Alta frequenza: frequenza tra 300 khz e 300 GHz. dell esposizione ai campi elettromagnetici emessi possono essere raggruppate nelle seguenti categorie

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1 APPLICAZIONI PIÙ COMUNI DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE AD ALTA FREQUENZA Alta frequenza: frequenza tra 300 khz e 300 GHz Le sorgenti NIR più importanti dal punto di vista dell esposizione ai campi elettromagnetici emessi possono essere raggruppate nelle seguenti categorie Macchine per trattamenti termici industriali Applicazioni biomedicali Radar, radioaiuti alla navigazione Apparati per telecomunicazioni È comunque prassi comune raggruppare le sorgenti NIR nelle bande di frequenza delle radiocomunicazioni

2 Banda di frequenza Limiti di frequenza Principali sorgenti allocate MF Da 300 KHz a 3 MHz Radio AM; Riscaldatori a induzione magnetica HF Da 3 MHz a Radiocomunicazioni 30 MHz internazionali; Riscaldatori a perdite dielettriche; Marconiterapia VHF Da 30 MHz a Radio FM; Televisione 300 MHz UHF Da 300 MHz a 3 GHz Televisione; Telefonia cellulare; Forni a microoonde; Radar per il controllo del traffico aereo; Radarterapia; Wi-fi SHF Da 3 GHz a 30 GHz Sistemi di controllo a microonde; Radar; Collegamenti da satellite EHF Da 30 GHz a Radar; Applicazioni scientifiche 300 GHz

3 Macchine per trattamenti termici industriali Questa tecnica di riscaldamento è stata utilizzata in vari processi industriali a partire dagli anni quaranta, e continua ad espandersi in vari settori dell industria d i Lo scopo di questi apparati è quello di sviluppare calore all interno del mezzo trattato. Alle radiofrequenze e alle microonde il processo di riscaldamento è particolarmente rapido (da pochi secondi ad alcuni minuti) e controllabile. Gli apparati possono essere divisi in tre categorie Riscaldatori a perdite dielettriche Riscaldatori a induzione magnetica Riscaldatori a microonde

4 Riscaldatori a perdite dielettriche Questi apparati sono impiegati per il trattamento di materiali dielettrici (legno, materie plastiche, fibre vegetali e animali). In particolare nell industria del legno sono utilizzati nei processi di incollaggio e piegatura a caldo di tavole di legno; nell industria della plastica sono impiegati principalmente nelle operazioni di saldatura. Un riscaldatore a perdite dielettriche è costituito essenzialmente da un generatore a RF e da un applicatore a condensatore. Le macchine a riscaldamento dielettrico sono allocate essenzialmente nella banda HF (3 30 MHz). La potenza del generatore va da alcune centinaia di W alle decine di kw. Il campo elettrico, la cui intensità fra gli applicatori è alta (alcune decine di kv), decade rapidamente allontanandosi dal bordo dell applicatore.

5 Per apparati non progettati e utilizzati correttamente (apposite schermature e allontanamento durante il ciclo attivo) l operatore può trovarsi esposto a livelli di campo elettrico dell ordine delle centinaia di V/m in prossimità di organi vitali (testa e ventre). Il campo magnetico è limitato alla zona intorno alle strisce di collegamento tra il generatore e l applicatore.

6 Riscaldatori a induzione magnetica Gli apparati per trattamenti termici ad induzione magnetica trovano largo impiego nell industria siderurgica (riscaldamento metalli, saldatura di tubi), nell industria elettronica e di alta tecnologia (raffinamento semiconduttori, riscaldamento sotto vuoto, produzione di fibre ottiche), nell oreficeria (fusione di metalli preziosi). Il campo di frequenza va dalle centinaia di khz a qualche MHz con una forte concentrazione nella banda da 0.2 a 0.5 MHz. Le potenze sono dell ordine di centinaia o anche migliaia di kw. Le macchine a induzione magnetica sono costituite da un generatore ad alta frequenza e da un applicatore costituito da una bobina realizzata da un tubo di rame avvolto in spire che assume forme e dimensioni diverse secondo il tipo di trattamento. tt t All interno del tubo che realizza l induttore circola l acqua del sistema di raffreddamento per smaltire il calore prodotto dalle correnti a RF che scorrono sulla superficie esterna della bobina. I campi dispersi sono confinati nelle immediate vicinanze dell induttore e decadono rapidamente

