Misurazioni sul radar meteorologico di Gattatico (RE) Misurazioni sul radar ATC di Maccarese (Roma) Claudio Baratta ISPRA, Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale Via Vitaliano Brancati 48, 00144 Roma claudio.baratta@isprambiente.it I. INTRODUZIONE Il segnale emesso da una sorgente radar è costituito da un treno di impulsi di durata τ che si ripetono con periodo T. Considerato che lo spettro (trasformata di Fourier, indicata con F in figura) di un singolo segnale impulsivo è costituito dalla funzione sinc(x)=sen(x)/x, lo spettro di frequenza del treno di impulsi è costituito da una serie di righe il cui inviluppo è proprio la funzione sen(x)/x (Figura 1). Figura 1: Impulsi nei domini del tempo e della frequenza Se poi il treno di impulsi viene modulato con una portante sinusoidale a radiofrequenza, lo spettro del segnale pulsato viene traslato dalla banda base e centrato attorno alla frequenza della portante sinusoidale sopra detta. Fatte salve queste considerazioni e utilizzando la metodologia descritta in [1], nel 2009 sono state effettuate due campagne di misura rispettivamente presso il radar meteorologico di Gattatico (RE) e presso il radar per il controllo del traffico aereo (ATC) di Maccarese (Roma). II. RADAR DI GATTATICO (RE) Il radar in questione (Figura 2) è uno dei due radar meteorologici utilizzati da ARPA Emilia Romagna (l'altro è a San Pietro Capofiume in provincia di Bologna). Nel suo uso comune ci sono due diverse modalità di funzionamento, una standard e una in condizioni di tempo perturbato: - Modalità standard: il radar è attivo per circa due 2 minuti ogni 15 minuti. Nei due minuti di attività vengono effettuate 5 rotazioni complete (1 giro ogni 24 secondi, ovvero 15 /sec); ad ogni 1
rotazione l'inclinazione viene cambiata di circa 0,6, partendo da 0,5 e arrivando quindi all'inclinazione di 2,9. - Modalità con tempo perturbato: il radar è attivo 10 minuti ogni 15 minuti. La velocità di rotazione è uguale a quella della modalità standard. Vengono spesi 2 minuti per un ciclo secondo la modalità standard. Negli altri 8 minuti vengono compiute [(5 8)/2 =] 20 rotazioni, con l'elevazione che passa da 0,5 a 18, in modo da esplorare una fascia di cielo maggiore. In realtà in occasione della giornata riservata alle misurazioni (il 4 giugno del 2009), per non allungare eccessivamente i tempi di misura, non è stata utilizzata nessuna delle due modalità (standard e con tempo perturbato) precedentemente descritte. Il radar è stato infatti fatto ruotare con continuità alla velocità standard di 15 /sec e ad elevazione fissa di 0,5. Il setup di misura (Figura 2) utilizzato è stato il seguente: analizzatore di spettro Rohde&Schwarz ESPI7 (9 khz 7 GHz); sonda di misura a spirale conica logaritmica Ailtech mod. 93491-2 (1 10 GHz); cavo coassiale tipo N, lunghezza 10 m. Figura 2: Il radar meteorologico di Gattatico (RE) Figura 3: Tipico setup di misura in banda stretta 2
Per il radar in oggetto sono state definite due differenti postazioni di misura (Figura 4, foto aerea di proprietà di Google Inc. in cui il radar si trova all interno della circonferenza in colore rosso): 1. parcheggio antistante il Museo Cervi (distanza dal radar 1 : 72,5 m); 2. parcheggio lato posteriore dell Hotel Valdenza (distanza dal radar: 1236 m). Figura 4: Postazioni di misura per il radar di Gattatico (RE) Utilizzando la metodica descritta in [1] sono state misurate tutte le grandezze di interesse protezionistico in ciascuna delle due postazioni di misura di cui sopra 2. Per l individuazione della frequenza del radar è stata utilizzata un impostazione dell analizzatore che prevedeva: RBW = 30 khz; VBW = 100 khz; SPAN = 20 MHz; Trace = Max Hold; Detector = Max Peak. La scelta di una RBW pari a 30 khz, che comporta il noto fenomeno della desensibilizzazione (descritto in [1]), deriva dalla necessità di un maggiore potere risolutivo dell analizzatore di spettro a svantaggio di una corretta lettura della potenza ricevuta, non necessaria in questa fase. Per l individuazione di tutti gli altri parametri di interesse, evitando la desensibilizzazione 3, è stata invece scelta una RBW (e una VBW) pari alla massima disponibile sull analizzatore in uso (10 MHz), mantenendo Trace e Detector rispettivamente su Max Hold e Max Peak 4. 