10-11-2001

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Desidererei approfondire le differenze essenziali tra la telefonia GSM e quella E-TACS. In una precedente risposta, in modo troppo generico a mio avviso, avete detto che la potenza di trasmissione in gioco nelle SRB è la stessa, ma viene trattata in mdo diverso, massima potenza in trasmissione per l'E-TACS, variazione dinamica a secondo della rischiesta per il GSM. Ma quanto è tale potenza in trasmissione(intorno ai 50W?)? Le antenne (dipoli) di ultima generazione, come sono fatte al loro interno? Sono ripiegati a 45° e in che modo? Inoltre, per distanze molto piccole, tipo qualche centimetro o addirittura millimetri (come nel caso dei terminali appoggiati alla testa) come si calcola il Campo Elettrico relativo? Se dovesse essere proporzionale all'inverso della distanza 1/d, sarebbe enorme! Complimneti e grazie. A presto.

(risponde Gianfranco Verbana)

E-TACS –GSM

In una precedente risposta scrissi che il valore medio della potenza fornita al sistema radiante, delle stazioni radio basi (RBS) per uso telefonia mobile, è dell’ordine di 30 Watt.Il valore in assoluto di tale potenza, dipende da molte cause: dimensioni della cella, posizione orografica, diagramma di radiazione dell’antenna (circolare a basso guadagno o direttiva ad alto guadagno).

Nei sistemi radio e TV per aumentare il bacino d’utenza, talvolta ci si spinge verso un aumento indiscriminato delle potenze. Nella telefonia mobile è l’opposto, per aumentare il numero di conversazioni, in una determinata area occorre ridurre la potenza, poiché necessita ridurre le dimensioni delle celle per riusare le stesse frequenze (lo spettro è limitato) aumentando il numero delle stazioni radio base sul territorio. Vi sono situazioni impiantistiche dove la potenza non può superare una decina di Watt, altrimenti si provocano malfunzionamenti causati da interferenze cocanali (stesso valore di frequenze) verso celle limitrofe.

In base alle considerazioni esposte, vi sono, in Italia, impianti E-Tacs che utilizzano potenze minime di 9 Watt e GSM che utilizza potenze massime di 60/80 watt e viceversa.

Maggiore è la densità di RBS, minore è la potenza trasmessa ed è probabile che la frequenza massima della distribuzione gaussiana, sul territorio nazionale, verso i valori bassi di potenza sia a favore del GSM. (E-Tacs è in obsolescenza).Nel prossimo sistema UMTS, di terza generazione, per riusare le frequenze, e permettere di trasferire una notevole velocità di trasmissione (500Kbit/s), le dimensioni delle celle sono dimezzate rispetto al GSM. La massima potenza trasmessa è dell’ordine di 20W.

Il fatto che nei sistemi, GSM, la stazione base tenga conto di ridurre in tempo reale, la potenza emessa fino al più piccolo valore in grado di assicurare una soddisfacente qualità del collegamento, non cambia in sostanza l’ordine di grandezza dei valori di potenza trasmessa.

Si tenga presente che per raddoppiare il valore del campo elettrico ad una qualsiasi prefissata distanza da una sorgente radiante, necessita quadruplicare la potenza trasmessa. Passare da 30 a 50 Watt il campo elettrico s’incrementa di 1,29 volte. (vedi appendice)

Il beneficio della riduzione di potenza, nei sistemi GSM, ai fini di un’esposizione ai campi elettrici, non è sul valore emesso da una RBS, ma molto importante, dal valore di potenza emesso dal telefonino appoggiato alla testa che varia da 600 a 125 mW. In condizioni di collegamento favorevole, il campo elettrico si dimezza rispetto ai sistemi analogici a potenza fissa.

Antenne radio basi

Scopo di un’antenna di trasmissione è irradiare la potenza trasmessa nella direzione voluta.Importante per un’antenna di trasmissione è il diagramma di radiazione in base agli obiettivi che si vogliono raggiungere.

Nel caso dei sistemi cellulari, per non disperdere la potenza irradiata verso il cielo o verso il suolo, il diagramma di radiazione deve essere a forma circolare sul piano orizzontale (360°), pressoché isotropico. Invece, sul piano verticale l’antenna emette un fascio d’irradiazione con angolo d’apertura che tipicamente varia da qualche grado ad una decina di grado.Ciò vuol dire che se l’antenna è sufficientemente alta, rispetto al terreno, attorno al traliccio si crea una zona d’ombra quasi estesa. La forma volumetrica, dello spazio dove si vuole irradiare, alla stessa distanza, la medesima densità di potenza è del tipo toroidale. ( pensa la forma di una gomma di una ruota d’auto disposta orizzontalmente.)

