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/TRASMISSIONI A RADIOFREQUENZA

di Emanuele Zaccagnini

 

Relazioni intercorrenti tra la potenza irradiata e l’intensità del campo elettromagnetico (EMC) risultante

INTRODUZIONE

Quando parliamo dei sistemi di telecomunicazione utilizzanti segnali a radiofrequenza viene spesso dato come requisito fondamentale il rispetto della compatibilità elettromagnetica, o EMC. Molte volte sentiamo dire che il campo elettromagnetico presente in certo ambiente non deve superare quei tanti Volt/metro, oppure che la potenza irradiata da un trasmettitore non deve superare quei tanti Watt. Altre volte l’intensità di un segnale elettromagnetico viene espresso in dbmV, se non in mVolt, creando non poca confusione a coloro che non sono perfettamente addentro a questo argomento. Le onde elettromagnetiche consistono nel movimento oscillatorio di cariche elettriche dovute alle variazioni subite da campi elettrici. La loro esistenza fu dimostrata teoricamente da MAXWELL che enunciò le seguenti leggi:

Ø Attorno alle linee di forza di ogni campo elettrico che varia in funzione del tempo, si manifestano sempre delle linee di forza magnetiche che si manifestano sempre delle di forza magnetiche che si chiudono attorno a quelle elettriche alle quali sono ortogonali.

Ø Le linee di forza di un campo magnetico variante col tempo, sono sempre circondate da linee di forza elettriche, che si chiudono attorno a quelle magnetiche alle quali sono ortogonali.

Questi campi magnetici non si formano istantemente ma presentano una certa inerzia a stabilirsi: poiché il campo è sede di energia questa viene erogata appunto mediante onde elettromagnetiche propagatisi nel vuoto e praticamente anche nell’aria alla velocità di 300.000 Km/sec. Fatta tale premessa è utile quindi sapere che le onde elettromagnetiche sono delle oscillazioni, tra loro perpendicolari, del campo elettrico e di quello magnetico, le quali viaggiano longitudinalmente ad una direzione di propagazione. Ad ogni cresta (o massimo valore) del campo elettrico corrisponde una cresta del campo magnetico.

MODO DI PROPAGAZIONE DI UN SEGNALE ELETTROMAGNETICO

Tali onde viaggiano nello spazio libero alla velocità della luce (300.000 Km/sec), la distanza che intercorre tra le due creste di un’onda elettromagnetica viene definita lunghezza d’onda. Molto più spesso viene data come caratteristica di queste onde elettromagnetiche il numero di cicli che tale onda effettua in un secondo (o se meglio preferiamo il numero delle creste che si presentano in un secondo).

Questa grandezza detta frequenza, viene espressa in HZ. Sapendo che in un secondo verranno percorsi 300.000 KM, dal numero delle oscillazioni che si manifestano in un secondo si può determinare quale sia l’effettiva lunghezza d’onda espressa in metri (in pratica sappiamo quante creste si presentano in 300.000 KM).

LA PERDITA DI PERCORSO

I segnali RF trasmessi da una sorgente, viaggiando nello spazio subiscono una attenuazione proporzionale alla distanza che questi percorrono. Vediamo ora come si determina il valore di potenza che arriverà ad una ipotetica stazione ricevente posta ad una certa distanza dal trasmettitore. Supponiamo di avere una sorgente che trasmette utilizzando una stazione isotropia. Il segnale emesso si propaga in tutte le direzioni come se fosse in una sfera, pertanto tutta la potenza emessa verrà “diluita” su questa sfera in proporzione alla distanza che il segnale percorre nello spazio. Per antenna isotropica si intende un’antenna ideale che propaga il suo segnale uniformemente in tutte le direzioni. Una facile analogia potrebbe essere quella di una lampadina che emette luce in tutte le direzioni, in questo caso, noteremo che il progressivo allontanamento da questa sorgente l’intensità di luce diminuirà con la distanza.

