Strumenti per misurare i campi a radiofrequenza

I campi elettromagnetici non si vedono e non si sentono, ma c’è un modo per scoprirli e misurarli. Come avviene per molti fenomeni naturali, anche per i campi elettromagnetici si possono fare delle misure dirette. Per sentire gli odori nell’aria basta un naso, per “sentire” i campi elettromagnetici bisogna utilizzare un “naso” speciale, cioè una sonda, collegata ad un apparato di misura che ci permette di “stabilire” il valore del campo elettromagnetico nel punto dove vogliamo misurarlo.

La sonda è, sostanzialmente, un’antenna ricevente e serve a “catturare” il campo elettromagnetico; l’apparato di misura è l’apparecchio che, dopo aver elaborato il segnale ricevuto dalla sonda, fornisce il valore del campo. Ovviamente, dato che le frequenze dei campi elettromagnetici a radiofrequenza (e in particolare nelle microonde) sono elevate, per misurare tali campi dovremo scegliere lo strumento e soprattutto la sonda più adatta, in funzione della frequenza del campo da misurare.

Un misuratore RF di tipo professionale.

In particolare, le frequenze dei campi emessi dalle stazioni radio base per la telefonia mobile (e dunque anche dai telefonini) vanno dagli 800 MHz ai 2,6 GHz per le generazioni fino al 4G e 4.5G, ma per il 5G si spingeranno anche nelle bande a 3,7 GHz ed a 26 GHz. I Wi-Fi domestici e gli hot-spot pubblici, invece, usano frequenze nelle bande a 2,4 e 5 GHz. Le emittenti radio-televisive lavorano con frequenze che possono andare da 500 kHz a 750 MHz, mentre altri servizi radio arrivano a 900 MHz. Pertanto, caso 5G a parte, occorre un misuratore in grado di misurare nell’intervallo da 700 MHz a 3,5 GHz.

In tutti questi intervalli di frequenza, le lunghezze d’onda dei campi elettromagnetici e le dimensioni dell’antenna sono relativamente corte, le posizioni di misurazione sono solitamente situate nella regione del campo lontano e, in generale, sono necessarie solo misurazioni del campo elettrico (E). Nella regione del campo lontano, infatti, il campo magnetico (H) e il campo elettrico (E) sono correlati da una costante, cioè vi è un rapporto fisso fra essi. In questo caso, il misurare solo la componente |E|² può approssimare la densità di potenza. A frequenze inferiori a 300 MHz, invece, è necessario misurare anche il campo magnetico (H).

Tutti i segnali a radiofrequenza (RF) hanno un orientamento nello spazio. Possono essere polarizzati verticalmente o orizzontalmente, oppure possono essere polarizzati circolarmente. L’orientamento dell’antenna del misuratore rispetto al segnale influirà notevolmente sulla capacità del misuratore di “vedere” il segnale. Se l’antenna è allineata correttamente, vedrà al meglio il segnale. In caso contrario, la lettura sarà inferiore. Quando sono presenti più segnali (con diversi orientamenti), è difficile definire l’orientamento dell’antenna “corretto”.

Polarizzazione orizzontale o verticale di un segnale RF (a sinistra) e confronto fra le varie unità di misura usate per le radiofrequenze (a destra).

Quando si misurano i livelli generalmente bassi della radiazione RF di fondo, è possibile utilizzare una piccola unità, ad esempio il V/m. Quando si misura la quantità relativamente grande di radiazioni che fuoriesce da un forno a microonde, è possibile utilizzare un’unità più grande, come i mW/cm2. L’immagine qui sopra mostra la dimensione relativa di alcune unità rispetto a 1 V/m. Si noti che A/m è un’unità molto più grande, quasi 400 volte la dimensione di un V/m. A/m è quindi più adatta per misurare le radiazioni molto forti.

Ricordiamo che i limiti attualmente in vigore per i campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici generati da sorgenti fisse operanti ad alta frequenza (100 kHz-300 GHz) – comprendenti ad esempio gli impianti per telefonia mobile o per radiodiffusione televisiva o radiofonica – sono fissati dal Decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri dell’8 luglio 2003 (pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 199 del 28/08/2003). In esso vengono fissati, nell’ordine, limiti di esposizione, valori di attenzione ed obiettivi di qualità. I valori di riferimento (limite di esposizione o valore di attenzione) dipendono dalla destinazione d’uso del luogo, mentre i limiti di esposizione variano anche in funzione della tipologia dell’impianto di emissione (telefonia mobile, radio, TV, ponti radio, etc.).

