Onde elettromagnetiche e trasmissioni

14/04/21, Giulio Delli Franci | (la videolezione) Un’onda elettromagnetica (o onda piana monocromatica è costituita da una sola frequenza e quindi di regime sinusoidale) può essere considerata un radiazione elettromagnetica prodotta da oscillazioni di cariche elettriche. Un’onda elettromagnetica, come possiamo ben intuire, è costituita da due campi uno elettrico e uno magnetico che viaggiano contemporaneamente e si generano a vicenda nel tempo; inoltre questo genere di onde sono in grado di spostarsi nel vuoto e nei mezzi trasmissivi guidati (cavo coassiale, doppino telefonico) e di trasmettere al contempo segnali elettrici (informazioni) grazie alle proprie proprietà (propagazione) e caratteristiche fisiche. Se prendiamo in considerazione la propagazione di un’onda elettromagnetica in un cavo coassiale (mezzo trasmissivo guidato), notiamo la presenza di un campo elettrico (in V/m), generato dalla differenza di potenziale tra i due conduttori, e di un campo magnetico (in A/m) generato dalla corrente che scorre nel conduttore. Naturalmente, come accennato in precedenza il campo elettrico e quello magnetico sono in grado di propagarsi anche nel vuoto (o etere) oscillando perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda stessa. Alcuni parametri fondamentali di un’onda elettromagnetica sono il periodo (T), la frequenza (1/T) cioè il numero di oscillazioni di campo elettrico e di campo magnetico in un secondo; la lunghezza d’onda (λ= v * T) cioè lo spazio percorso dall’onda in un periodo; bisogna precisare che si può avere la stessa frequenza ma lunghezza d’onda differente. Come noi ben sappiamo, un’onda elettromagnetica trasporta una determinata potenza (p = e*h W/mq) data dal prodotto del campo magnetico ed elettrico dell’onda, ciò va ad influire su vari fattori come la qualità del segnale in ricezione; sicuramente la potenza in trasmissione sarà maggiore di quella in ricezione e ciò è dovuto ad una serie di motivi come la distanza, la qualità del canale di trasmissione, ecc. Per ottenere un buon segnale molto spesso si aumenta la potenza del segnale in trasmissione, nei limiti consentiti, ciò permette di avere una più alta immunità del segnale trasmesso verso disturbi esterni e altri problemi come la riflessione, la rifrazione, la diffrazione, l’attenuazione, ecc.. Tutti i problemi citati precedentemente, come molti altri, sono particolarmente accentuati nelle trasmissioni in alta frequenza ed infatti per realizzare un buon canale trasmissivo con un cavo coassiale bisogna anche tener conto dell’impedenza in ricezione che deve essere la stessa del mezzo trasmissivo (adattamento di impedenza) per evitare o cercare in qualche modo di mitigare il problema della riflessione (cioè parte della potenza trasmessa torna indietro verso il trasmettitore). Le onde radio sono cosiddette sferiche perché una volta generate in un punto sono in grado di diffondersi in tutte le direzioni circostanti (radiatore isotropico) salvo in caso si fa riferimento ad antenne direttive che concentrano o rilevano il segnale solo in una specifica direzione. Non tutti i tipi di onde elettromagnetiche si comportano in questo modo e ciò dipende dalla frequenza e dallo spazio che attraversano, ad esempio consideriamo due diverse forme di onde elettromagnetiche:

·         Le onde di terra o di superficie sono quelle che si propagano seguendo la superficie terrestre (usandola come guida del mezzo trasmissivo) senza attenuarsi particolarmente e ciò accade soprattutto quando esse viaggiano sull’acqua (ad esempio mare, oceano, ecc). Le onde elettromagnetiche usate in questo modo sono le onde lunghe particolarmente efficaci e poco sensibili ai disturbi esterni dello spazio circostante, ciò permette loro di raggiungere distanze di circa 400Km grazie allo loro lunghezza d’onda più elevata.

·         Le onde spaziali sono quelle irradiate verso l’atmosfera come nel caso delle onde corte (VHF) e delle onde cortissime (UHF).

·         Le onde corte sono in grado di raggiungere diverse distanze sfruttando il fenomeno della riflessione della ionosfera, infatti gli strati ionizzanti che si trovano a circa 60-400km dalla terra si comportano come filtri o come specchi a seconda del tipo di onda irradiata e della stagione. Tra i 60 e i 90 km c’è la fascia chiamata ‘D’; tra gli 85 e i 140 km la fascia ‘E’; la ‘F’ tra i 200 e i 400 km. Dagli strati più bassi le onde lunghe e le onde medie, di giorno, vengono assorbite o fortemente attenuate, mentre vengono riflesse di notte quando il livello di ionizzazione diminuisce. Le onde corte, invece, non assorbite o parzialmente assorbite da questi primi strati, raggiungono la fascia più alta (la ‘F’) contro la quale rimbalzano. Poiché la ionizzazione della fascia ‘F’ è piuttosto stabile nel tempo, l’effetto è costante. In questo modo un trasmettitore a onde corte può raggiungere punti estremi del globo grazie a questo continuo rimbalzare tra crosta terrestre e ionosfera.

