Come misurare i campi delle antenne di telefonia

In questo articolo vedremo come misurare l’intensità del campo elettromagnetico di una o più stazioni radio base della telefonia mobile. Per i siti con una singola stazione radio base, le misurazioni possono essere effettuate usando un misuratore opportunamente calibrato o a banda larga o a banda stretta. Per i siti multi-stazione (o con la presenza di altre sorgenti a radiofrequenza, è appropriato l’uso di un dispositivo di misurazione a banda larga della densità di potenza totale.

Diamo per scontato che abbiate già letto l’introduttivo articolo “Gli strumenti per misurare i campi elettromagnetici a radiofrequenza”, altrimenti rimandiamo alla lettura preventiva di tale parte, in cui si illustrano le frequenze di interesse, la differenza fra strumenti di misura a banda larga ed a banda stretta, i due metodi di misurazione dei campi a radiofrequenza (RF), come scegliere un misuratore RF low-cost, nonché un esempio di tale misuratore con un ottimo rapporto qualità/prezzo (il PCE-EM 29).

Il misuratore RF a larga banda  PCE-EM 29.

Il misuratore in questione è a larga banda ed ha una sonda di campo elettrico isotropica, cioè in grado di misurare su ciascuno dei tre assi insieme o separatamente, per facilitare l’individuazione delle sorgenti. Lo strumento misura il campo elettrico in volt per metro (V/m, o per campi più piccoli, mV/m), dopodiché usa tale misura per calcolare e visualizzare la densità di potenza in watt per metro quadrato (W/m2), utile per valutare la densità di potenza totale per i siti con più sorgenti a radiofrequenza.

Ricordiamo che, per le sorgenti a radiofrequenza nella regione delle microonde – nella quale stazioni radio base e cellulari ricadono – campo elettrico e campo magnetico sono proporzionali, per cui per la misurazione della loro intensità è sufficiente riferirsi al solo campo elettrico. Al contrario, per le sorgenti a bassa frequenza (elettrodotti, linee elettriche domestiche, etc.), i campi elettrico e magnetico sono disaccoppiati, per cui vanno misurati separatamente con altro strumento.

A casa, nel giardino della propria abitazione ed a scuola il limite per le radiofrequenze previsto dalla legge italiana è di 6 V/m per l’intensità del campo elettrico (nei luoghi in cui si staziona almeno 4 ore/giorno) e di 100 mW/m2 per la densità di potenza. Invece all’aperto, ove non sia prevista una permanenza prolungata delle persone, il limite previsto oggi dalla normativa varia tra 20 e 60 V/m, a seconda della frequenza della sorgente. Le misurazioni dell’esposizione ai campi a radiofrequenza vengono fatte sulla base di una media nelle 24 ore, non più su 6 minuti.

La potenza irradiata da una sorgente a radiofrequenza viene spesso espressa in decibel al di sopra dei livelli di potenza di riferimento di 1 mW (dBm) o 1 W (dBW). A seconda del tipo di servizio e della fonte, la gamma di potenza tipica irradiata dalle antenne trasmittenti va da meno di 1 W o 0 dBW (ad esempio, è il caso dei trasmettitori portatili, come ad es. gli LPD) a oltre 100 kW o 50 dBW o superiore (ad esempio, nel caso di radar, trasmettitori VLF della televisione, etc).

Un comune telefono cellulare, invece, ha una potenza irradiata dell’ordine di 1-2 W e una stazione radio base dell’ordine di 1-100 W, e la potenza complessiva emessa da tutti i gestori in una data zona è di solito crescente passando dalla rete GSM (900 MHz) a quella DCS (1800 MHz) ed a quella UMTS (2100 MHz). La quarta rete, denominata ETACS, sistema analogico gestito solamente da TIM, è stata definitivamente smantellata oltre 10 anni fa, ed è probabile che entro una decina d’anni l’unica rete funzionante sarà la UMTS (e le altre più recenti), con una progressiva eliminazione delle altre due reti GSM e DCS.