Si noti che, per le sorgenti a radiofrequenza, nella maggioranza dei casi, campo elettrico e campo magnetico sono proporzionali, per cui per la misurazione della loro intensità è sufficiente riferirsi al solo campo elettrico (i “famosi” 6 V/m per i luoghi in cui si staziona per più di 4 ore). Solo in alcune specifiche situazioni – per esempio in prossimità di impianti radio, o comunque di sorgenti che operano a frequenze inferiori a 300 MHz – è necessario misurare separatamente campo elettrico e campo magnetico (espresso in μT, ovvero microtesla).

In pratica, 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 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 attualmente dalla normativa italiana varia tra 20 e 60 V/m, a seconda della frequenza della sorgente. Le misurazioni dell’esposizione ai campi a radiofrequenza devono oggi essere 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) a oltre 100 kW o 50 dBW o superiore (ad esempio radar, trasmettitori VLF, etc). Una stazione radio base della telefonia mobile, invece, può avere una potenza irradiata dell’ordine di 1-100 W; un comune telefono cellulare, infine, dell’ordine di 1-2 W.

Strumenti di misura a banda larga ed a banda stretta

Gli strumenti di misura dei campi elettromagnetici sono, fondamentalmente, di due tipi: a banda larga, utilizzati per sapere quanto vale il campo elettromagnetico totale; a banda stretta, utilizzati per catturare il campo elettromagnetico prodotto da una sola sorgente. Pertanto, le misure del campo elettromagnetico possono essere eseguite con differenti modalità, e nella scelta dell’apparato di misura è fondamentale avere le idee chiare su che cosa vogliamo sapere dalla misura di campo.

I misuratori a banda larga misurano la radiazione totale, perché tengono conto di tutto quello che sentono in una larga banda dello spettro elettromagnetico. Dunque, se in una certa zona c’è un’emittente radio che trasmette a 95 MHz e una stazione radio base che trasmette nella banda delle microonde, un misuratore a banda larga darà un valore di campo che “contiene” quello delle due sorgenti. Un misuratore a banda stretta, invece, isola una sola delle sorgenti e misura l’intensità solo di quella.

Esempio di misuratori a banda larga e a banda stretta (fonte: ENEA)

Dunque, un misuratore a larga banda permette di verificare che il valore complessivo del campo elettromagnetico in una larga gamma di frequenze non superi determinati valori, poiché se fosse troppo elevato non andrebbe bene per la nostra salute. Un misuratore a banda stretta, invece, concentrandosi su una singola sorgente isolandola dalle altre, permette di verificare che nessuna singola sorgente sia troppo potente e che dunque rispetti il limite per essa previsto dalla normativa vigente.

La classificazione di un segnale come “a banda stretta” o “a banda larga” (da non confondersi con la banda dello strumento) è invece determinata dallo spettro di frequenza occupato del segnale in esame, relativo alla larghezza di banda della risoluzione (RBW) dello strumento utilizzato per la misurazione. Se lo spettro del segnale è completamente contenuto nella banda passante del filtro IF (Intermediate Frequency), viene definito come un segnale a banda stretta; se invece supera la larghezza di banda del filtro, il segnale viene considerato a banda larga.

Esempio di segnale a banda larga (a sinistra) e a banda stretta (a destra).

In pratica, un misuratore a banda larga risponde uniformemente su un ampio intervallo di frequenze e non richiede sintonizzazione. Anche un misuratore a banda stretta può funzionare su un’ampia gamma di frequenze, ma la larghezza di banda della ricezione è ridotta e il dispositivo deve essere sintonizzato sulla frequenza di interesse. I dispositivi a banda stretta ed a banda larga hanno i loro vantaggi e svantaggi a seconda dell’ambiente spettrale e del tipo di misure che si ha in progetto di fare.

Guida alla scelta dello strumento di misura dei campi RF

I misuratori per i campi elettromagnetici – strumenti usati per indicare l’intensità complessiva di una varietà di campi elettromagnetici – sono oggi disponibili con un’ampia gamma di sensibilità, risposte in frequenza e caratteristiche. Per l’uso a casa o in ufficio o in ambienti aperti, semplici misuratori a banda larga sono spesso sufficienti per un rilevamento iniziale. Per misurare le radiofrequenze più comuni, vi servirà in pratica un misuratore a banda larga per campi RF e microonde.

