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CNR CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE AEI ASSOCIAZIONE ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA ITALIANA COMITATO

ELETTROTECNICO

ITALIANO

Norma Italiana

Data Pubblicazione Edizione

N O R M A I T A L I A N A C E I

Classificazione Fascicolo

Titolo

Title

CEI 211-7

2001-01

Prima

211-7 5909

Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettromagneticinellintervallo di frequenza 10 kHz - 300 GHz, con riferimentoallesposizione umana

Guide for the measurement and the evaluation of electromagnetic elds in thefrequency range 10 kHz - 300 GHz, with reference to the human exposure

ELETTROTECNICA GENERALE E MATERIALI PER USO ELETTRICO

G U I D A

G U I D A

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CEI - Milano 2001. Riproduzione vietata.Tutti i diritti sono riservati. Nessuna parte del presente Documento pu essere riprodotta o diffusa con un mezzo qualsiasi senza il consenso scrittoLe Norme CEI sono revisionate, quando necessario, con la pubblicazione sia di nuove edizioni sia di varianti. importante pertanto che gli utenti delle stesse si accertino di essere in possesso dellultima edizione o variante.

SOMMARIOLa presente Guida fornisce indicazioni per la scelta della strumentazione e delle modalit di esecuzione dellemisure dei campi elettromagnetici ad alta frequenza (10 kHz - 300 GHz), in vista della caratterizzazionedellesposizione umana.La Guida stata elaborata tenendo conto di una serie di documenti tecnici e normativi disponibili (progettidi norme IEC e CENELEC, norme IEEE, norme nazionali, documenti tecnici aziendali, ecc.) e integra le pre-scrizioni sulla strumentazione e sulle modalit di misura con altre informazioni ritenute di estrema utilit perlesecuzione corretta e accurata delle misure. Tali informazioni riguardano essenzialmente:- le caratteristiche siche dei campi;- i meccanismi di interazione tra i campi elettrici e magnetici e il corpo umano;- le caratteristiche fondamentali di diversi tipi di sorgente (impianti di telecomunicazione, apparecchiatureelettriche ed elettroniche);

- i metodi di calcolo dei campi elettromagnetici prodotti da impianti di telecomunicazione.La Guida rivolta a diversi tipi di utilizzatori, quali i costruttori di strumenti di misura, i progettisti e gli eser-centi di impianti di telecomunicazione, i costruttori di apparecchiature elettriche ed elettroniche, i laboratori

di prova, gli organismi di certicazione e gli enti di verica.

DESCRITTORIMisura

Measurement

; Valutazione

Evaluation

; Campo elettromagnetico

Electromagnetic eld

;Esposizione umana

Human exposure

; Strumentazione

Instrumentation

; Taratura

Calibration

; Ondapiana

Plane wave

; Campo vicino

Near eld

; Campo lontano

Far eld

; Sensore

Probe

; Antenna

Antenna

; Telecomunicazioni

Telecommunications; Tasso di assorbimento specico (SAR)

Specicabsorption rate (SAR)

;

COLLEGAMENTI/RELAZIONI TRA DOCUMENTINazionali

Europei

Internazionali

Legislativi

Racc. 1999/159/CE; Dec. Min. 381/1998;

INFORMAZIONI EDITORIALI

Norma Italiana

CEI 211-7

Pubblicazione

Guida

Carattere Doc.

Stato Edizione

In vigore

Data validit

2001-2-1

Ambito validit

NazionaleVarianti

NessunaEd. Prec. Fasc.

Nessuna

Comitato Tecnico

211-Esposizione umana ai campi elettromagnetici (ex CT 111)Approvata dal

Presidente del CEI

in Data

2000-12-12

in Data

Sottoposta a

inchiesta pubblica come Progetto C. 735

Chiusa in data

2000-10-31

Gruppo Abb.

1

Sezioni Abb.

C

ICS

CDU

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Pagina iii

INDICE GENERALE

Rif. Argomento Pag

.

INTRODUZIONE

1

1

SCOPO

3

2

CAMPO DI APPLICAZIONE

3

3

RIFERIMENTI NORMATIVI

3

4

DEFINIZIONI

3

4.1

Definizioni di carattere generale

..................................................................................................................................3

4.1.1

Corrente elettrica di conduzione I

c

............................................................................................................................3

4.1.2

Corrente elettrica di spostamentoI

s

...........................................................................................................................4

4.1.3

Densit di corrente elettrica di conduzione

...................................................................................................4

4.1.4

Densit di corrente elettrica di spostamento

.................................................................................................4

4.1.5

Frequenza

f

..................................................................................................................................................................................4

4.1.6

Media sullintervallo temporale (

t

1

t

2

)

..................................................................................................................4

4.1.7

Valore efficace

...........................................................................................................................................................................4

4.2

Definizioni relative a grandezze fisiche caratterizzanti il campo elettromagnetico

................ 5

4.2.1

Campo elettrico

.....................................................................................................................................................................5

4.2.2

Campo magnetico ...........................................................................................................................................................5

4.2.3

Campo perturbato

...................................................................................................................................................................5

4.2.4

Campo non perturbato

........................................................................................................................................................5

4.2.5

Conducibilits

..........................................................................................................................................................................5

4.2.6

Densit di potenza S

.............................................................................................................................................................5

4.2.7

Densit di potenza, picco

..................................................................................................................................................5

4.2.8

Densit di potenza media nel tempo

.......................................................................................................................6

4.2.9

Fattore di utilizzazione (ciclo di utilizzazione o duty cycle)

...................................................................6

4.2.10

Impedenza donda del vuoto (

Z

0

o h

0

)

...................................................................................................................6

4.2.11

Induzione dielettrica

.........................................................................................................................................................6

4.2.12

Induzione magnetica .......................................................................................................................................................6

4.2.13

Lunghezza dondal

..............................................................................................................................................................6

4.2.14

Modulazione

................................................................................................................................................................................64.2.15 Modulazione ad impulsi.....................................................................................................................................................74.2.16 Onda piana ..................................................................................................................................................................................74.2.17 Polarizzazione ............................................................................................................................................................................74.2.18 Regione di campo lontano ...............................................................................................................................................74.2.19 Regione di campo vicino radiativo.............................................................................................................................74.2.20 Regione di campo vicino reattivo................................................................................................................................74.2.21 Valore efficace del campo elettrico............................................................................................................................84.2.22 Valore efficace del campo magnetico ......................................................................................................................84.3 Definizioni relative a grandezze fisiche riguardanti i concetti di esposizione e

utilizzate nel contesto di normative e raccomandazioni nazionali e internazionali ............... 84.3.1 Assorbimento specifico (SA) ...........................................................................................................................................84.3.2 Corrente di contatto ...............................................................................................................................................................84.3.3 Effetto diretto dellesposizione ......................................................................................................................................84.3.4 Effetto indiretto dellesposizione ..................................................................................................................................8

4.3.5 Esposizione ..................................................................................................................................................................................8

J c J s

E

H

D

B

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4.3.6 Esposizione breve ...................................................................................................................................................................84.3.7 Esposizione continua ............................................................................................................................................................94.3.8 Esposizione non uniforme ................................................................................................................................................94.3.9 Esposizione parziale del corpo ......................................................................................................................................94.3.10 Fondo naturale di campo elettromagnetico .........................................................................................................94.3.11 Lavoratori esposti.....................................................................................................................................................................94.3.12 Limiti di base ...............................................................................................................................................................................94.3.13 Livelli di esposizione.............................................................................................................................................................94.3.14 Livelli di riferimento...............................................................................................................................................................94.3.15 Popolazione esposta ..............................................................................................................................................................94.3.16 Potenza media (temporale) assorbitaP m ...............................................................................................................94.3.17 Punti caldi RF ...........................................................................................................................................................................104.3.18 Radio frequenza (RF)..........................................................................................................................................................104.3.19 Tasso di assorbimento specifico (SAR)..................................................................................................................104.3.20 Tempo di media t m ...............................................................................................................................................................104.3.21 Valore medio ambientale .................................................................................................................................................104.4 Definizioni relative alla strumentazione di misura ........................................................................................104.4.1 Altezza efficace di unantenna......................................................................................................................................104.4.2 Apertura di unantenna ......................................................................................................................................................104.4.3 Banda passante .......................................................................................................................................................................104.4.4 Diafonia ........................................................................................................................................................................................104.4.5 Diagramma di unantenna (o diagramma di radiazione) ..........................................................................104.4.6 Dinamica ......................................................................................................................................................................................114.4.7 Efficienza di polarizzazione ...........................................................................................................................................114.4.8 Fattore di cresta .......................................................................................................................................................................114.4.9 Fattore di scala .........................................................................................................................................................................114.4.10 Funzionamento a banda larga ......................................................................................................................................114.4.11 Funzionamento a banda stretta ...................................................................................................................................11

