Attività del GdL Radar per l emanazione dell Appendice B alla Norma CEI 211-7

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1 Seminario: CARATTERIZZAZIONE DELLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE DELLE SORGENTI RADAR: INDIVIDUAZIONE DELLE METODICHE E DELLE SPECIFICHE TECNICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA Roma, 29 marzo 2011 Attività del GdL Radar per l emanazione dell Appendice B alla Norma CEI Alessandro Brancaccio C.I.S.A.M. - Centro Interforze Studi Applicazioni Militari 1

2 Sommario 1. Premessa 2. Scopo 3. Normative 4. Metodologie di misura 4.1 Misura con l analizzatore di spettro 4.2 Altre tecniche 5. Conclusioni 2

3 PREMESSA I radar emettono segnali impulsivi (e non) molto intensi che possono interagire con l uomo creando effetti biologici ancora non del tutto noti. Alle frequenze tipiche dei radar, l interazione dei campi e.m. con i tessuti biologici determina un incremento della temperatura tanto più elevato quanto più la frequenza si avvicina alla frequenza di risonanza della molecola dell acqua (2.45 GHz). L aumento di temperatura, a dosi elevate, può comportare alcuni danni fra i quali l opacizzazione del cristallino e la sterilità. Altri effetti (in vitro) quali la rottura della catena del DNA e il cambiamento dell espressione genica sono ancora in fase di studio (effetto termico?). 3 Non sembra dimostrata l insorgenza di patologie tumorali.

4 SCOPO Nel 2004 il sottocomitato SC 106B del CEI ha istituito un gruppo di lavoro con il compito di redigere un appendice tecnica al documento (Guida per la misura 10kHz-300GHz con riferimento all esposizione umana) riguardante le metodologie di misura dei campi e.m. emessi dai radar di potenza per applicazioni di scoperta, inseguimento, assistenza aerea. L appendice è stata approvata ed emessa nel Il gruppo di lavoro ha improntato il lavoro sulle varie tecniche di misura sia nel dominio della frequenza che del tempo. Sono state esaminate e confrontate le tecniche di misura, usando un analizzatore di spettro (AS), un oscilloscopio e un misuratore di campo a banda larga. 4

5 Normative di riferimento per i radar POPOLAZIONE Linee Guida ICNIRP (ed. 1998) Il DPCM del 8 luglio 2003 non prevede le sorgenti pulsate LAVORATORI D.lgs. 9 aprile 2008, n.81 Sono entrambe basate solo sugli effetti biologici a breve termine. 5

6 Normative di riferimento per i radar Il D.lgs. 81/08 e le Linee guida ICNIRP 2008 prevedono il soddisfacimento di due limiti di campo elettrico, di campo magnetico e di densità di potenza. Il primo, indicato nelle tabelle, è inteso come valore rms, il secondo, inteso come valore di picco si ottiene da quello rms dalle relazioni: E picco = E rms x 32 H picco = H rms x 32 S picco = S rms x 1000 Per la popolazione: E rms = 61 V/m, E picco = 1952 V/m Per i lavoratori: E rms = 137 V/m, E picco = 4384 V/m 6

7 Metodologie di misura Il campo e.m. emesso da un radar può essere misurato sia nel dominio del tempo che della frequenza. Per determinare il campo e.m. occorre conoscere (non tutti): frequenza f durata degli impulsi τ periodo di ripetizione degli impulsi PRT (o PRF) duty cycle larghezza del lobo d irradiazione φ sul piano orizzontale Nei radar di ultima generazione alcuni parametri variano; la scelta ricade su quei valori che determinano i risultati più conservativi (maggiore τ, minore PRT, maggiore ). Non è necessario far interrompere la rotazione dell antenna del 7 radar.

8 Metodologie di misura Prima di iniziare la misura è opportuno determinare, sulla base dei dati peculiari della sorgente emittente la distanza dal sistema radiante oltre la quale, in prima approssimazione, si è in "zona di sicurezza" (quella cioè in cui i valori dei campi si mantengono nei valori limiti). Si individuano le aree in cui effettuare le misure, privilegiando quelle ritenute più significative ai fini protezionistici, in relazione alla loro frequentazione, connessa con le attività svolte, da parte del personale. 8

9 Strumentazione di misura Dominio della frequenza Analizzatore di spettro (RBW > 1 MHz) Dominio del tempo Oscilloscopio con rivelatore Misuratore di potenza con sonde per segnali impulsivi 9

10 Misura con l analizzatore l di spettro L analizzatore di spettro consente di misurare direttamente la potenza P (in dbm). Si imposta la CENTER FREQUENCY alla frequenza della portante del radar (se nota, altrimenti si imposta uno SPAN ampio per individuarla) Se possibile, si imposta RBW > 2/τ (procedura consigliata) in modo da essere sicuri di catturare tutto il lobo principale, altrimenti la lettura di P va corretta. Con RBW = 5 MHz, si catturano segnali con τ = 400 ns. Occorre poi impostare la funzione MAX HOLD in modo da essere sicuri di catturare l impulso quando l antenna del radar 10 è in rotazione e aspettare anche qualche minuto.

