ITTO20010475A1

ITTO20010475A1 - Metodo per la previsione dei livelli di campo elettrico in prossimita' di antenne trasmittenti.

Info

Publication number: ITTO20010475A1
Application number: IT2001TO000475A
Authority: IT
Inventors: Davide Forigo; Paola Gianola; Renato Scotti; Roberto Vallauri
Original assignee: Telecom Italia Lab Spa
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-11-23
Also published as: US20040157594A1; WO2002095428A1; EP1389308A1; DE60223355D1; ATE377764T1; DE60223355T2; EP1389308B1; US6903701B2; BR0209980A; ES2296959T3; CA2447642A1; ITTO20010475A0

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"METODO PER LA PREVISIONE DEI LIVELLI DI CAMPO ELETTRICO IN PROSSIMITÀ DI ANTENNE TRASMITTENTI’’

Riassunto

Il metodo per la previsione dei livelli di campo elettrico in prossimità di antenne trasmittenti, in particolare delle antenne a schiera lineari ampiamente utilizzate nei sistemi di telefonia cellulare, fornisce una previsione accurata pur richiedendo tempi di elaborazione ridotti e un insieme limitato<’>di dati in ingresso, quali le dimensioni fisiche esterne dell’antenna, il suo guadagno e i suoi diagrammi di radiazione nel piano verticale e nel piano orizzontale. (Fig. 1).

Testo della descrizione

La presente invenzione si riferisce agli strumenti per la pianificazione di sistemi di telecomunicazioni su portanti radio ed in particolare riguarda un metodo per la previsione dei livelli di campo elettrico in prossimità di antenne trasmittenti.

L’aumento del numero delle stazioni radio base (RBS) per comunicazioni mobili in aree ad alta densità abitativa ha causato, negli ultimi tempi, serie preoccupazioni nella popolazione che vive in prossimità di tali stazioni, per il timore di possibili effetti biologici dell’inquinamento da onde elettromagnetiche sull organismo umano. In conseguenza di ciò, le autorità di governo dei diversi paesi hanno introdotto nelle legislazioni nazionali delle norme che fissano limiti rigorosi ai livelli di campo elettrico irradiato nella gamma delle frequenze radio, nelle zone in cui la popolazione può esservi esposta per lunghi periodi. Gli operatori di telefonia mobile, che devono rispettare tali norme nella pianificazione dei loro sistemi, sono tenuti a produrre una documentazione dettagliata che certifichi il rispetto dei limiti prescritti per le loro stazioni radio base. È quindi evidente l’importanza di poter disporre di strumenti di pianificazione sempre più precisi ed affidabili, che consentano di evitare costosi e difficili interventi sulle apparecchiature e sui sistemi dopo la loro costruzione ed installazione.

Al momento, il campo elettrico irradiato da antenne trasmittenti, ed in particolare da antenne a schiera lineari per stazioni radio base, viene calcolato nella condizione di campo lontano, esprimendo il guadagno d’antenna in coordinate sferiche come prodotto dei diagrammi di radiazione nel piano orizzontale e verticale.

La condizione di campo lontano è verificata quando la distanza dall’antenna è 21}

superiore a — -, dove L0 è la massima estensione dell’antenna e λ è la lunghezza A

d'onda. Considerate le antenne delle stazioni radio base e le bande di frequenza dei sistemi di telefonia cellulare, tale distanza può corrispondere a più di 40 m, mentre nelle aree urbane le stazioni radio base sono spesso posizionate a meno di 10 m da edifici abitati. Di conseguenza, sorge la necessità di usare metodi più accurati per prevedere i livelli di campo elettrico in prossimità delle sorgenti a radiofrequenza, in particolare delle antenne a schiera lineari, ampiamente utilizzate nei sistemi di telefonia cellulare.

