FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
La norma CEI 211-7 e le sua appendici forniscono delle utili indicazioni per la scelta della strumentazione e delle modalità di esecuzione delle misure dei campi elettromagnetici ad alta frequenza (10 kHz - 300 GHz) allo scopo di valutare il rispetto dei vincoli imposti all'intensità di campo elettromagnetico giudicata compatibile con l’esposizione umana.
Il quadro normativo italiano è fra i più cautelativi riguardo alla radio protezione umana nei confronti dell'esposizione ai campi elettromagnetici ed impone limiti decisamente stringenti che le stazioni radio base delle reti di comunicazione mobile e gli impianti di radiodiffusione in genere devono rispettare.
Nel caso delle reti di comunicazione wireless cellulari, le onde elettromagnetiche generate di una stazione radiobase equipaggiata con antenne a pannello si possono ritenere onde piane per tutti i punti distanti almeno 5 volte la lunghezza d’onda.
Per distanze, quindi, superiori a 1,5 metri, alle frequenze di esercizio degli impianti di telefonia cellulare (che emettono nella banda di frequenze 800-2600 MHz), la condizione di campo lontano (e quindi di fronte piano dell’onda) è soddisfatta e vale anche la relazione (nel vuoto o con ottima approssimazione in atmosfera):
E = 377 * H
dove E ed H sono, rispettivamente, i moduli del campo elettrico e del campo magnetico.
Da questa relazione e dal fatto che i vettori dei due campi sono ortogonali fra loro e ortogonali al vettore di propagazione del fronte (localmente) piano dell’onda si ha che la densità di potenza radiante che investe l’unità di superficie è
S = E2 / 377 [Watt/mq].
È da notare che, frequentemente, il collegamento fra stazione radio base e infrastruttura di rete fissa (rete backhaul) avviene tramite ponte radio.
Il collegamento prevede l’utilizzo di ponti radio a 18 GHz, 23 GHz o 38 GHz, con antenne paraboliche di dimensioni ridotte alimentate con una potenza massima al connettore tipicamente inferiore a 100 mW.
Data l’elevata direttività di tali sistemi trasmissivi, il requisito di assenza di ostacoli nella direzione del collegamento per il loro corretto funzionamento e la bassa potenza impiegata, l’impatto ambientale risultante è trascurabile. Per queste motivazioni, ci si riferirà in seguito soltanto ai sistemi radianti delle stazioni radio base, che emettono energia elettromagnetica tramite le classiche antenne a pannello.
Il cosiddetto diagramma di radiazione dell’antenna indica come la potenza elettrica del trasmettitore, inviata tramite cavo coassiale all'ingresso dell’antenna, viene irradiata nello spazio.
Ad esempio nel caso di un’antenna teoricamente isotropa, il campo verrebbe irradiato uniformemente in tutte le direzioni uscenti dalla antenna stessa, ossia con densità di potenza radiante costante per qualsiasi angolo solido.
In generale, il diagramma di radiazione esprime come le onde elettromagnetica vengono più o meno indirizzate verso entro un fascio principale di irradiazione. Tanto più alta è la percentuale di energia radiante trasportata dal fascio principale, tanto più saranno trascurabili i contributi energetici dei lobi secondari (antenne fortemente direttive, ad alto guadagno).
Nei sistemi cellulari, si preferisce tipicamente avere antenne molto direttive ed orientate con l’asse principale inclinato verso il basso, anziché parallelo all'orizzonte (downtilt), allo scopo di circoscrivere molto bene la copertura radioelettrica sia nell'intorno di certe direzioni di interesse, sia nell'intorno di un’area di copertura desiderata, ristretta a pochi decimi di kmq.
La potenza di alimentazione ai connettori di antenna è tipicamente dell’ordine di 1-100 W.
Viceversa, nelle applicazioni del settore radiotelevisivo (broadcast), gli obiettivi di copertura sono radicalmente diversi: si vuole offrire servizio in aree anche molto estese, come intere province o anche gruppi di province, ossia superfici dell’ordine delle decine di kmq e, angolarmente, a 360° intorno all'impianto.
Pertanto, le antenne dedicata alla radiodiffusione hanno solitamente minore direzionalità, oppure sono del tutto omnidirezionali e, in generale non sono orientate verso il basso. La potenza di alimentazione ai connettori di antenna è spesso dell’ordine di 10 kW.
Attorno alla stazione radiobase quindi, è presente un campo elettromagnetico. la cui intensità decade allontanandosi dall'antenna e che dipende dal diagramma di radiazione della stessa. Le cosiddette iso-linee, corrispondenti ai vari valori di campo elettrico prefissati, esprimono il luogo dei punti dello spazio circostante l’antenna in cui il modulo del campo elettrico è costante.
