Immersi nei campi. Prof. Michele D Amico

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1 Immersi nei campi Prof. Michele D Amico

2 Struttura della presentazione 2 Elettromagnetismo e radiazione I sistemi wireless (radio) Wide Area Network (reti cellulari, ecc.) Local Area Network (Wi-Fi, reti autonomiche) Personal Area Network (Bluetooth, Zigbee, UWB, IrDA) Radio Frequency Identification (RFId) Il futuro prossimo Aspetti sanitari e protezionistici

3 3 Elettromagnetismo e radiazione

4 Il Campo Elettrico 4 Il Campo Elettrico E è una forza generata da cariche elettriche (sia stazionarie che in moto), capace di generare a sua volta delle azioni a distanza sulle cariche elettriche (elettroni e protoni) di cui è costituita la materia Cariche dello stesso segno si respingono, di segno opposto si attraggono

5 Il Campo Magnetico 5 Il Campo Magnetico H è una forza generata da correnti elettriche (cioè da cariche in moto) nei circuiti Se le correnti sono continue (non cambiano nel tempo) anche il campo H è statico (ad es. il campo magnetico terrestre) Le forze che si generano tra circuiti sono simili a quelle che obbligano l ago della bussola ad orientarsi verso nord

6 Il Campo Elettromagnetico 6 Se le correnti sono variabili nel tempo (ad es. corrente alternata sinusoidale) si generano un campo magnetico H ed un campo E variabili nel tempo che si sostengono a vicenda Nasce il Campo Elettromagnetico

7 Onde elettromagnetiche 7 Un onda elettromagnetica è composta da un campo elettrico ed un campo magnetico che si supportano a vicenda Un onda elettromagnetica è in grado di trasportare energia nello spazio (anche vuoto) All onda che viaggia viene aggiunta l informazione (modulazione) che si desidera trasportare Sarà compito del ricevitore estrarre l informazione dall energia ricevuta

8 Proprietà delle onde EM (radio) 8 Frequenza (numero di oscillazioni al secondo) MHz: milioni di oscillazioni al secondo GHz: miliardi di oscillazioni al secondo Polarizzazione (orientazione del campo elettrico) Potenza trasportata Modulazione (modo in cui l informazione è aggiunta) Modulazione di ampiezza (AM) Modulazione di frequenza (FM) Modulazioni digitali

9 Modulazione 9 Modulazione di Ampiezza Modulazione di Frequenza

10 Lo spettro elettromagnetico 10

11 11 Struttura di un sistema wireless (radio)

12 Struttura di un sistema wireless 12 Un sistema wireless è composto (almeno) da Un trasmettitore Un antenna trasmittente Fonte di alimentazione per il trasmettitore Un ricevitore Un antenna ricevente Fonte di alimentazione per il ricevitore

13 Trasmettitore 13 Compito del trasmettitore è: Generare un segnale alla frequenza desiderata Sovrapporre al segnale l informazione (modulazione) Amplificare il segnale modulato fino ai livelli di potenza richiesta con la massima efficienza possibile Parametri del trasmettitore: Frequenza di lavoro (banda) Modulazione o standard di trasmissione Potenza in antenna (consumi energetici) Tipologia di antenna (interna / esterna)

14 Ricevitore 14 Compito del ricevitore è: Amplificare il debole segnale ricevuto dall antenna Estrarre l informazione dal segnale (de-modulazione) Controllare la correttezza dell informazione (disturbi, interferenze, tentativi di hacking, ecc.) Agire in base al contenuto ricevuto Parametri del ricevitore: Frequenza di lavoro (banda) Modulazione o standard di ricezione Sensibilità Tipologia di antenna (interna / esterna)

15 Antenne 15 Le antenne sono trasduttori: convertono l energia elettromagnetica dalla forma guidata a quella radiata. Sono normalmente dispositivi passivi: non possono generare potenza I parametri più importanti: Banda di funzionamento (MHz) Guadagno (db) Larghezza del fascio (gradi) Potenza sopportabile, intermodulazione, ecc.

16 Fonti di alimentazione 16 Se c è accesso alla rete elettrica non c è problema I dispositivi portatili o mobili utilizzano batterie Può essere conveniente alimentare a batteria anche dispositivi fissi (niente cablaggi) La durata delle batteria è critica; occorre ottimizzare: Potenza trasmessa Capacità di calcolo Tempo di veglia dei terminali

17 Energia: il futuro prossimo 17 MEMS Estraggono energia da luce, calore, vibrazioni MEMS on-chip producono oggi fino a 8 mw E realistico arrivare fino a 50 mw continui Micro generatore termoelettrico (ETH) Genera 100 µw/cm 2 con T=5 K; realizzato per deposizione elettrochimica di Cu e Ni Generatore MEMS (MIT) Le vibrazioni meccaniche sono convertite in energia elettrica utilizzando un condensatore variabile MEMS (1.5 x 0.5 cm)