Sono attualmente noti e disponibili molti metodi numerici e strumenti software per la previsione del campo elettrico irradiato da antenne. Per esempio, il ben noto programma software NEC-2, descritto in “Numerical Electromagnetic Code - Method of Moment", di Burk G.J. e Poggio A.J., Lawrence Livermore National Laboratori, gennaio 1981, calcola in modo molto accurato il campo elettrico, sia in condizione di campo lontano, sia in condizione di campo vicino all’antenna trasmittente, ma richiede una buona conoscenza della tecnica della descrizione per fili (wire-grid technique) per la definizione dell'insieme di dati di ingresso, una precisa descrizione quotata delle caratteristiche meccaniche di tutte le parti dell’antenna e tempi di elaborazione piuttosto lunghi. Viceversa, nei casi pratici, la conoscenza dell'antenna è limitata alle sue dimensioni fisiche esterne, al suo guadagno e ai suoi diagrammi di radiazione nel piano verticale e nel piano orizzontale.

Ovvia ai suddetti inconvenienti e risolve i problemi tecnici descritti il metodo per la previsione dei livelli di campo elettrico in prossimità di antenne trasmittenti, oggetto della presente invenzione, il quale fornisce una previsione accurata pur richiedendo un insieme limitato di dati in ingresso e tempi di elaborazione ridotti da parte dei mezzi di elaborazione dei dati utilizzati per il calcolo.

E' particolare oggetto della presente invenzione un metodo per la previsione dei livelli di campo elettrico in prossimità di antenne trasmittenti, come descritto nella parte caratterizzante della rivendicazione 1.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di una forma preferita di realizzazione della stessa, data a titolo di esempio non limitativo, e dai disegni annessi in cui:

- la Fig. 1 rappresenta in forma schematica un'antenna a schiera lineare disposta lungo l'asse z di un sistema di riferimento cartesiano, in posizione simmetrica rispetto all'asse x;

- la Fig. 2 rappresenta un filo sottile di lunghezza arbitraria L disposto lungo l'asse z di un sistema di riferimento cartesiano, in posizione simmetrica rispetto all'asse x.

Come si è detto in precedenza, un semplice metodo per stimare il campo elettrico, irradiato da un’antenna a schiera lineare per stazioni radio base, è basato sull’ipotesi che il guadagno d’antenna G (θ,φ) possa essere calcolato come prodotto dei diagrammi di radiazione nel piano verticale e orizzontale. Tali diagrammi possono essere determinati mediante misurazioni effettuate nelle prime fasi del procedimento, insieme alle misure delle dimensioni fisiche dell'antenna, oppure possono essere utilizzati quelli forniti dal costruttore.

Secondo il metodo dell’invenzione, il guadagno d’antenna G (θ,φ) viene calcolato in modo leggermente diverso, introducendo l’angolo ψ , ovvero:

(D dove:

- GM è il massimo guadagno dell’antenna

Dr(e) è il diagramma di radiazione sul piano verticale (φ=0)

ΒΗ(ψ) è il diagramma di radiazione su una superficie conica generata dalla rotazione attorno all'asse z nella direzione di massimo irraggiamento l’angolo ψ , funzione di θ,φβ τ , è dato da:

dove rè l’inclinazione del fascio di radiazione rispetto al piano orizzontale (down-tilt).

L’angolo ψ viene qui introdotto per ricostruire correttamente i livelli dei lobi secondari del diagramma d'irradiazione e la sua espressione analitica deriva dall'aver imposto i seguenti vincoli:

- per θ = Ο,π la direzione (θ,φ) non dipende dall'angolo φ. Infatti, per Θ = 0 la direzione (Ο,φ) è sempre la direzione z, mentre per θ = π la direzione (Ο,φ) è sempre la direzione -z. Pertanto, quando θ = Ο,π il valore di ϋ(θ,φ) non deve dipendere dall'angolo φ e, in particolare, deve essere pari al valore del diagramma verticale in θ=0,π: poiché DH(0) = 1 , ciò si ottiene imponendo ψ = 0; - per θ = π/2 τ, la funzione Θ(θ,φ) deve coincidere col diagramma d'irradiazione del piano orizzontale. Poiché in θ = π/2 τ la funzione Dv(0) ha valore unitario, quanto richiesto si ottiene imponendo ψ = φ.