PRINCIPIO DELLA PROPAGAZIONE ISOTROPICA DI UN SEGNALE A RADIOFREQUENZA

Poiché la potenza emessa si disperde in questa ipotetica sfera, potremo considerare ad una certa distanza “d” tale potenza come retristribuita sul bordo esterno della sfera stessa, ossia nell’area sferica risultante. Un qualsiasi utilizzatore che sia posto alla distanza “d” potrà pertanto prevalere questa potenza in proporzione all’area che un’antenna ricevente riesce a coprire. Pertanto la quantità del segnale ricevuto ad una certa distanza sarà dato dalla densità del flusso di potenza “PD”, presente a quella distanza, moltiplicata per l’area equivalente Ae dell’antenna posta in RX. Come possiamo notare, oltre alla potenza del segnale trasmesso e alla distanza dalla sorgente RF, la potenza ricevuta è funzione anche della lunghezza d’onda di tale segnale.

ANTENNA DIRETTIVA A LARGA BANDA

La caratteristica di queste antenne è quella di concentrare il fascio emesso in una ben determinata direzione(tornando all’analogia ottica è come se ad una lampadina venisse applicato un riflettore), aumentando di fatto la potenza che viene irradiata nelle direzioni esterne. Questa caratteristica viene considerata con un proprio parametro, detto”GUADAGNO RISPETTO ALL’ISOTROPICA”, che viene di norma espresso in dbi ed è specifico di quella tale antenna. Volendo risalire quindi all’effettiva potenza ricevuta da un’antenna posta ad una certa distanza dalla stazione emittente, dovremo considerare anche il guadagno intrinseco delle due antenne (TX e RX). Molte volte la potenza trasmessa e il guadagno dell’antenna in trasmissione vengono espresse in un unico parametro, detto EIRP. Con tale parametro definiamo quale sarebbe la potenza necessaria ad un’antenna isotropica per trasmettere un segnale RF avente la stessa potenza che una direttiva raggiunge nella direzione di massima propagazione.

EMC E CAMPO ELETTROMAGNETICO

Come abbiamo visto nella parte delle nozioni basilari, l’onda elettromagnetica, di un segnale a radiofrequenza è formata da due componenti:

Ø Una magnetica, detta “H”, la quale è misurabile in A/m.

Ø Una elettrica, detta “E” , la quale è misurabile in V/m.

Se noi volessimo conoscere in assoluto la quantità di campo elettromagnetico, presente in un ambiente dovremo tenere conto anche di tutti i contributi energici dati dalle varie sorgenti RF che interessano l’area di riferimento. Questo tipo di misura rimane molto difficile da fare con dei misuratori di potenza collegati ad antenne, in quanto non ci sarebbe garantita una adeguata banda passante. Per meglio valutare l’intensità del campo elettromagnetico è però possibile la misurazione del solo campo elettrico utilizzando apposite sonde, e da questo possiamo risalire all’affettiva densità di potenza presente nell’ambiente in quanto sappiamo che esiste una precisa relazione tra l’intensità del campo elettrico “E”, e quella del campo magnetico “H”.

SONDA EMC PER LA RILEVAZIONE DEL CAMPO ELETTRICO

Se invece deve essere verificata l’effettiva misura del campo elettromagnetico prodotta da una singola sorgente rimane valida la soluzione utilizzante apposite calibrate in RX, con ausilio dei misuratori selettivi.

IL FATTORE ANTENNA

Per determinare con precisione le caratteristiche di un’antenna calibrata da utilizzare per le verifiche di campo elettromagnetico, viene utilizzato uno specifico parametro, detto “FATTORE DI ANTENNA”, che esprime il rapporto tra il campo elettromagnetico incidente ed il valore di tensione effettivo che risulta essere presente all’uscita dell’antenna stessa. Il vantaggio di utilizzare “il fattore di antenna” è dato dal fatto che in questo modo si tiene conto anche del rendimento effettivo dell’antenna stessa, oltre che chiaramente al suo guadagno. Quando utilizziamo questo parametro dobbiamo inoltre tenere in considerazione l’impedenza caratteristica del sistema di antenna in uso (tipicamente 50 o 75 OHM), e dobbiamo anche sapere che l’AF varia con la frequenza. Come tutte le grandezze legate ai campi elettromagnetici, anche il fattore di antenna può essere espresso in db. Conoscendo quindi l’AF caratteristico di un’antenna, e misurando la tensione che essa presenta alla sua uscita, è possibile conoscere l’effettivo campo elettromagnetico presente nell’ambiente (ricordarsi che questa sarà una misura selettiva, quindi ciò che viene misurato sarà solamente il contributo dato dalla porzione di banda in osservazione.