18 18 Reti Wireless

19 Passato, presente e futuro 19 Fino alla metà degli anni 80 (circa) la radio era utilizzata principalmente per: Diffusione radio-televisiva (broadcasting) Trasporto a media e lunga distanza (ponti radio a microonde per telefonia, ecc.) A partire dalla metà degli anni 80: Il trasporto è diventato marginale rispetto all accesso (breve distanza) L accesso sta comprimendo anche la diffusione

20 Reti wireless 20 WWAN (Wireless Wide Area Network) Copertura regionale, nazionale o sovranazionale WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Copertura cittadina WLAN (Wireless Local Area Network) Copertura locale (un edificio, un gruppo di stanza) WPAN (Wireless Personal Area Network) Copertura personale (fino a 10 metri) RFId (Radio Frequency Identification)

21 Mappa dei sistemi wireless 21

22 WWAN: Reti 3G e 3.5G (cellulari) 22 Sono reti costituite da: Stazioni radio base Terminale di utente (cellulari) Caratteristiche: Frequenze: 900 MHz, 1800 MHz Potenze: Stazione radio base: circa 40 W Terminale utente: 2 W massimo Capacità 3.5G: fino a 42 Mb/s in downlink e 5,7 Mb/s in uplink

23 WWAN: Reti 3G e 3.5G (cellulari) 23 Umano umano Voce Messaggi multimediali Videocall Umano macchina Accesso ad Internet Personal banking Shopping Servizi location-based Accesso alle informazioni Intrattenimento

24 WLAN: Wi-Fi (e sue variazioni) 24 Sono reti costituite da: Un hub di accesso (router) Terminali (client WiFi) Caratteristiche: Frequenze: 2,4 GHz, 5,5 GHz Potenza: circa 0,1 W (100 mw) Portata: fino a 100 metri Capacità: fino a 300 Mb/s (standard n)

25 WPAN: Bluetooth 25 Sono reti costituite da: Un master (server) Uno o più slave Caratteristiche: Frequenza: 2,4 GHz Potenza: circa 0,01 W (10 mw) Portata: fino a 10 metri Capacità: qualche Mb/s

26 WPAN: Zigbee 26 Sono reti ad-hoc costituite da: Nodi coordinatori (ZC) Nodi router (ZR) Nodi terminali (ZED) Caratteristiche: Frequenza: 868 MHz, 2,4 GHz Potenza: inferiore a 0,01 W (10 mw) Portata: qualche decina di metri Capacità: da 20 a 200 kb/s

27 Topologia di rete ZigBee 27 Stella Albero a cluster Mesh ZC / Coordinatore ZR / Router ZED / Terminale

28 Radio Frequency Identification 28 Il modello di trasmissione richiede due diversi dispositivi: Reader Tag Composto generalmente da: Modulo RF e mod/demod Memoria interna Unità di processing Logica di controllo e algoritmo di anticollisione Batteria o interfaccia per rete elettrica Interfaccia per trasmettere i dati letti Composto generalmente da: Modulo RF Circuito per estrarre energia (passivi) o batteria (attivi) Memoria E 2 PROM per memorizzare l ID Logica di controllo e algoritmo di anticollisione (sensori) (unità di processing)

29 RFId: bande e portata 29 Frequenza Distanza tipica Accoppiamento Note 125 khz 1-5 cm Induttivo Antenna con molti avvolgimenti MHz cm Induttivo 5 avvolgimenti nel formato carta di credito MHz 2-12 m Elettromagnetico Semplice dipolo 2450 MHz 1-2 m Elettromagnetico Semplice dipolo La distanza massima di lettura è calcolata con una potenza massima di 4W EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)

30 RFID impiantato su mano umana 30 L utente: Apre la porta di casa Apre l autovettura Accede al suo computer

31 Il futuro (molto prossimo) 31 Reti radiomobili di quarta generazione Altissima velocità per applicazioni nomadiche e mobili Ultra-Wide Band a 60 GHz Reti autonomiche wireless Autonomamente controllate, auto-organizzanti, distribuite (reti di sensori, reti veicolari, ecc.) Internet degli oggetti Identificazione a RF (RFID) pervasiva Sensori e RFID Applicazioni innovative anche per la salute umana

32 Mobile di quarta generazione (4G) 32 Elevata velocità: 1 Gb/s "nomadico" (dispositivo mobile stazionario) 100 Mb/s in piena mobilità I terminali 4G sono nodi Internet Celle radio base innovative celle outdoor, simili alle stazioni base attuali celle indoor (a casa, in ufficio, ecc.) celle mobili all'interno di veicoli (auto, treni, aerei, ecc.) Integrazione con i sistemi di navigazione (GPS 3, Galileo)

33 Reti UWB 33 Sono reti a corto raggio e alta capacità Diversi standard in competizione tra loro (IEEE ad, WirelessHD) Caratteristiche: Frequenza: 60 GHz Portata: 10 metri, se in visibilità Capacità: fino a 7 Gb/s

