Struttura di un apparato di misura
Un apparato di misura di CEM elettromagnetici è
costituito da tre elementi fondamentali:
• il sensore (o sonda)
• la linea di collegamento
• elaboratore di segnale
Il sensore è l’elemento che si accoppia al campo
da misurare e produce in uscita una tensione o
una corrente direttamente proporzionale
all’ampiezza istantanea del campo. La linea di
collegamento trasferisce il segnale dal sensore
all’elaboratore
all
elaboratore di segnale che ricava e fornisce
all’operatore una indicazione quantitativa della
grandezza misurata.
Le sonde
Non è ancora disponibile uno strumento
commerciale
i l con iincorporata
t una sola
l sonda
d
che consenta di misurare i campi nell’intera
banda di frequenza prevista dalla normativa.
Attualmente esistono sonde p
per la misura dei
campi elettrici e magnetici dalle ELF a qualche
GHz, e sonde da quest’ultimo valore fino a
circa 60 GHz. Non sono ancora disponibili
sonde trasportabili per misure di campo oltre i
100 GHz, ma a queste frequenze lo spettro
elettromagnetico è tuttora assai poco sfruttato
da segnali che si propagano nello spazio.
Le sonde per misurare il campo elettrico e
equello magnetico nell’intera banda di
frequenza prevista dalla normativa sono in
generale separate
separate. Ovviamente una delle due
misure è sufficiente alle frequenze e alle
distanze per le quali si effettuano misure in
zona di campo lontano: in tal caso il campo
elettrico e quello magnetico sono proporzionali
attraverso l’impedenza intrinseca
La misura del campo magnetico è effettuata, in
genere, con antenne a spira, mentre il campo
elettrico è rivelato con antenne costituite da
dipoli corti.
Quando la sonda è costituita da un solo
sensore a larga banda, la risposta dipende
dall’orientazione di quest’ultimo rispetto al
campo: la sonda è detta anisotropa.
Sonde contenenti tre sensori a larga banda,
di
disposti
ti ortogonalmente
t
l
t ttra lloro e che
h rivelano
i l
il valore del campo e lo inviano allo strumento
misuratore, presentano una risposta
indipendente
p
dall’orientazione della sonda
rispetto al campo, e sono dette isotrope. In
questi casi viene specificato un parametro,
detto errore di anisotropia, che indica in genere
il rapporto tra il valore massimo e minimo
rilevati misurando un campo polarizzato
linearmente ed orientando di volta in volta uno
dei tre sensori dello strumento lungo la
direzione di polarizzazione del campo.
La linea di collegamento
La sonda può essere montata direttamente
sullo
ll strumento
t
t di elaborazione
l b
i
o meno.
Nel primo caso si ha in generale il vantaggio di
migliorare la precisione della misura ma, per
contro, si richiede la vicinanza allo strumento
principale di un operatore che, a sua volta
perturba, il campo elettromagnetico. In
alternativa lo strumento può essere montato su
quest’ultimo non deve
un cavalletto: in tal caso q
essere di materiale conduttore.
Sono inoltre talvolta da prevedersi collegamenti
adeguati fra la sonda e lo strumento principale
per consentire rilievi a distanza
distanza, oppure fra lo
strumento principale e un eventuale computer
dedicato per l’elaborazione e la presentazione
dei dati. In questi casi è opportuno effettuare il
collegamento con una fibra ottica piuttosto che
con conduttori metallici: la scelta della fibra
ottica ha il vantaggio di non perturbare il
campoda misurare con i segnali che la sonda
trasmette e riceve dallo strumento principale.
Per contro un collegamento in fibra può
danneggiarsi più facilmente.
Esistono diversi parametri che permettono di
descrivere, valutare e confrontare le prestazioni
di uno strumento per la misura dei campi
elettromagnetici:
l tt
ti i
L’accuratezza, che rappresenta una stima a
priori dell’errore di misura, valutato in
condizioni standardizzate; le misure di
protezionistica
t i i ti non necessitano
it
iin genere una
accuratezza elevatissima, soprattutto a causa
dei fattori di incertezza insiti comunque
nell’interpretazione del dato misurato: livelli di
errori fino a 3 dB non sono né inconsueti né
inaccettabili
La sensibilità, che specifica il minimo valore
misurabile entro un determinato livello di errore
La gamma dinamica, data dal rapporto
(spesso espresso in dB) tra il massimo e il
minimo valore misurabile
La risoluzione spaziale, legata all’ingombro
del sensore e quindi alle dimensioni della
regione di spazio entro la quale viene eseguita
una sorta di media del valore misurato
Banda passante, indica l’intervallo di
frequenze in cui un dipositivo fornisce una
risposta corretta, entro determinati margini di
errore
SENSORI PER LA ZONA DI INDUZIONE
Sensori ad accoppiamento
pp
capacitivo
p
(campo elettrico)
Abbiamo un accoppiamento capacitivo
quando le cariche elettriche presenti sulle
sorgenti provocano,
provocano per induzione elettrica
elettrica,
l’insorgere di cariche elettriche nelle strutture
metalliche del sensore. Questo è
normalmente costituito da due conduttori
(detti armature o bracci) confinati in una
regione tanto piccola che il campo elettrico si
possa considerare uniforme in essa e
collegati a due morsetti di uscita
uscita.