4.4.12 Guadagno di unantenna (in una data direzione) .........................................................................................114.4.13 Margine di linearit (o fattore di sovraccarico)................................................................................................114.4.14 Potenza disponibile di un generatore .....................................................................................................................114.4.15 Risoluzione .................................................................................................................................................................................114.4.16 Risposta in frequenza .........................................................................................................................................................114.4.17 Rivelatore di picco ................................................................................................................................................................114.4.18 Rivelatore di valore efficace...........................................................................................................................................124.4.19 Rivelatore di valore medio..............................................................................................................................................124.4.20 Sensibilit di un misuratore............................................................................................................................................124.4.21 Sensore ..........................................................................................................................................................................................124.4.22 Tempo di risposta .................................................................................................................................................................124.4.23 Trasduttore ..................................................................................................................................................................................124.5 Definizioni relative ai metodi di misura................................................................................................................124.5.1 Fattore di copertura ..............................................................................................................................................................124.5.2 Fattore di correzione ...........................................................................................................................................................124.5.3 Incertezza della misura ......................................................................................................................................................124.5.4 Incertezza tipo .........................................................................................................................................................................134.5.5 Misura spot .................................................................................................................................................................................134.5.6 Parametri ambientali............................................................................................................................................................13

Norma CEI a diffusione limitata, per NoiL

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5 GRANDEZZE FISICHE E COSTANTI 135.1 Grandezze fisiche, simboli e unit di misura ....................................................................................................135.2 Costanti fisiche........................................................................................................................................................................13

6 CARATTERISTICHE GENERALI DEI CAMPI ELETTROMAGNETICI AD ALTA FREQUENZA ECONCETTI DI ESPOSIZIONE 14

6.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................146.2 Caratteristiche generali dei campi elettromagnetici ......................................................................................156.2.1 Generalit ....................................................................................................................................................................................156.2.2 Dipendenza del campo elettromagnetico dalla distanza ..........................................................................186.2.3 Caratteristiche del campo vicino reattivo.............................................................................................................196.2.4 Caratteristiche del campo vicino radiativo (zona di Fresnel) ................................................................206.2.5 Caratteristiche del campo lontano (zona di Fraunhofer) .........................................................................216.2.6 Modulazione ..............................................................................................................................................................................236.2.7 Polarizzazione ..........................................................................................................................................................................236.2.8 Interferenza ................................................................................................................................................................................236.2.9 Propagazione del campo elettromagnetico nel tessuto biologico .....................................................24

7 CARATTERISTICHE DELLE SORGENTI 247.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................247.2 Settore industriale ..................................................................................................................................................................287.3 Settore domestico ..................................................................................................................................................................297.4 Settore medicale .....................................................................................................................................................................297.5 Settore radiotelecomunicazione..................................................................................................................................307.5.1 Ponti Radio .................................................................................................................................................................................307.5.2 Radiomobili ................................................................................................................................................................................317.5.3 Sistemi radiotelevisivi.........................................................................................................................................................317.5.4 Trasmissione via satellite (stazioni terrestri) ......................................................................................................327.5.5 Radar ...............................................................................................................................................................................................337.5.6 Impianti di telerilevamento ............................................................................................................................................347.6 Settore ricerca ...........................................................................................................................................................................34

8 CONCETTI DI DOSIMETRIA 348.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................348.2 Densit della corrente indotta ......................................................................................................................................348.3 Tasso di assorbimento specifico.................................................................................................................................368.4 Risonanza del corpo ............................................................................................................................................................378.5 Interazioni alle alte frequenze .....................................................................................................................................37

9 MISURE 379.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................379.2 Misure di esposizione .........................................................................................................................................................389.2.1 Intensit di campo elettrico ...........................................................................................................................................389.2.2 Intensit di campo magnetico ......................................................................................................................................389.2.3 Densit di potenza ................................................................................................................................................................399.3 Misure dosimetriche ............................................................................................................................................................39

10 STRUMENTAZIONE DI MISURA 3910.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................3910.2 Requisiti generali...................................................................................................................................................................40


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10.2.1 Sonde ..............................................................................................................................................................................................4010.2.2 Cavi ..................................................................................................................................................................................................4010.2.3 Unit di lettura ed elaborazione .................................................................................................................................4110.2.4 Specifiche relative agli strumenti................................................................................................................................4110.2.5 Documentazione ....................................................................................................................................................................4210.3 Requisiti specifici per strumenti di misura di campo elettrico e magnetico ...............................4210.3.1 Strumenti di tipo a banda larga ...................................................................................................................................4310.3.2 Strumenti di tipo a banda stretta ................................................................................................................................4810.3.3 Requisiti generali ....................................................................................................................................................................5010.3.4 Documentazione ....................................................................................................................................................................5010.4 Requisiti specifici per strumenti di misure dosimetriche ..........................................................................5110.4.1 Valutazione della densit di corrente indotta ...................................................................................................5110.4.2 Valutazione del Tasso di Assorbimento Specifico (SAR) ..........................................................................51

11 TARATURA DEGLI STRUMENTI 5511.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................5511.2 Metodi di taratura ..................................................................................................................................................................5611.2.1 Generazione di campi elettromagnetici allinterno di una cella TEM .............................................5611.2.2 Generazione di campi elettromagnetici allinterno di una cella GTEM .........................................5711.2.3 Generazione di campi elettromagnetici allinterno di una camera anecoica .............................5811.2.4 Campione di trasferimento.............................................................................................................................................6011.3 Procedura di taratura ...........................................................................................................................................................6011.3.1 Procedura di taratura nella gamma 100 kHz - 200 MHz (cella TEM) ..............................................6011.3.2 Procedura di taratura nella gamma 200 MHz 1 GHz (camera anecoica) .................................62

12 INCERTEZZA DI MISURA 6312.1 Risposte spurie dovute allo strumento...................................................................................................................6412.1.1 Accoppiamento dei cavi di collegamento al campo ....................................................................................6412.1.2

Effetto termoelettrico sui cavi di collegamento ...............................................................................................

6412.1.3 Accoppiamento fra sonda e corpi conduttori ...................................................................................................6512.1.4 Effetti dei campi statici e quasi statici.....................................................................................................................6512.1.5 Risposte fuori banda ............................................................................................................................................................65

13 PROCEDURA ED ESECUZIONE DELLE MISURE 6613.1 Introduzione ..............................................................................................................................................................................6613.2 Valutazioni preliminari.......................................................................................................................................................6613.3 Criteri di scelta del sistema e delle metodologie di misura ....................................................................6813.3.1 Criteri generali per tutti i tipi di sorgente ............................................................................................................6813.3.2 Criteri specifici per i diversi tipi di sorgente......................................................................................................69

13.4 Predisposizione e verifica del sistema di misura ............................................................................................7413.5 Misure da eseguire e tecniche di estrapolazione dei risultati ................................................................7613.5.1 Generalit ....................................................................................................................................................................................7613.5.2 Distribuzione spaziale e temporale delle misure ...........................................................................................7713.5.3 Tecniche di estrapolazione .............................................................................................................................................78

14 PRESENTAZIONE DEI RISULTATI 80

BIBLIOGRAFIA 82


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PREFAZIONE

La presente Guida per la misura e la valutazione dei campi elettromagnetici adalta frequenza stata preparata dal Gruppo di Lavoro Misure, istituito nell'ambi-to del Sottocomitato 211 B Esposizione umana ai campi elettromagnetici ad altafrequenza del CEI.

La Guida integra ed amplia le informazioni in parte gi contenute nei seguentidocumenti:

Norma CEI 111-1 (CEI 111-1): Esposizione umana ai campi elettromagnetici ad alta frequenza - Rapporto informativo del Giugno 1997;Norma CEI ENV 50166-2 (CEI 111-3): Esposizione umana ai campi elettromagnetici - Alta frequenza (10 kHz 300 GHz) del Giugno 1997 (abrogata apartire dal 18 febbraio 2000);Norma CEI EN 61566 (CEI 103-14): Misure di esposizione ai campi elettromagnetici a radiofrequenza Intensit di campo nellintervallo di frequenze da 100 kHz a 1 GHz del Novembre 1998;Norma CEI ES 59005 (CEI 211-5): Considerazioni per la valutazione

dellesposizione umana ai campi elettromagnetici (EMF) derivanti da apparecchi di telecomunicazione mobile (MTE) nel campo di frequenza da 30 MHz a 6 GHz del Novembre 1999,

con quanto si sta elaborando nellambito del WG 15 del TC 85 della IEC nel cam-po delle misure dei campi elettromagnetici ad alta frequenza.