La scelta dei punti di misura è cruciale al fine della validità delle misure stesse.
I punti, infatti, devono essere significativi per una esaustiva valutazione dell’impatto elettromagnetico prodotto dall'impianto in esame.
Tipicamente vengono prescelti una serie di punti all'interno di un’area di raggio 200 metri intorno al punto di installazione (oltre il campo è trascurabile), sulla base dell’analisi della cartografia dell’area e di un sopralluogo di verifica della reale situazione in campo.
Tali punti, inoltre, devono essere quelli maggiormente interessati dai lobi delle antenne e normalmente abitati o accessibili alla popolazione (abitazioni, lastrici e terrazze, ecc.). Devono anche essere lontani da elementi riflettenti (quali ringhiere o infissi in metallo) e dall'operatore stesso, al fine di acquisire misure sul campo teoricamente imperturbato.
Le isolinee visualizzate nella figura sottostante si riferiscono al campo elettromagnetico prodotto dal sistema radiante della sola stazione radiobase (SRB) in esame E_srb.
La valutazione complessiva del campo elettromagnetico nel punto P di indagine non può, però, prescindere dal fondo di campo elettromagnetico pre-esistente generato da altre sorgenti.
Per la valutazione complessiva del modulo del campo elettrico Etot, ricordiamo che:
Etot = (Efondo2 + E_srb2)0,5
La misurazione registra i moduli dei campi elettrico e magnetico effettivamente presenti al momento in cui la misura si effettua. Inoltre, la misura è valida nell'ambito delle bande di frequenza effettivamente misurabili dal nostro strumento.
A differenza delle stazioni broadcast che tipicamente trasmettono sempre a piena potenza, le stazioni radio base delle reti di telefonia cellulare utilizzano dei sofisticati meccanismi di regolazione della potenza per minimizzare le interferenze e garantire ai propri clienti migliore qualità della connessione, nonché per minimizzare l’energia consumata.
Da ciò deriva una conseguenza importante sulla certificazione delle misure: senza alcuna elaborazione, tali misure indicano semplicemente l’intensità dei campi elettrico e magnetico relativamente al funzionamento delle sorgenti captabili in quel preciso istante o periodo di acquisizione delle misure (misure istantanee oppure misure di picco o mediate nel periodo di acquisizione).
Per effettuare qualsiasi tipo di misura (istantanea o prolungata) sono necessari due elementi:
Per la bontà della misura è anche utile un elemento di sostegno per la sonda e l’antenna.
Solitamente si tratta di un tripode (o cavalletto) in legno o altro materiale dielettrico.
Infatti il materiale dev'essere tale da non perturbare le linee di campo: allo scopo, inoltre, è bene che l’operatore si allontani almeno 10 lunghezze d’onda dal sistema di acquisizione (e dalle fonti di campo elettromagnetico) una volta impostata e quindi lanciata la campagna di misure nel punto di interesse.
Esempio di 12 punti di misura dei valori efficaci del campo elettromagnetico nell'intervallo di 6 minuti.
|
Data rilievi 20.07.2014 |
Valori efficaci del campo elettrico medi e di picco in ciascun intervallo temporale |
|||
|
Punto di misura |
Intervallo di misura |
Valor medio V/m |
Valore picco V/m |
|
|
1 |
10:06 |
10:12 |
0,65 |
1,02 |
|
2 |
10:33 |
10:39 |
0,66 |
0,88 |
|
3 |
11:10 |
11:16 |
0,38 |
1,68 |
|
4 |
11:56 |
12:02 |
0,4 |
0,67 |
|
5 |
12:21 |
12:27 |
0,34 |
1,24 |
|
6 |
12:40 |
12:46 |
0,85 |
2,31 |
|
7 |
13:02 |
13:08 |
0,61 |
1,47 |
|
8 |
13:22 |
13:28 |
0,37 |
1,43 |
|
9 |
13:40 |
13:46 |
0,37 |
1,07 |
|
10 |
13:57 |
14:03 |
0,85 |
1,83 |
|
11 |
14:12 |
14:18 |
0,38 |
1,2 |
|
12 |
14:30 |
14:36 |
0,71 |
1,68 |
La sonda viene impiegata per acquisire i valori del campo elettromagnetico sia in banda larga che in banda stretta.
Le misure in banda larga vengono eseguite nell'intero intervallo di frequenza 10 kHz – 300 GHz richiamato dalla Guida CEI 211- 07 e servono per stimare l’intensità del campo elettromagnetico globale, ossia la somma quadratica di tutti i contributi prodotti, nel punto di misura, da tutte le sorgenti funzionanti nell'intervallo di interesse della normativa per la radio protezione.