1 Le distanze dal radar sono state rilevate mediante telemetro laser. 2 In realtà nella postazione di misura n.2 non è stato necessario misurare nuovamente la frequenza della portante f, la durata degli impulsi τ, il periodo di ripetizione degli impulsi T e il tempo di rotazione del radar Trot che, ovviamente, sono rimasti gli stessi di quelli già rilevati nella postazione di misura n.1. 3 Il filtro di media frequenza deve essere sufficientemente largo da catturare tutta l energia del segnale radar, contenuta per la maggior parte nel lobo di larghezza 2/τ centrato attorno alla portante. 4 Nei casi in cui la misurazione è eseguita in modalità single sweep impostare la traccia su Max Hold o Clear/Write e agli effetti pratici la stessa cosa. 3
Nei casi in cui i parametri di interesse sono stati rilevati direttamente nel dominio del tempo, lo Sweep Time è stato impostato tenendo conto della scala temporale del parametro in analisi. Valori tipici per lo Sweep Time sono quindi 5 : - alcune decine di secondi per misurare il tempo di rotazione T rot ; - ordine delle decine di millisecondi per misurare il tempo di illuminazione T i ; - ordine di alcuni millisecondi per misurare il tempo di ripetizione T; - alcuni microsecondi per misurare la durata τ dell'impulso. Poiché il tempo di illuminazione T i è una grandezza legata all angolo di illuminazione θ i del sito esposto, essa dovrebbe essere misurata in zona di campo lontano dove può essere approssimata alla larghezza del lobo principale a metà potenza del radar. Vale inoltre la relazione: θi Ti 360 = Trot Non è stato quindi possibile misurare tale parametro (e di conseguenza nemmeno la potenza media che tiene conto anche della rotazione dell antenna) per il punto di misura n.1, che si trova evidentemente in zona di campo vicino radiato (il diametro dell antenna in questione è di 5 m e la grandezza D 2 /λ vale circa 450 m). In questo caso la misura della potenza media si sarebbe dovuta eseguire in modalità Channel Power ma per motivi di tempo ciò non è stato possibile (il tempo di illuminazione è stato invece misurato per il punto di misura n.2). Per misurare correttamente tutti i parametri utili è necessario l utilizzo dei marker 6 presenti sull analizzatore di spettro. Inoltre, per i parametri rilevati nel dominio del tempo, in ciascuno dei due punti di misura si è ritenuto conveniente utilizzare un livello di Trigger Video appena sotto il livello della potenza di picco rilevata in quel punto, "congelando" l'immagine sullo schermo attraverso la modalità Single Sweep che permette di eseguire i necessari rilievi in tutta comodità 7. Vengono di seguito riportati gli screenshot dell analizzatore di spettro corrispondenti alla misurazione dei parametri di interesse per entrambi i punti di misura in esame. Figura 5: Misurazione della frequenza Figura 6: Misurazione della potenza di picco di lavoro del radar nel punto n.1 5 Il corretto valore dello Sweep Time da impostare è stato individuato per aggiustamenti successivi. 6 Nel caso di misura della durata dell impulso o del tempo di illuminazione sono stati utilizzati tre marker: uno sul massimo dell impulso o del lobo principale e gli altri due uno a sinistra e l'altro a destra circa 3 db sotto il valore del massimo. 7 La funzione Trigger Video fa si che la traccia sul display dell analizzatore di spettro venga fatta partire solamente quando il livello del segnale raggiunge il valore preimpostato. La modalità Single Sweep fa si che si abbia l'esecuzione di una singola spazzolata (che nel caso in esame avviene quando si realizzano le condizioni di trigger). 4
Figura 7: Misurazione della durata dell impulso (τ) Figura 8: Misurazione del tempo di ripetizione degli impulsi (T) Figura 9: Misurazione del tempo di rotazione Figura 10: Misurazione della potenza di picco dell antenna radar (T rot ) nel punto n.2 Figura 11: Misurazione del tempo di illuminazione (Ti) nel punto n.2 5