In particolare si tenuto conto di quanto specicato dalla succitata NormaCEI 111-3, corrispondente alla Norma CENELEC ENV 50166-2 Human exposureto electromagnetic elds High frequency (10 kHz 300 GHz), che stata am-piamente utilizzata in forma sperimentale dal 1995 al 1999. Anche se, a seguitodella pubblicazione della Raccomandazione del Consiglio Europeo 1999/519/CE,che propone nuovi limiti di esposizione nel campo di frequenza 0 Hz 300 GHz,tale norma non stata raticata in Norma Europea (EN) ed stata abrogata nelfebbraio 2000, essa contiene utili informazioni per quanto riguarda le modalit dimisura e lelaborazione dei dati, che sono state prese in considerazione nella pre-sente Guida.La Guida, fornendo utili indicazioni per la scelta della strumentazione e le moda-lit di esecuzione delle misure, costituisce, in attesa che vengano pubblicate nor-me speciche in ambito nazionale o internazionale, un riferimento importanteper la verica dei livelli di campo stabiliti dal Decreto del Ministero dellAmbiente del 10 settembre 1998 n 381 Regolamento recante norme per la determinazionedei tetti di radiofrequenza compatibili con la salute umana, o da altre legislazioniche potranno essere predisposte in futuro.


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INTRODUZIONE

La popolazione ed i lavoratori sono esposti a campi elettromagnetici prodotti dauna grande variet di sorgenti che utilizzano lenergia elettrica a varie frequenze.Tali campi, variabili nel tempo, occupano la parte dello spettro elettromagneticoche si estende dai campi statici alle radiazioni infrarosse. In questa gamma di fre-quenze (0 Hz - 300 GHz) i fenomeni di ionizzazione nel mezzo interessato daicampi sono trascurabili: pertanto le radiazioni associate a queste frequenze rien-trano in quelle cosiddette radiazioni non-ionizzanti. Alle pi basse frequenze,quando i campi sono caratterizzati da variazioni lente nel tempo, per esempioalle frequenze industriali di 50/60 Hz, o, pi in generale, quando lesposizione aicampi elettromagnetici avviene a distanze dalla sorgente piccole rispetto alla lun-ghezza donda, i campi elettrici e i campi magnetici possono essere consideratiindipendentemente. Alle frequenze pi alte o, pi in generale, a distanze elevaterispetto alla lunghezza donda, i campi elettrici e i campi magnetici sono stretta-mente correlati tra di loro: dalla misura di uno di essi si pu in genere risalireallaltro.Contrariamente a quanto succede con le radiazioni ionizzanti, per le quali il con-tributo delle sorgenti naturali rappresenta la porzione pi elevata dellesposizionedella popolazione, per le radiazioni non-ionizzanti le sorgenti di campi elettro-magnetici realizzati dalluomo tendono a diventare sempre pi predominanti ri-spetto alle sorgenti naturali. In alcune parti dello spettro di frequenza, quali quel-le utilizzate per la distribuzione dellenergia elettrica e per la radiodiffusione, icampi elettromagnetici prodotti dalluomo sono molte migliaia di volte superioria quelli naturali prodotti dal Sole o dalla Terra. Negli ultimi decenni lusodellelettricit aumentato considerevolmente, sia per la distribuzione dellener-gia elettrica sia per lo sviluppo dei sistemi di telecomunicazione, con conseguen-te aumento dellesposizione della popolazione ai campi elettromagnetici.I campi variabili nel tempo pi comuni a cui le persone sono permanentemente

esposti sono quelli derivanti dai sistemi di generazione, trasmissione, distribuzioneed utilizzazione dell energia elettrica a 50/60 Hz, dai sistemi di trazione ferroviaria(0 Hz, 16 2/3 Hz e 25 Hz), dai sistemi di trasporto pubblico (da 0 Hz a 3 kHz) e daisistemi di telecomunicazione (trasmettitori radiofonici e televisivi, ponti radio a mi-croonde, stazioni radiobase per telefonia mobile, radar, ecc.).La popolazione anche esposta a campi di bassa intensit prodotti da apparec-chiature domestiche (forni a microonde, televisori, videoterminali, ecc.) o indu-striali (azionamenti elettrici, apparecchi ad induzione, automobili elettriche, ecc.).Esposizioni a livelli relativamente pi elevati possono essere causate, normal-mente per breve periodi, dalluso, nelle estreme vicinanze del corpo, di telefonicellulari, sistemi di sicurezza, ecc..

I campi generati dalle diverse sorgenti possono essere di vario tipo. La formadonda pu essere sinusoidale, modulata in ampiezza (AM) o in frequenza (FM)nel caso di comunicazioni radio, o modulata ad impulsi come nei radar dovelenergia delle microonde viene trasmessa in brevi pacchetti di impulsi della du-rata di microsecondi.Le caratteristiche delle principali tipologie di sorgenti di campo elettromagneticosono descritte con maggiori dettagli nel testo della presente Guida per lintervallodi frequenze 10 kHz 300 GHz e in unaltra guida analoga per le frequenze da 0Hz a 10 kHz.Lesposizione umana dipende non solo dallintensit dei campi elettromagnetici ge-nerati, ma anche dalla distanza dalla sorgente e, nel caso di antenne direzionali, quali

quelle dei sistemi di comunicazione radar o satellitari, anche dalla vicinanza dal fa-

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scio principale di radiazione. Non necessariamente sistemi di radiodiffusione ad altapotenza o sistemi radar molto direzionali sono responsabili di alte esposizioni per lapopolazione; ovviamente devono invece essere prese le opportune precauzioni per ilavoratori addetti alle manutenzione degli impianti. La maggior parte delle persone esposta ai campi prodotti dai trasmettitori a radiofrequenza di bassa potenza, qualiquelli delle stazioni base della telefonia cellulare, e dai sistemi di sicurezza e di con-trollo degli accessi, dove i campi possono provocare unesposizione non uniforme

del corpo. Generalmente le intensit dei campi prodotti da queste sorgenti decresco-no rapidamente con la distanza.Per proteggere la popolazione dagli eventuali effetti nocivi dellesposizione ai campielettromagnetici prodotti da tali sorgenti, sono stati sviluppati in ambiti nazionali einternazionali diversi tipi di linee-guida: esse sono generalmente basate sullindivi-duazione di valori da non superare per alcune grandezze di base, derivanti da valu-tazioni biologiche (grandezze interne al corpo, quali la densit di corrente e la so-

vratemperatura corporea), cui corrispondono altre grandezze derivate esterne,facilmente misurabili, quali il campo elettrico e il campo magnetico.La presente Guida riguarda la misura e la valutazione dellesposizione ai campielettromagnetici ad alta frequenza (10 kHz - 300 GHz) con riferimento alle gran-

dezze riportate nelle varie linee-guida, che, pur contenendo differenze nei valori,presentano tutte una losoa di base comune.La Guida fornisce indicazioni di carattere generale sulle metodologie di misura esulla relativa strumentazione da utilizzare, indicando le peculiarit delle misuredei campi prodotti dalle pi importanti categorie di sorgenti.

A causa delle differenze nelle caratteristiche dei campi elettromagnetici prove-nienti dalle sorgenti nei vari ambienti (ampiezza, contenuto in frequenze, varia-zioni temporali e spaziali, polarizzazione, ecc.), le prescrizioni relative alle proce-dure ed agli strumenti di misura possono differire sensibilmente per i diversiambienti.Sul mercato sono disponibili strumenti per misurare i campi elettromagnetici ad

alta frequenza, sia per caratterizzare lesposizione umana, sia per determinare,per altre nalit, i principali parametri di tali campi.La presente Guida rivolta a diversi tipi di utilizzatori, quali i costruttori di stru-menti di misura, i progettisti e gli esercenti di impianti di telecomunicazioni, icostruttori di apparecchiature, i laboratori di prova, gli organismi di certicazionee gli enti di verica, in generale tutti i gruppi o le singole persone interessati allacaratterizzazione dei campi elettromagnetici in relazione allesposizione umana.Si suppone che gli utilizzatori che intendono eseguire le misure abbiano qualcheconoscenza sia delle sorgenti di campo e delle loro caratteristiche, sia degli stru-menti di misura: in mancanza di tali nozioni si raccomanda di seguire appositicorsi di formazione per i quali la presente Guida pu servire come libro di testo

grazie alle informazioni tecniche in esse contenute.


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1 SCOPO

Lo scopo della presente Guida quello di fornire una metodologia per la misuradelle grandezze siche che caratterizzano i campi elettromagnetici ad alta fre-quenza, in vista della valutazione dei livelli di esposizione, in un determinato am-biente, della popolazione e dei lavoratori addetti.Pi precisamente, la presente Guida:

denisce la terminologia;descrive le caratteristiche generali dei campi elettromagnetici;descrive le principali sorgenti;identica le speciche per i misuratori di campo;richiama i principi generali di funzionamento degli strumenti;indica i metodi di taratura;denisce le prescrizioni relative allincertezza degli strumenti;descrive i metodi di misura che permettono di raggiungere gli obiettivi richie-sti per quanto riguarda la caratterizzazione dellesposizione umana.