Come è noto, il campo elettrico Ε&,θ,φ) nella zona di campo lontano è dato da:

(3)

dove PR è la potenza irradiata, r è la distanza dal centro elettrico della sorgente e p è il versore di polarizzazione.

Ora si suppone che la separazione fra gli effetti sul piano verticale e sul piano orizzontale, come espresso nell’equazione (1), sia ancora valida in zona di campo vicino, in particolare nella zona compresa fra 2 ÷ dove L^ è la massima estensione

dell’antenna. Infatti, poiché la larghezza fisica di un’antenna a schiera lineare è molto minore della sua altezza, il contributo del diagramma orizzontale ΰΗ(ψ) al campo elettrico in zona di campo vicino è circa uguale a quello che si riscontra in zona di campo lontano.

Con questa supposizione, il campo elettrico in zona di campo vicino può essere espresso come:

(4) dove è un’opportuna funzione vettoriale, calcolata come descritto nel seguito.

L’equazione 4 permette quindi di calcolare il campo elettrico in un punto Ρ=(Γ,θ,φ) dello spazio come prodotto di due contributi: il primo dovuto al campo elettrico sul piano orizzontale dell'antenna DH (ψ) , il secondo dovuto al campo elettrico sul piano verticale dell'antenna, DY ( 0 ) .

Il secondo contributo si ottiene calcolando il campo elettrico nella proiezione P, =(r,0,O) del punto Ρ=(Γ,θ,φ) sul piano verticale x, z dell’antenna, come rappresentato in Fig. 1. In questa figura, l’antenna a schiera lineare, rappresentata in forma schematica, è disposta lungo l'asse z di un sistema di riferimento cartesiano x, y, z, in posizione simmetrica rispetto all'asse x. Il punto P, individuato dalle coordinate sferiche τ,θ,φ, è il punto dello spazio in cui si vuole valutare l'intensità del campo elettrico. Il punto P, è la proiezione del punto P sul piano verticale dell'antenna (piano x, z) ed è ottenuto facendo ruotare il punto P, attorno all’asse z, di un angolo pari al valore della coordinata sferica φ.

Per il calcolo del campo elettrico in P,, è opportuno introdurre il concetto di “distribuzione equivalente di corrente”, abbreviato in ECD (Equivalent Current Distribution), cioè la distribuzione di corrente che produce sia in zona di campo vicino, sia in zona di campo lontano gli stessi effetti radiativi di una certa sorgente.

Nel caso di un’antenna a schiera lineare, polarizzata verticalmente, è conveniente definire l’ECD come una corrente monodimensionale lungo un filo sottile di lunghezza arbitraria L, come rappresentato lungo l'asse z in posizione simmetrica rispetto all’asse x nel sistema di riferimento cartesiano di Fig. 2.

In questa figura, 7(z) è la corrente elettrica che percorre il filo e che si suppone polarizzata nella direzione z (ossia 7(z) = 7(z)z ). Il vettore r' individua, sul filo sottile, un generico elemento di corrente. Le coordinate d, 0d, φ^Ο sono le coordinate sferiche del punto P, in un sistema di riferimento cartesiano avente l'origine in corrispondenza dell'elemento di corrente individuato dal vettore r'.

La corrente ECD si ottiene dalla conoscenza del diagramma di radiazione nel piano verticale dell'antenna: dalla teoria della radiazione, il diagramma di radiazione in tensione V(9) nel piano verticale x, z può essere scritto come:

dove C è una costante moltiplicativa e l(z) è la corrente prodotta sul filo.

Definendo:

cioè, l’ECD è la trasformata di Fourier del diagramma di radiazione V(u) definito precedentemente. Essa può essere calcolata con l'algoritmo standard della trasformata veloce di Fourier (FFT), usando il teorema del campionamento di Nyquist e stimando l’estensione fisica deH'ECD come χ volte l’altezza fisica dell'antenna. L'ECD così ottenuta è pertanto discreta, ossia costituita da un certo numero di campioni di corrente /„ . I risultati numerici dimostrano che, per schiere lineari, valori di χ compresi fra 2 e 3 sono accettabili.