In Tabella 1 sono riassunti i risultati delle misurazioni effettuate nei due punti di misura in esame. Il valore di campo elettrico di picco si ricava dalla nota formula: E picco [ V m] = 10 P dbm + AE+ AC+ FA 13,01 20 dove P dbm = potenza letta sull analizzatore di spettro AE = eventuale attenuatore esterno posto all ingresso dell analizzatore di spettro AC = attenuazione del cavo alla frequenza in esame 8 FA = fattore d antenna alla frequenza in esame 9 Per ricavare i valori del campo elettrico medio ad antenna ferma (condizione che può capitare in una determinata area se un guasto blocca l'antenna quando questa si trova orientata nella sua direzione) e del campo elettrico medio considerando la condizione tipica di antenna in rotazione, bisogna moltiplicare il campo elettrico di picco per i due fattori di correzione: τ T antenna ferma τ T T T i rot antenna in rotazione Punto n.1 Punto n.2 f 5,45 GHz 5,45 GHz P picco -15,25 dbm -19,43 dbm τ 484 ns 484 ns T 840 µs 840 µs T rot 23,2 s 23,2 s T i 10-64 ms E picco 29,65 V/m 18,32 V/m E medio (antenna ferma) E medio (antenna in rotazione) 0,71 V/m 0,44 V/m - 23 10-3 V/m Tabella 1: Risultati delle misurazioni (radar di Gattatico) 8 AC 5,45 GHz = 13 db. 9 FA 5,45 GHz = 44,7 db. 10 Per il punto di misura n.1 (che si trova in zona di campo vicino radiato) non è stato possibile misurare questo parametro e ricavare di conseguenza il campo elettrico medio che tiene conto anche della rotazione dell antenna. 6
III. RADAR DI MACCARESE (RM) Il radar in questione (Figura 12) è un radar per il controllo del traffico aereo (in particolare un radar di rotta) sito nelle vicinanze dell aeroporto internazionale Leonardo da Vinci di Fiumicino (Roma). La metodologia di funzionamento del radar è incognita. Figura 12: Il radar ATC di Maccarese (RM) Il setup di misura utilizzato per i rilievi effettuati il 22 luglio 2009 è stato il seguente: analizzatore di spettro Rohde&Schwarz FSL18 (9 khz 18 GHz); sonda di misura a tromba ETS mod. 3115 (750 MHz 18 GHz); cavo coassiale Sucoflex 102A. Per il radar in oggetto è stata definita una sola postazione di misura (Figura 13, foto aerea di proprietà di Google Inc. in cui il radar si trova all interno della circonferenza in colore rosso e la postazione di misura viene indicata con P) in prossimità del cimitero di Maccarese (distanza dal radar 11 : 950 m). Procedendo in maniera analoga al caso precedente (radar di Gattatico) sono state misurate tutte le grandezze di interesse protezionistico nella postazioni di misura di cui sopra, situata nella regione di campo lontano rispetto alla sorgente in esame. Restano valide tutte le considerazioni del paragrafo precedente riguardo le impostazioni dell analizzatore di spettro durante i rilievi (scelta di RBW, trace, detector, uso di marker, trigger video e modalità single sweep). A differenza del caso precedente si è rilevato che il radar opera su due distinte frequenze: f 1 = 1270 MHz ed f 2 = 1330 MHz. Le misure dei parametri di interesse sono state quindi ripetute per entrambe le frequenze ma per non appesantire troppo il presente documento vengono riportati nel seguito gli screenshot dell analizzatore di spettro corrispondenti ai rilievi alla sola frequenza f 1 12. 11 La distanza dal radar è stata rilevata mediante telemetro laser. 12 Come si vedrà nel seguito (Tabella 2) i parametri misurati alla frequenza f 2 sono sostanzialmente analoghi a quelli rilevati alla frequenza f 1, eccetto la durata dell impulso τ e la potenza ricevuta. 7
Figura 13: Postazione di misura per il radar di Maccarese (RM) Figura 14: Misurazione delle frequenze di lavoro del radar Figura 15: Misurazione della potenza di picco Figura 16: Misurazione della durata dell impulso (τ) Figura 17: Misurazione del tempo di ripetizione degli impulsi (T) 8
Figura 18: Misurazione del tempo di rotazione dell antenna radar (T rot ) Figura 19: Misurazione del tempo di illuminazione (Ti) Fatte salve le considerazioni di pagina 6, in Tabella 2 sono riassunti i risultati delle misurazioni effettuate nel punto di misura in esame 13. Nell ultima colonna vengono riportati i valori di campo elettrico totali che si ottengono sommando i due contributi (alle due frequenze f 1 e f 2 ) che provengono nel punto di misura. f 1 =1270 MHZ f 2 =1330 MHZ P picco 5,09 dbm 2,97 dbm τ 1,44 µs 1,65 µs T 2,16 ms 2,18 ms T rot 10,59 s 10,56 s Somma dei contributi T i 32,3 ms 32,3 ms E picco 9,52 V/m 7,46 V/m 12,09 V/m E medio (antenna ferma) E medio (antenna in rotazione) 0,25 V/m 0,21 V/m 0,33 V/m 14 10-3 V/m 11 10-3 V/m 18 10-3 V/m Tabella 2: Risultati delle misurazioni (radar di Maccarese) 13 Il valore di attenuazione del cavo e il fattore d antenna non variano sensibilmente per le due frequenze in esame (che distano tra loro solamente 60 MHz) e valgono rispettivamente: AC = 2,19 db e FA = 25,3 db. 9