7 Riscaldamento a microonde Gli apparati per il riscaldamento a microonde si possono dividere in due classi: per uso domestico e per uso industriale. Il forno a microonde è essenzialmente costituito da un vano metallico che agisce da cavità risonante multimodo. Per rendere il più possibile uniforme la distribuzione della potenza all interno del forno si usano dei sistemi di perturbazione (mescolatori di modi) costituiti generalmente da una ventola metallica. La maggior parte di questi apparati lavora a 2450 MHz con potenze comprese tra 0.5 e 2.5 kw. Gli apparati per trattamenti termici a microonde per applicazioni industriali sono progettati per la precottura, il riscaldamento, l essiccamento e sterilizzazione di grandi quantità di materiale (anch essi funzionano solitamente alla frequenza di 2450 MHz con potenze che vanno da qualche kw a centinaia di kw)

8 I campi dispersi eventualmente prodotti da questi apparati, sia industriali sia domestici, sono dovuti a cattivo funzionamento, o a deterioramento conseguente all uso, dei sistemi di schermaggio sulle aperture di carico e scarico del materiale o sugli sportelli dei forni.

9 Applicazioni biomedicali Le utilizzazioni delle microonde e radiofrequenze in medicina si possono dividere in diagnostiche e terapeutiche. Queste ultime sono quelle più interessanti da un punto di vista protezionistico. Esse sfruttano i meccanismi di assorbimento della potenza elettromagnetica da parte dei tessuti biologici per indurre un rialzo della temperatura in una zona localizzata all interno dell organismo. Il riscaldamento elettromagnetico consente profondità di trattamento notevolmente superiori rispetto ad altre forme di riscaldamento (conduzione, radiazione infrarossa): mentre nel riscaldamento per esposizione ad una lampada all infrarosso la temperatura all interno dei tessuti decade esponenzialmente al valore fisiologico in pochi millimetri, l esposizione alle microonde permette di ottenere una distribuzione di temperatura che può interessare qualche centimetro. Le applicazioni più usuali sono la marconiterapia e la radarterapia.

10 Marconiterapia (o diatermia). È realizzata con apparati costituiti da un generatore e da una serie di applicatori. Il generatore è progettato alle frequenze di o MHz con una potenza, ceduta agli applicatori, di 400 W massimi con possibilità di regolazioni a scatti. I campi intorno agli elettrodi devono essere necessariamente molto elevati (a 15 cm di distanza da un applicatore a condensatore si possono trovare valori di 1000 V/m). Si possono avere campi elettrici convogliati, a distanza dall apparato, tramite strutture metalliche (rete di alimentazione, strutture di sostegno e altro). Spesso si possono trovare più apparati nello stesso ambiente e contemporaneamente in funzione. In queste condizioni i i gli operatori trascorrono lunghi periodi di tempo in presenza di campi abbastanza alti. Ad esempio è possibile trovare valori di circa 100 V/m sulla consolle di comando del generatore.

11 Anche i pazienti si trovano spesso ad avere parti del corpo, che non dovrebbero subire il trattamento terapeutico esposte a valori di campo eccessivi. Radarterapia. L apparato è costituito da un generatore ad onda continua che può erogare una potenza dell ordine di W alla frequenza di 2450 MHz. Gli applicatori sono antenne di varia forma e dimensione con fasci di radiazione di circa ±30 sia nel piano orizzontale che in quello verticale. I campi irradiati dall antenna sono più elevati lungo l asse. La densità di potenza misurata a circa 0.5 m nella direzione di massima irradiazione può raggiungere il valore di circa mw/cm con l apparato alla massima potenza. Tale valore diminuisce di circa un ordine di grandezza ad una distanza di 1 o 2 m.

12 Radar e radioaiuti alla navigazione Apparati usati per scopi militari che civili e ubicati in zone prevalentemente non aperte al pubblico I radar sono apparati che possono identificare la posizione di oggetti distanti dalla sorgente e si basano sulla riflessione dell onda elettromagnetica quando incontra un ostacolo I radar adottano due criteri di funzionamento: funzionamento a impulsi funzionamento Doppler

13 Funzionamento a impulsi. Si emettono pacchetti di energia a microonde (impulsi) di durata molto breve (alcuni microsecondi) e di elevata potenza di picco (1-2 MW in impianti di elevata potenza) che generano fronti d onda. Quando il fronte d onda incontra un ostacolo una parte dell energia energia viene riflessa e ritorna verso la sorgente. Il tempo T che intercorre tra l emissione di un impulso e l arrivo dell eco permette di misurare la distanza, d, tra la sorgente radar e l ostacolo (d=ct/2) Funzionamento Doppler. Emettendo un onda continua è possibile rilevare la presenza dei soli oggetti in movimento, sfruttando l effetto per il quale la frequenza dell onda riflessa da un oggetto in movimento è più alta se l oggetto si avvicina alla sorgente e più bassa se l oggetto se ne allontana. Si possono avere potenze dell ordine dei kw (radar militari) o dell ordine delle decine di mw nei dispostivi antifurto.