11 Misura con l analizzatore l di spettro Dalla potenza P si ricava il campo elettrico di picco E P mediante l antenna factor AF (in db -1 ) dell antenna di misura, tenendo conto anche dell eventuale attenuazione A (in db) del cavo coassiale alla frequenza di trasmissione del radar. E P (V/m) = 10 (P + AF + A 13)/20 La misura va effettuata in entrambe le polarizzazioni. Il campo totale di picco sarà: E P = E Px2 + E Py 2 11

12 Misura con l analizzatore l di spettro Il valore E rms del campo viene calcolato tenendo conto del duty cyclee della larghezza del lobo φ (in gradi) sul piano orizzontale del radar. E rms = E P δ φ/α Nel caso di rotazione completa, = 360 Nel caso di radar di inseguimento, φ/α = 1 Nel caso di misure in prossimità dell antenna, φ/α = 1 Nel caso di radar ad onda continua, δ = 1 Il campo totale medio sarà: E rms = E mx2 + E my 2 12

13 Nel caso in cui non si riesce ad impostare una RBW > 2/τ, la lettura non è corretta. Se 1.5PRF < RBW < 2/τ (Modalità Pulse Spectrum) non si riescono a risolvere le righe dello spettro poiché diverse righe cadono all interno della RBW. Lo spettro che si ottiene è proporzionale all inviluppo dello spettro dell impulso radar. L energia associata alla risposta armonica del filtro si spalma sulle frequenze interessate e quindi l ampiezza visualizzata è inferiore al valore vero dell impulso. Il valore di picco P k corretto si ottiene aggiungendo il fattore di desensibilizzazione. P pk pk (dbm)= P AS (dbm) + α fattore di desensibilizzazione : α = - 20log(k τ RBW) k? 13

14 Se RBW < 0.3 PRF (Modalità Line Spectrum) si riescono a risolvere tutte le righe spettrali e l ampiezza del segnale non varia al variare della RBW. L ampiezza della portante, corrisponde al valore medio dell impulso, ed è indipen-dente dalla RBW. Il valore di picco P k corretto si ottiene aggiungendo il fattore di desensibilizzazione. P pk pk (dbm)= P AS (dbm) + α fattore di desensibilizzazione : α = 20 log(δ) 14

15 NOTE 1. Impostando sull analizzatore di spettro SPAN = 0 alla frequenza di emissione del radar, si passa al dominio del tempo; con uno sweep time superiore al periodo di rotazione dell antenna del radar, è possibile vedere gli impulsi e dedurre il periodo di rotazione. 2. In condizione di campo lontano, è sufficiente misurare E per risalire ad H usando le relazioni di onda piana. 3. Alcuni radar (3D) trasmettono la loro potenza in n fasci, generalmente disposti in elevazione, a ciascuno dei quali corrisponde una certa frequenza. Per ogni fascio la potenza sarà perciò 1/n della potenza erogata dall antenna. Con l analizzatore di spettro si vedono n picchi, ciascuno corrispondente ad un fascio. Si considerano, in genere, solo 15 i lobi (le frequenze) che investono il personale.

16 Validazione dei risultati I risultati delle misure presso due siti (46^ Brigata Aerea e PISQ) sono stati confrontati con i risultati scaturiti dal software di simulazione e.m. EMvironment 3.1 (UNIPI). Radar ATCR 33 (con IFF) Misura Simulazione Misura Simulazione Radar RIS 3C

17 Misura con l oscilloscopio L oscilloscopio deve avere una banda passante di almeno 100 MHz e un rivelatore con banda passante di almeno 10 GHz. L oscilloscopio consente di vedere l impulso del radar senza conoscerne i dati (f e τ). La lettura (in Volt) dell ampiezza dell impulso (e quindi il campo E) è risultata inferiore al valore di picco rilevata con l analizzatore di spettro. 17

18 Misura con il misuratore di campo Il misuratore di campo collegato con una sonda tradizionale (a diodo o termocoppia) indica il valore rms del segnale rilevato che risulta sempre inferiore a quello ricavato con l analizzatore di spettro in quanto troppo lento per rilevare impulsi veloci. Esistono ora in commercio sonde per segnali impulsivi, ma non sono state ancora oggetto di studio. Ad ogni modo il misuratore di campo non consente di conoscere il valore di picco e rms del campo. 18

19 Conclusioni (1) L appendice B della norma esamina le tre metodologie per la misura del campo e.m. emesso da un radar di potenza. Delle tre tecniche, quella che impiega l analizzatore di spettro sembra essere quella più consolidata e precisa a patto di essere nella condizione RBW > 2/τ. Ciò implica strumenti con RBW di almeno 2 5 MHz e quindi molto costosi. La misura con il misuratore di campo (soluzione molto più economica) con le sonde CW dà risultati molto inferiori a quelli veri. Le sonde di nuova generazione sono ancora da investigare. La misura con l oscilloscopio accoppiato con un rivelatore 19 non sembra dare risultati precisi.

20 Conclusioni (2) Il CISAM ha effettuato decine di rilievi su svariati radar militari mediante l uso di analizzatori di spettro di vari modelli. Le misure effettuate nei luoghi di lavoro (SRR, aeroporti, navi) e nelle aree frequentate dalla popolazione (alloggi demaniali, edifici privati e pubblici, strade, ecc.) non hanno MAI evidenziato condizioni di pericolo né di cautela. I valori di E P (anche in condizioni conservative) non hanno mai superato qualche centinaio di V/m (contro !!) I valori di E rms non hanno mai superato qualche V/m 20 (contro !!)