La quantità di carica indotta è proporzionale
all’intensità del campo elettrico presente nel
punto occupato dal sensore; essa costituisce
quindi il segnale elettrico fornito dal
dispositivo. Nella maggior parte dei casi
risulta più conveniente, perché tecnicamente
più semplice, misurare la corrente che scorre
nel circuito collegato ai morsetti del sensore,
o la differenza di potenziale che si stabilisce
tra di essi
Sensore a condensatore
Alle frequenze più basse (< 300 kHz )), una
delle strutture di più pratico impiego per la
realizzazione dei sensori di campo elettrico per
la zona di induzione consiste nel condensatore
ad
d armature
t
piane
i
e parallele.
ll l Il sensore è
costituito in pratica da due elementi metallici
schiacciati (a forma di disco, di piastrina
rettangolare)
g
) con due superfici
p
dette armature
affacciate una all’altra e disposte
perpendicolarmente al campo da misurare.
d
E
I
Applicando il teorema di Gauss si trova che,
detta “S” la superficie di ciascuna armatura e
“d” la distanza che le separa, la carica totale
“Q” indotta
i d tt su di essa quando
d è esposta
t
perpendicolarmente ad un campo elettrico “E” è
data (in prima approssimazione, poiché si
trascura l’effetto del bordo)) da:
Q 0 E S
Se tra le due armature viene collegato un
dispositivo amperometrico a bassissima
resistenza, dalla misura dell’ampiezza della
corrente è possibile risalire all’intensità del
campo elettrico; per esempio, in regime
perfettamente sinusoidale avremo:
dQ
I
2 f j E S
dt
Alternativamente,, tenendo conto dell’espressione
p
approssimata della capacità C del condensatore
ad armature piane e parallele:
0S
C
Si p
può determinare la
d
differenza di potenziale a vuoto
Q
V E d tra le armature e quindi risalire
C
al campo elettrico
Sensore a dipolo corto
Per frequenze dalle centinaia di kHz fino alle
centinaia di MHz, si preferisce far uso di
sensori a dipolo corto. Si tratta di dispositivi
che funzionano sostanzialmente in base allo
stesso
t
principio
i i i d
deii precedenti,
d ti con lla
differenza che le due armature sono sostituite
da due bracci metallici isolati e contrapposti ,
allineati tra loro e col campo
p elettrico da
misurare, aventi lunghezza complessiva “d”
piccola rispetto alla lunghezza d’onda; i
terminali di uscita del segnale sono gli
estremi vicini di tali bracci
bracci.
Nel caso più comune, il dipolo si presenta
come un doppio stilo filiforme avente i bracci
molto sottili rispetto alla lunghezza “d”: in tale
caso, è possibile dimostrare che:
V d
E 2
V
d
Accoppiamento induttivo (campo magnetico)
Un accoppiamento di tipo induttivo ha luogo se
il sensore h
ha una struttura
t tt
anulare
l
chiusa,
hi
che
h
abbraccia una superficie di forza del campo
magnetico. Come descritto dall’equazione di
Faraday,
y, nell’anello si forma una differenza di
potenziale proporzionale all’intensità del
campo magnetico, alla sua frequenza ed
all’area della superficie racchiusa dall’anello
stesso Se questo viene aperto in un punto
stesso.
punto, la
differenza di potenziale diviene disponibile ai
due estremi dell’interruzione, che fungono così
da morsetti del sensore. Se la spira è filiforme
(ovvero se il diametro del conduttore che la
costituisce è molto minore del diametro “d”
della spira stessa, la seguente semplice
espressione (ricavabile applicando
direttamente la legge di Faraday) fornisce con
buona approssimazione il rapporto tra la
tensione indotta e l’intensità del campo
magnetico:
0 f 2 d 2
V
H
2
d
H
V
SENSORI PER LA ZONA DI RADIAZIONE
È disponibile una buona varietà commerciale di
antenne “standard” (ovvero di caratteristiche
accuratamente note e riproducibili), adatte a
coprire molteplici esigenze di misura, anche in
settori diversi da quello protezionistico, come
per esempio misure di campo nelle
telecomunicazioni o misure di emissione nella
compatibilità elettromagnetica.
elettromagnetica
Accenniamo ad alcuni dei tipi più comuni.