14 Caratteristica comune a tutti i tipi di radar è l alta direttività dell antenna che permette fasci irradiati molto stretti (dell ordine d e del grado in orizzontale o e della decina di gradi in verticale nei grossi impianti). Le densità di potenza in prossimità dell antenna può raggiungere valori più alti di quelli sulla bocca, ma queste oscillazioni non superano il valore di 4S0 (con S0 densità di potenza media sulla bocca dell antenna) e sono limitate it t alla zona di Fresnel (distanza inferiore a D 2 /λ ). A distanze superiori la densità di potenza decade con il quadrato della distanza. In condizioni di normale funzionamento inoltre la densità di potenza viene notevolmente ridotta per effetto della rotazione od oscillazione dell antenna. Il pericolo di esposizione è puramente teorico perché solo per imperizia o incidente un individuo può essere esposto al fascio principale (ad es. nella manutenzione dell antenna mentre l apparato è in funzione ma l antenna è ferma).

15 A distanze dell ordine delle centinaia di metri, anche per gli apparati più grandi, il valore della densità di potenza si riduce al valore degli standard più restrittivi. Un caso significativo è quello dell irraggiamento indesiderato dell antenna nella direzione del suolo circostante, ove possono trovarsi gli operatori. Valori che arrivano a qualche mw/cm si possono trovare a stretto contatto con l apparato dovuti all insufficiente direttività dell antenna 2 d l i Radar Meteorologico: Potenza: > 1 MW Frequenza: 2.5 GHz Diametro: 8.5 m

16 TELEFONIA CELLULARE Gli elementi fondamentali di una rete cellulare sono la BTS e la MS. (BTS Base Transceiver Station). La BTS è il mezzo di collegamento verso la rete telefonica fissa o un altro cellulare della rete radiomobile. La banda di frequenza in concessione va dagli 800 ai 1800 MHz. La potenza irradiata è al massimo di alcune centinaia di W e i valori di campo elettromagnetico decadono notevolmente già a decine di metri dall antenna. (MS Mobile Station). Nonostante le basse potenze irradiate rappresentano la sorgente più significativa sotto l aspetto protezionistico. Infatti l antenna è spesso posizionata a pochi cm dalla testa dell utilizzatore

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18 Antenne per stazioni radio base L installazione tipica delle antenne di trasmissione e di ricezione è su una struttura posta o sulla sommità degli edifici o di pali metallici ad altezza elevata rispetto agli edifici circostanti. L installazione delle antenne su un palo è a volte necessaria al fine di ridurre le interferenze del segnale prodotte dalle riflessioni. La classificazione delle stazioni radio base avviene in base al tipo di antenna utilizzato in ricezione e in trasmissione, che può essere a basso guadagno (omnidirezionale) o ad alto guadagno (a settore). Nel primo caso su ogni supporto sono disposte tre antenne (una trasmittente e due riceventi), mentre nel secondo le antenne sono montate a gruppi di 9 (si hanno tre supporti orientati rispettivamente a 120, con un antenna trasmittente e due riceventi su ciascun supporto). Due antenne in ricezione poste a una distanza prefissata permettono di aumentare il livello del segnale ricevuto secondo

19 la tecnica di collegamento in diversità spaziale: i segnali ricevuti sulle due antenne vengono opportunamente combinati ottimizzando il rapporto segnale-rumore. I diagrammi di radiazione dei due tipi di antenne sono ovviamente diversi. Le antenne omnidirezionali sono cilindriche con lunghezza in genere compresa tra i 60 e 300 cm e diametro tra i 5 e i 15 cm. La larghezza del lobo principale nel piano verticale è 60. Nel piano orizzontale la potenza è costante in azimuth.

20 Un pannello direzionale ha tipicamente le seguenti dimensioni: lunghezza tra 120 e 150 cm, larghezza tra 15 e 20 cm. Esso è costituito da un array di dipoli. La larghezza del lobo verticale è di circa 30, quella del lobo orizzontale varia a seconda dei casi (60, 90, 180 ). Altre grandezze di interesse sono il rapporto tra il livello del lobo principale e quello dei lobi secondari (di solito intorno ai 20 db) e il rapporto fra le potenze fronte/retro. La potenza massima irradiata da un pannello è in genere circa 500 W. Per quanto riguarda il campo nelle zone sottostanti le antenne, il solaio di copertura degli edifici attenua tipicamente di un fattore 10 o più. Il ddr nel piano verticale è abbastanza stretto per cui in genere risultano largamente rispettati gli standard di sicurezza. La struttura più semplice prevede solo due antenne (una per ricevere e l altra per trasmettere) di tipo omnidirezionale cilindrica. In questo caso la BTS si trova quindi al centro della zona che copre. Questa soluzione è usata per zone a bassa intensità di traffico, ad esempio autostrade o zone rurali vaste e pianeggianti.