2 CAMPO DI APPLICAZIONE

Le procedure e le metodologie di misura e la conseguente strumentazione, consi-derate nella presente Guida, si applicano ai campi elettromagnetici ad alta fre-quenza, nellintervallo compreso tra 10 kHz e 300 GHz, prodotti da sorgenti im-piegate nei settori industriale, domestico, medicale, delle radiodiffusioni, delletelecomunicazioni e della ricerca.

3 RIFERIMENTI NORMATIVI

Nei diversi capitoli della presente Guida vengono riportati alcuni riferimenti legi-slativi e normativi: al momento della pubblicazione della Guida, le edizioni indi-cate erano in vigore. Poich tutti i documenti legislativi e normativi sono soggettia modiche e/o revisione, gli utilizzatori della presente Guida sono invitati adapplicare le edizioni pi recenti dei suddetti documenti.

4 DEFINIZIONI

Nel seguito vengono richiamate le denizioni normalmente presenti nelle Normedi riferimento, completate con altre ritenute utili per una migliore comprensionedella presente Guida.

4.1 Denizioni di carattere generale

4.1.1 Corrente elettrica di conduzione I cQuantit di carica che attraversa nellunit di tempo la sezioneS di un condutto-re; corrisponde al usso del vettore densit di corrente elettrica di conduzione

attraverso la supercie S . In formule: , essendo un vettoreunitario ortogonale alla supercieS .

c I c J c n S d S = n


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Lunit di misura della corrente elettrica di conduzione nel Sistema Internazionale lampere (A).

4.1.2 Corrente elettrica di spostamento I sFlusso del vettore densit di corrente elettrica di spostamento attraverso unasupercie S . In formule: , essendo un vettore unitario ortogona-le alla supercie S .

Lunit di misura della corrente elettrica di spostamento nel Sistema Internaziona-le lampere (A).

4.1.3 Densit di corrente elettrica di conduzioneGrandezza vettoriale, diretta come la velocit di trascinamento delle caricheelettriche, a sua volta diretta come il campo elettrico , la cui intensit data dal-la quantit di carica che attraversa nellunit di tempo lunit di supercie dispo-sta ortogonalmente al usso delle cariche. DettoN c il numero di cariche per unitdi volume, risulta: .Lunit di misura della densit di corrente elettrica di conduzione nel Sistema In-ternazionale lampere per metro quadrato (A/m2).

4.1.4 Densit di corrente elettrica di spostamentoGrandezza vettoriale, diretta come il campo elettrico , la cui intensit data dal-la variazione nellunit di tempo dellintensit del vettore induzione dielettrica .

In formule: .

Lunit di misura della densit di corrente elettrica di spostamento nel Sistema In-ternazionale lampere per metro quadrato (A/m2).

4.1.5 Frequenza f

Numero di cicli o periodi nellunit di tempo.Lunit di misura della frequenza nel Sistema Internazionale lhertz (Hz). Sono diuso frequente i multipli kilohertz (1 kHz = 103 Hz); megahertz (1 MHz = 106 Hz);gigahertz (1 GHz = 109 Hz).

4.1.6 Media sullintervallo temporale ( t 1 t 2)Per una grandezza p(t) variabile nel tempo data dalla espressione:

4.1.7 Valore efcacePer una grandezza periodica a(t) , di periodo T , dato dalla espressione:

sI s J s n S d S

= n

c

v E

J c N c q v =

s

E D

J s D

dt ------- e E

dt ------= =

P m1

t 2 t 1-------------- p t ( ) t d

t 1

t 2 = (4.1)

A ef f 1T --- a t ( )[ ]2

0

T

dt = (4.2)


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4.2 Denizioni relative a grandezze siche caratterizzanti il campoelettromagnetico

4.2.1 Campo elettrico Grandezza vettoriale che, in ogni punto di una data regione di spazio, rappresen-ta il rapporto fra la forza esercitata su una carica elettricaq ed il valore della ca-rica medesima:

Lunit di misura del campo elettrico nel Sistema Internazionale il volt per me-tro (V/m).

4.2.2 Campo magneticoGrandezza vettoriale pari al rapporto tra linduzione magnetica e la permeabili-t magnetica m del mezzo:

Lunit di misura del campo magnetico nel Sistema Internazionale lampere permetro (A/m), quella della permeabilit magnetica lhenry per metro (H/m).Si ricorda che, nel caso di campi elettromagnetici in aria, vale la corrispondenza 1

A/m 1,26 mT, ovvero 1 mT 0,8 A/m.

4.2.3 Campo perturbatoCampo che modicato in grandezza o in direzione, o in entrambe, in seguito

allintroduzione di un oggetto.4.2.4 Campo non perturbato

Campo che esisterebbe in un punto in assenza di persone o di oggetti non per-manenti.

4.2.5 Conducibilit sRapporto tra la densit di corrente di conduzione in un mezzo e lintensit delcampo elettrico.Lunit di misura della conducibilit nel Sistema Internazionale il siemens permetro (S/m).

4.2.6 Densit di potenza S Potenza che uisce nellunit di supercie posta perpendicolarmente alla direzio-ne di propagazione dellonda elettromagnetica.Lunit di misura della densit di potenza nel Sistema Internazionale il watt permetro quadrato (W/m2).

4.2.7 Densit di potenza, picco Valore massimo della variazione temporale della densit di potenza.

E

F

E F q ---= (4.3)

H

B

H B m---= (4.4)


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4.2.8 Densit di potenza media nel tempo Valore medio della densit di potenza istantanea nel periodo di ripetizione delcampo elettromagnetico emesso da una sorgente.

4.2.9 Fattore di utilizzazione (ciclo di utilizzazione o duty cycle)Nella modulazione ad impulsi rappresenta il rapporto fra la durata dellimpulsoed il periodo del treno dimpulsi; un fattore di utilizzazione pari allunit corri-sponde al funzionamento ad onda continua.

4.2.10 Impedenza donda del vuoto ( Z 0 o h0)Rapporto tra lintensit del campo elettrico e quella del campo magnetico diunonda piana che si propaga nel vuoto. Essa data da:

4.2.11 Induzione dielettrica

Grandezza vettoriale pari al prodotto del campo elettrico per la permettivit ocostante dielettricae del mezzo:

Lunit di misura dellinduzione elettrica nel Sistema Internazionale il coulombper metro quadrato (C/m2); quella della permettivit (o costante dielettrica) il fa-rad per metro (F/m).

4.2.12 Induzione magneticaGrandezza vettoriale che, in ogni punto di una data regione, determina una forza

su di una carica q in moto con la velocit :

Lunit di misura dellinduzione magnetica nel Sistema Internazionale il tesla(T) o weber per metro quadrato (Wb/m2). Sono di uso frequente i sottomultiplimillitesla (1 mT = 10 3 T); microtesla (1mT = 10-6 T). Viene inne ancora utilizza-to, specialmente in Nord America, il gauss (G) (1 G 10 4 T).

4.2.13 Lunghezza donda lParametro di unonda elettromagnetica legato alla frequenza (f) ed alla velocit dipropagazione (v) dallespressione v = f l . Nel vuoto la velocit di unonda elet-tromagnetica uguale alla velocit della luce (c).Lunit di misura della lunghezza donda nel Sistema Internazionale il metro (m).

4.2.14 ModulazioneTecnica con la quale si fa variare un parametro dellonda portante (ampiezza, fre-quenza, fase) proporzionalmente al valore istantaneo del segnale modulante. Sideniscono corrispondentemente: modulazione dampiezza, modulazione di fre-quenza, modulazione di fase.

Z 0m0e0----- 377 W@= (4.5)

D

E

D e E = (4.6)

B

F v

F q v B ( )= (4.7)


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4.2.15 Modulazione ad impulsiTecnica di modulazione per la quale gli elementi binari 0 e 1 descriventi il segna-le da trasmettere sono rappresentati da impulsi di diverse caratteristiche (durata,ampiezza, ecc.).

4.2.16 Onda pianaDistribuzione di campo elettromagnetico, in cui in ogni punto e in ogni istante i

vettori campo elettrico e campo magnetico sono ortogonali fra loro e giaccionosu piani perpendicolari alla direzione di propagazione.

4.2.17 PolarizzazioneCaratteristica dei campi elettromagnetici che descrive con riferimento ad un pun-to sso nello spazio, la direzione e lampiezza, variabili nel tempo, del vettorecampo elettrico; in particolare, indica la gura tracciata nel piano perpendicolarealla direzione di propagazione, dallestremit del vettore campo elettrico in unpunto sso dello spazio, in funzione del tempo.