Il misuratore RF a banda larga deve misurare il gradiente di tensione (in mV/m) o la densità di potenza (in W/m2) dei campi a radiofrequenza. Inoltre, deve essere in grado di misurare la potenza della radiofrequenza pulsata prodotta da telefoni cellulari e stazioni radio base, telefoni DECT cordless e reti wireless, oltre alla potenza continua di sorgenti RF meno complesse, come trasmettitori radio e TV. Esempi economici di questo tipo di misuratori possono venire trovati facilmente su Internet.

Ad esempio, uno dei misuratori RF di elettrosmog più diffusi in Italia – e, soprattutto, con il miglior rapporto qualità/prezzo – è il PCE-EM 29, prodotto dall’omonima e affidabilissima casa tedesca, la PCE. Si tratta di un apparecchio a larga banda, del costo di circa 200 euro, in grado di misurare i campi elettromagnetici a radiofrequenza nell’intervallo 50 MHz-3,5 GHz, grazie al suo sensore di campi elettrici isotropico (che permette misurazioni su tre assi contemporaneamente o uno alla volta).

Il misuratore PCE-EM 29 in azione su un telefono cellulare in condizioni di segnale di “campo” eccellente: 2,1-2,4 V/m.

Dunque, il PCE-EM29 è ottimo per avere un unico strumento low-cost con il quale misurare: l’intensità di campo delle onde elettromagnetiche ad alta frequenza (RF); la densità di potenza irradiata dalle antenne delle stazioni radio base della telefonia mobile; le applicazioni di comunicazione wireless (CW, TDMA, GSM, DECT); il segnale del Wi-Fi (router, Wireless LAN e hotspot); le spy camera e le cimici wireless; il livello di sicurezza della radiazione emessa da telefoni cellulari e cordless; eventuali perdite dai forni a microonde; la sicurezza personale dell’ambiente in cui si vive rispetto ai campi elettromagnetici.

In genere, un misuratore per misurare le RF potrebbe avere una gamma di frequenze da 50 MHz a 3 GHz o poco più. I misuratori RF (o a microonde, ovvero quelli che più specificamente misurano le frequenze da circa 500 MHz in su, che sono quelle più di interesse per la telefonia mobile) generalmente misurano il campo di tensione in volt per metro (V/m, o per campi più piccoli, mV/m), anche se spesso usano questa misura per calcolare e visualizzare in alternativa, volendo, la densità di potenza in watt per metro quadrato (W/m2).

Una misurazione del campo vicino a un’antenna della telefonia mobile.

Per quanto riguarda, in particolare, le misurazioni inerenti i router Wi-Fi, dato che i modelli più recenti di questi apparecchi operano, oltre che nella banda a 2,4 GHz, anche in quella a 5 GHz – che è fuori dalla portata di molti comuni misuratori RF di elettrosmog (come ad es. il PCE-EM 29) – occorre usare un misuratore RF a banda più larga, come ad esempio il Cornet ED78S, che opera nell’intervallo di frequenze da 100 MHz a 8 GHz, oppure il modello un po’ più costoso Cornet ED88T Plus che, a differenza di quello precedente, è un ottimo misuratore, oltre che di RF, anche (come il TriField) di campi elettrici e magnetici a bassa frequenza, tuttavia nell’intervallo 50 Hz-10 kHz (l’ideale per misurare l’“elettricità sporca”) e in più mostra la frequenza dell’esposizione (sia pure solo nell’intervallo di frequenza 100 MHz-2,7 GHz).

Il Cornet può mostrare anche la frequenza dell’esposizione.

Questa lettura della frequenza mostrata dall’ED88T Plus aiuta a identificare la fonte di elettrosmog a distanza ravvicinata. Esso, infatti, mostra la frequenza di campo RF predominante in MHz. Ad esempio, se la lettura indica una frequenza vicino a 2,4 GHz, ciò indica la presenza di un router Wi-Fi o di un forno a microonde. Se è più vicina a 900 MHz, la sorgente potrebbe essere una torre di telefonia, un cellulare o uno smart meter. E la rapida frequenza di campionamento dell’impulso (10.000/ sec.) aiuta a catturare i brevi impulsi del contatore intelligente.

I misuratori RF (e a microonde) di solito sono isotropici, cioè hanno un sensore triassiale che dà una lettura del campo efficace senza dover cambiare l’orientamento dello strumento, facilitando di molto la misurazione. Si noti che molti misuratori RF hanno un sensore interno (antenna) che non deve essere coperto dalla mano. Tenete quindi il misuratore dal bordo inferiore, se possibile, oppure poggiatelo su un cavalletto di legno. Inoltre, non usate mai misuratori per campi a bassa frequenza (ELF, 50 o 60 Hz) per misurare radiofrequenze o microonde.

