHz ( = 0.17 m), ad una distanza R = 500 m ed in spazio libero sarebbe sufficiente una potenza P = PR (4R/)2/(GGR) = 68.2 W, valore bassissimo!

In seguito alla presenza di ostacoli, e di interferenze alla stazione radio base, si richiedono potenze decisamente superiori: da qualche decina di milliwatt fino a qualche watt, controllate dalla stazione radio base.

Trasmissioni radio e ambiente

L’energia elettromagnetica irradiata da un’antenna investe anche il corpo umano, con quali effetti?

Valori di densità di potenza molto elevati (telefonino vicino all’orecchio) producono effetti termici e, probabilmente, biologici.

Valori di densità di potenza minori possono produrre effetti biologici, ancora in fase di studio.

La normativa italiana prevede un valore massimo di densità di potenza a cui esporsi pari a 1 W/m2, per frequenze comprese fra 3 MHz e 3 GHz, da ridurre 0.1 W/m2 in abitazioni abitualmente frequentate.

Misuriamo l’elettrosmogLe onde elettromagnetiche sono composte da un campo elettrico E (che si misura in volt/metro) e da un campo magnetico H (che si misura in ampere/metro) che, a grande distanza dall’antenna trasmittente, vibrano lungo direzioni ortogonali.

Nel vuoto e, con ottima approssimazione, nell’aria, i moduli dei due vettori sono legati dalla semplice relazione: E = HR0 dove R0 = 377 V/A = 377 .

Inoltre, S = EH = E2/ R0 = H2R0 , da cui si ricava: E = (S R0).

E [V/m]

H [A/m]

S [W/m2]

Direzione e verso di propagazione

Al limite di 1 W/m2, corrispondono: E = 20 V/m, H = 0.05 A/m.

Al limite di 0.1 W/m2, corrispondono: E = 6 V/m, H = 0.016 A/m.

Combinando queste formule, con quella che ci permette di ricavare il valore di S, siamo in grado di calcolare i valori di E e di H a grande distanza r da un’antenna trasmittente:

S = PG/(4r2), E = (1/r)[PGR0/(4)] , H = E/R0

Il prodotto PG è denominato EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power), cioè potenza equivalente irradiata da un’antenna isotropica.

E = ?, H = ?

r