Infine troviamo le onde VHF e UHF che hanno una propagazione fortemente direttiva simile ai raggi della luce. Le onde elettromagnetiche di quest’ordine una volta irradiate verso l’alto non vengono riflesse dalla ionosfera bensì si disperdono nello spazio; infatti in questo caso, per stabilire un buon collegamento bisogna usare delle antenne direttive e che soprattutto siano visibili tra loro cioè poste nella stessa direzione. Infatti un esempio possono essere le trasmissioni in Fm o televisive (in cui sono impiegate antenne come la Yagi-Uda), ma anche dei ripetitori telefonici e quindi ponti radio installati su alti rilievi per cercare di compensare questo fattore; ad esempio un antenna posta ad un’altezza di 100m è in grado di controllare un’area di appena 30km, ecco perché per ovviare a questo problema sono impiegati i satelliti (ad esempio di classe Direct Broadcasting Satellite) che generano dei segnali “a pioggia” su vaste aree di territorio compensando notevolmente il problema precedentemente descritto. Quindi, in generale, quando si trasmettono onde elettromagnetiche al di sotto dei 2MHz avviene la cosiddetta propagazione terrestre, cioè è il caso in cui il profilo della terra fa da “guida” al segnale; quando si trasmettono segnali tra i 2MHz e i 30MHz si parla di una propagazione ionosferica ed in questo caso l’onda rimbalza ripetutamente tra la ionosfera e la crosta terrestre raggiungendo distanze di migliaia di chilometri senza avere enormi perdite; infine troviamo la propagazione in linea di visione diretta utilizzata nella trasmissione di segnali con frequenze superiori ai 30MHz ed a queste frequenze i fenomeni descritti in precedenza non si verificano più quindi è necessario che l’antenna trasmettente e quella ricevente si vedano tra di loro. Le onde elettromagnetiche possono essere suddivise in varie categorie: le onde radio che hanno un range di frequenze dai 3KHz a 1 GHz, inoltre la trasmissione avviene attraverso la propagazione terrestre o ionosferica e può coprire ampie distanze come nell’esempio della radio FM, AM, ecc.; le microonde con un range da 1GHz a 300GHz possono presentarsi solo nel caso di visibilità diretta come avviene nel caso dei telefoni cellulari; infine abbiamo gli infrarossi che comprendono le frequenze dai 300GHz ai 400THz, esse sono principalmente utilizzate per brevi distanze e non possono essere impiegate all’esterno visto che queste elevate frequenze possono facilmente essere disturbate dalle onde elettromagnetiche solari. L’onda elettromagnetica impiegata per trasferire delle informazioni assume il nome di portante, quest’onda ha delle caratteristiche fondamentali (frequenza, ampiezza, ecc.) per essere trasmessa ed inoltre contiene al contempo il vero e proprio contenuto informativo affidato alla portante attraverso vari tipi di modulazione: modulazione di ampiezza (AM), modulazione di frequenza (FM), modulazione a spostamento di ampiezza (ASK), modulazione a spostamento di frequenza (FSK), modulazione a spostamento di fase (PSK) e infine la modulazione mista di ampiezza e fase (QAM). Lo spettro delle onde elettromagnetiche non è infinito per questo è molto importante saperle ripartire in base alle massime prestazioni che offrono a seconda dei diversi casi, infatti a regolamentare il tutto ci sono diverse leggi a livello nazionale ed internazionale. In Italia la gestione di questo campo spetta al Ministero delle Telecomunicazioni grazie al quale è stato realizzato il Piano Nazionale di Ripartizione delle Frequenze (l’ultima modifica pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale il 18 marzo 2000). Mentre a livello internazionale la questione fa capo all’International Telecommunication Union (ITU), con sede a Ginevra, realizzata dopo l’unione di varie agenzie successivamente al 1947. Il suo compito principale è quello di promuovere la collaborazione, assegnare le frequenze, prevenire e risolvere le divergenze tra i diversi Stati, organizzare incontri internazionali in cui sono definiti gli standard di tipo tecnico e i nuovi criteri di uso dello spettro elettromagnetico. Le onde elettromagnetiche sono presenti dappertutto nell’ambiente e quest’ultime posso essere generate sia da sorgenti di tipo naturali che artificiali. Diversi studi hanno elaborato diverse teorie nei confronti dei cambiamenti che il nostro corpo ottiene stando immerso per un certo periodo di tempo all’interno di un campo elettro-magnetico e quasi tutti convergono verso la stessa direzione: il riscaldamento del corpo umano. Detto così potrebbe sembrare abbastanza strano come conseguenza ma in realtà basta pensare alla conseguenza che hanno i cibi quando vengono inseriti nel microonde, cioè subiscono un aumento di temperatura data dall’accelerazione delle particele subatomiche che li compongono. Lo stesso processo, come garantiscono diversi studi recenti, avviene al nostro corpo in determinate situazioni, ma non sono ancora altrettanto note le conseguenze in cui possiamo incorrere. Bisogna però sottolineare che questo effetto biologico (riscaldamento) non si presenta ogni volta che siamo attraversati da onde elettromagnetiche visto che i livelli a cui siamo normalmente esposti sono troppo bassi per causare problematiche del genere. Molte persone disinformate giungono a conclusioni affrettate dicendo che questi segnali provocano diversi tipi di tumori, in realtà diversi studi epidemiologici non sono ancora riusciti a confermare questa ipotesi, bensì la situazione e nettamente diversa nel caso del tumore al cuore. In questo caso, i risultati mostrano palesemente un aumento della probabilità di contrarre questa malformazione quando si è esposti a onde elettromagnetiche simili a quelli diffuse nell’ambiente che ci circonda. Si parla principalmente di tumore al cuore e al cervello perché queste parti dialogano con il nostro corpo attraverso impulsi elettrici, infatti si pensa che proprio le onde elettromagnetiche possano in qualche modo alterare questa forma di comunicazione in modo irreparabile. Giornalmente noi tutti siamo abituati a passare del tempo al computer, tv, ecc. per tempo libero o per lavoro, in questo caso sicuramente diciamo che le onde elettromagnetiche generate da oggetti di questo tipo non causano alcuna forma di malformazione, e sicuramente usarli per circa 6 ore al giorno può provocare delle problematiche come nel caso di Innocente Marcolini, il quale essendo un manager passava diverse ore al giorno al cellulare e successivamente gli fu diagnosticato un tumore benigno al nervo trigemino.