In alternativa, l’ECD può essere ottenuta secondo il metodo di campionamento di Woodward-Lawson (vedasi ad esempio l'articolo di G. A. Somers “A proof of thè Woodward-Lawson samplig method for a finite linear array”, Radio Science, Voi. 28, No.

4, pp. 481-485, July-August 1993).

L'ECD così determinata è una distribuzione discreta di corrente, pertanto la funzione vettoriale F(r,9) , necessaria per il calcolo del campo elettrico nel piano verticale secondo la (4), è data da:

(7)

dove Z0 è l’impedenza caratteristica del vuoto, pari a 377Ω, λ è la lunghezza d'onda, =2π/λ è la costante di propagazione nel vuoto, /„ è Γη-esimo campione dell'ECD, d e 9d , come detto in precedenza, sono le coordinate sferiche del punto P, in cui si vuole calcolare il campo elettrico nel riferimento cartesiano centrato nell’n-esimo campione di corrente /„ , come illustrato in Fig. 2.

E' evidente che quanto descritto e' stato dato a titolo di esempio non limitativo. Varianti e modifiche sono possibili senza per questo uscire dal campo di protezione delle rivendicazioni.

Claims

Rivendicazioni 1. Metodo per la previsione dei livelli di campo elettrico \Ε(Γ,Θ,Φ)\ in un punto P (τ,θ,φ) posto in prossimità di antenne trasmittenti, in particolare di antenne a schiera lineare situate nell'origine di un sistema di riferimento cartesiano individuato dalle coordinate ortogonali (x, y, z) e dalle coordinate sferiche ( Γ,θ,φ ) , in cui: - si fissa la potenza del segnale a radiofrequenza inviato all’antenna (P„ ); - si determina il diagramma di radiazione (Dv ) dell'antenna sul piano verticale (Φ=0): - si determina il diagramma di radiazione (DH ) dell’antenna sul piano orizzontale; - si misura l’altezza fisica dell’antenna; caratterizzato dal fatto che si forniscono a mezzi di elaborazione dei dati detta potenza del segnale ( PR ) e detti diagrammi di radiazione (Dv, DJ dell’antenna per determinare il livello di campo elettrico secondo la seguente espressione:

dove ΏΗ(ψ) è il diagramma di radiazione su una superficie conica generata dalla rotazione attorno all'asse z nella direzione di massimo irraggiamento e l’angolo ψ, funzione di θ,φβ τ , è dato da:

'τ essendo l'inclinazione del fascio di radiazione rispetto al piano orizzontale (x, y), e Fjj-,θ) è una funzione vettoriale data da:

doveZ0 è l’impedenza caratteristica del vuoto, λ è la lunghezza d’onda, k0 è la costante di propagazione nel vuoto, /„ è Γη-esimo campione di una corrente monodimensionale (ECD) lungo un filo sottile di lunghezza arbitraria (L) che produce sia in zona di campo vicino, sia in zona di campo lontano, gli stessi effetti radiativi dell’antenna, de 9d sono le coordinate sferiche della proiezione Ρ,=(Γ,Θ,0) di detto punto P (τ,θ,φ) sul piano verticale (x, z).
2. Metodo come nella rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che per determinare detta corrente monodimensionale (ECD) si esegue mediante detti mezzi di elaborazione dei dati la seguente trasformata di Fourier 3{F (W)}: do essendo il diagramma di radiazione in tensione sul piano verticale (x, z), ottenuto secondo la teoria della radiazione da detto diagramma di radiazione (Dv).
3. Metodo come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che si esegue mediante detti mezzi di elaborazione dei dati detta trasformata di Fourier con l’algoritmo standard della trasformata veloce di Fourier (FFT), usando il teorema del campionamento di Nyquist e stimando l’estensione fisica di detta corrente monodimensionale (ECD) come χ volte detta altezza fisica dell'antenna, essendo χ compreso fra 2 e 3.
4. Metodo come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che si calcola mediante detti mezzi di elaborazione dei dati detta corrente monodimensionale (ECD) secondo il metodo di campionamento di Woodward-Lawson.