Nota G eneralmente, la gura ellittica e viene tracciata in senso orario od antiorario per un osserva- tore che guarda lungo la direzione di propagazione. Le polarizzazioni comunemente indicate

come circolari e lineari si ottengono quando lellisse diventa rispettivamente una circonferenza o un segmento di linea retta. La rotazione in senso orario del vettore campo elettrico viene detta polarizzazione destrorsa e quella in senso antiorario polarizzazione sinistrorsa. Polarizzazione verticale e polarizzazione orizzontale sono due particolari casi di polarizzazione lineare che si vericano quando londa si propaga parallelamente alla supercie terrestre e il campo elettrico diretto verticalmente od orizzontalmente rispetto al suolo.

4.2.18 Regione di campo lontanoRegione di spazio nella quale il campo elettromagnetico si propaga per onde sfe-riche. Localmente sempre possibile approssimare unonda sferica medianteunonda piana. Per unonda piana il campo elettromagnetico composto da di-stribuzioni uniformi delle intensit di campo elettrico e magnetico nello spazio,su piani che sono a 90 luno rispetto allaltro ed ortogonali rispetto alla direzionedi propagazione dellonda elettromagnetica. Il campi elettrici e magnetici sono infase, e le ampiezze sono legate da una relazione costante.La zona di campo lontano si estende da una distanza dalla sorgente di l o di 2D2/l(il maggiore dei due valori) no allinnito, doveD la massima distanza misurabiletra due punti appartenenti alla sorgente.

4.2.19 Regione di campo vicino radiativoRegione nella quale comincia a formarsi il fascio di radiazione.Tale regione, quando presente, inizia alla distanza di transizione (vedi 4.2.20) e siesaurisce ad una distanza pari a l o a 2D2/ l (il maggiore dei due valori), dove D

la massima distanza misurabile tra due punti appartenenti alla sorgente.4.2.20 Regione di campo vicino reattivo

Regione nella quale le componenti reattive del campo elettromagnetico predomina-no su quelle radiative. Essa localizzata nelle immediate vicinanze della sorgente.Questa zona si estende dalla supercie della sorgente no ad una distanza ditransizione dellordine della lunghezza donda (dal /2p a 3l , in relazione allalunghezza donda e alle dimensioni della sorgente).


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4.2.21 Valore efcace del campo elettricoCampo elettrico ottenuto con lespressione:

essendo E x, E y e E z le componenti (valori efcaci) misurate lungo i tre assi di rife-rimento.

4.2.22 Valore efcace del campo magneticoCampo magnetico ottenuto con lespressione:

essendo H x, H y e H z le componenti (valori efcaci) misurate lungo i tre assi di rife-rimento.

4.3 Denizioni relative a grandezze siche riguardanti i concetti diesposizione e utilizzate nel contesto di normative e raccomandazioninazionali e internazionali

4.3.1 Assorbimento specico (SA)Rapporto tra lenergia elementaredW assorbita da una massa elementare dm , con-tenuta in un volume elementare dV di data densit r , e tale massa elementare:

Lunit di misura dellassorbimento specico nel Sistema Internazionale il jouleper chilogrammo (J/kg).

4.3.2 Corrente di contattoCorrente che passa attraverso il corpo umano quando questultimo viene in con-tatto con un oggetto conduttore immerso in un campo elettromagnetico.

4.3.3 Effetto diretto dellesposizioneConseguenza di una interazione diretta dei campi elettromagnetici con il corpoumano esposto.

4.3.4 Effetto indiretto dellesposizioneConseguenza di una interazione indiretta che si manifesta quando il corpo uma-no viene a contatto con oggetti metallici in campi elettromagnetici.

4.3.5 EsposizioneSituazione che si manifesta ovunque una persona soggetta a campi elettrici,magnetici o elettromagnetici oppure a correnti di contatto, diversi da quelli gene-rati da processi siologici corporei o da altri fenomeni naturali.

4.3.6 Esposizione breveEsposizione per periodi di tempo pi brevi del corrispondente tempo di valuta-zione della media.

E E x2 E y

2 E z2

+ += (4.8)

H H x2 H y

2 H z2

+ += (4.9)

SA dW dm ---------

dW r dV -------------= = (4.10)


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4.3.7 Esposizione continuaEsposizione per periodi di tempo pi lunghi del corrispondente tempo di valuta-zione della media.

4.3.8 Esposizione non uniformeEsposizione che si determina quando i campi non sono uniformi su volumi di di-mensioni paragonabili alle dimensioni del corpo umano considerato nella sua in-terezza. Questa situazione pu essere causata da onde stazionarie, da radiazionediffusa oppure pu vericarsi in zona di campo vicino.

4.3.9 Esposizione parziale del corpoEsposizione che ha luogo quando si ha una deposizione localizzata di energia.

4.3.10 Fondo naturale di campo elettromagneticoLivello di fondo di campo elettromagnetico provocato da vari fenomeni naturaliche intervengono nellatmosfera, sulla supercie terrestre e nel sottosuolo e dallesorgenti cosmiche tra cui la pi importante il Sole, il quale contribuisce con unacomponente permanente e con una variabile (macchie solari). Anche la Terra es-

sendo ad una temperatura assoluta superiore a 0 K emette radiazioni elettroma-gnetiche (10,3 m W/cm2 a 20 C e 300 GHz). Alla radiazione di fondo contribuisceanche il corpo umano (0,3 m W/cm2; 10 kHz 300 GHz). Complessivamente ilfondo naturale elettromagnetico prodotto da scariche elettriche, radioemissioni diorigine cosmica, dalla Terra e dal corpo umano dellordine di circa 10m W/cm2,quindi notevolmente inferiore a qualsiasi emissione di tipo articiale.

4.3.11 Lavoratori espostiPersone esposte al campo elettromagnetico per specica attivit lavorativa.

4.3.12 Limiti di base

Valori delle grandezze elettriche interne al corpo umano (campo elettrico, densit dicorrente, tasso di assorbimento), ssati da norme tecniche o da legislazioni, da nonsuperare in qualsiasi condizione. I limiti di base includono i fattori di sicurezza.

4.3.13 Livelli di esposizione Valori della grandezza considerata quando una persona esposta a campi elet-tromagnetici o a correnti di contatto.

4.3.14 Livelli di riferimentoLivelli di grandezze misurabili (valori efcaci e valori di picco dei campi elettrico emagnetico, oppure densit di potenza equivalente di onda piana associata a tali cam-

pi, oppure correnti indotte e di contatto), tutti derivati dai limiti di base, ai quali conun accettabile fattore di sicurezza, una persona pu essere esposta senza effetto dan-noso. possibile superare i valori di riferimento purch i limiti di base siano rispettati.

4.3.15 Popolazione espostaPersone esposte al campo elettromagnetico non per specica attivit lavorativa,n per scopi diagnostici o terapeutici.

4.3.16 Potenza media (temporale) assorbita P mMedia temporale del tasso di energia assorbito dal corpo umano.


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4.3.17 Punti caldi RFZona o volume molto localizzati di irraggiamento o assorbimento, prodotto da ir-radiazione diffusa, effetti localizzati o altre disomogeneit.

4.3.18 Radio frequenza (RF)Intervallo di frequenza compreso tra 10 kHz e 300 GHz.

4.3.19 Tasso di assorbimento specico (SAR )Derivata rispetto al tempo dellenergia elementare dW assorbita da una massaelementare dm contenuta in un volume elementare dV di data densit r :

Lunit di misura del SAR nel Sistema Internazionale il watt per chilogrammo (W/kg).

4.3.20 Tempo di media t mIntervallo di tempo su cui mediata lesposizione allo scopo di determinare il ri-

spetto dei limiti.4.3.21 Valore medio ambientale

Valore medio (temporale e spaziale) del campo elettrico e del campo magneticoallinterno di un luogo predenito. Tale valore viene assunto come indicedellesposizione media di una persona derivante dalla permanenza prolungatanel luogo stesso.

4.4 Denizioni relative alla strumentazione di misura

4.4.1 Altezza efcace di unantennaPer una antenna polarizzata linearmente che riceve unonda piana il rapportotra lampiezza della tensione a circuito aperto, sviluppata ai terminali dellanten-na, e lintensit della componente del campo elettrico nella direzione di polariz-zazione dellantenna.

4.4.2 Apertura di unantennaNel caso di una antenna che emette un solo raggio, la supercie piana prossi-ma allantenna e normale allasse del raggio attraverso la quale passa la maggiorparte della potenza irradiata.

4.4.3 Banda passante

Banda di frequenza allinterno della quale lattenuazione si mantiene al di sottodi un valore specicato (es.: 6 dB).