Introduzione ai campi delle stazioni radio base 

Le stazioni radio base della telefonia mobile sono sorgenti elettromagnetiche a radiofrequenza operanti nella regione delle microonde che irradiano energia nello spazio attraverso antenne installate su torri, pali o edifici. Lo spazio attorno a un’antenna radiante può essere diviso essenzialmente in due regioni, il campo vicino e il campo lontano. Nel campo vicino, l’intensità del campo non decresce in modo costante con la distanza dall’antenna ma oscilla. La regione del campo lontano inizia ad una distanza “R” = 2 a2 / λ dall’antenna, dove “λ” è la lunghezza d’onda e “a” è la dimensione maggiore dell’antenna.

Per distanze superiori ai 20 metri, alle frequenze di esercizio degli impianti di telefonia cellulare – che emettono attualmente nella banda di frequenze 700-2600 MHz – la condizione di campo lontano (e quindi di fronte piano dell’onda) è ampiamente soddisfatta. Inoltre, vale la relazione (nel vuoto o con ottima approssimazione in atmosfera): E = 377 x H, dove E ed H sono, rispettivamente, i moduli del campo elettrico e del campo magnetico, per cui in pratica è sufficiente misurare il solo campo elettrico, mentre la densità di potenza radiante che investe l’unità di superficie è S = E2 / 377 W/m2 (ad es., se E = 6 V/m, S = 0,1 W/m2).

L’andamento del campo elettrico a varie distanze da una stazione radio base. Si noti la differenza fra andamento del campo vicino e lontano (fonte: ARPA Piemonte)

La potenza di alimentazione ai connettori di antenna di una stazione radio base della telefonia mobile è tipicamente dell’ordine di 1-100 W, e vengono usate antenne molto direttive ed orientate con l’asse principale inclinato verso il basso. Le antenne dedicata alla radiodiffusione hanno invece di solito minore direzionalità, oppure sono del tutto omnidirezionali e, in generale non sono orientate verso il basso, e la potenza di alimentazione ai connettori di antenna è spesso dell’ordine di 1-2 kW o più.

Come si fa a decidere quali sono i punti più delicati, cioè quelli dove è importante andare a misurare il campo elettromagnetico? Prima di misurare i campi, sarà importante avere una mappa della zona che ci interessa, dove sono indicati i punti in cui il campo in questione potrebbe essere più alto. Le ARPA hanno un Database degli impianti di telecomunicazione (v. l’articolo “Mappatura delle sorgenti di elettrosmog“) e gli Enti autorizzati (Regione, Province, Comuni) possono consultarne i dati. Pertanto, tutti i Comuni hanno accesso – e possono fornire – questo tipo di dati.

Nelle misurazioni dei campi elettromagnetici a radiofrequenza, i “punti caldi” (hotspot) – cioè con valori assai più alti rispetto alle zone circostanti – sono piuttosto comuni e sono in genere causati dal fatto che tali campi vengono riflessi, rifratti o ri-irradiati da oggetti metallici o da materiali da costruzione. Inoltre, i campi combinati da più fonti possono “sommarsi” in alcune aree e “cancellarsi” in altre. Pertanto, sia nelle misurazioni indoor che in quelle outdoor, occorre misurare il campo elettrico in vari punti e non troppo distanti fra loro.

In pratica, nel mondo reale il risultato della misurazione dell’intensità del campo elettrico intorno a una stazione radio base, a parità di distanza fra l’antenna della stazione in questione e l’apparecchio di misura, può oscillare di due ordini di grandezza (ovvero 20 dB) o più, a seconda della posizione in cui avviene la misurazione, a causa ad esempio delle attenuazioni prodotte dagli ostacoli eventualmente presenti. Ma ciò è dovuto, principalmente, all’interazione di tre proprietà fisiche fondamentali delle onde elettromagnetiche o, se preferite, delle onde in generale: riflessione, assorbimento e interferenze.

