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Elettronica dei sensori a larga banda
V. Pozzolo (*), A.Santarelli (**), A.Casciano (***)
(*)
Dip. di Ingegneria Elettronica, Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi, 24, 10129 Torino
(**)
DEIS/IEIIT-CNR, Università di Bologna, V.le Risorgimento, 2, 40136 Bologna
(***)
TESEO S.p.A C.so Cincinnato 228/B, 10151 Torino
[email protected]
Abstract – This paper describes the system architectures that have been adopted in order to implement
the electromagnetic sensors for monitoring the environmental electromagnetic pollution in the
frequency band 30Hz -3 GHZ. Two wide band sensors have been realized, the first for the frequency
band 30 Hz – 300 Hz, the second for the RF band 150 KHz – 3 GHz.
Introduzione
Lo scopo del lavoro è quello di realizzare sensori di campo che permettano di monitorare
il livello di inquinamento elettromagnetico su una banda che si estende dalla frequenza
industriale sino a 3 GHz, conservando la possibilità di misurare l’intensità del campo e la
frequenza di ogni componente spettrale, in modo da poter eventualmente identificare le
sorgenti responsabili del maggior contributo al campo presente.
Seppure per consentire l’individuazione dei diversi contributi spettrali la misura
dell’intensità del campo debba essere fatta a banda stretta, è bene notare come per limitare il
numero di sensori necessari a coprire la banda di frequenze da pochi Hz ai 3 GHz, occorra
realizzare sensori e canali di trasmissione dell’informazione a banda estremamente larga, e
utilizzare poi un ricevitore selettivo per separare le righe dello spettro ricevuto.
La presente comunicazione si integra con quella che seguirà di Alessandro Casciano, ed
intende presentare le scelte architetturali fatte per la realizzazione del sistema sensore con
associata elettronica per il condizionamento del segnale e la trasmissione all’unità di
ricezione, mentre la comunicazione presentata da A. Casciano riguarderà con maggior
dettaglio la realizzazione di ciascun blocco dell’architettura qui descritta.
Le antenne quali sensori elettromagnetici
Pur dovendo coprire un così ampio spettro di frequenze, si è deciso di utilizzare due soli
tipi di sensori fisicamente distinti: un sensore che copra la banda ELF da 30 Hz a 300 Hz e un
sensore che permetta di monitorare l’intera banda RF da 150 kHz a 3 GHz. Ovviamente,
come richiesto dalla normativa vigente, il sensore per la banda ELF è un sensore di campo
magnetico, mentre quello per la banda 150 kHz - 3 GHz è un sensore di campo elettrico.
In entrambi i casi, non disponendo di sensori isotropici, si è deciso di utilizzare tre sensori
identici per rilevare le componenti dell’intensità di campo su tre assi ortogonali tra loro in
modo da poter ricostruire l’intensità del vettore risultante con semplice procedimento
matematico.
Mentre per l’antenna per la banda ELF non vi erano seri problemi di scelta, risultando
ormai universalmente utilizzata per questa scopo una bobina avvolta su un nucleo con
conveniente numero di spire, più problematica si poneva la scelta per l’antenna per la banda
superiore, che deve assicurare sensibilità adeguata su una banda di frequenza estremamente
estesa.
Per quanto riguarda l’antenna per le ELF essa è, in prima approssimazione,
modellizzabile come un generatore di tensione proporzionale alla derivata del campo
magnetico H incidente e da un’impedenza equivalente serie di tipo induttivo. Risulta quindi
opportuno prevedere che l’elettronica di condizionamento che la segue presenti un’impedenza
di ingresso di valore quanto più elevato possibile, cosa ottenibile semplicemente, visto la
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banda di frequenze interessata, con l’utilizzo di un operazionale in configurazione di
amplificatore di tensione non invertente. Per equalizzare la risposta in funzione della
frequenza si introduce nella funzione di trasferimento dell’amplificatore un polo nell’origine,
in modo da compensare lo zero dovuto all’effetto derivativo dell’antenna.