Segnaliamo anche, per la sua peculiarità, un terzo modello di misuratore RF, l’Acoustimeter AM-10,  più costoso, il cui punto di forza è la semplicità, oltre a un’ampia risposta in frequenza paragonabile a quella del Cornet: da 200 MHz a 8 GHz. Ha un display LCD che mostra simultaneamente il livello di picco del campo elettrico (in V/m) e il livello medio di esposizione in μW/m2. Mostrare solo il livello di picco del campo elettrico può creare non poca confusione, tuttavia la bellezza di questo misuratore RF è la sua funzione audio: non appena prendi qualsiasi tipo di lettura, la puoi ascoltare dall’altoparlante (o dall’auricolare) come un suono diverso a seconda del tipo di sorgente (GSM, DECT, 3G o 4G, Wi,-Fi, etc.), dopodiché sul display puoi vedere il livello di radiazione.

Un Acoustimeter usato per misurare il campo di un lettore Kindle di e-book.

Ma oltre a essere dotato di una scala a led per una immediata visualizzazione del livello misurato (da 20 mV/m a 6 V/m), ha anche un’ottima sensibilità direzionale per un misuratore, che non può essere definito direzionale in senso stretto. Mentre molti misuratori RF ti dicono solo qual è il livello di radiazione RF, con questo strumento puoi in determinate circostanze sapere da dove proviene. Inclinando il misuratore con diverse angolazioni, puoi trovare le sorgenti RF nel tuo ambiente, una torre di telefonia nascosta o un router WiFi distante da cui non avresti mai immaginato di raccogliere un segnale (se si esegue il test in un’area in cui sono presenti radiazioni RF provenienti da fonti diverse, è improbabile però che sia possibile ottenere letture direzionali accurate).

Si noti che, indipendentemente dallo strumento che deciderete di usare, il vostro misuratore potrà fornire risultati diversi da quelli ottenuti con modelli di altre marche. Infatti, quando c’erano solo segnali analogici – e neppure molti – era relativamente facile misurare quei segnali. Ora, nell’era digitale e alle frequenze delle microonde, ci sono molti segnali digitali di vari tipi diversi, ed è molto più difficile individuare un metodo di misurazione definitivo. Misuratori di diversi produttori possono calcolare l’intensità del campo in modo leggermente diverso. Inoltre, i misuratori possono avere gamme di frequenza diverse, diversi tipi di sensori, e dare risultati diversi a frequenze diverse.

Per indagini più accurate, sono dunque necessari strumenti più sofisticati. Possono occorrere misuratori con un intervallo di frequenza maggiore per misurare i campi elettromagnetici meno comuni, ma non è il nostro caso (se non per le frequenze più elevate del 5G, non ancora coperte dalla maggior parte dei misuratori RF commerciali low-cost). Altri strumenti più sofisticati, come gli analizzatori di spettro e le antenne direzionali attive, sono utili se la fonte di un campo elettromagnetico va localizzata, oppure se occorre una maggiore sensibilità o, infine, se il segnale da misurare è discontinuo (ad es. ha una modulazione a impulso con una bassa frequenza di ripetizione dell’impulso).

Gli analizzatori di spettro e il loro utilizzo

Lo strumento solitamente utilizzato dai professionisti per misurare sia la frequenza sia l’intensità dei campi elettromagnetici è l’analizzatore di spettro. Questo strumento misura un ampio intervallo di frequenze un poco alla volta, memorizzando e/o visualizzando i risultati per ogni singola banda stretta di frequenze. Gli analizzatori di spettro sono costosi, come dimostrerà rapidamente una ricerca su Internet. Si noti, infine, che un misuratore di campi elettromagnetici a bassa frequenza (50 o 60 Hz, ovvero nella banda ELF, Extremely Low Frequency) non può misurare la frequenza dei campi elettromagnetici a radiofrequenza.

Fondamentalmente, quindi, si possono distinguere due diversi tipi di metodi disponibili per le misurazioni dei campi elettromagnetici ad alta frequenza. Uno è l’uso di sensori di campo isotropici portatili, che consentono una misurazione semplice e non selettiva dell’intensità del campo elettrico. L’altro, più complicato, è la misurazione selettiva in frequenza grazie alla combinazione di un’antenna direttiva con un analizzatore di spettro o ricevitore di test. Il principale svantaggio dei misuratori a banda larga di facile utilizzo è la non selettività di questo metodo, che non permette di valutare la singola sorgente.