Questo tipo di diagramma di radiazione, non può essere ottenuto da una singola antenna, ma da un sistema di dipoli (Array) aventi settori con 120 gradi d’apertura.

In un medesimo sito sono collocati tre antenne con struttura a triangolo disposte a triplette sui lati. ( si ottiene una struttura a trifoglio, che garantisce sul piano orizzontale una copertura di 360°.) Il guadagno (vedi 5 in appendice) di questa soluzione d’antenne è circa 1,5/2.

Vi sono situazioni impiantistiche dove non si vuole irradiare a 360°, ma si vuole ottenere un fascio più stretto.In questo caso, il guadagno del sistema d’antenna aumenta.In territorio italiano, a tutto oggi, il massimo guadagno, usato è di 63.

Maggiori dettagli sulle architettetture meccaniche e disposizioni su questi tipi array sono facilmente rintracciabili in Internet.

Inoltre, ……. terminali appoggiati alla testa.. come si calcola il Campo Elettrico relativo?

Lo stilo sui cellulari è un monopolo a polarizzazione verticale, risonante ad ¼ di l’l (in molti modelli, per motivi dimensionali, l’antenna è accorciata aggiungendo un’induttanza).

Quest’antennino è sede d’onde stazionare (tensioni e correnti).All’estremo, abbiamo un “nodo” di corrente (zero, nessuna carica elettrica) ed un “ ventre “ di tensione (massimo) mentre sul connettore d’attacco al corpo del telefonino, abbiamo corrente massima (ventre) e tensione quasi nulla (nodo).

Sempre in una situazione ideale, in pratica tutta la potenza massima fornita allo stilo è irradiata, perdite zero, il valore massimo del ventre di tensione e corrente è dato da:

Nell’immediata vicinanza di un antennino cellulare, fino a circa un decimo della lunghezza d’onda, (3,3 cm nel caso di 900Mhz e 1,6 cm per 1800Mhz), il campo elettrico e magnetico è scorrelato e decadono con il cubo della distanza.

In questa zona denominata dei “campi reattivi “i campi si comportano quasi come nel caso statico.In linea di principio, per il calcolo del campo elettrico, si potrebbe usare la legge di Coulomb, simulando il sistema con due cariche poste in uno spazio definito od il teorema di Gauss dove la densità di carica è distribuita in un determinato volume.Questo percorso è molto insidioso e pieno di trabocchetti ai fini di un risultato che assomigli alla realtà.Il problema è modellizzare la distribuzione stazionaria variabile nello spazio, di un monopolo a 900 Mhz, in densità di cariche elettriche in altre parole definire tutte le condizioni al contorno.

La stessa misura non è attuabile con i classici misuratori di campo, utilizzabili da distanze minime di una lunghezza d’onda, (campo lontano).La misura del campo elettrico vicino su monopoli, attorno al Ghz, richiede strumenti particolari e conoscenze tecniche non comuni per gli operatori. I sensori debbono separare senza errori il campo elettrico da quello magnetico. Inoltre il campo reattivo, quando avviciniamo lo stilo alla testa, risente di fenomeni d’accoppiamento, cambia radicalmente, in base al tipo di bipolo equivalente accoppiato.

La valutazione di pericolosità a distanze di millimetri, si affronta con metodi di dosimetria, numerica e sperimentale: da un lato, si calcola il SAR, (Specific Absortion Rate, potenza assorbita dai tessuti per unità di massa) medio e di picco, nella testa di un utilizzatore, mediante metodi numerici di simulazione automatica, quali FDTD (Finite Differences Time Domain) e MoM (Method of moments) al variare delle condizioni d’esposizione; dall'altro, mediante esperimenti di laboratorio, si effettuano misure di SAR su fantocci dielettrici equivalenti, cioè fantocci che rappresentino, dal punto vista delle costanti dielettriche, tessuti reali.Il campo elettrico vede la nostra testa, come un insieme di resistori e condensatori.

I valori massimi d’intensità del campo elettrico, dei sistemi radio, definiti nelle numerosissime normative, sono sempre riferiti ad un’onda elettromagnetica.