4.4.4 DiafoniaRumore o segnale estraneo causato da segnali in c.a. o impulsivi nei circuiti adia-centi.

4.4.5 Diagramma di unantenna (o diagramma di radiazione)Distribuzione spaziale di una grandezza che caratterizza il campo elettromagneti-co generato da una antenna.

SA R d dt ----- dW

dm ---------

d

dt ----- dW

r dV -----------

== (4.11)


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4.4.6 DinamicaIntervallo di valori del segnale di ingresso allinterno del quale lo strumento progettato per operare secondo speciche assegnate.

4.4.7 Efcienza di polarizzazioneRapporto tra la potenza ricevuta da una antenna da una data onda piana di po-larizzazione arbitraria e la potenza che sarebbe ricevuta dalla stessa antenna daunonda piana della stessa densit di potenza e direzione di polarizzazione, la cuicondizione di polarizzazione sia stata regolata per la massima potenza ricevente.

4.4.8 Fattore di crestaPer le funzioni periodiche, rapporto tra il valore di cresta (picco, massimo) dellaforma donda e il suo valore efcace.

4.4.9 Fattore di scalaFattore per il quale bisogna moltiplicare la lettura dello strumento per ottenere il

valore della grandezza allingresso.

4.4.10 Funzionamento a banda largaFunzionamento dello strumento che include nella misura una grande parte dellospettro di frequenza del segnale, permettendo una valutazione globale del segna-le stesso nellintervallo di frequenza considerato.

4.4.11 Funzionamento a banda strettaFunzionamento dello strumento che considera per ogni singola misura una pic-cola parte dello spettro di frequenza del segnale, permettendo una dettagliataanalisi delle componenti armoniche del segnale stesso.

4.4.12 Guadagno di unantenna (in una data direzione)

Rapporto tra lintensit di radiazione in una data direzione e lintensit di radiazioneche si otterrebbe se la potenza intercettata dallantenna fosse radiata isotropicamente.

4.4.13 Margine di linearit (o fattore di sovraccarico)In un ricevitore di misura il rapporto fra la massima ampiezza del segnale in in-gresso e il valore di fondo scala dello strumento per cui lo scostamento dallalinearit della caratteristica non supera 1 dB.

4.4.14 Potenza disponibile di un generatoreMassima potenza attiva che il generatore in grado di trasferire ad un carico, al

variare dellimpedenza del carico e ad una data frequenza.

4.4.15 RisoluzioneLa pi piccola variazione nella quantit sotto misura a cui pu essere assegnatodallo strumento un valore numerico senza interpolazioni.

4.4.16 Risposta in frequenzaRisposta di un misuratore di campo elettromagnetico a campi di ampiezza co-stante e frequenze diverse.

4.4.17 Rivelatore di piccoRivelatore la cui uscita fornisce il valore di picco del segnale applicato.


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4.4.18 Rivelatore di valore efcaceRivelatore la cui uscita fornisce il valore efcace del segnale applicato, indipen-dentemente dalla forma del segnale stesso. necessario specicare lintervallo di tempo in cui si determina il valore efcace, disolito il periodo di un segnale periodico non necessariamente di tipo sinusoidale.

4.4.19 Rivelatore di valore medio

Rivelatore la cui uscita fornisce il valore medio dellinviluppo di un segnale applicato. necessario specicare lintervallo di tempo in cui si determina la media temporale.

4.4.20 Sensibilit di un misuratoreRapporto tra la variazione della grandezza in uscita dello strumento e la variazio-ne della grandezza in ingresso che la ha provocata.

4.4.21 SensoreParte del trasduttore di misura che converte il segnale in ingresso in una formaadatta per la misura.

4.4.22 Tempo di rispostaTempo necessario ad uno strumento di misura del campo elettromagnetico, dopoessere stato posto nel campo da misurare, per raggiungere una specicata per-centuale del valore nale della grandezza misurata (ad esempio 90%).

4.4.23 TrasduttoreParte dello strumento di misura che ha la funzione di accettare linformazione iningresso sotto forma di grandezza sica e convertirla, tramite una legge specica-ta, in una grandezza sica della stessa o di diversa specie.

4.5 Denizioni relative ai metodi di misura

4.5.1 Fattore di coperturaFattore numerico utilizzato come coefciente moltiplicativo dellincertezza standardallo scopo di ottenere lincertezza di misura con un dato intervallo di condenza.

Nota Per una grandezza z descritta da una distribuzione normale (gaussiana) , avente media m z e scarto quadratico medio s , lintervallo m z k s comprende rispettivamente il 68,27%, il 95,45%, il 99,73% della distribuzione per fattori di copertura k =1, 2 e 3.

4.5.2 Fattore di correzioneFattore numerico per il quale si moltiplica il risultato non corretto di una misura

per compensare un errore conosciuto.Nota Poich lerrore conosciuto non pu essere determinato in maniera perfetta, la compensazione

non pu essere completa.

4.5.3 Incertezza della misuraParametro, relativo al risultato di una misura, che caratterizza la dispersione dei

valori che pu ragionevolmente essere associato alla grandezza da misurare.Nota Lincertezza di misura in genere comprende molte componenti. Alcune di queste possono esse-

re valutate sulla base della distribuzine statistica dei risultati di serie di misure, e possono essere caratterizzate dagli scarti tipo sperimentali. Le valutazioni delle altre componenti possono basarsi sullesperienza o su altre informazioni.


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4.5.4 Incertezza tipoIncertezza del risultato di una misura espressa come scarto tipo (scarto quadrati-co medio).

4.5.5 Misura spotMisura eseguita in un dato istante in un dato punto nello spazio, che non forni-sce informazioni sulla variazione temporale e spaziale del campo.

4.5.6 Parametri ambientaliGrandezze siche presenti nellambiente di misura, ma non oggetto della misura(come temperatura, pressione, umidit e altre), che inuenzano il risultato dellamisura stessa.

5 GRANDEZZE FISICHE E COSTANTI

5.1 Grandezze siche, simboli e unit di misura

5.2 Costanti siche

Grandezza Simbolo Unit di misura

Densit di corrente J ampere per metro quadrato A/m2

Campo elettrico E volt per metro V/mInduzione dielettrica D coulomb per metro quadrato C/m2

Conducibilit elettrica s siemens per metro S/mFrequenza f hertz HzCampo magnetico H ampere per metro A/mInduzione magnetica B tesla (weber al metro quadrato) T (Wb/m2)(1)

Densit di massa r chilogrammo per metro cubo kg/m3

Permeabilit magnetica m henry per metro H/mCostante dielettrica e farad per metro F/mDensit di potenza S watt per metro quadrato W/m2

Tasso assorbimento specico SAR watt per chilogrammo W/kgLunghezza donda l metro mTemperatura J kelvin KPeriodo delloscillazione T secondo sPulsazione w radiante al secondo rad/s

Velocit di fase n metro al secondo m/s(1) 1T corrisponde a 8 105 A/m

Costante sica Simbolo Valore Velocit della luce nello spazio libero c 2,998 108 m/sPermettivit dello spazio libero e0 8,854 10 12 F/mPermeabilit dello spazio libero m0 4 p 10 7 H/mImpedenza dello spazio libero Z o (o h 0) 120 p o 377 W


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6 CARATTERISTICHE GENERALI DEI CAMPI ELETTROMAGNETICI AD ALTAFREQUENZA E CONCETTI DI ESPOSIZIONE

6.1 IntroduzioneLesposizione di una persona ai campi elettromagnetici direttamente legata ai

valori di alcune grandezze elettriche che si stabiliscono, per effetto di tali campi,allinterno del corpo umano: tali grandezze, dette grandezze interne, sono linten-sit del campo elettrico E , la densit di corrente indotta J e il tasso di assorbimen-to di energia elettromagnetica per unit di peso corporeo SAR , a cui strettamen-te legata la sovratemperatura corporea. Alle frequenze pi elevate dellintervalloconsiderato in questa Guida questultimo parametro quello pi correlato agli ef-fetti a breve termine (effetti acuti) dei campi elettromagnetici, come brevementeindicato nel seguito.Con laumentare della frequenza si manifesta una maggiore penetrazione delcampo elettrico allinterno dei tessuti biologici ed un aumento della conducibilitlegata alle perdite dielettriche, con conseguente incremento della potenza dissi-pata nel tessuto esposto e della temperatura corporea. Essendo i sistemi biologicimolto disomogenei, la potenza assorbita allinterno varia sensibilmente da puntoa punto anche di uno stesso tessuto: i punti di accumulo di potenza assorbita