Analizzatore di spettro con antenna selettiva e interfacciato a un PC.

Gli analizzatori di spettro sono essenzialmente dei ricevitori sintonizzabili a banda larga la cui larghezza di banda di ricezione può essere impostata su un’ampia gamma di frequenze. Sono usati per misurare la potenza al terminale dell’antenna – collegata allo strumento con un cavo coassiale – alla frequenza selezionata. Possono venire usati con vari tipi di antenne: a dipolo con un guadagno di circa 2, 15 dBi; antenne con bassa direttività (come ad es. le antenne biconiche); antenne ad alta direttività.

Ad esempio, se utilizzato in combinazione con un’antenna selettiva a banda stretta, l’analizzatore di spettro diventa concettualmente simile a un cosiddetto “misuratore di intensità di campo”. Tuttavia, anche gli analizzatori di spettro possono essere collegati ad antenne relativamente corte e non direttive per produrre una risposta ampia su un determinato intervallo di frequenza. In questo caso, l’analizzatore mostrerà lo spettro dei segnali ambientali e quindi permetterà di accertare le frequenze coinvolte e il loro contributo relativo alla densità di potenza complessiva misurata con lo strumento a banda larga.

Esempio di analisi spettrale ottenibile con un analizzatore di spettro, che permette di identificare le singole sorgenti. (© F. Marinelli)

Se la direzione della radiazione incidente è nota, la misurazione può essere effettuata orientando l’antenna direttiva verso la sorgente e acquisendo lo spettro. Questa operazione deve ripetersi per due posizioni ortogonali nell’orientazione dell’antenna, corrispondenti a due diverse polarizzazioni. Il campo globale risultante sarà ottenuto da una somma dei due spettri acquisiti. Se ci sono molte direzioni da cui proviene radiazione incidente a causa della presenza di molte fonti  collocate in posizioni diverse, è necessario effettuare più misure orientando l’antenna direttiva verso le diverse fonti, magari dopo una survey con un’antenna non direttiva.

Nella figura seguente, ad esempio, i picchi che si vedono andando da sinistra verso destra – cioè da frequenza più basse a frequenze più alte –rappresentano, rispettivamente, la modulazione di frequenza radio delle emittenti radiofoniche, le emittenti televisive, le stazioni radio base della telefonia mobile delle varie compagnie, ponti radio di passaggio di tutte le compagnie, l’UMTS (usato dagli smartphone) e il Wi-Fi. Questi mostrati nella parte superiore sono sono i valori misurati in un’abitazione di Ciampino, i cui abitanti sono esposti per 24 ore al giorno a tale campo, per cui se poi hanno delle reazioni sul proprio fisico è comprensibile. La parte inferiore mostra invece i valori più “normali” e vicini al fondo naturale misurati in un’altra abitazione, ma sita ad Orvinio (comune di 387 abitanti in provincia di Rieti), una zona di campagna che come si vede risulta essere pressoché libera da elettrosmog.

In alto, analisi spettrale compiuta in una casa con forte elettrosmog, in basso in un’altra casa che non è interessata affatto da questo problema. (© F. Marinelli)

 

Riferimenti bibliografici

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  3. Combination EMF Meters, http://www.lessemf.com/combi.html#439
  4. “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
  5. 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/
  6. D’Amore G., “General Overview on Methods for Monitoring Environmental Electromagnetc Fields”, ARPA Piemonte, https://www.arpa.piemonte.it/arpa-comunica/file-notizie/2014/general-overview-on-measurement-monitoring-damore.pdf
  7. Lehmann et al., “Narrowband and Broadband Discrimination with a Spectrum Analyzer or EMI Receiver”, In Compliance, 2010, https://incompliancemag.com/article/narrowband-and-broadband-discrimination-with-a-spectrum-analyzer-or-emi-receiver/
  8. I campi elettromagnetici, opuscolo informativo dettagliato dell’ENEA, 2017, http://www.brindisi.enea.it/intranet/626/opuscoli/I%20campi%20elettromagnetici%20CR%20Brindisi%20rev%201%20del%2025%20gennaio%202017.pdf
  9. Cornet ED78S EMF Meter: A Review, https://www.electricsense.com/10786/cornet-ed88t-emf-meter/
  10. Acoustimeter AM-10 RF Meter, https://www.emfields-solutions.com/detectors/acoustimeter.asp

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