Per quanto riguarda la banda a RF da 150 kHz a 3GHz, dopo attento studio delle possibili
soluzioni presenti in letteratura si è optato per un dipolo corto, soluzione abbastanza
convenzionale, e si è affidata all’Unità di ricerca dell’IRITI lo studio di soluzioni innovative
da implementarsi eventualmente in un secondo tempo.
Un dipolo corto può essere modellizzato con un circuito equivalente costituito da un
generatore di tensione ideale, di valore proporzionale al campo elettrico E incidente con
coefficiente di proporzionalità pari all’altezza efficace, con in serie un’impedenza equivalente
che, in prima approssimazione, è una capacità di valore ricavabile dalle dimensioni fisiche del
dipolo (in realtà vi è anche una componente resistiva che per dipoli molto corti diviene
trascurabile), come rappresentato in figura 1.
Ceq
Veq=hE
Vm
Antenna
Cin
A
Elettronica
Figura 1. Circuito equivalente dell’antenna e dell’elettronica di condizionamento.
Per equalizzare la risposta in frequenza del sistema antenna ed elettronica di
condizionamento, si è scelto di compensare l’effetto della capacità Ceq costituendo un
partitore capacitivo, quindi per sua natura aperiodico, con l’introduzione di un condensatore
Cin. L’amplificatore che segue deve così presentare impedenza d’ingresso elevatissima e
guadagno costante su tutta la banda. In teoria la specifica sulla costanza del guadagno su tutta
la banda di frequenza non sarebbe strettamente necessaria, in quanto, effettuata una misura
iniziale di calibrazione, si potrebbe affidare al software che elabora il segnale che giunge al
ricevitore la correzione delle variazioni di guadagno con la frequenza. In realtà, dovendo
operare su una dinamica di segnale molto ampia, è bene che le variazioni di guadagno con la
frequenza siano molto contenute per evitare di dover assicurare che il canale di trasmissione
dell’informazione debba consentire linearità di funzionamento su una dinamica ancora più
estesa per tener conto della non costanza dell’amplificazione.
Scelta dell’architettura del sistema.
In primo luogo occorre considerare come la presenza dello strumento di misura debba
essere la meno invasiva possibile, cioé non debba perturbare in modo sensibile i valori di
campo preesistenti. Per questo si è scelto di realizzare i sensori su una piccola unità satellite
da porre nel punto di misura, collegata attraverso una fibra ottica ad una base che può essere
disposta ad una certa distanza.
Come sopra descritto, per ottenere una misura isotropica il sistema è costituito da tre
sensori di campo su tre assi ortogonali, e il valore del campo risultante deve essere ottenuto
dalla ricomposizione delle tre componenti misurate
a)
Misura del campo elettrico nella banda 150 KHz – 3 GHz.
Si presentavano diverse possibilità: effettuare direttamente sul satellite la composizione
delle tre componenti in RF all’uscita dei tre sensori e trasmettere alla base il risultato ottenuto,
sul quale effettuare poi l’analisi spettrale, oppure trasmettere i valori delle tre componenti in
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RF alla base attraverso il collegamento in fibra, effettuare l’analisi armonica e comporre le tre
componenti frequenza per frequenza, molto più agevolmente, dopo la rivelazione. Vista la
difficoltà di effetture operazioni non lineari (quadrati e radici quadrate) a RF a bordo satellite,
si è optato per la seconda soluzione.
Poiché però si intendeva ridurre per quanto è possibile il consumo a bordo satellite
(potrebbe essere alimentato a batteria) e il costo dell’apparato, e considerato che i valori del
campo da misurare sono generalmente costanti o variabili molto lentamente nel tempo, si è
deciso di utilizzare un solo canale di trasmissione dell’informazione RF tra satellite e base,
effettuando una partizione nel tempo e trasmettendo in sequenza i valori delle tensioni a RF
all’uscita dei tre assi. Si è così ridotto a due il numero dei canali ottici di comunicazione tra
satellite e base, uno per la trasmissione in basso dei segnali a RF, l’altro per la trasmissione
dei comandi verso il satellite. Ovviamente, a bordo satellite, deve esserci un multiplexer
analogico capace di operare sull’intera banda di frequenze.