Inoltre, è noto che l’intensità delle onde radio dalle stazioni radio base della telefonia mobile varia a seconda delle condizioni di comunicazione, e c’è la possibilità che la massima intensità del campo elettromagnetico non possa essere misurata con misurazioni fatte su un breve lasso di tempo. Pertanto, lo standard internazionale utilizza un metodo per stimare la massima forza del campo elettromagnetico: misurando la forza di un segnale di controllo trasmesso con forza costante indipendentemente dalle condizioni di comunicazione. Tuttavia, le informazioni necessarie per misurare il segnale di controllo e stimare la massima intensità del campo elettromagnetico sono note solo al gestore dell’impianto.

In pratica, una valutazione della conformità rispetto ai limiti di legge si può ugualmente tentare mediante una misurazione relativamente semplice con una piccola sonda per la misurazione isotropica triassiale dei campi elettrici (in pratica, un normale misuratore RF) e una combinazione di un’antenna direttiva e un analizzatore di spettro. Utilizzando questi dispositivi di misurazione, si può valutare la fluttuazione temporale e spaziale durante la misurazione dell’intensità del campo elettrico attorno alla stazione radio base, e di conseguenza le relative medie temporali e spaziali sull’arco, ad esempio, delle canoniche 24 ore.

Come effettuare la misurazione del campo lontano 

Tuttavia, usando solo il nostro misuratore a larga banda PCE-EM 29, dotato di sonda isotropica triassiale, ci accontenteremo della misurazione del campo totale prodotto dalle varie stazioni radio base (e/o da eventuali altre sorgenti RF) vicine al punto di misurazione (misurando quindi il relativo “campo vicino”) o più lontane (misurando il loro “campo lontano”). Le misurazioni vanno fatte con lo strumento a circa un metro e mezzo da terra e lontano da cellulari (che vanno tenuti spenti o in “modalità aereo”) e da oggetti metallici (minimo 30 cm per le microonde) o potenzialmente riflettenti (come muri, pareti, etc.).

La misurazione con l’aiuto di un cavalletto dei campi RF con un misuratore RF a larga banda. (fonte: ARPA Piemonte)

Si noti che il campo elettrico aumenta con l’altezza dal suolo, ed è più elevato ai piani alti degli edifici (fra i piani bassi e quelli alti ci può essere quasi un fattore 2 di differenza nell’intensità del campo rilevato). Pertanto ciò può essere sfruttato ai fini del monitoraggio dell’inquinamento urbano alle radiofrequenze, effettuando misurazioni spot o continue, oltre che a livello strada ed ai piani bassi, anche nelle mansarde e negli attici, negli appartamenti in cui è disponibile un balcone o una terrazza, e nei siti elevati in cui vi è una vista diretta delle stazioni radio base (donde nessun effetto schermante).

L’andamento con l’altezza in piani del campo RF di radio-TV e delle torri della telefonia mobile a Torino. (Anglesio et al., 2001)

Se le emissioni di una sorgente radio sono molto variabili nel tempo, è preferibile effettuare le misurazioni in condizioni di massima emissione. Ad esempio, nel caso delle stazioni radio base per la telefonia mobile, può essere utile avere informazioni sull’intensità del campo elettrico durante il periodo del giorno di traffico massimo e, di conseguenza, occorrerebbe effettuare misurazioni in quel periodo che corrisponde alla massima emissione, oltre – naturalmente – a scegliere giorni feriali.

La durata della misurazione deve essere adeguata a caratterizzare la variazione temporale del segnale rilevato. In alcuni casi, lo standard di protezione definisce una durata della misurazione uguale a 6 minuti, anche se in Italia la nuova normativa prevede una durata di 24 ore. Se il livello del segnale è costante nel tempo – ad esempio per le emittenti che trasmettono in FM – il periodo di tempo delle misurazioni può essere fortemente ridotto (ad esempio meno di 1 minuto, tenendo conto del tempo necessario per la stabilizzazione dello strumento).