Le misure in banda stretta (ad esempio per ciascun canale GSM largo 200 kHz oppure per un canale UMTS largo 5 MHz) vengono invece effettuate per isolare e misurare il singolo contributo prodotto da un particolare impianto.
Oltre agli analizzatori di spettro che misurano la densità spettrale di potenza o l’intensità del campo elettromagnetico in una particolare banda di frequenze, esistono anche analizzatori vettoriali, utili per isolare i contributi dei segnali pilota delle stazioni radio base che trasmettono a divisione di tempo.
Questi strumenti demodulano il segnale pilota trasmesso ciclicamente nel tempo e su una certa portante per estrarre il contributo offerto dal canale sempre “on air”, ovvero trasmesso su tutte le trame e sempre alla massima potenza.
Grazie agli analizzatori vettoriali è possibile dedurre il massimo contributo potenzialmente offerto da ogni particolare sorgente.
Si noti che:
Ad esempio, considerando le caratteristiche del segnale GSM/DCS, i parametri consigliati per una corretta configurazione dello strumento di misura sono i seguenti:
Sweep Time (tempo di scansione): è consigliabile impostare tale parametro in modalità automatica. In questo modo l’analizzatore seleziona il valore in modo da ottimizzarlo in relazione alla RBW, Span, e VBW utilizzati. Qualora lo strumento utilizzato non fosse in grado di indicare automaticamente il valore del tempo di scansione più adeguato, si può indicativamente fare riferimento all'intervallo 50-100 ms.
Rimandiamo ad eventuali successivi documenti l’analisi dettagliata delle modalità di estrapolazione al massimo valore che risultano indispensabili per escludere in qualsiasi momento un superamento dei limiti. A tale esclusione si perviene nel momento in cui ci si sincera del fatto che la somma quadratica di tutti i potenziali massimi contributi sia sotto soglia.
Proseguendo la nostra introduzione alle misure suggerite nella Guida CEI 211-07, osserviamo che l’antenna è l’elemento atto a convertire la potenza elettromagnetica in potenza elettrica all'ingresso dell’analizzatore equipaggiato con le opportune sonde del campo elettrico/magnetico, o “field probe”.
Le limitazioni in frequenza del sistema di misura (sonda dell’analizzatore + antenna) dipendono dalla più limitante fra le risposte in frequenza dei due componenti.
Mentre la sonda è tipicamente capace di ricevere senza apprezzabile errore di distorsione i segnali da 0,1 a 3000 MHz (3 GHz), l’antenna ha normalmente un range di frequenze di lavoro più ristretto (taglia le basse frequenze, tipicamente quelle sotto i 100 kHz).
Va inoltre tenuto presente da notare che non è affatto scontato disporre di un’antenna che abbia una banda di lavoro così ampia e al tempo stesso buone caratteristiche di isotropicità, così da non falsare la misura in funzione dell’orientamento dell’antenna.
Del sistema di misura le caratteristiche di interesse sono, oltre alla banda passante, la linearità di risposta (ad es. variazione di risposta nella banda pari a +/- 1,0 dB), la dinamica nella scala del campo elettrico misurabile (ad es. da 0,3 a 300 V/m), e la risoluzione (ad es. <0,05 V/m).
Al fine di effettuare sempre misure affidabili, ricordiamo anche che gli strumenti devono periodicamente essere calibrati, secondo norme IEEE 1309, in laboratori certificati.
Oltre alle antenne isotrope già installate, su molti analizzatori è possibile montare antenne direttive per scopi particolari, come ad esempio antenne triassiali e mono-assiali (ad esempio dipolo) nei riguardi del campo elettrico, triassiali per il campo magnetico, ecc. Rimandiamo ad approfondimenti successivi documenti l’analisi dettagliata sulla scelta delle antenne.
Di seguito si riportano i limiti di esposizione e i più restrittivi valori di attenzione (da rispettare per permanenze umane non inferiori alle 4 ore giornaliere) della normativa italiana
Limiti di esposizione a impianti che generano campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici con frequenza compresa tra 100 kHz e 300 GHz previsti dalla normativa italiana.
|
Intervallo di frequenza |
Valore efficace di intensità di campo elettrico E (V/m) |
Valore efficace di intensità di campo magnetico H (A/m) |
Densità di potenza dell’onda piana equivalente S (W/m2) |
|
0.1 – 3 MHz |
60 |
0,2 |
---- |
|
3 – 3000 MHz |
20 |
0,05 |
1 |
|
3 – 300 GHz |
40 |
0,1 |
4 |
Valori di attenzione per l'esposizione a impianti che generano campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici previsti dalla normativa italiana.
|
Intervallo di frequenza |
Valore efficace di intensità di campo elettrico E (V/m) |
Valore efficace di intensità di campo magnetico H (A/m) |
Densità di potenza dell’onda piana equivalente S (W/m2) |
|
0.1 – 300 GHz |
6 |
0,016 |
0,10 |
Commenti
La guida CEI 211-7/E , riporta 2 filoni di misure rispettivi sia per il superamento dei limiti massimi di esposizione, 20V/m e sia per il superamento dei limiti di attenzione, ossia 6V/m.