IV. CONFRONTO CON LA NORMATIVA L esposizione della popolazione ai campi elettromagnetici è attualmente regolamentata a livello legislativo nazionale italiano dalla Legge Quadro n. 36/2001 [2]. Tale legge, tra l altro, fissa le funzioni dello Stato, delle Regioni, delle Province e dei Comuni in materia di istituzione, realizzazione e gestione dei catasti delle sorgenti, di procedimenti autorizzativi all installazione degli impianti, di controlli sul territorio, ecc.. In applicazione della legge quadro è stato emanato il DPCM 8 luglio 2003 [3] in base al quale è stato definito il regime di limiti normativi da rispettare per le emissioni a radiofrequenza, ma sono escluse le emissioni prodotte da sorgenti pulsate quali i radar e da sorgenti non riconducibili ai sistemi fissi delle telecomunicazioni e radiotelevisivi. In particolare per gli impianti radar si rimanda ad un successivo decreto 14 che, ad oggi, non è stato ancora emanato. Tuttavia il comma 4 15 del succitato decreto offre la possibilità di utilizzare la Raccomandazione Europea del 12 luglio 1999 [4] (e quindi le linee guida ICNIRP [5] cui la Raccomandazione si ispira) la quale, nel caso di campi pulsati, prescrive di adottare un valore limite per la densità di potenza di picco pari a 1000 volte il corrispondente valore limite della densità di potenza media (su 6 minuti) e, corrispondentemente, di adottare un valore limite per il campo elettrico di picco pari a 32 volte il corrispondente valore limite del valore efficace di campo elettrico. Tenendo presenti queste precisazioni, nelle tabelle seguenti vengono riportati i limiti di esposizione per la popolazione, rispettivamente per il radar di Gattatico e per il radar di Maccarese 16, da considerare in fase di confronto dei risultati delle misurazioni con la normativa vigente. Nella tabelle vengono in aggiunta riportati dei limiti corrispondenti ad una interpretazione maggiormente cautelativa della normativa, che porta a valori di un ordine di grandezza inferiori di quelli ICNIRP e che è di uso molto comune in Italia. Tale interpretazione cautelativa utilizza come limite per il valor medio il valore di attenzione (6 V/m) previsto dal DPCM 8 luglio 2003, e per individuare il limite per il valore di picco, del quale il DPCM non fa menzione, adotta il razionale utilizzato dall'icnirp di moltiplicare il valor medio per 32 (ottenendo così 192 V/m) 17. 14 DPCM 08/07/2003, art.1, comma 3: I limiti e le modalità di applicazione del presente decreto, per gli impianti radar e per gli impianti che per la loro tipologia di funzionamento determinano esposizioni pulsate, sono stabilite con successivo decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri, ai sensi dell art. 4, comma 2, lettera a), della legge 22 febbraio 2001, n. 36. 15 DPCM 08/07/2003, art.1, comma 4: A tutela dalle esposizioni a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici generati a frequenze comprese tra 100 khz e 300 GHz, generati da sorgenti non riconducibili ai sistemi fissi delle telecomunicazioni e radiotelevisivi, si applica l insieme completo delle restrizioni stabilite nella raccomandazione del Consiglio dell Unione europea del 12 luglio 1999. 16 La Raccomandazione Europea del 1999 (e le linee guida ICNIRP del 1998), nell'intervallo di frequenza in cui cadono le frequenze f 1 ed f 2 rilevate per il radar di Maccarese, prevede un limite per il campo medio (e quindi anche per quello di picco) che varia con la frequenza secondo la formula 1,375 f 1/2, con f espresso in MHz. Questo porta ad un limite per il valor medio di 49V/m (1568V/m per il valore di picco) alla frequenza f 1 e di 50Vm (1600V/m, per il valore di picco) alla frequenza f 2. Poiché le due frequenze sono presenti contemporaneamente, una scelta ragionevole per questo limite sembra essere il valore di 49,6V/m, corrispondente alla frequenza di 1300 MHz, media aritmetica tra le frequenze f 1 ed f 2. 17 A rigore tale interpretazione cautelativa non è propriamente corretta in quanto le filosofie su cui si basano le limitazioni ICNIRP (linee guida del 1998) e le limitazioni del DPCM 8 luglio 2003 (nel caso dei valori di attenzione) sono completamente diverse: il rispetto delle prime è finalizzato a prevenire effetti acuti certi mentre il rispetto delle seconde ha lo scopo di prevenire possibili effetti a lungo termine. 10