Utilizzando l’espressione (6), otteniamo un valore di campo elettrico, alla distanza l per 0,6 Watt trasmessi ed un guadagno di stilo di 1,3 (in realtà molti antennini non hanno guadagno ma solo perdite) di 28.5 V/m per 1800MHz e 14,7 V/m per 900 Mhz.

Gli elevatissimi valori di campo elettrico che si ottengono, utilizzando erroneamente l’espressione 6, dei “campi lontani” a distanza di millimetri, dove il campo elettromagnetico non si è formato, non hanno nessun significato fisico.

Per tutto ciò che riguarda le problematiche dello scenario “Elettrosmog” rimando, alle brillantissime risposte del superesperto Daniele Andreuccetti che troverai sul nostro sito.

Appendice

Calcolo del campo elettrico causato da un’onda elettromagnetica nello spazio libero.

A distanze inferiori, dalla sorgente, di un decimo di l’l il campo è prevalentemente reattivo.

A distanze superiori tutta la struttura (campo magnetico ed elettrico variabile nel tempo) incomincia a formare l’affascinante processo di radiazione.La distanza minima, dalla sorgente, per la quale il campo è sicuramente solo ed esclusivamente elettromagnetico e si configura con tutte le sue proprietà, è di una lunghezza d’onda,

Nei sistemi dove le dimensioni delle antenne, normalmente del tipo parabolico, sono maggiori della lunghezza d’onda, la distanza minima del campo lontano è uguale al quadrato del diametro effettivo (non geometrico) dell’antenna diviso l’l (zona di Fraunhofer)

Da questa distanza minima, denominata zona d’inizio dei campi lontani, l’onda si propaga a distanza indefinita dall’antenna.Il valore del campo elettrico (V/m) si dimezza al raddoppio della distanza.

Nonostante, tantissimi anni d’attività nel settore wireless, rimango ancora incantato al pensiero che l’ampiezza di un segnale radio, trasmesso nello spazio, ai confini del nostro sistema solare (4 ore luce) abbia solo metà ampiezza del valore del segnale (V/m) presente su Giove (2 ore luce). La perdita maggiore è totalmente nei primi metri, poi non si perde quasi nulla. Scusa la parentesi e allego ,in forma sintetica,il percorso per ricavare la relazione matematica che permette di determinare il valore del campo elettrico,nello spazio vuoto, ad una distanza dalla sorgente

Il mezzo nel quale avviene la propagazione dell’onda elettromagnetica nello spazio libero è caratterizzata da tre parametri:

Costante dielettrica, Faraday/metro
Permeabilità magnetica ,Henry/metro

Conduttività elettrica , Siemems/metro

Un mezzo è omogeneo se ha gli stessi valori in ogni punto, è normale se tale valore rimane costante nel tempo è isotropo se le sue proprietà vettoriali sono le stesse in ogni punto.

Un mezzo omogeneo, normale e isotropo particolare è lo spazio vuoto per il quale si ha:

L’impedenza caratteristica del mezzo è espressa da:

Un onda elettromagnetica trasporta energia, densità di potenza, (potenza per unità di superficie del fronte d’onda) ed è proporzionale al prodotto dell’intensità di campo elettrico e magnetico.Nota l’impedenza del mezzo, la densità di potenza può essere ricavata da:.

Che nello spazio vuoto diventa:

Essendo,q,j , gli angoli di radiazione dell’antenna sul piano orizzontale e verticale.Nel caso d’antenna isotropica, che irradia uniformemente in tutte le direzioni la potenza di trasmissione P ,la (2) diviene:

Essendo S la superficie del fronte d’onda sferico a distanza r dal punto d’ irradiazione.

Dal confronto tra (2) e (4) scaturisce il concetto di guadagno, G, di un’antenna:

Introducendo la (3) nella (5) si ricava per lo spazio vuoto privo di perdite, noto il guadagno G e la potenza fornita all’antenna, P (W), l’espressione del campo elettrico, E (V/m) a distanza r nella direzione q,j:

La presenza dell’atmosfera con tutte le sue implicazioni climatiche a secondo del valore della frequenza trasmessa e dell’angolo di radiazione dell’antenna fanno sì che lo spazio libero reale perda le caratteristiche d’omogeneità, normalità e isotropia.

Nel caso particolare delle frequenze utilizzate per la telefonia 900 e 1800 Mhz, in assenza di riflessioni e ostacoli assorbenti cioè in completa visibilità ottica, possiamo considerare, senza commettere grossi errori, lo spazio reale come spazio vuoto.