Sviluppo di Sensori Passivi di Campo Elettrico Indossabili per Radiofrequenze

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Introduzione 
I campi elettromagnetici hanno assunto importanza crescente nel corso degli ultimi anni, legata 
in particolar modo allo sviluppo dei sistemi di telecomunicazione diffusi capillarmente sul 
territorio, destando l’interesse della popolazione riguardo i possibili effetti sulla salute derivanti 
dall’esposizione prolungata alle sorgenti di onde elettromagnetiche. Gli impianti radio-TV, i 
telefoni cellulari, i radar sono solo alcune delle sorgenti ad alta frequenza, relative alle 
comunicazioni, e non al trasporto di energia, responsabili della alterazione del naturale campo 
elettromagnetico della terra. Gli effetti legati all’inquinamento elettromagnetico sono tutt’oggi 
oggetto di studi scientifici da parte delle più autorevoli comunità scientifiche di tutto il mondo. 
L’attività di tesi sperimentale, qui presentata, conduce uno studio di fattibilità e sviluppo di 
sensori indossabili, facilmente integrabili, in grado di rilevare l’intensità del campo elettrico 
presente nell’ambiente, all’interno di una fascia cautelativa individuata da limiti di esposizione 
regolamentati da norme di sicurezza, per frequenze comprese tra 80 MHz e 1 GHz. Lo sviluppo 
di tali sensori, vuole proporsi innovativo, in quanto non è richiesto alcun tipo di alimentazione 
per il circuito, eccetto l’energia captata dallo stesso campo elettromagnetico inquinante che 
garantisce un funzionamento perpetuo al dispositivo. Il lavoro di tesi è articolato come segue. 
Nel Capitolo1 vengono descritti i principali impianti di telecomunicazione responsabili dell’ 
inquinamento elettromagnetico, analizzando, secondo il parere delle organizzazioni mondiali 
della sanità, i possibili effetti a breve e lungo termine dovuti all’interazione dei campi 
elettromagnetici variabili con il corpo umano. Nel Capitolo2 vengono presentate le varie 
normative mondiali e nazionali che regolamentano la sicurezza dell’uomo dall’esposizione delle 
radiazioni non ionizzanti, con gli opportuni limiti di esposizione differenziati per lavoratori 
professionalmente coinvolti e popolazione generica. Nel Capitolo3 viene descritto il 
funzionamento dei generici misuratori attivi di campo elettrico alimentati a batteria, e come 
possibilità alternativa sono descritte le varie tecniche di recupero di energia dall’ambiente. Infine 
nei Capitoli 4 e 5 è riportata l’intera caratterizzazione, per via condotta e radiata, dei dispositivi 
realizzai, discutendo nelle conclusioni i risultati ottenuti e gli ulteriori sviluppi futuri.
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Capitolo 1 
Rischi derivanti dall’esposizione a radiazioni 
elettromagnetiche 
1.1 Spettro Elettromagnetico 
L’occhio umano percepisce soltanto un numero limitato di lunghezze d’onda dell’intero spettro 
elettromagnetico, quelle appunto relative al visibile. Il primo a dimostrare che la luce del sole 
fosse un insieme di onde di varia lunghezza, da 0.4µm per il viola a 0.7µm per il rosso, fu 
Newton nel 1672 nel suo esperimento di dispersione della luce attraverso un prisma, che rivelava 
la sequenza di tutti i colori dell’arcobaleno. Lo spettro elettromagnetico, riportato in Fig.1.1, 
viene suddiviso in due blocchi principali; Radiazioni Ionizzanti IR, comprendenti i raggi 
Gamma, i raggi X e parte dell’ultravioletto, così chiamate in quanto possiedono energia 
sufficiente per ionizzare, ossia caricare elettricamente atomi e molecole che colpiscono, e 
Radiazioni Non Ionizzanti NIR, facenti parte l’ultravioletto, il visibile, l’infrarosso, le microonde 
e le onde radio, la cui interazione con i tessuti biologici non produce gli stessi effetti delle 
radiazioni ionizzanti. Lo scopo di questo capitolo è presentare gli effetti sulla salute dell’uomo 
prodotti dalle radiazioni non ionizzanti, mediante analisi e risultati ricavati dagli studi scientifici 
condotti dalle più autorevoli agenzie mondiali di compatibilità elettromagnetica.  
 
