Progetto e realizzazione di una cella per GTEM esperimenti dosimetrici

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1 32 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N.2 LUGLIO 2005 Progetto e realizzazione di una cella per GTEM esperimenti dosimetrici G. Calò, A. D Orazio, M. De Sario, L. Mescia, V. Petruzzelli 1, F. Prudenzano 2 Abstract A suitably designed version of a GTEM cell to be used in in vitro dosimetric experiments is proposed. In particular, the main requirements linked to biological experiments have been accounted by assuring controllable distribution of the electromagnetic field and suitable temperature and humidity environment inside the GTEM cell in order to allow the survival of the biological sample. The fabricated GTEM cell has been characterized by measuring both the Standing Wave Ratio (SWR) and the outside radiating power in order to verify the impedance matching condition and the electromagnetic shielding of the structure, respectively. The feasibility of the GTEM cell used as dosimetric site has also been investigated by calculating the internal electromagnetic field and the corresponding Specific Absorption Rate (SAR). I. INTRODUZIONE Lo studio degli effetti biologici dei campi elettromagnetici (e.m.) desta grande interesse per la crescente diffusione di sorgenti elettromagnetiche, quali antenne per telefonia cellulare e sistemi di comunicazione wireless, che contribuiscono all aumento dei livelli di esposizione dell uomo ai campi elettromagnetici e generano una percezione del rischio degli eventuali danni. Nonostante la grossa mole di lavoro svolto, oltre pubblicazioni sull argomento, la comunità scientifica è ancora fortemente impegnata nello studio dei meccanismi di interazione tra le onde elettromagnetiche e la materia vivente in quanto, a tutt oggi, non si ha conoscenza completa e definitiva degli effetti biologici dei campi elettromagnetici. A tal fine, sono necessari esperimenti per stabilire gli effetti dei campi e.m. su cavie, (esperimenti in vivo [1]) e su tessuti biologici, (esperimenti in vitro [2]), per indagare i diversi tipi di interazione dell esposizione elettromagnetica e dei sistemi biologici. 1 Dipartimento di Elettrotecnica e di Elettronica, Politecnico di Bari, via Re David 200, Bari, petruzzelli@poliba.it 2 Dipartimento di Ingegneria dell Ambiente e per lo Sviluppo Sostenibile, Politecnico di Bari, Viale del Turismo 8, Taranto ID SIEM

2 G. CALÒ ET AL.: PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UNA CELLA 33 Inoltre, in questi esperimenti, si deve far uso di siti espositivi controllati tramite i quali è possibile correlare in maniera esatta e riproducibile gli effetti biologici alla causa che li induce. In questo lavoro riportiamo i risultati del progetto di un sistema espositivo per esperimenti in vitro costituito da un appropriata versione di cella GTEM in cui si deve realizzare una uniforme distribuzione del campo elettromagnetico. Inoltre, per il corretto svolgimento di un esperimento dosimetrico è necessario garantire un interazione controllabile tra onde elettromagnetiche e il campione biologico senza però alterare sostanzialmente le condizioni climatiche, quali l umidità e la temperatura, necessarie per la sopravvivenza delle cellule esposte durante gli esperimenti. II. LA CELLA GTEM COME SITO DOSIMETRICO Sulla base delle considerazioni esposte è stato sviluppato il progetto della cella GTEM come sito dosimetrico da utilizzare alle frequenze caratteristiche della telefonia cellulare GSM dual band. In particolare, il sistema espositivo in esame deve avere dimensioni tali da permetterne l inserimento in un incubatore convenzionale (50 cm x 50 cm x 70 cm) e deve consentire un sufficiente condizionamento ambientale al suo interno. A tale scopo sulle pareti della cella sono state realizzate opportune aperture sotto taglio alle frequenze operative, progettate in maniera tale da evitare sia l interferenza con la circuiteria di controllo dell incubatore sia eventuali rischi di esposizione per gli operatori. Un altro requisito fondamentale, nell interno della struttura espositiva, è la realizzazione di regioni caratterizzate da buona uniformità del campo elettromagnetico, dove posizionare il campione biologico esposto. Bisogna, quindi, assicurare buone condizioni di adattamento d impedenza al fine di avere una buona uniformità del campo e.m. ed il massimo trasferimento di potenza dal generatore alla cella. Per rispettare la condizione di adattamento d impedenza a 50 con la circuiteria di generazione del segnale e con la sezione terminale della cella GTEM, si possono determinare le appropriate dimensioni della sezione trasversale (vedi Fig.1). Per il dimensionamento della cella GTEM è stato adoperato il metodo dell integrale singolare [3]. A causa della geometria rastremata della cella GTEM, l impedenza caratteristica rimane costante al variare delle dimensioni trasversali. Come si può osservare in Fig.2, che mostra l andamento dell impedenza caratteristica normalizzata z 0 rispetto all impedenza caratteristica del vuoto in funzione del rapporto w/a, le dimensioni ottimali, per ottenere un valore di z 0 pari a 50 lungo la direzione di propagazione e, contemporaneamente, per massimizzare il volume di prova nella sezione terminale distante L=45 cm dal punto di generazione sono le seguenti: (b+d)/a=2/3, w/a=0.7, a=24 cm, (b+d)=16 cm.

