Studio per la progettazione e realizzazione di schermi

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“PROGETTO DI RICERCA ISPRA-CNIS SAPIENZA”
Roma, 1 luglio 2009
Studio per la progettazione e
realizzazione di schermi
elettromagnetici trasparenti
Marcello D’Amore
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Centro per le Nanotecnologie Applicate all’Ingegneria della Sapienza - CNIS
Sapienza - Università di Roma
“Studio per la progettazione e realizzazione di schermi
elettromagnetici trasparenti”, M. D’Amore
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GRUPPO DI RICERCA
Centro per le Nanotecnologie Applicate all’Ingegneria - CNIS
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Sapienza - Università di Roma
Marcello D’Amore, professore ordinario
Maria Sabrina Sarto, professore ordinario
Alessio Tamburrano, ricercatore
Sandra Greco, dottore di ricerca
Alessandro Lampasi, dottore di ricerca
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OBIETTIVO
Progetto e realizzazione di nuovi vetri caratterizzati da
elevata trasmittanza ottica e da fissati livelli di efficienza
di schermatura di campi elettromagnetici a radio
frequenza fino a qualche gigahertz
4
OBIETTIVI INTERMEDI
1° OBIETTIVO
Requisiti di progetto di vetri multifunzionali
schermanti il campo elettromagnetico
2° OBIETTIVO
Progetto, realizzazione e caratterizzazione
di campioni di vetri commerciali modificati
3° OBIETTIVO
Progetto e fattibilità di campioni di schermi
elettromagnetici trasparenti nanostrutturati
5
1° OBIETTIVO
Requisiti di progetto di vetri multifunzionali
schermanti il campo elettromagnetico
● Sorgenti di campo EM a RF
●
●
Livelli critici del campo EM a RF incidente su edifici in
ambiente urbano
●
●
Predizione del campo EM a RF
Schermatura del campo EM a RF trasparente alle
frequenze ottiche
Attenuazione del campo EM a RF prodotta da materiali
da costruzione
●
Requisiti di progetto di nuovi vetri schermanti
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Sorgenti di campo EM a RF
Ponti radio
Sistemi radiomobili (comprese stazioni
radio-base per telefonia cellulare)
Sistemi radiotelevisivi
Sistemi di comunicazione satellitare
Radar
Impianti di telerilevamento
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Predizione del campo EM a RF
Metodi di calcolo
Ottica fisica, teoria fisica della diffrazione, ottica
geometrica, teoria geometrica della diffrazione,
teoria uniforme della diffrazione, metodo delle
correnti equivalenti, metodo dei momenti, metodo
delle differenze finite, metodi ibridi
Codici commerciali
VIGILA, ArGIS, TIMPLAN, GUARDIAN, EDX Signal Pro,
PathPro, GRANET, QEDesign, WIZARD, CRC-COV, CelPlanner Suite, RPS,
Wavesight, Volcano, ENTERPRISE Suite, CNP, Pathloss,
Watchmark Design, ROMULUS, SitePlanner, TAP, Quantum, WiSE,
CINDOOR
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Livelli critici del campo EM a RF incidente
su edifici in ambiente urbano
Ambienti urbani caratterizzati da una molteplicità di
tipologie di sorgenti a radiofrequenza costituite
principalmente da stazioni radio base della
telefonia cellulare e da ripetitori radiotelevisivi
Simulazione di coperture macrocellulari e
microcellulari per telefonia mobile
I risultati ottenuti tramite simulazioni numeriche
in centri urbani mostrano livelli di campo EM
generalmente inferiori al limite di 6 V/m previsto
dalla normativa
9
Livelli critici del campo EM a RF incidente
su edifici in ambiente urbano
.
Simulazione numerica di una tipica situazione “hot spot”
Simulazione con software commerciale Vikrem
Sulla sommità di un edificio di altezza pari a 35 metri:
- due stazioni radio base;
- due impianti radio (88 MHz, 5 kW - 88 MHZ, 2 kW)
- un impianto televisivo (470 MHz, 500 W).
Il contributo al campo EM delle stazioni radio base e
dell’impianto televisivo è modesto, rilevante quello degli
impianti radio
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Livelli critici del campo EM a RF incidente su
edifici in ambiente urbano
Rilievi sperimentali
Superamento dei limiti di campo elettromagnetico, anche in
ambienti indoor, in presenza di molteplicità di sorgenti.
Nel 2007 in un immobile del Comune di Salerno sono state
effettuate operazioni di misura in banda larga. In tale sito sono
presenti due stazioni radio base e numerose stazioni di
emittenti radiotelevisive.
Nel 2001 fu eseguita a Cesano dal WWF Italia-settore
elettrosmog una campagna di monitoraggio ambientale del
campo elettromagnetico a radio frequenza generato dalla radio
vaticana.