vengono chiamati punti caldi (hot spots) e si manifestano essenzialmente nelcervello per frequenze prossime alla risonanza della sola cavit cranica (intornoai 300-400 MHz), come pure nelle caviglie, ginocchia e collo, ovvero in punti delcorpo in corrispondenza dei quali si ha restringimento della sezione trasversale.La potenza depositata in questi punti pu assumere valori da 10 a 20 volte quellamedia in tutto il corpo.Lassorbimento dellintero corpo presenta un comportamento risonante: si hanno

valori massimi per frequenze, e quindi per lunghezze donda l , tali che laltezzah del soggetto immerso nel campo sia pari a 0,2l se il soggetto elettricamente aterra, oppure pari a 0,4l in caso contrario. Ad esempio, per un soggetto di altez-za 175 cm la frequenza di risonanza vale circa 34,3 MHz (l = 8,75 m) in caso dicontatto a terra, e circa 68,6 MHz (l = 4,37 m) in caso di isolamento da terra. Si riscontrata variabilit di assorbimento di potenza in funzione della direzione dipropagazione del campo elettromagnetico rispetto alla massima dimensione delsoggetto stesso. Gli studi condotti al riguardo hanno impiegato un modello sem-plicato delluomo simulandolo con un ellissoide prolato. I risultati sperimentalie analitici mostrano che alla frequenza di risonanza si ha il massimo di assorbi-mento per campo elettrico orientato parallelamente alla massima dimensione delcorpo. In tale caso il campo elettrico del tutto tangenziale alla supercie delcorpo e dunque non subisce riessione.

Laumento della temperatura corporea contrastato dal sistema di termoregola-zione il quale interviene nello stesso modo sia a seguito di riscaldamento passivo(mediante diatermia) che di riscaldamento attivo (mediante esercizio sico). Il si-stema agisce con una costante di tempo che per luomo di circa 6 minuti; quin-di lesposizione ad un campo elettromagnetico di elevata intensit comporta unaumento della temperatura corporea nei primi 6 minuti, dopo i quali si rileva unperiodo pi o meno lungo, a seconda della potenza assorbita, nel quale la tem-peratura corporea viene stabilizzata ad un valore maggiore di quello siologico.Qualora lesposizione continui, il sistema di termoregolazione pu non esserepi in grado di contenere laumento di temperatura, che perci pu crescere conconseguente collasso del soggetto e possibili effetti letali.


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Per descrivere lo sviluppo di calore nei tessuti biologici a seguito di esposizioneai campi elettromagnetici oltre al SAR medio, relativo allintero corpo, si fa riferi-mento anche al SAR locale, o specico, relativo ad una quantit limitata di tessu-to, in genere 1 grammo o 10 grammi, al ne di denire opportunamente la depo-sizione di calore nei punti caldi. Il SAR pu essere mediato temporalmente oltreche spazialmente, scegliendo un periodo sul quale effettuare la media uguale acirca 6 minuti, ovvero pari al tempo di reazione del sistema di termoregolazione

umano sopra denito. Il SAR dipende dalle caratteristiche del campo incidente edel corpo esposto, e dalla presenza di superci metalliche riettenti e del terre-no. Lo spettro in frequenza del SAR relativo al corpo intero pu essere suddivisoin quattro zone: intervallo di subrisonanza, per frequenze minori di 30 MHz, incui allaumentare della frequenza si ha un aumento del campo trasmesso e quin-di del SAR ; intervallo di risonanza del corpo intero, che si estende da 30 MHzno a circa 300 MHz; per frequenze no a circa 400 MHz si ha la risonanza delsolo cranio; intervallo dei punti caldi, da 400 MHz a circa 2000 MHz, in cui sihanno assorbimenti localizzati di potenza; intervallo di assorbimento superciale,per frequenze maggiori di 2000 MHz. Si noti che dopo la regione di risonanza ilcampo elettrico trasmesso aumenta con la frequenza, mentre la profondit dipenetrazione diminuisce; poich il volume interessato dalla potenza si riduce pirapidamente di quanto la potenza aumenti e dovendo questultima essere media-ta su tutto il corpo ne consegue una riduzione del SAR oltre la regione di riso-nanza. Per frequenze ancora maggiori laumento della potenza trasmessa com-pensa la riduzione della profondit di penetrazione, in maniera che il SAR siattesti su un valore costante. Si deve osservare che per frequenze superiori aqualche gigahertz lassorbimento limitato alla supercie del corpo umano eperci il SAR sul corpo intero non adeguato a rappresentare la potenza localiz-zata.Numerosi studi sono stati condotti per la valutazione delle grandezze interne as-sociate ai campi elettromagnetici ad alta frequenza, in particolare delSAR .Poich per accertare lentit della esposizione umana, non sono generalmentepossibili misure dirette sulle persone delle suddette grandezze interne richieden-do esse luso di sonde invasive, la suddetta valutazione viene normalmente con-dotta mediante modelli matematici e misure su modelli sici (fantocci), che per-mettono di ottenere le correlazioni tra le grandezze interne e le grandezzeesterne che caratterizzano il campo elettromagnetico incidente (campo elettrico,campo magnetico, densit di potenza incidente).La verica dellesposizione di una persona ai campi elettromagnetici viene quindicondotta misurando le grandezze esterne, che caratterizzano i campi elettroma-gnetici inducenti, e risalendo alle grandezze interne per mezzo dei modelli sud-detti. La misura di tali grandezze esterne, eseguite in assenza del corpo stesso tecnicamente realizzabile, anche se richiede particolari precauzioni ed una cono-scenza delle sorgenti di emissione, delle caratteristiche del campo elettromagneti-co da esse generato e dellambiente circostante in cui il campo si propaga.

6.2 Caratteristiche generali dei campi elettromagnetici

6.2.1 GeneralitSi intende per radiazione elettromagnetica la propagazione in un dato mezzo dicampi elettrici e magnetici, variabili nel tempo e correlati tra di loro, generati dacariche e correnti oscillanti.


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Detta propagazione, con trasporto di energia elettromagnetica, presenta carattereondulatorio (onde elettromagnetiche) e avviene nello spazio libero, e in pratica

anche nellaria, alla velocit della luce , mentre in

altri mezzi tale propagazione caratterizzata da velocit alquanto inferiori, dipen-denti dalle propriet elettriche e magnetiche del mezzo stes-

so .

Le grandezze siche mediante le quali vengono caratterizzate le radiazioni elet-tromagnetiche sono fondamentalmente:

il campo elettrico o la corrispondente induzione dielettrica , es-sendo e la permettivit del mezzo;il campo magnetico o la corrispondente induzione magnetica , es-sendo m la permeabilit del mezzo;la densit di potenza elettromagnetica S associata alla propagazione dellon-da, espressa come il modulo del vettore di Poynting, dato dal prodotto vetto-

riale , la direzione e il verso del quale esprimono quelli della pro-pagazione dellonda.

Le relazioni matematiche fra il campo elettrico e quello magnetico di unondaelettromagnetica e le cariche e correnti che li generano sono descritte dalle equa-zioni di Maxwell.

Attraverso tali equazioni in teoria possibile trattare in modo completo il problemadella determinazione del campo elettromagnetico in un qualsiasi mezzo, generato dauna qualsiasi sorgente, assimilabile sempre a un sistema di cariche in movimento. Ledifcolt di schematizzazione delle sorgenti complesse e del mezzo trasmissivo, spes-so comprendente strutture siche anchesse complesse, rende per in generale one-rosa la trattazione puramente matematica del problema, pur considerando i notevo-lissimi progressi raggiunti negli ultimi tempi negli algoritmi e nei mezzi di calcolo.La misura, con metodologie adeguate allo scopo, quindi un aspetto molto im-portante della caratterizzazione dei campi elettromagnetici, specialmente se talecaratterizzazione orientata alla verica della conformit della zona a valori limi-te di esposizione suggeriti o prescritti da norme tecniche o da legislazioni.Quando si intraprende una campagna di misura bene, daltra parte, fare delle

valutazioni preliminari sugli andamenti dei campi, attraverso metodologie di cal-colo semplicate e considerazioni di carattere generale, che permettano di otti-mizzare le misure e aiutare linterpretazione dei risultati.Come prima considerazione, si deve ricordare che in generale i campi elettromagne-

tici riscontrabili in una data zona, a una determinata distanza dalle sorgenti, sono ca-ratterizzati da andamenti temporali e spaziali assai complessi in relazione alle caratte-ristiche delle sorgenti e alla tipologia della zona (frequenze dei segnali emessi dallesorgenti, orograa del terreno, presenza o meno di ostacoli) con legami altrettantocomplessi tra le componenti elettrica e magnetica dei campi stessi.Solo nel caso particolare di onda piana uniforme, cui fortunatamente possono es-sere approssimate alcune situazioni reali di campo lontano da sorgenti e ostacoli,gli andamenti sono relativamente semplici: in questo caso il campo elettrico e ilcampo magnetico sono grandezze in fase tra di loro ed hanno ampiezze in rap-porto costante; i loro vettori rappresentativi, tra di loro ortogonali, giacciono sudi un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dellonda elettroma-gnetica; tale propagazione avviene con una lunghezza donda che dipende dallepropriet dielettriche (permettivit e permeabilit magnetica) del mezzo.

c 1e0 m0

------------------ 2 998, 108 m s ==

e er e0= m mr m0=

c mc

er mr----------------=

E D e E =

H B m H =

S E H =


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Londa piana approssima, in unarea limitata a grande distanza dalle sorgenti,porzioni di onde sferiche e cilindriche, cui si possono assimilare in genere leonde emesse dai singoli componenti in cui possono essere scomposte le sorgentianche se assai complesse. importante esaminare con maggiori dettagli le caratteristiche principali dellon-da piana.I vettori rappresentativi del campo elettrico e del campo magnetico giacciono suun piano ortogonale alla direzione di propagazione e, in ogni istante, sono co-stanti nellarea in cui si pu assumere londa piana (vedi Fig. 6.1).