34 34 Aspetti sanitari e protezionistici

35 Elettrosmog? 35 Esistono numerose sorgenti naturali di campo elettromagnetico: la Terra (campo magnetico), il Sole (campo EM), la Galassia (campo EM) Si parla di inquinamento perché le sorgenti artificiali dei campi elettromagnetici sono in genere molto più intense di quelle naturali In alcuni casi le sorgenti artificiali emettono campi elettromagnetici come scarti (elettrodotti), in altri devono farlo per poter funzionare (cellulari, TV )

36 Sorgenti artificiali 36 A basse frequenze troviamo gli elettrodotti, che servono a trasportare energia elettrica Gli elettrodotti generano campi elettrici e magnetici; solo i campi magnetici sono inquinanti, perché i campi elettrici sono in pratica schermati da qualsiasi materiale

37 Sorgenti artificiali 37 Alle alte frequenze troviamo numerose sorgenti di campo elettromagnetico: radio AM ed FM, TV, stazioni per cellulari e cellulari, ponti radio, radar, ecc.

38 Effetti termici 38 L interazione avviene tramite le forze esercitate dai campi elettrici e magnetici sulle cariche presenti nei tessuti organici Le cariche tendono a muoversi, ma vengono ostacolate dalla resistenza offerta dai tessuti Ciò si traduce in ultima analisi in un riscaldamento dei tessuti organici (effetto termico) Se il sistema termoregolatore non è in grado di compensare tale riscaldamento, nell organismo si produce un danno

39 Effetti termici penetrazione 39 Profondità di penetrazione in un dielettrico con permittività pari a quella media del corpo umano (Durney et al., 1986)

40 Effetti termici esempio 40 Aumento della temperatura in una testa umana esposta a un cellulare operante a 1900 MHz, su celle cubiche di 3mm o mediato su 1 g; vista frontale N.B: 1 C=SAR 4 W/kg mediato su 10g

41 Effetti termici conclusioni 41 L esposizione di un soggetto umano a un segnale a radiofrequenza comporta un assorbimento di energia in quest ultimo L assorbimento di energia è fortemente disomogeneo e variabile con la frequenza a causa della meccanica dell interazione L assorbimento di energia è limitato ai tessuti superficiali per segnali oltre alcuni GHz L effetto è il riscaldamento dei tessuti interessati, compensato dal sistema termoregolatore corporeo (circolazione)

42 Non termici - introduzione 42 Le interazioni fin qui viste provocano, in ultima analisi, un aumento della temperatura nei tessuti Quando tale aumento supera le capacità di compensazione dell organismo, quest ultimo subisce un danno Alcuni studi hanno evidenziato la possibilità che anche intensità di campo non in grado di produrre un riscaldamento misurabile possano provocare effetti biologici Questi ultimi sono gli effetti biologici non termici

43 Effetti non termici 43 Meccanismi noti: Effetti non termici a medio-alta potenza (microwave hearing) Effetti in corso di studio i cui meccanismi sono ignoti: Effetti non termici a bassa potenza (genotossicità, effetti funzionali su sistemi sensoriali, sistemi cerebrali superiori, sistemi cognitivi) Tumori e cancerogenesi (leucemia infantile, neurinoma dell acustico)

44 Non termici - meccanismi 44 Con quali meccanismi potrebbero verificarsi gli effetti non termici? Le radiazioni NIR non hanno energia sufficiente a rompere neppure i più deboli legami chimici, pertanto non possono danneggiare direttamente il DNA Al momento attuale sono accertati solo gli effetti dei campi magnetici a bassa frequenza (rete ad alta tensione)

45 Normativa - Limiti di base 45 La norma si basa sui soli effetti termici (acuti) Numerosi studi hanno permesso di definire i valori di soglia di J, SAR, S per i quali si verifica un danno di tipo termico Queste sono grandezze riferite alle condizioni interne al corpo umano, e pertanto misurabili solo in laboratorio Dividendo tali valori di soglia per un adeguato fattore di sicurezza (compreso fra 5 e 10), si ottengono i Limiti di Base (sempre interni)

46 Normativa- Livelli di riferimento 46 Il campo EM esistente all esterno del soggetto viene invece descritto da altre grandezze, quali: Campo Elettrico E Campo Magnetico H Densità di Potenza incidente S Grandezze interne ed esterne vengono correlate tramite la Dosimetria I Limiti di Base (interni) sono quindi convertiti nei corrispondenti Livelli di Riferimento di E, H ed S (esterni)

47 47 La ricerca nell ambito dei Campi EM

48 Argomenti di ricerca caldi 48 Antenne intelligenti (riconfigurabili) Radiopropagazione ad altissima frequenza Nano-antenne e nano-dispositivi Effetti biologici dei campi elettromagnetici Sviluppo di dispositivi elettronici ad altissima frequenza e basso consumo

49 Grazie per l attenzione! 49 Contatto: Prof. Michele D Amico - DEIB michele.damico@polimi.it