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: [email protected]
Lettura testi: Prof. Fabrizia Rolla
Luglio 2003
Una lampadina nello spazio
Una lampadina ed un’antenna
Una trasmissione nello spazio
Collegamenti terrestri…
Un collegamento di 9 km…
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.
Misuriamo l’elettrosmog
Trasmissioni radio e ambiente
Un telefonino in trasmissione
Interpretazione dei risultati
Un collegamento di 55 km…
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.
Se 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).
R = 100 m
A = 125600 m2
S = 79.6 mW/m2
Ogni punto della superficie
sferica è attraversato da una
densità di potenza
S = P/A =
10 W / 125600 m2 =
79.6 mW/m2.
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.
Una lampadina ed un’antenna
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?
l
~~
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:
E l = c/f (c = velocità d. luce).
La radiazione emessa da
un’antenna è polarizzata: i
H
campi elettrici e magnetici
vibrano lungo direzioni ben
definite.
Un’antenna non è un
radiatore isotropico, ma
irradia maggiormente verso
alcune direzioni.
Una trasmissione nello spazio
Poniamoci ora in un punto
ad una distanza R da
un’antenna trasmittente che
irradia una potenza P.
Se l’antenna fosse un
radiatore isotropico, nel
punto considerato si avrebbe
ancora una densità di
potenza S = P/(4pR2).
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).
Molte volte interessa il valore
di G nella direzione di
massima radiazione
dell’antenna.
R
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,
S = PG/(4pR2) la potenza ricevuta vale:
PR = AR S.
Ogni antenna ha una propria
area di cattura, inoltre ogni
antenna trasmittente può
PR = AR S
essere usata come ricevente.
L’area di cattura ed il
AR = l2GR/(4p)
guadagno sono legati dalla
formula: AR = l2GR/(4p).
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”.
I collegamenti “a” e “b” si
trovano in condizioni di
visibilità e di spazio libero.
a d
b
verso
aeromobile o
c satellite
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.
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 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
IIS Maserati
Terme (PV), località Cà Mori, a 255 m sul livello del
114 mslm
mare. La distanza fra le due antenne vale R = 9 km.
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.
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.
La potenza misurata valeva PR,MIS= 10.5 nW, valore molto vicino a quello
stimato.
S=32.1 nW/m2
PR=9.44 nW
PR,MIS=10.5 nW
R = 9 km
Cà Mori
255 mslm
P=2.25W
Un collegamento di 55 km in visibilità, ma non in spazio libero
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.
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.
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.
R = 55 km
P=2.25W
Castelrocchero
405 mslm
IIS Maserati
111 mslm
S=859 pW/m2
PR=253 pW
PR,MIS=28.1 pW
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.
La potenza misurata valeva:
PR,MIS= 28.1 pW, valore nove volte
inferiore rispetto a quello stimato.
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 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.
300
Cà Mori
250
200
y [m]
IIS Maserati
150
100
Profilo altimetrico
50
-6
-4
-2
2
4
6
Terra
d-R/2 [km]
(livello del mare)
400
Castelrocchero
300
200
y [m]
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.
IIS Maserati
100
Profilo altimetrico
-30
-20
-10
10
20
30
Terra
d - R/2 [km] (livello del mare)
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.
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.
L’antenna della stazione radio
base ha GR 20, e può ricevere
bene con PR = 1 pW.
P=?
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) = 68.2 mW, 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’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.
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 W.
E [V/m]
S [W/m2]
Direzione e verso di
propagazione
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.
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:
r
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.