L’emissione di una stazione radio base della telefonia mobile (1,49 V/m).

Le misurazioni si effettuano leggendo sul display dello strumento il valore corrente e, possibilmente, anche il valore di picco (o massimo) ed il valor medio (average) su un certo periodo (che in alcuni misuratori possiamo scegliere, entro certi limiti). Normalmente, le misurazioni vengono fatte tenendo la sonda lontana dal corpo, senza altri oggetti presenti a pochi metri dal corpo della persona che effettua la misurazione. Il corpo di quest’ultima non dovrebbe giacere nel percorso del segnale misurato, né naturalmente davanti, né dietro, la sonda. Per misurazioni accurate, sarà utile fissare il misuratore a un cavalletto non conduttore.

Pertanto, il braccio della persona che effettua la misurazione deve essere disteso lateralmente per tenere l’apparecchio misuratore o la sua sonda, che dovrebbe preferibilmente, a sua volta, essere puntata verso la sorgente del segnale. In quei casi in cui viene utilizzato un treppiede, quest’ultimo dovrebbe essere non metallico per evitare qualsiasi effetto di disturbo: è ottimo un cavalletto in legno (di forma simile a quello usato per le foto). Altrimenti la risonanza di un tale dispositivo può cadere vicino alle frequenze coinvolte e il disturbo parassita può sostanzialmente distruggere il campo elettrico locale.

In pratica, una volta acceso lo strumento e selezionate le relative funzioni (unità di misura, asse o assi di misura, etc.), occorre dirigere il suo sensore – che nel caso del PCE-EM 29 è la testa gialla tonda – verso il settore da misurare. Regolando in sequenza i diversi assi con l’apposito pulsante, si può localizzare la direzione della fonte di radiazione. Si consiglia di misurare, però, prima su tutti e tre assi insieme per determinare se esiste qualche fonte di radiazione. Durante la misurazione, occorre tenere lo strumento ben fermo, evitando movimenti rapidi, dato che questi distorcono il valore della misurazione.

Quando si utilizza uno strumento di misura a banda larga, un livello medio di esposizione può essere determinato lentamente muovendo la sonda prima in direzione orizzontale e poi verticale. Una media può essere stimata osservando la lettura dello strumento durante questo processo di scansione. È anche auspicabile una lettura del campo massimo, e, se lo strumento ha una funzione di “peak hold”, ciò può essere ottenuto osservando la lettura del picco secondo le istruzioni dello strumento. Altrimenti, la lettura massima può essere determinata semplicemente registrando il picco durante il processo di scansione.

Se nella zona che ci interessa sappiamo già per certo che vi è una sola sorgente, potremo effettuare un numero relativamente ridotto di misure. Altrimenti, quando si misurano i campi da più fonti relativamente distanti di posizione sconosciuta è necessario scansionare un volume di spazio nella zona di interesse. In pratica, l’area dovrebbe essere divisa in una griglia di un certo numero di metri quadrati e le misure dovrebbero essere prese ad ogni intersezione della griglia. I valori ottenuti possono poi essere riportati su un foglio Excel o su una mappa per farsi un’idea immediata dell’andamento del campo.

Misurazione del campo di una seconda stazione radio base sul tetto (1,5 V/m).

Tieni presente che i valori di campo misurati variano in funzione del traffico telefonico e dati, e quindi del tempo, su varie scale temporali. Inoltre, la temperatura e l’umidità possono influire sulla precisione della sonda di misura. Assicurati che questi siano all’interno dell’intervallo di funzionamento della sonda. In condizioni di temperatura e umidità molto bassa o molto alta dovrebbero venire applicati ai dati di misurazione dei fattori di correzione. Infine, strumenti di misurazione non calibrati o mal calibrati possono introdurre errori.