Figura 1.1 Spettro Elettromagnetico. 
I sistemi di comunicazione che contraddistinguono la società dell' informazione in cui viviamo, 
si sviluppano nella porzione di spettro compresa tra i 3 kHz e i 300 GHz, ossia nella porzione di 
spetto delle microonde e delle onde radio; a causa dei diversi fenomeni di attenuazione e 
riflessione che queste onde subiscono nella ionosfera e sulla superficie terrestre, cambiano le 
tipologie di applicazioni. In Tabella1.1 sono riportate le sottobande dello spettro radio, con 
relativi intervalli di frequenza, nomenclatura e principali applicazioni in radio telecomunicazioni 
[1.1].
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Tabella 1.1 Denominazione dello spettro radio e relative applicazioni 
Intervallo di 
frequenza 
Denominazione Lunghezze 
d’onda 
Applicazioni 
3-30 kHz Very Low Frequency (VLF) (100-10) km Comunicazioni sottomarine, 
Radiolocalizzazione 
30 - 300 kHz Low Frequency (LF) 10 - 1 km Navigazione, Stazioni di 
informazione meteorologica 
300 - 3000 kHz Medium Frequency (MF) 1 km - 100 m Radiodiffusione AM, 
Comunicazioni marittime 
(Guardia Costiera)  
3 - 30 MHz High Freqeuncy (HF) 100 - 10 m Radiodiffusione a onda corta, 
da radio amatori, Servizi 
Utility 
30 - 300 MHz Very High Frequency (VHF) 10 - 1 m Radiodiffusione FM e Tv, 
Controllo traffico aereo, 
Comunicazioni radiomobili 
300 - 3000 MHz Ultra High Frequency 
(UHF) 
1m - 10 cm Tv, Telefonia Cellulare, Radar, 
ponti radio, Reti Wireless 
3 - 30 GHz Super High Frequency 
(SHF) 
10 - 1 cm Radar, Comunicazioni 
satellitari, Rilevazione a 
distanza, Reti Wireless 
30 - 300 GHz Extremely High Frequency 
(EHF) 
10 - 1 mm Radar, Radioastronomia 
L’intervallo delle onde lunghissime e onde lunghe (o VLF e LF) , da 3 a 300 kHz, riescono a 
raggiungere distanze anche di mille chilometri, grazie sia alla propagazione per onda di 
superficie dove subiscono una bassa attenuazione, soprattutto sul mare, sia per riflessioni 
multiple tra terra e ionosfera; per queste caratteristiche vengono adoperate nelle comunicazioni 
sottomarine ed intercontinentali, nella radionavigazione e radiolocalizzazione. Le onde medie (o 
MF) da 300 a 3000 kHz, coprono distanze al massimo di qualche centinaia di chilometri, in 
quanto subiscono una attenuazione maggiore rispetto alle onde lunghe e sono in gran parte 
assorbite dalla ionosfera; vengono adoperate nelle radiocomunicazioni per aerei e navi, per 
esempio dalla Guardia Costiera, e nella radiodiffusione in AM. Le onde corte (o HF) da 3 a 30 
MHz anche se presentano una maggiore riflessione nella ionosfera, subiscono una forte 
attenuazione in superficie garantendo le comunicazioni solo per decine di kilometri; sono 
impiegate nelle radiodiffusioni a onda corta, dai radioamatori, e nei servizi utility. Nelle onde 
cortissime e millimetriche (VHF-UHF-SHF-EHF) fino a 300GHz, la propagazione per onda di 
superficie è praticamente nulla, la trasmissione può avvenire solamente per onda diretta come 
per le onde luminose, l’azione della troposfera consente di raggiungere punti che non sono in 
visibilità ottica, mentre l’assenza di riflessione nella ionosfera consente di oltrepassarla per le 
comunicazioni satellitari. Gli scenari di applicazione vanno dalla radiodiffusione in FM e TV, 
controllo del traffico aereo e comunicazioni radiomobili, come quelle della polizia, per quanto 
riguarda le VHF, alla telefonia cellulare, comunicazioni radar, ponti radio, per le UHF, fino a 
comunicazione via satellite, radioastronomia e rilevazione a distanza per le SHF e EHF 
[1.2][1.3].
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1.2 Impianti di Telecomunicazioni 
Di seguito vengono descritte le caratteristiche dei principali impianti artificiali per le radio e 
telecomunicazioni alle alte frequenze che si articolano sul territorio, come le stazioni radio base, 
gli impianti di diffusione radio e TV, i ponti radio e le stazioni radar.  
1.2.1 Stazioni Radio Base 
Le Stazioni Radio Base (SRB), o Base Transceiver Station (BTS), sono gli impianti di gestione 
della telefonia mobile, che consentono la ricezione di segnali cellulari e la loro successiva 
ritrasmissione. Le SRB, installate dai gestori telefonici, sono distribuite in maniera capillare sul 
territorio nazionale per garantire una maggiore qualità del servizio a fronte anche degli aumenti 
di apparecchiature cellulari. L’area di copertura di una SRB, detta cella, ha dimensioni variabili 
che dipendono dalla densità di traffico da supportare, dalla altezza dell’antenna, dalla potenza di 
trasmissione e dalla tipologia stessa di antenna adoperata; si può così passare da micro celle in 
zone urbane con raggi copertura intorno a 500 m in cui vi è un alta densità di utenti, a macrocelle 
con estensione anche fino a 10 km, in cui il traffico dati è più basso [1.4]. Varie sono le tipologie 
degli impianti fissi; antenne montate su tralicci o pali alti massimo 50m (siti a terra o rawland), 
antenne montate sui tetti degli edifici più alti di un centro urbano (roof top) in modo da evitare il 
maggior numero di ostacoli nella propagazione del segnale, o stazioni mobili temporanee, (Cell 
on Wheels, COW), usate in casi di emergenza o a fronte di grandi eventi che richiedono un 
temporaneo incremento di volume del traffico dati. Spesso queste stazioni vengono camuffate 
come alberi o camini, sia per avere un minore impatto ambientale sia per evitare le 
preoccupazioni che spesso nascono nelle popolazioni locali dove vengono installate; esempio in 
Figura 1.2. 
 
Figura 1.2 Esempio di camuffamento da pino, di una stazione radio base. 
Le antenne generalmente larghe 20-30 cm per un metro di altezza, Fig.1.3, producono lobi molto 
stretti nella direzione verticale, ma abbastanza larghi nella direzione orizzontale, con potenze di 
trasmissione da pochi Watt fino a un centinaio di Watt, a seconda della cella che devono coprire.