21 Esempio. Un antenna tipica per telefonia cellulare è costituita da un array di dipoli lungo D=1.5 m che trasmette ad una frequenza intorno ai 950 MHz, da cui si ricava una lunghezza d onda d λ= m. Illi limite it inferiore i di campo lontano risulta quindi: 2 D λ 2 14 m

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23 Confronto GSM/UMTS con colocazione dei siti 3 antenne Kathrein Frequenza: 2110 MHz EIRP: 60.1 dbm Tilt: 2

24 Caratteristiche del campo irradiato da una BTS I risultati teorici noti per irradiazione nello spazio libero non sono ovviamente sufficienti. Analisi condotte su raggio di un 1 km per irradiazione ione da antenne per stazioni radiobase collocate su edifici di dimensioni variabili (in particolare altezza) consentono l individuazione di tre regioni: 1. Una prima regione, indicata come zona d ombra, per la quale è assente il contributo diretto del campo e la presenza di quest ultimo ultimo è legata esclusivamente a fenomeni diffrattivi: il modulo del campo tende ad aumentare all avvicinarsi del confine di tale regione, con andamento reso più o meno complicato dalla presenza o meno di contributi da più spigoli;

25 2. Una seconda regione, illuminata dai raggi diretti, per la quale il campo totale è il risultato della composizione di più contributi diretti, riflessi e diffratti: l andamento del modulo, che risente fortemente del modello scelto per l analisi, presenta complesse fluttuazioni dovute ai meccanismi di somma e opposizione di fase. In generale non è possibile affermare che a distanze maggiori dalle sorgenti si riscontrino valori minori di modulo del campo; 3. Una terza regione, avente origine a distanze non inferiori a circa 100 m dalla struttura, dove gli andamenti del modulo del campo, per i quali i contributi per diffrazione sono trascurabili, risultano più regolari e tendenti a valori progressivamente più bassi, sebbene a tale decadimento si oppongano i valori maggiori di direttività per l antenna. Talvolta le antenne sono leggermente inclinate verso il basso, cosicché la direzione di massima irradiazione non è parallela al suolo e, oltre ad illuminare meglio la cella, si può limitare l interferenza con le antenne BTS adiacenti.

26 Osservazioni condotte lungo linee verticali all aumentare della quota, indicano in generale per il modulo del campo valori massimi in corrispondenza di quote prossime a quelle della sorgente, date le minori traiettorie percorse dai raggi diretti ed i valori maggiori di direttività per l antenna. Anche qui i meccanismi di composizione di più contributi del campo in fase e opposizione di fase (in particolare per la presenza del campo riflesso) rendono non facilmente prevedibili le valutazioni puntuali del modulo. Riflessioni o rifrazioni su dielettrici,,piuttosto che su superfici perfettamente conduttrici, smorzano le fluttuazioni dei valori del modulo del campo, e pertanto, osservazioni condotte in presenza di sole superfici metalliche, forniscono margini superiori e inferiori per indicazioni relative rispettivamente alla verifica del rispetto delle normative di sicurezza e dei problemi di copertura del segnale elettromagnetico.

27 La MS: I livelli di emissione Il telefonino emette un campo elettromagnetico sia durante la fase di stand-by sia durante la conversazione. Quando è attivo (stand-by) b)invia i con continuità un debole segnale di riconoscimento alla rete, una sorta di collegamento invisibile che lo rende immediatamente rintracciabile. Durante la conversazione aumenta l emissione di campi elettromagnetici ad alta frequenza che è concentrata soprattutto in prossimità dell antenna. Una peculiarità delle MS è costituita dalla capacità di variare la potenza irradiata sul canale radio in modo dinamico su 18 livelli con passo 2 db a partire dal valore massimo per la classe di appartenenza, al fine di poter mantenere in ogni istante la potenza di trasmissione ottimale, limitando così le interferenze cocanale indotte su celle adiacenti e riducendo i consumi sul terminale. La MS misura l intensità e la qualità del segnale, e trasferisce queste informazioni alla stazione base (attraverso un canale di controllo) che decide se e quando cambiare il livello di potenza. Dato che l apparecchio, e soprattutto le antenne

28 dei telefonini attualmente in uso, sono tenute vicino alla testa, è in questa parte del corpo che avviene l esposizione maggiore ai campi elettromagnetici. Le numerose misure effettuate in prossimità di differenti esemplari hanno mostrato un emissione di intensi valori di campo elettrico, localizzato soprattutto alla sommità dell antenna e alla sua base.