3 34 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N.2 LUGLIO 2005 Figura 1 Sezione trasversale della cella GTEM Figura 2 Impedenza caratteristica normalizzata in funzione del rapporto w/a. III. CARATTERIZZAZIONE DELLA CELLA GTEM Il prototipo della cella GTEM, mostrato in Fig.3, è stato realizzato in alluminio e rivestito da vernice epossidica per prevenirne l ossidazione causata dall elevato grado di umidità presente nell incubatore. Il setto interno è stato realizzato utilizzando una piastra per circuiti stampati PCB (Printed Circuit Board) allo scopo di consentire un facile inserimento di una rete di resistenze, di valore complessivamente pari a 50, che collega il conduttore interno alla parete metallica terminale. Al fine di verificare e ottimizzare la condizione di adattamento di

4 G. CALÒ ET AL.: PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UNA CELLA 35 impedenza sono state effettuate diverse misure tramite l analizzatore di rete. In particolare, la misura di fault location sull analizzatore di rete, ha consentito di verificare che l impedenza caratteristica del prototipo di cella GTEM è, con buona approssimazione, pari a 50 lungo la direzione di propagazione, presentando due massimi di disadattamento (50±10 ) in corrispondenza della sezione d ingresso, in cui è presente la transizione tra il connettore coassiale e il setto, e in corrispondenza dell apertura laterale necessaria per inserire i campioni cellulari, che introduce una variazione nella sezione trasversale della cella. Inoltre, la misura del rapporto d onda stazionaria (ROS) ha consentito di ottimizzare il carico alla sezione terminale della cella con l inserimento di appropriati assorbitori. In Fig.4 è mostrato il ROS in funzione della frequenza per tre diverse configurazioni del carico alla sezione terminale. Come si può notare la forte risonanza, presente nel caso di solo carico resistivo (curva tratto-punto), si riduce grazie all inserimento di assorbitori in grafite a frequenze di funzionamento più elevate (curva tratteggiata), mentre la configurazione ottimale del carico è ottenuta mediante la combinazione di carico resistivo, assorbitori in grafite e assorbitori in ferrite (curva continua). In particolare, alle due frequenze di interesse per gli esperimenti biologici relativi agli effetti della telefonia GSM (900 MHz e 1800 MHz), abbiamo valutato un valore di ROS rispettivamente pari a ROS=1.7 e ROS=1.2. Per consentire un efficiente interazione della cella GTEM con l incubatore sono stati realizzati dei fori sulle pareti laterali, necessari per il condizionamento ambientale all interno del sistema espositivo, il cui diametro è stato scelto pari a un valore di 5 mm per impedire l irradiazione di onde elettromagnetiche all esterno. Inoltre, l apertura sulla porta laterale, evidente in Fig.3, è costituita da una guida d onda sotto taglio che consente l inserimento di sonde per il controllo delle condizioni ambientali e del campo elettromagnetico. Per entrambe le aperture è stata misurata un attenuazione del campo elettromagnetico superiore a 60 db rispetto alla potenza in ingresso. Infine, confrontando i risultati della misura del campo e.m. all interno della cella GTEM con quelli dell analisi elettromagnetica sviluppata mediante un codice di calcolo basato sul metodo Tansverse Resonance Diffraction Method (TRD) [4-6] e un codice di calcolo commerciale, si è verificato che la regione di distribuzione uniforme del campo e.m. corrisponde al volume sottostante il setto e compresa tra la sezione distante 10 cm e 25 cm dal punto di generazione d ingresso. In tale regione, inoltre, il contributo dei modi di ordine superiore, alle due frequenze d interesse, risulta trascurabile. Nella suddetta regione di uniformità il valore del tasso di assorbimento specifico (SAR) calcolato su un campione di acqua distillata è risultato pari a circa 0.5 W/kg per una potenza d ingresso di 1 W.