In breve, per quanto riguarda il confronto con i limiti massimi di 20V/m si deve effettuare la misura con una media di 6 minuti, mentre per il confronto del superamento della soglia di attenzione a 6V/m, la misura deve essere mediata in 24 ore.
Le scalette di strumentazioni da utilizzare, partono dal sistema a banda larga, sistema meno preciso ma che inizialmente servirà a stabilire che non si è superata la soglia massima di esposizione. Sistema a banda stretta con analizzatore di spettro, che servirà alla estrapolazione dei livelli di media entro 6 minuti, per i limiti di attenzione 6V/m. Mentre per verificare l'esclusione del superamento e dell'estrapolaz ione dei livelli di attenzione è necessario utilizzare il solo analizzatore vettoriale, che servirà per stabilire anche con certezza quale trasmettitore in un tal punto è responsabile del superamento dei limiti di legge. Il metodo di misura con analizzatore vettoriale è anche l'unico metodo idoneo per procedere alla richiesta di riduzione per conformità da parte dell'operatore telefonico, questo per i sistemi 4G e 3G, mentre per i sistemi 2G si utilizza l'analizzatore di spettro in modalità power channel e avarege della durata di 6 minuti, oppure in alternativa il max hold.
Il max hold non dovrebbe essere utilizzato per rilievi su segnali 3G e 4G, inquanto restituirebbe un valore non corretto e sovrastimato, dato che le portanti sono suddivise in cluster temporali in funzione dell'utilizzo del canale e del numero di utenti.
Passo ai singoli punti del commento.
1) La relazione meglio approssimata che definisce il campo lontano per strutture in cui una dimensione prevale nettamente sulle altre è quella riportata dal lettore. Tuttavia già dalla regione radiativa del campo vicino (zona di Fresnel) si può (anzi cautelativament e, essendo una sovrastima farlo da 1,5m) valutare l'impatto e.m. secondo la formula di onda piana.
2) Il requisito di assenza di ostacoli nella direzione del collegamento in ponte radio e la bassa potenza impiegata, comportano che il contributo nei punti potenzialmente esposti sia trascurabile: fuori dall'ellissoide di Fresnel per tali link radio non sono fatte valutazioni di impatto in quanto esso è praticamente nullo.
3) il concetto di isolinea si può applicare tanto alla massima che alla media potenza di esercizio (la forma non cambia, cambiano le dimensioni)
4) Sì, l'appendice E fissa una nuova modalità di misura sulle 24 ore per il rispetto del limite dei 6V/m (restano 6 minuti per i 20V/m). Il documento qui pubblicato non è omnicomprensivo dei casi fissati dalla normativa, casi che potremmo volentieri approfondire in futuro.
- per quanto riguarda i ponti radio, l'impatto elettromagnetic o è trascurabile se non ci si trova in prossimità della direttrice, ma in generale deve essere tenuto in conto nelle AIE (analisi di impatto ambientale), è prassi consolidata tenerne conto in termini analitici in tutte le AIE di buona qualità. Citare nell'articolo le potenze al connettore senza citare l'elevata direttività di questo tipo di radiatori significa dare una informazione incompleta.
- per maggiore accuratezza, potreste citare che l'area presa in esame per le verifiche si estende fino a un raggio di 300 metri
- le isolinee di campo elettrico che indicate con Esrb andrebbe specificato che si riferiscono all'impianto erogante la massima potenza a meno di un coefficiente alfa.
- per quanto riguarda le misure di fondo ambientale su 6 minuti esemplificate nell'articolo, non è più così. Se guardate l'app. E 211/7, relativamente alla determinazione del fondo ambientale, viene detto: "In presenza di sorgenti esclusivamente riconducibili a stazioni radio base, la misura in banda larga in orario diurno, ad esempio su un intervallo di 6 minuti, è generalmente conservativa
rispetto alla media sulle 24 ore...Ai fini di una stima più aderente alla realtà, appare comunque preferibile valutare il campo
prodotto dalle sorgenti più rilevanti (ad esempio, le altre sorgenti nelle vicinanze) attraverso misure in banda stretta e applicando ad ogni sorgente l’estrapolazion e sulle 24 ore calcolata sulla base dello specifico coefficiente di ogni singolo impianto.
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