SATELLITE
BASE
X
Eln
Y
RF
Eln
Z
Eln
M
U
X
E/O
O/E
Fibra (RF)
Fibra comandi
O/E
RF al ricev.
E/O
Ref
Stand by
micro
micro
comandi
Figura 2. Schema a blocchi del sistema sensore RF
Lo schema a blocchi del sistema è indicato in figura 2, dove si evidenziano nel satellite i
tre dipoli disposti secondo i tre assi, le rispettive elettroniche di condizionamento, il MUX
analogico a RF che permette di esplorare sequenzialmente i diversi canali e il convertitore
elettro-ottico che trasduce il segnale elettrico in un segnale ottico che trasporta l’informazione
analogica a RF alla base. Nella base un trasduttore ottico-elettrico ripristina il segnale a RF e
lo invia al ricevitore che provvederà ad analizzarlo e a ricostruire il valore del vettore campo
elettrico a partire dalle tre componenti. Particolare cura ha dovuto essere posta nel
dimensionare il canale O/E-E/O a RF che deve portare con guadagno costante un segnale
analogico da 150 KHz a 3 GHz, con una dinamica di 40 dB.
Nel satellite è stato inserito anche un generatore di riferimento che è connesso al quarto
canale del MUX e che può essere indirizzato per verificare, quando ritenuto opportuno,
l’integrità del canale di comunicazione tra satellite e base.
Un ulteriore link ottico consente di portare al satellite i segnali di comando che, gestiti da
un apposito microcontrollore, permettono di controllare le diverse fasi della misura, dalla
verifica iniziale dell’integrità del canale all’esplorazione sequenziale dei diversi assi, e anche,
tra una misura e la successiva, alla messa in stand by del sistema. Durante questa fase , per
ragioni di risparmio energetico, solo il microcontrollore è alimentato, mentre tutto il resto del
satellite è privo di alimentazione.
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b)
Misura del campo magnetico nella banda 30 Hz – 300 Hz.
Riconosciuta la non grande utilità alle frequenze basse di poter effettuare un’analisi
armonica per individuare le sorgenti di disturbi elettromagnetici, per ragioni di costo
dell’apparato si è deciso, di comune accordo con il responsabile della linea 2, di effettuare
direttamente la misura del valore efficace delle componenti lungo i tre assi cartesiani. Questo
valore è direttamente fornito al microcontrollore per la conversione in forma digitale e quindi
per poter calcolare, a partire dai valori relativi ai tre assi, il valore totale del campo e
provvedere alla trasmissione del risultato attraverso una porta seriale.
La figura 3 riporta lo schema a blocchi realativo all’elaborazione del segnale raccolto su
ogni asse:
Canale X
A
FPB
FPA
KωHX
X
Y
Z
MUX
A/D
µP
Porta
Seriale
Microcontroller
Figura 3. Banda ELF – Schema a blocchi relativo a un canale
Il segnale proveniente dall’antenna è presentato all’ingresso di un amplificatore in
configurazione non invertente, con elevatissima impedenza d’ingresso, e la cui funzione di
trasferimento presenta un polo nell’origine per compensare l’effetto derivativo dell’antenna.
Seguono un filtro passabasso e uno passaalto che limitano la banda a quella richiesta (30Hz –
300 Hz), e un rivelatore per ricavare il valore efficace del segnale relativo al canale in esame.
Il microcontrollore, attraverso il MUX al suo interno, provvede a convertire sequenzialmente i
valori delle tre componenti secondo i tre assi cartesiani e a calcolare l’ampiezza della
risultante.
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