Fig. 6.1Caratteristiche di propagazione di unonda piana

Assumendo la direzione di propagazione come asse delle z, i vettori e pos-sono essere espressi come segue:

Esiste ununica direzione di propagazione, ortogonale al piano in cui giaccio-

no i vettori di campo e .Esiste un rapporto costante fra i moduli dei vettori campo elettrico e campomagnetico, detto impedenza donda, che, nel caso il mezzo di propagazionesia il vuoto o laria, vale:

dove:

e 0

la costante dielettrica del vuoto, pari a 8,854 10 12 F/m.

m 0 la permeabilit magnetica del vuoto, pari a 4 p 10 7 H/m;

E H

E x E x z t,( ) y E y z t,( )+= (6.1)

H x H x z t,( ) y H y z t,( )+= (6.2)

E H

Z 0m 0e 0----- 377 W== (6.3)


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Nel caso di altri mezzi trasmissivi diversi dallaria (come, per esempio il tessu-to biologico) ai valori di e0 e m0 si sostituiscono quelli rispettivi del mezzo inesame e = e 0 e r e m = m0 mr, dove er e mr sono rispettivamente la costante di-elettrica relativa e la permeabilit magnetica relativa del mezzo in esame.Per ogni istante e per ogni valore di distanza dalla sorgente, la densit di po-tenza elettromagnetica associata al campo elettrico uguale a quella associataal campo magnetico: la densit di potenza complessiva pu essere cos

espressa:

6.2.2 Dipendenza del campo elettromagnetico dalla distanzaLa distribuzione del campo elettromagnetico nello spazio circostante una datasorgente dipende dalle caratteristiche radioelettriche della sorgente stessa e dalladisposizione dei suoi componenti rispetto ai punti di misura considerati.Inoltre, per la determinazione dellintensit del campo, necessario tenere inconto il contributo derivante da altre sorgenti poste nelle vicinanze, qualora ilcampo da esse prodotto non sia trascurabile.Poich il campo elettromagnetico irradiato nellambiente da una qualsiasi sorgen-te (intenzionale o meno) presenta caratteristiche diverse man mano che ci si al-lontana dalla sorgente stessa, usuale distinguere diverse zone.Per qualsiasi tipo di sorgente queste zone sono:

la zona di campo vicino reattivo, che si estende dalla supercie della sorgente noad una distanza di transizione dellordine della lunghezza donda (dal /2p a 3l , inrelazione alla lunghezza donda e alle dimensioni della sorgente);la zona di campo radiativo, che si estende dallestremo della suddetta distan-za di transizione no a distanza innita;

La zona di campo radiativo si pu dividere, a sua volta, in due regioni:zona di campo vicino radiativo, detta zona di Fresnel, che si estende dallasuddetta distanza di transizione no ad una distanza R 0 (distanza di Rayleigh)pari a l o a 2D2/ l (il maggiore dei due valori), essendo D la dimensione mas-sima della sorgente irradiante;zona di campo lontano, detta zona di Fraunhofer, che si estende da una di-stanza dalla sorgente pari a l o 2D2/ l (il maggiore dei due valori) no a di-stanza innita.

La Fig. 6.2 fornisce unindicazione di massima dellestensione delle varie compo-nenti del campo elettromagnetico.

S E 2

Z 0------ Z 0 H

2 E 2

377-------- - 377 H 2 W/m2[ ]==== (6.4)


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Fig. 6.2Schematizzazione delle zone di campo elettromagnetico in funzione della distanzadalla sorgente

Una distinzione accurata delle diverse caratteristiche del campo elettromagnetico nel-le varie zone non solamente una precisazione accademica, ma, ai ni delle proce-dure di misura da adottare, assume unimportanza essenziale al variare della lunghez-za donda del campo. Infatti, per le bande di frequenza della telefonia mobile lalunghezza donda dellordine dei 20-40 cm e quindi la valutazione sperimentale av-

viene praticamente sempre in zona di campo radiativo; per centri radio operanti adonde medie, la lunghezza donda varia fra 200 e 600 metri e conseguentemente la va-lutazione sperimentale del campo avviene prevalentemente nella zona di campo vici-no radiattivo, raramente nella zona di campo vicino reattivo.

6.2.3 Caratteristiche del campo vicino reattivoLa zona di campo vicino reattivo quella nella quale le componenti reattive delcampo elettromagnetico predominano su quelle radiative. Essa localizzata nelleimmediate vicinanze della sorgente.Generalmente questa zona si estende dalla supercie della sorgente no ad una di-stanza di transizione R non superiore ad una lunghezza donda:

Nel caso particolare di un dipolo elettrico corto rispetto a l , le componenti reattive predominano no ad una distanza teorica di l /2p, alla quale la componentereattiva eguaglia la componente radiativa del campo elettromagnetico.La distanza di transizione dil /2p pu essere ancora assunta per antenne di di-mensioni piccole rispetto alla lunghezza donda, mentre per antenne di grandi di-mensioni rispetto alla lunghezza donda la distanza di transizione pi grande(no a 3l ).Nella zona di campo vicino reattivo i fenomeni di propagazione di potenza sonoassai ridotti e di conseguenza le componenti reattive dellenergia elettromagneti-ca decadono molto rapidamente con la distanza R dalla sorgente assumendo si-gnicato solo in prossimit dellemettitore.

Zona di campo vicino reattivo

Zona di campo vicino radiativo(zona di Fresnel)

Distanza di transizione, funzione di l e D

Sorgente

Distanza R dalla sorgente0

Zona di campolontano radiativo

R 0 = max ( l , 2D2

l )(l /2 p 3 l )

R < l (6.5)


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Pi precisamente i campi elettromagnetici si attenuano in modo diverso rispettoal campo lontano a seconda del tipo di antenna: ad esempio nel caso di unan-tenna a dipolo corto, il campo elettrico diminuisce secondo il rapporto 1/R 3 ed ilcampo magnetico come 1/R 2; viceversa nel caso di unantenna a spira il campomagnetico diminuisce come 1/R 3 ed il campo elettrico come 1/R 2.Le diverse attenuazioni delle componenti E ed H del campo elettromagneticonella zona di campo vicino reattivo confermano il fatto che in tale zona non esi-

ste una correlazione denita tra queste componenti. Riguardo a tale correlazionesi possono solo fare alcune considerazioni qualitative in base alla tipologia dellesorgenti.Se la sorgente ha una natura capacitiva (assimilabile a quella di un dipolo elettri-co) si ha che:

e questo rapporto aumenta allavvicinarsi alla supercie della sorgente.Se la sorgente ha una natura induttiva (assimilabile a quella di un dipolo magne-tico, anello elementare di corrente) si ha che:

e questo rapporto diminuisce allavvicinarsi alla supercie della sorgente. Anche se nella zona qui considerata la propagazione di potenza molto limitata,le componenti del campo possono accoppiarsi con il corpo umano e dar luogo afenomeni di assorbimento di energia.Nel caso sia necessario misurare le intensit dei campi nella zona di campo vici-no reattivo occorre utilizzare una sonda di dimensioni piccole rispetto alla lun-ghezza donda. La misura in ogni caso complicata dal problema dellaccoppia-

mento tra sonda e sorgente, che inuenza notevolmente i risultati di misura.6.2.4 Caratteristiche del campo vicino radiativo (zona di Fresnel)

La zona di campo vicino radiativo una regione di spazio in cui comincia a for-marsi il fascio di radiazione del campo e a prendere consistenza il trasporto dipotenza elettromagnetica, ma dove ancora non si realizzata la propagazione peronda piana.La zona di campo vicino radiativo (quando presente) si estende dalla distanza ditransizione (vedi 6.2.3)

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