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Schermatura del campo EM a RF trasparente
alle frequenze ottiche
Efficienza di schermatura (SE)
E
SEE_dB = 20log E
Schermi sottili: d ≤ 3δ
SE0 = 45.51+ 20 log(σ d )
12
Efficienza di schermatura di strutture
multistrato di film sottili indefinite
B A
A B A
E y0
E yN
…
H z0
H zN
y
z
x
1
2
N-1 N
3
A: dielectric
B: metal
d1 d2
⎡ Ey0 ⎤
⎢
⎥ = Φ tot
⎣H z0 ⎦
Φ tot =
⎡ E yN ⎤
⎢
⎥
H
⎣ zN ⎦
∏Φ
i
i =1, N
[
]
SE = 20 log{0.5 Φ tot (1,1) + Φ tot (2,2 ) + η 0 Φ tot (2,1) + η 0−1Φ tot (1,2 ) }
SE = 45 .51 + 20 log (d mσ m )
Argento
dAg = 68 nm
dAg = 22 nm
SEdB = 40 dB
SEdB = 30 dB
Schermatura del campo EM a RF
trasparente alle frequenze ottiche
Curva di risposta dell’occhio umano in funzione
della lunghezza d’onda
13
14
Schermatura del campo EM a RF
trasparente alle frequenze ottiche
Trasmittanza ottica nel visibile (400 nm - 800 nm) per
incidenza normale
T = Et / Ei
Trasmittanza media del visibile per incidenza normale
λ max
T av =
∫ T (λ ) r (λ ) d λ
λ min
λ max
∫ r (λ ) d λ
λ min
Sensitività dell’occhio
umano
[
r(λ) = exp− 2(λ −λ0 ) /W2
2
]
lmin=440 nm, lmax=780 nm, l0=555 nm, W=83 nm
15
Fattore di trasmissione
dell’energia solare totale
Somma del coefficiente di trasmittanza diretta
dell’energia solare e del fattore di scambio
termico del vetro verso l’interno
16
Vetri installati nelle aperture presenti in edifici o sistemi di trasporto
Griglie metalliche in matrici polimeriche o in strutture multistrato in
vetro:
trasmittanza ottica ridotta
disuniformità macroscopica dello schermo
buona prestazione schermante
Polveri metalliche (tipicamente oro) in matrici di vetro o plastica:
costo elevato – buona prestazione schermante
risoluzione cromatica non neutrale
difficoltà di messa a massa dello schermo
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Vetri installati nelle aperture presenti in edifici o sistemi di trasporto
Film sottili di ossidi di semiconduttori (ossido di Indio drogato
con Stagno- ITO o ZnO) su substrati di vetro o plastica:
ridotta prestazione schermante
difficoltà di messa a massa dello schermo
buona trasmittanza ottica
Pannelli termici con sottile strato di metallo
attenuano le frequenze nell’infrarosso
ridotta prestazione schermante
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Nanotecnologia per il progetto di nuovi vetri
schermanti
Film sottili nanostrutturati multistrato di tipo metallodielettrico o metallo-semiconduttore su substrati di
vetro o plastica (metalli trasparenti):
elevate prestazioni schermanti (40 dB), buona
trasmittanza ottica (70 %)
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Attenuazione del campo EM a RF
prodotta da materiali da costruzione
Capannoni - lamiera ondulata con finestre a intelaiatura metallica: 20 dB
Edifici commerciali o adibiti a uffici- cemento armato, finestre a intelaiatura
metallica: 15 dB - 19.5 dB
Edifici con vetro predominante - cemento armato e vetro: 12.5 dB – 17 dB
Abitazioni in area urbana- cemento armato e/o muratura: 10 dB - 14.5 dB
Abitazioni in area suburbana - mattoni, fibrocemento: 6 dB - 7.5 dB
Abitazioni isolate in area aperta- muratura, legno: 3 dB -4.5 dB
20
Attenuazione del campo EM a RF prodotta da
materiali da costruzione
Materiale
Spessore
(mm)
Frequenza
(MHz)
Attenuazione (dB)
Cemento
203
500
900
1800
20
23
27
Mattone
forato di
cemento
406
500
900
1800
13
17
18
Cartongesso
16
500
900
1800
0.2
0.3
0.7
21
Materiale
Spessore
(mm)
Frequenza
(MHz)
Attenuazione
(dB)
Vetro per finestre:
densità 2.49 g/cc
19
500
900
1800
2.1
3
3.6
Vetro per finestre:
densità 2.49 g/cc
6
500
900
1800
0.02
0.07
1.2
203
500
900
1800
22
27
29
Cemento armato
griglia: 140 x 140 mm
22
Materiale
Spessore
(mm)
Frequenza
(MHz)
Attenuazio-ne
(dB)
Cemento armato
Griglia:70x 70 mm
203
500
900
1800
26
30
33
Grata acciaio: 70 x 70
mm
38
500
900
1800
3.5
3.0
1
Legno di abete:
densità 0.409 g/cc
38
500
900
1800
2
2.8
3.4
23
Requisiti di progetto di nuovi vetri
schermanti
Vetri commerciali modificati
Trasmittanza ottica: 50%-70%
Efficienza di schermatura a RF: 30 dB – 40 dB
Fattore di trasmissione energia solare: < 40%
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Requisiti di progetto di nuovi vetri
schermanti
Metalli trasparenti nanostrutturati
Trasmittanza ottica: 70%
Efficienza di schermatura a RF: 40 dB
Fattore di trasmissione energia solare: < 40%

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