In questo caso è bene fare una netta distinzione tra onde elettromagnetiche:

·         onde ionizzanti;

·         onde non ionizzanti.

Nel primo caso convergono i raggi X, i raggi gamma e parte dei raggi ultravioletti ed in queste situazioni la frequenza è talmente alta (come si può notare dal grafico) tale che si riesce a modificare strutture molecolari come quella del DNA nell’uomo e di altri organismi viventi; mentre nel secondo caso, i segnali (onde radio) hanno frequenze nettamente più basse e ciò riduce drasticamente la probabilità di avere tali patologie. Per tutti questi motivi nella trasmissione radio è riservata particolare importanza alla metodologia utilizzata e quindi alla potenza che bisogna impiegare nella trasmissione dati; infatti nell’ambito delle telecomunicazioni molto spesso viene preso in considerazione il parametro EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) che è pari al prodotto della potenza irradiata dall’antenna in una determinata direzione per il guadagno (la capacità dell’antenna di irradiare e ricevere un campo elettromagnetico in una direzione) dell’antenna stessa.  Perciò, nel caso in cui utilizziamo un antenna poco direttiva per propagare il segnale in un raggio medio lungo bisognerà utilizzare una maggiore potenza e ciò causerebbe maggiori problematiche per la salute dell’uomo; invece impiegando una antenna particolarmente direttiva (parabola, Yagi-Uda, ecc.) e quindi con un guadagno molto alto, riusciamo a trasmettere segnali senza l’impiego di tanta potenza salvaguardando al contempo la salute degli essere umani. Un esempio del genere può essere l’implementazione della nuova linea 5G che ha causato molti dubbi non solo in Italia ma anche nel resto del mondo. Sicuramente dal punto di vista delle prestazioni è un passo avanti ma al contempo dal punto di vista salutare un po’ meno; infatti sono proprio questi cambi elettromagnetici generati (leggermente più potenti) nell’ambiente che preoccupano una parte degli studiosi di tutti il mondo visto che “le onde wireless ci sono e fanno male dal punto di vista biologico” come afferma la dottoressa Sharon Goldberg e perciò prima di implementare nuove strutture del genere è meglio valutare attentamente la quantità di radiazioni a cui le persone sono esposte ogni giorno per tutto il giorno.