5 36 QUADERNI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI ELETTROMAGNETISMO, VOL. 1, N.2 LUGLIO 2005 Figura 3 Prototipo della cella GTEM Figura 4 ROS in funzione della frequenza: carico resistivo (curva tratto-punto); carico resistivo con assorbitori in grafite (curva tratteggiata), carico resistivo con assorbitori in grafite e in ferrite (curva continua). IV. CONCLUSIONI Sono stati mostrati i risultati delle misure effettuate su una cella GTEM da utilizzare come sito dosimetrico per esperimenti in vitro. Il primo prototipo della cella GTEM presenta buone condizioni di adattamento d impedenza e il contributo di uniformità del campo elettromagnetico nella struttura è sufficiente per rendere ripetibili le misure del SAR. Infine, dalle misure preliminari del SAR, si è verificato che il sito dosimetrico proposto soddisfa i requisiti necessari per realizzare esperimenti in vitro.

6 G. CALÒ ET AL.: PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UNA CELLA 37 Ringraziamenti: Questo lavoro è stato finanziato dal progetto PRIN BIBLIOGRAFIA [1] S. Curto, C. Argiolas, L. Ardoino, F. Apollonio, M. Liberti, G. A. Lovisolo, G. D'Inzeo, In vitro exposure system operating at 1800 and 2200 MHz Proceedings of 5 Intern. Congress of EBEA, eds. M. Hietanen, K. Jokela, J. Juutilainen, Helsinky, pp , [2] Q. Balzano, C. K. Chou, R. Cicchetti, A. Faraone, R. Y. S. Tay, An efficient RF exposure system with precise SAR estimation for in-vivo animal studies at 900 MHz, IEEE Trans. on Micr. Theory and Tech., vol. 48, pp , Nov [3] J. Tippet, D. Chang, Characteristic impedance of a rectangular coaxial line with offset inner conductor, IEEE Trans. on Micr. Theory and Tech., vol. MTT-26, pp , Nov [4] R. De Leo, T. Rozzi, C. Svara, L. Zippitelli, Rigorous analysis of the GTEM cell, IEEE Trans. on Micr. Theory and Tech., vol. MTT-39, pp , Nov [5] M. Bozzetti, A. D Orazio, M. De Sario, V. Petruzzelli, F. Prudenzano, Feasibility analysis of GTEM cells as dosimetry measurement site, Proc. of the 2nd international workshop on biological effects of electromagnetic fields, Rhodes, pp , Oct [6] M. Bozzetti, G. Calò, A. D'Orazio, M. De Sario, V. Petruzzelli, F. Prudenzano, C. Bonaventura, N. Diaferia: "Design of GTEM cells for in vitro biological experiments", Proc. of PIERS 2003, ottobre 2003.