Tanto per dare un’idea dei valori che potresti trovare: in città medio-piccole (sui 50.000 abitanti), un valore tipico che abbiamo rilevato nel 2018, con un misuratore PCE-EM 29, all’interno di case piuttosto lontane dalle stazioni radio base, è dell’ordine di 10 mV/m (o 0,01 V/m), mentre quando si entra in “contatto visivo” con una stazione radio base (a circa 250 metri da essa) si può salire a circa 500 mV/m (ovvero 0,5 V/m), un valore 50 volte maggiore, ed a 1-2 V/m o superiore per distanze minori (dell’ordine di 100 m o inferiori).

Stima teorica, con una simulazione al computer, del campo elettrico vicino e del campo lontano di una stazione radio base della telefonia. (fonte: ARPA Piemonte)

Soprattutto nelle grandi città un contributo rilevante può venire anche dalle emittenti radio-televisive, per quanto relativamente lontane, o dalle innumerevoli sorgenti radio minori ma assai più vicine usate dai vari servizi pubblici e privati. “A Roma ad es. in Via Faravelli l’esposizione dei cittadini ha raggiunto la quota limite di 5,80 V/m a ridosso di nuove antenne Rai. E i dati ufficiali dell’ARPA Lazio”, come racconta Maurizio Martucci nel suo ottimo libro Manuale di autodifesa per elettrosensibili (2018), sono ancora meno confortanti: “in alcune strade della Capitale sono stati registrati fino a 23 V/m, 60 V/m e perfino 145 V/m”.

Nel servizio “Onda su onda” della trasmissione Report andato in onda su Rai 3 il 27 novembre 2018, è stato fatto vedere un controllo a sorpresa dell’ARPA Lazio all’interno della Stazione Termini di Roma, dove è stato riscontrato un valore minimo di 6,25 V/m, un valore massimo di 9,48 V/m e una media su 6 minuti di 7,09 V/m, ma misurazioni indipendenti fatte con uno strumento professionale hanno mostrato valori fino a 13 V/m vicino ai ripetitori posti nei corridoi. Il tecnico ARPA spiega anche che la misurazione sulle 24 ore prevista dalla nuova normativa rende obiettivamente molto problematico effettuare una misurazione con valore ufficiale. Ciò, di fatto, vanifica la possibilità di controlli efficaci.

Alcune misurazioni mostrate da Report (Rai 3), effettuate alla Stazione Termini di Roma con un misuratore professionale portatile PMM 8053.

 

Riferimenti bibliografici

  1. Misura del campo elettromagnetico emesso da stazioni radio base, https://www.strumentazioneelettronica.it/tecnologie/wireless/misura-del-campo-elettromagnetico-emesso-da-stazioni-radio-base-201412241447/
  2. D’Amore G., “General Overview on Methods for Monitoring Environmental Electromagnetc Fields”, ARPA Piemonte, 2014, https://www.arpa.piemonte.it/arpa-comunica/file-notizie/2014/general-overview-on-measurement-monitoring-damore.pdf
  3. Anglesio L., “Population Exposure to Electromagnetic Fields Generated by Radio Base Stations: Evaluation of the Urban Background by using Provisional Model and Instrumental Measurements”, Rad. Protection Dosimetry, 2001, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11878419
  4. Watanabe S. e Hamada L. “Measurements of the Electromagnetic Field from a Mobile Phone Base Station”, Research and Development of Testing Technologies fo Radio Equipment,  http://www.nict.go.jp/publication/shuppan/kihou-journal/journal-vol63no1/journal-vol63no1-03-04.pdf
  5. “Indoor Measurements of the Electric Field Close to Mobile Phone Base Stations”, https://www.swisscom.ch/content/dam/swisscom/de/about/innovation/open-innovation/prueflabor/documents/pub-indoor-measurements-of-emf-closetobs.pdf
  6. “Guidelines for the Measurement of Radio Frequency Fields at Frequencies from 3 kHz to 300 GHz”, 2005, https://www.rfsafetysolutions.com/PDF%20Files/Canada’s%20Measurement%20Practices%20Guidelines.pdf

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