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LE RADIOCOMUNICAZIONI ALLA PORTATA DI TUTTI Prof. Alessandro Iscra, docente di elettronica e telecomunicazioni Prof. Maria Teresa Quaglini, docente tecnico.

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2 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, Voghera (PV) Tel: , Fax: , Lettura testi: Prof. Fabrizia Rolla Luglio 2003 Una lampadina ed unantenna 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 lelettrosmogUna 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 dellindirizzo 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 E quindi emerso come, in seguito allenorme 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 allinterno 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 unantenna 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.

3 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 m 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). Larea della superficie sferica vale A = 4 R 2 = m 2. A = m 2 Ogni punto della superficie sferica è attraversato da una densità di potenza S = P/A = 10 W / m 2 = 79.6 W/m 2. S = 79.6 W/m 2 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 larea della superficie.

4 ~ 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 unantenna. Quali differenze incontriamo fra le onde irradiate da una lampadina e quelle irradiate da unantenna? Una lampadina ed unantenna Le frequenze della luce emessa dalla lampadina sono altissime (10 14 Hz) e coprono un vasto spettro. La radiazione emessa da unantenna è molto concentrata intorno ad ununica frequenza appartenente alla banda delle onde radio ( Hz) ed è coerente (come la luce laser). La lunghezza donda vale: = c/f (c = velocità d. luce). La radiazione emessa da unantenna è polarizzata: i campi elettrici e magnetici vibrano lungo direzioni ben definite. Unantenna non è un radiatore isotropico, ma irradia maggiormente verso alcune direzioni. ~ E H

5 Una trasmissione nello spazio Poniamoci ora in un punto ad una distanza R da unantenna trasmittente che irradia una potenza P. R Se lantenna fosse un radiatore isotropico, nel punto considerato si avrebbe ancora una densità di potenza S = P/(4 R 2 ). Poiché in realtà lantenna non irradia uniformemente in tutte le direzioni, la formula è modificata da un fattore moltiplicativo G, detto guadagno dellantenna: S = P G/(4 R 2 ). Molte volte interessa il valore di G nella direzione di massima radiazione dellantenna. Come si comporta unantenna ricevente? Unantenna 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 A R è larea della sezione del paraboloide, la potenza ricevuta vale: P R = A R S. Ogni antenna ha una propria area di cattura, inoltre ogni antenna trasmittente può essere usata come ricevente. Larea di cattura ed il guadagno sono legati dalla formula: A R = 2 G R /(4 ). P R = A R S A R = 2 G R /(4 ) S = P G/(4 R 2 )

6 Collegamenti terrestri (e satellitari) Un collegamento radio terrestre è influenzato dalla presenza di eventuali ostacoli che si interpongono fra lantenna trasmittente e quella ricevente, da fenomeni di rifrazione ed assorbimento delle onde elettromagnetiche da parte dellatmosfera e da fenomeni di riflessione da parte di ostacoli che non intercettano la congiungente le due antenne. Tali anomalie hanno effetti trascurabili (a meno dellassorbimento dovuto alla pioggia) se la congiungente le due antenne è notevolmente libera da ostacoli, come nei collegamenti a e b. a b 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 unabitazione 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.

7 Un collegamento di 9 km in visibilità ed in spazio libero E stato sperimentato un collegamento radio fra lIstituto Maserati di Voghera (PV), con lantenna 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 Maserati 114 mslm Cà Mori 255 mslm La frequenza impiegata è stata f = MHz, a cui corrisponde una lunghezza donda pari a = c/f = 0.69 m. Le antenne, identiche, hanno ciascuna un guadagno pari a G = G R = Il trasmettitore, a Cà Mori, erogava una potenza pari a 4.2 W, di cui solo 2.25 W erano irradiati dallantenna in seguito alle perdite del cavo di collegamento, quindi P = 2.25 W. R = 9 km La densità di potenza calcolata sul tetto dellIIS Maserati vale: S = P G/(4 R 2 ) = /( ) = W/m 2. Larea di cattura dellantenna ricevente vale: A R = G R 2 /(4 ) = /(4 ) = 0.55 m 2. La stima della potenza ricevuta è P R = A R S = = 17.6 nW, di cui solo 9.44 nW dovrebbero essere misurati, per le perdite del cavo. La potenza misurata valeva P R,MIS = 10.5 nW, valore molto vicino a quello stimato. P=2.25W S=32.1 nW/m 2 P R =9.44 nW P R,MIS =10.5 nW

8 Un collegamento di 55 km in visibilità, ma non in spazio libero E stato realizzato un altro collegamento radio fra lIIS Maserati di Voghera, con ancora lantenna 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 Maserati 111 mslm Castelrocchero 405 mslm R = 55 km Anche in questo caso f = MHz e = c/f = 0.69 m. Le antenne hanno ancora G = G R = 14.5, quindi A R = 0.55 m 2. Con una potenza irradiata da Castelrocchero P = 2.25 W, la densità di potenza stimata sul tetto dellIIS Maserati vale: S = P G/(4 R 2 ) = /( ) = W/m 2. La stima della potenza ricevuta è: P R = A R S = = 472 pW, di cui solo 253 pW dovrebbero essere misurati, per le perdite del cavo che collega lantenna ricevente al misuratore di potenza. La potenza misurata valeva: P R,MIS = 28.1 pW, valore nove volte inferiore rispetto a quello stimato. P=2.25W S=859 pW/m 2 P R =253 pW P R,MIS =28.1 pW Nota: un valore che risulta nove volte inferiore rispetto al previsto potrebbe risultare, a prima vista privo di senso. Nellambito delle misure radioelettriche, discrepanze che interessano anche diversi ordini di grandezza sono normali e molte volte prevedibili.

9 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 dellIIS 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; unautoradio in FM con qualche pW d-R/2 [km] y [m] IIS Maserati Cà Mori Terra (livello del mare) Profilo altimetrico

10 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 = ? Lantenna di un telefonino ha un guadagno circa unitario. Lantenna della stazione radio base ha G R 20, e può ricevere bene con P R = 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 = P R (4 R/ ) 2 /(GG R ) = 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.

11 Trasmissioni radio e ambiente Lenergia elettromagnetica irradiata da unantenna investe anche il corpo umano, con quali effetti? Valori di densità di potenza molto elevati (telefonino vicino allorecchio) 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/m 2, per frequenze comprese fra 3 MHz e 3 GHz, da ridurre 0.1 W/m 2 in abitazioni abitualmente frequentate.

12 Misuriamo lelettrosmog 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 dallantenna trasmittente, vibrano lungo direzioni ortogonali. Nel vuoto e, con ottima approssimazione, nellaria, i moduli dei due vettori sono legati dalla semplice relazione: E = HR 0 dove R 0 = 377 V/A = 377. Inoltre, S = EH = E 2 / R 0 = H 2 R 0, da cui si ricava: E = (S R 0 ). E [V/m] H [A/m] S [W/m 2 ] Direzione e verso di propagazione Al limite di 1 W/m 2, corrispondono: E = 20 V/m, H = 0.05 A/m. Al limite di 0.1 W/m 2, corrispondono: E = 6 V/m, H = 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 unantenna trasmittente: S = PG/(4 r 2 ), E = (1/r) [PGR 0 /(4 )], H = E/R 0 Il prodotto PG è denominato EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power), cioè potenza equivalente irradiata da unantenna isotropica. E = ?, H = ? r


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