Valore efficace (rms) Valore di picco ICNIRP (1998) e Raccomandazione Europea (1999) Interpretazione cautelativa 61 V/m 1952 V/m 6 V/m 192 V/m Tabella 3: Limitazioni di legge nel caso del radar di Gattatico Valore efficace (rms) Valore di picco ICNIRP (1998) e Raccomandazione Europea (1999) Interpretazione cautelativa 49,6 V/m 1587,2 V/m 6 V/m 192 V/m Tabella 4: Limitazioni di legge nel caso del radar di Maccarese Confrontando i risultati di Tabella 1 e Tabella 2 con le limitazioni riportate rispettivamente in Tabella 3 e in Tabella 4, si nota chiaramente come in entrambi i casi e in tutte le postazioni di misura considerate sia il valore di picco che i valori medi (ad antenna ferma o in rotazione) sono abbondantemente inferiori ai corrispondenti limiti di legge. Un interessante osservazione è che in entrambi i casi (e per ciascuna delle tre postazioni di misura considerate) il rapporto tra il valore di picco e il valore medio del campo elettrico misurato è molto superiore a 32, che rappresenta il rapporto tra i limiti per il campo di picco e quello medio: ciò significa che è il valore di picco ad essere più vicino al valore limite rispetto al valore medio. Questa è una situazione abbastanza tipica per i radar dove è il campo elettrico di picco quello che deve essere tenuto maggiormente sotto controllo. V. CONCLUSIONI Con la metodica descritta in [1] è stato possibile misurare tutte le grandezze di interesse protezionistico relative ai due radar oggetto della presente relazione (in ciascuna delle tre postazioni di misura considerate) attraverso l utilizzo di un setup di misura composto da un analizzatore di spettro, un antenna calibrata (adatta per la/e frequenza/e di lavoro del radar) e un cavo di collegamento tra analizzatore e antenna. Di conseguenza si è potuta valutare la conformità alla normativa vigente della situazione espositiva nelle tre postazioni in cui sono state effettuate le misurazioni. È importante sottolineare che anche se in entrambi i casi (radar di Gattatico e radar di Maccarese) le caratteristiche tecniche del radar (frequenza di lavoro, durata dell impulso, periodo di ripetizione 11
degli impulsi, periodo di rotazione dell antenna, tempo di illuminazione) erano incognite al momento dell effettuazione dei rilievi, in un secondo momento è stato possibile verificare che i parametri rilevati erano ampiamente in accordo con le caratteristiche nominali dei due radar in esame. Ciò permette di concludere che la procedura utilizzata fornisce risultati validi e che, essendo sufficientemente dettagliata, può essere utilizzata anche da operatori meno esperti. VI. BIBLIOGRAFIA [1] M. Bini, A. Ignesti, C. Riminesi: Procedura per la misura di Campi EM emessi da impianti Radar utilizzabile in campagne di Sorveglianza Fisica Ambientale, Report CNR-IFAC-TR- 08/009, Agosto 2009. [2] Legge 22 febbraio 2001, n. 36 Legge quadro sulla protezione dalle esposizioni ai campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici, GU n.55 del 7-3-2001. [3] DPCM 8 Luglio 2003: Fissazione dei limiti di esposizione, dei valori di attenzione e degli obiettivi di qualità per la protezione della popolazione dalle esposizioni a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici generati a frequenze comprese tra 100 khz e 300 GHz, GU n. 199 del 28-8-2003. [4] Raccomandazione del Consiglio del 12 luglio 1999 relativa alla limitazione dell'esposizione della popolazione ai campi elettromagnetici da 0 Hz a 300 GHz (1999/519/CE), GU della Comunità Europea L 199/59 del 30-7-1999. [5] International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz), Health Physics 74: 494-522 (1998). [6] M. Bini, A. Ignesti, C. Riminesi: Misure sul Radar Meteorologico di Gattatico (Reggio Emilia), Report CNR-IFAC-TR-06-1/009, giugno 2009. [7] M. Bini, A. Ignesti, C.Riminesi: Misure sul Radar di Maccarese (Fiumicino - Roma), Report CNR-IFAC-TR-02-1/010, febbraio 2010. 12