29 Il sistema Wi-fi Il sistema Wi-Fi (Wireless Fidelity) nasce alla fine degli anni novanta come estensione delle normali reti LAN via cavo per fornire la possibiltà di connessioni senza filo a breve raggio. Non è necessaria alcuna autorizzazione se la rete è implementata in luogo privato. Questo aspetto insieme a un costo contenuto ha favorito una larga diffusione del Wi-Fi, soprattutto nelle reti di piccole dimensioni. Consente, infatti, con un unico punto di accesso, di poter collegare un certo numero di utenti senza ricorrere a scomodi cavi. Questa tecnologia è stata incorporata nei computer di tipo portatile permettendo un facile allaccio alla rete, con la comodità di non dover essere fisicamente vicini ad una presa di connessione.

30 L'implementazione di una rete wireless prevede l'uso luso di due dispositivi: l'access point (AP) e la scheda di rete Wi-Fi. L'AP è un sistema indipendente, collegabile ad una normale rete Ethernet e spesso dotato anche di un modem ADSL per l'accesso a Internet. t Le schede consentono la connessione del PC con la rete wireless Lo standard b Questo standard prevede 14 possibili canali di larghezza 22MHz spaziati di 5Mhz.

31 Altre applicazioni Sistemi i antifurto t Barriere a microonde Impianti antitaccheggio Varchi magnetici

32 I sistemi antifurto, hanno il principio di funzionamento identico al radar, dato il basso livello di potenza e il basso guadagno dell antenna, producono nell ambiente circostante livelli di densità di potenza trascurabili che diminuiscono, allontanandosi dalla sorgente, con il quadrato della distanza. Ad esempio un antifurto tipico può produrre sulla superficie dell antenna valori di densità di potenza 2 di 1 mw/cm che a 10 cm di distanza scende a 2 10 W/ cm. Le barriere a microonde si basano sull interruzione di un collegamento direttivo tra un trasmettitore e un ricevitore. Sono preferite alle cellule fotoelettriche in tutti quei casi in cui è richiesta alta insensibilità ad agenti atmosferici. Anche in questo caso i livelli di densità di potenza irradiati nell ambiente circostante t sono 2 dell ordine delle decine di mw/cm e si trovano localizzati solo nello spazio intermedio tra le due antenne. Ad esempio nella zona intermedia tra le due antenne di una barriera a microonde di una stazione di pedaggio autostradale si 2 sono misurati livelli massimi di 50 μw/cm

33 I varchi magnetici sono dei sistemi che permettono il controllo automatizzato degli accessi attraverso una lettura a distanza di una tessera magnetica. Una o più bobine inserite nelle pareti del varco generano nell area di attraversamento un campo magnetico variabile a una frequenza determinata (120 khz). Durante il passaggio una piccola antenna inserita nella tessera di riconoscimento personale si accoppia a tale campo, attivando un circuito elettronico miniaturizzato inserito nella tessera. Il circuito emette a sua volta una serie di impulsi codificati, tipici di ogni tessera, che vengono captati ti da un antenna ricevente alloggiata nel varco e riconosciuti da un sistema di elaborazione connesso a quest ultima. A seguito di una verifica in tempo reale, il sistema di controllo fornisce il consenso al passaggio, oppure attiva un dispositivo di blocco o di allarme. Per attivare il piccolo circuito elettronico della tessera sono necessari campi sufficientemente intensi ai quali una persona può essere esposta anche più di una volta al giorno

34 Simili ai varchi magnetici (stesso principio di funzionamento ma diversa frequenza) sono gli impianti antitaccheggio diffusi nei supermercati e in molti altri negozi. Tutti gli impianti antitaccheggio sono costituiti da: a) due pannelli rilevatori (Tx e Rx) o un solo pannello ricetrasmittente; b) etichette antitaccheggio da applicare sui prodotti da proteggere; c) distaccatori t i o disattivatori t i per l annullamento ll delle etichette. Le frequenze degli impianti più utilizzati vanno dalle frequenze medie (khz) fino alle alte frequenze (Mhz). Non si conosce al momento con precisione quale sia il livello di campo elettromagnetico emesso da questi apparati dato che la maggior parte delle misure sono state effettuate solo dalle ditte costruttrici. È soprattutto il personale alle casse che lavora in prossimità di tali dispositivi che può subire un esposizione significativa