LE RADIOCOMUNICAZIONI ALLA PORTATA DI TUTTI

1. LE RADIOCOMUNICAZIONI ALLA PORTATA DI TUTTI Prof. Alessandro Iscra, docente di elettronica e telecomunicazioni Prof. Maria Teresa Quaglini, docente tecnico pratico IIS Maserati, Via Mussini 22, 27058 Voghera (PV) Tel: 0383-43644, Fax: 0383-62862, e-mail: iscra@iscra.net Lettura testi: Prof. Fabrizia Rolla Luglio 2003 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. Una lampadina nello spazio Misuriamo l’elettrosmog Una lampadina ed un’antenna Trasmissioni radio e ambiente Una trasmissione nello spazio Un telefonino in trasmissione Collegamenti terrestri… Interpretazione dei risultati Un collegamento di 9 km… Un collegamento di 55 km…

2. Una lampadina nello spazio Accendiamo una lampadina che irradia uniformemente una potenza P = 10 watt nello spazio. Costruiamo una sfera, di raggio R = 100 metri, avente come centro la lampadina. L’area della superficie sferica vale A = 4pR2 = 125600 m2. Nello spazio vuoto, la potenza irradiata si disperde, senza essere assorbita. Ogni punto della superficie sferica è attraversato da una densità di potenza S = P/A = 10 W / 125600 m2 = 79.6mW/m2. Se ci poniamo a grande distanza dalla lampadina, questa ci appare come un punto e può essere considerata una sorgente di potenza puntiforme. R = 100 m Abbiamo così introdotto il concetto di densità di potenza, definita come: S = P/A. P è la potenza che incide normalmente su una superficie, A è l’area della superficie. A = 125600 m2 La lampadina approssima una sorgente puntiforme e isotropica (cioè che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni). S = 79.6mW/m2

3. Una lampadina ed un’antenna ~ ~ Quale forma di energia irradia nello spazio una lampadina? Le frequenze della luce emessa dalla lampadina sono altissime (1014Hz) e coprono un vasto spettro. Una lampadina emette radiazioni luminose, cioè onde elettromagnetiche ad altissima frequenza. 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: l = c/f (c = velocità d. luce). Esistono altri modi per irradiare energia elettromagnetica nello spazio? l E Si, ad esempio applicando una forza elettromotrice alternata ad alta frequenza ai capi di un’antenna. La radiazione emessa da un’antenna è polarizzata: i campi elettrici e magnetici vibrano lungo direzioni ben definite. H Quali differenze incontriamo fra le onde irradiate da una lampadina e quelle irradiate da un’antenna? Un’antenna non è un radiatore isotropico, ma irradia maggiormente verso alcune direzioni.

4. Una trasmissione nello spazio Poniamoci ora in un punto ad una distanza R da un’antenna trasmittente che irradia una potenza P. 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. Se l’antenna fosse un radiatore isotropico, nel punto considerato si avrebbe ancora una densità di potenza S = P/(4pR2). R 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. 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 = PG/(4pR2). S = PG/(4pR2) Ogni antenna ha una propria area di cattura, inoltre ogni antenna trasmittente può essere usata come ricevente. Molte volte interessa il valore di G nella direzione di massima radiazione dell’antenna. PR = AR S L’area di cattura ed il guadagno sono legati dalla formula: AR = l2GR/(4p). AR = l2GR/(4p)

5. 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. I collegamenti “a” e “b” si trovano in condizioni di visibilità e di spazio libero. 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. a d b verso aeromobile o satellite 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”. 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. c

6. Un collegamento di 9 km in visibilità ed in spazio libero E’ 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. S=32.1 nW/m2 PR=9.44 nW IIS Maserati 114 mslm PR,MIS=10.5 nW La frequenza impiegata è stata f = 433.3 MHz, a cui corrisponde una lunghezza d’onda pari a l = c/f = 0.69 m. Le antenne, identiche, hanno ciascuna un guadagno pari a G = GR = 14.5. R = 9 km L’area di cattura dell’antenna ricevente vale: AR = GRl2/(4p) = 14.50.692/(4p) = 0.55 m2. 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. La densità di potenza calcolata sul tetto dell’IIS Maserati vale: S = PG/(4pR2) = 2.2514.5/(4p90002) = 32.110-9 W/m2. La stima della potenza ricevuta è PR = ARS = 0.5532.110-9 = 17.6 nW, di cui solo 9.44 nW dovrebbero essere misurati, per le perdite del cavo. Cà Mori 255 mslm La potenza misurata valeva PR,MIS= 10.5 nW, valore molto vicino a quello stimato. P=2.25W

7. Un collegamento di 55 km in visibilità, ma non in spazio libero IIS Maserati 111 mslm E’ 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. S=859 pW/m2 PR=253 pW Anche in questo caso f = 433.3 MHz e l = c/f = 0.69 m. Le antenne hanno ancora G = GR = 14.5, quindi AR = 0.55 m2. PR,MIS=28.1 pW Con una potenza irradiata da Castelrocchero P = 2.25 W, la densità di potenza stimata sul tetto dell’IIS Maserati vale: S = PG/(4pR2) = 2.2514.5/(4p550002) = 85910-12 W/m2. La stima della potenza ricevuta è: PR = ARS = 0.5585910-12 = 472 pW, di cui solo 253 pW dovrebbero essere misurati, per le perdite del cavo che collega l’antenna ricevente al misuratore di potenza. R = 55 km La potenza misurata valeva: PR,MIS= 28.1 pW, valore nove volte inferiore rispetto a quello stimato. P=2.25W Castelrocchero 405 mslm 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.

8. Cà Mori 300 250 200 IIS Maserati 150 y [m] 100 50 -6 -4 -2 2 4 6 Terra (livello del mare) d-R/2 [km] Castelrocchero 400 300 200 IIS Maserati y [m] 100 -30 -20 -10 10 20 30 Terra (livello del mare) d - R/2 [km] 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. Profilo altimetrico 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. Profilo altimetrico 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.

9. 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. L’antenna di un telefonino ha un guadagno circa unitario. P = ? L’antenna della stazione radio base ha GR20, e può ricevere bene con PR = 1 pW. Pertanto, alla frequenza di 1800 MHz (l= 0.17 m), ad una distanza R = 500 m ed in spazio libero sarebbe sufficiente una potenza P = PR (4pR/l)2/(GGR) = 68.2mW, 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.

10. 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.

11. Misuriamo l’elettrosmog Le 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. E [V/m] S [W/m2] Direzione e verso di propagazione 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 = 377W. H [A/m] Inoltre, S = EH = E2/ R0 = H2R0 , da cui si ricava: E = (S R0). 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. r 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: E = ?, H = ? S = PG/(4pr2), E = (1/r)[PGR0/(4p)] , H = E/R0 Il prodotto PG è denominato EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power), cioè potenza equivalente irradiata da un’antenna isotropica.