Il dipolo a mezz’onda è un’antenna a banda
stretta
t tt costituita
tit it d
da d
due b
braccii di llunghezza
h
complessiva “d” pari alla metà della lunghezza
d’onda della radiazione da misurare; viene
comunemente utilizzato per le misure di campi
EM a polarizzazione lineare. Occorre un dipolo
diverso (cioè di diversa lunghezza) per ogni
singola frequenza di misura; in alternativa sono
reperibili dipoli sintoni
sintonizzabili,
abili dotati di bracci
telescopici di cui è possibile regolare la
lunghezza
L’antenna biconica è una delle più diffuse
antenne per misure di campo. Dotata di una
struttura costituita grossomodo da due coni
allineati e contrapposti
contrapposti, è utilizzata in
polarizzazione lineare ed è caratterizzata da una
banda relativamente ampia (da 20 a 200 MHz)
L’antenna logaritmica periodica è costituita da
una successione di dipoli paralleli e complanari,
complanari
di
lunghezza
ed
interdistanza
progressivamente crescente. E’ un’antenna a
larga banda (200–1000 MHz) a polarizzazione
lineare.
lineare
L’antenna a spirale conica logaritmica impiega
una spirale conduttrice avvolta su una
superficie conica con un passo che diminuisce
procedendo
d d d
dalla
ll b
base verso il vertice.
ti
Si tratta di un’antenna a banda larga e
polarizzazione circolare disponibile in
commercio in due modelli standard,,
dimensionati per funzionare rispettivamente
negli intervalli 200 – 1000 MHz e 1 – 10 GHz.
La tromba a guadagno standard basata su un
progressivo allargamento di una guida d’onda
rettangolare.
Questo tipo
p di antenna è utilizzata in intervalli
da uno a qualche GHz e presenta un’area
equivalente pari ad una frazione dell’area
geometrica della bocca rettangolare.
STRUMENTI AD ACCOPPIAMENTO A
RADIOFREQUENZA
Si basano sul principio della conversione di
frequenza. Il segnale ricevuto viene convertito in
uno di ampiezza proporzionale ma di frequenza
fissa (la frequenza intermedia) mediante
miscelazione
i
l i
con un segnale
l generato
t
internamente allo strumento (dal cosiddetto
oscillatore locale). La frequenza dell’oscillatore
locale viene regolata
g
in funzione di q
quella del
segnale da misurare in modo che il risultato della
miscelazione (che comporta una somma o una
sottrazione delle frequenze) abbia una frequenza
pari alla frequenza intermedia.
intermedia Nell’analizzatore
Nell analizzatore
di spettro, la frequenza dell’oscillatore locale
viene modificata automaticamente in modo da
esaminare un intervallo di frequenze
preimpostato dall’operatore; nel radioricevitore
invece essa viene scelta dall’operatore mediante
il comando di sintonia, in modo da sintonizzarsi
sulla frequenza di misura desiderata
desiderata. Il segnale a
frequenza intermedia viene successivamente
filtrato con larghezza di banda regolabile e
amplificato
Differenti tipologie di
apparati di misura
Analizzatori
di spettro
V
/m
Strumenti
palmari
Sistemi di
monitoraggio
5mW
/cm2
Monitor personali
Strumenti a larga banda
5 mW/cm2
V
/m
Strumenti
palmari
Indicatori /
M i
Monitor
personali
li
Vantaggi
Svantaggi
+ Semplice
utilizzo
- Minor
precisione
+ Isotropici
- Frequenza
non
discrimi
discriminata
+ Intensità
di campo
RMS
+ Costo
Strumento selettivo
Analizzatore di spettro
•Aree di applicazione:
–Laboratorio
–Misure complesse
Analizzatore di spettro
G
SPECTRUM ANALYSIS
30.0000000 MHz FSTART
3000 00000 MHz FSTOP
3000.00000
0
-20
-40
-60
Vantaggi
Svantaggi
Alta
precisione
- Utilizzo
- Costi
- Livello e non
intensità
- Single-level
sensors
-80
80
dB
-100
300MHz/DIV
REFERENCE
+10.00dBm
SCALE
100dB
RBW 1MHz
AUTO OFF
VBW 1.5MHz
SWT 50s
AUTO OFF
INPUT ATT
30dB
AUTO OFF
Software di trasferimento
http://www.tecnoservizi-sas.it
http://www.pmm.it
