Antenne per il 5G

In questo post tratterò un argomento che sto svolgendo a scuola per il corso di telecomunicazioni, con un occhio particolare rivolto alle problematiche delle antenne per il 5G. L'equazione di riferimento per lo studio sarà quella di Friis:

Eq. 1

Per semplicità di esposizione non utilizzerò le grandezze tipicamente espresse in decibel ma i loro valori naturali. L'uso dei decibel, utile per i tecnici abituati all'uso di questa scala, consente di lavorare con numeri più piccoli (essendo una scala logaritmica) ma può risultare un ostacolo alla comprensione per chi non ha familiarità con essa.

L'equazione di Friis lega la potenza sull'antenna ricevente Pr alla potenza dell'antenna trasmittente Pt, ai guadagni di antenna rispettivamente dell'antenna trasmittente Gt e ricevente Gr, alla lunghezza d'onda   della radiazione trasmessa e alla distanza R tra le due antenne. Si ricorda che vale la relazione:



dove  è la frequenza in hertz del segnale trasmesso.

Il guadagno di un'antenna direzionale

Il guadagno di un'antenna direzionale (anisotropa) è il rapporto tra la potenza rilevata nella direzione privilegiata di trasmissione, e la potenza che sarebbe rilevata se l'antenna fosse perfettamente omnidirezionale (cioè isotropa). Questo rapporto nel caso dell'antenna più semplice, il dipolo, vale circa 1,64. Non è possibile realizzare costruttivamente un'antenna più omnidirezionale di un dipolo, in altre parole un'antenna perfettamente isotropa è un'astrazione, utile tuttavia per definire il guadagno di un'antenna reale.

Le antenne dei routers che abbiamo in casa sono dei dipoli, il cui diagramma di radiazione è del tipo in figura:

Fig. 1 - Tipico diagramma di radiazione a forma toroidale di un'antenna a dipolo; si nota l'omnidirezionalità orizzontale

Questo tipo di antenna sparge il segnale in direzione orizzontale, così da raggiungere tutte le posizioni sullo stesso piano, mentre non trasmette al piano superiore e inferiore. Ovviamente per realizzare ponti radio le antenne omnidirezionali non sono adatte, servono invece antenne direzionali. Il grado di direzionalità, o anisotropia, di un'antenna è espresso dal suo guadagno. In questa trattazione assumeremo che i guadagni dell'antenna trasmittente e ricevente siano uguali e pari a 20 (13 db).

Il rumore di fondo

La potenza in ricezione Pr deve essere sufficientemente maggiore della potenza del rumore di fondo Pn. Il rumore di fondo è dovuto all'agitazione termica degli elettroni nella materia. La potenza del rumore Pn può essere calcolata a partire dall'equazione:

dove k è la costante di Boltzman ( J / K) , T è la temperatura in gradi kelvin (si assume T=290 k) B è la larghezza di banda del canale di trasmissione (si assume B=400 Mhz) ed F la cifra di merito dell'elettronica dell'antenna ricevente (si assume F=2). Eseguendo i calcoli si ottiene:

 watt = 3,2 picowatt

Ovvero 3,2 millesimi di nanowatt o, se preferite, 3,2 millesimi di miliardesimi di watt. Assumiamo che la potenza del segnale ricevuto debba essere almeno 100 volte il rumore (20 db). Dunque nella formula di Friis (eq.1) abbiamo che:

 watt = 0,32 nanowatt


Se nella formula di Friis (eq.1) scegliamo per  il valore corrispondente a una frequenza di 39 Ghz (quella che sarà usata nelle reti 5G) otteniamo:

 m = 7,6 mm

Il calcolo della distanza tra due antenne 5G

possiamo ora risolvere la formula di Friis rispetto a R:



ricavando la distanza utile tra due antenne in funzione della potenza in trasmissione Pt. Per far ciò ho utilizzato un foglio di calcolo e i valori precedentemente adottati e calcolati per i diversi parametri. Il risultato è riportato nella tabella seguente:

Pt (mwatt)	R(m)
50	156
100	221
150	271
200	313
250	350
300	383
350	414
400	443
450	469
500	495
550	519
600	542
650	564
700	586
750	606
800	626
850	645
900	664
950	682
1000	700
1050	717
1100	734
1150	751
1200	767
1250	782
1300	798
1350	813
1400	828
1450	843
1500	857

Si tenga presente che, nei nostri impianti wi-fi casalinghi, la potenza massima del segnale del router non deve eccedere i 50 mwatt.

Osservazioni

I calcoli effettuati non hanno la pretesa di essere precisi, dunque vi prego di considerarli alla stregua di valutazioni spannometriche, ma essi coincidono in termini di ordine di grandezza con quanto già sappiamo sul 5G, ovvero che per implementare questa tecnologia sarà necessario installare un numero enorme di antenne. I calcoli sono stati riportati perché è necessario, per affrontare le prevedibili discussioni sul tema, che il più ampio numero di cittadini cominci a familiarizzarsi con le problematiche di questa tecnologia. Ad esempio, la distanza tra il casello di Roma nord e la barriera sud di Milano è di 523 km, per cui ipotizzando di installare antenne della potenza di 150 mwatt alla distanza di circa 250 metri l'una dall'altra (si veda la tabella), il numero complessivo di esse sarebbe di circa 2.100. Poiché la rete autostradale italiana è di circa 7.000 km, per coprirla tutta con antenne da 200 mwatt sarebbero necessarie 28.000 antenne, ognuna con una potenza quattro volte maggiore dei router wi-fi che abbiamo in casa. Per coprire l'intera rete stradale italiana (837.000 km) ne servirebbero 3.348.000. E non abbiamo preso in considerazione la rete ferroviaria, i porti, le grandi città (smart cities) e quant'altro. Inoltre, nei calcoli effettuati, ci siamo limitati alle frequenze a 39 Ghz, ma la rete 5G è progettata per utilizzare frequenze fino a 100 Ghz, per la quali la distanza tra due antenne (a causa della dipendenza quadratica dalla lunghezza d'onda) sarebbe quattro volte inferiore.

Qualcuno potrebbe pensare, ingenuamente, che installare milioni di antenne sia un costo proibitivo, ma devo disilludervi. Chi coltiva questa speranza non sa come funziona l'industrializzazione di un dispositivo elettronico e non ha mai ragionato in termini di economie di scala. La realtà è che posizionare, ad esempio, 28.000 antenne sulla tratta Roma-Milano, costerebbe meno della sostituzione dei guardrail su una sola corsia, e mi sembra che nessuno si preoccupi del costo dei guardrail. Il punto è che l'elettronica è fatta di silicio, più qualche altro minerale lievemente più raro ma comunque sufficientemente disponibile in natura, per cui una volta che un dispositivo elettronico è stato progettato e la sua produzione industrializzata, il costo di una copia è equivalente a quello di una fotocopia cartacea.

Ho già scritto articoli sul 5G, e realizzato qualche video, stimolato a far ciò dall'amico Francesco Mazzuoli, il quale è in questo momento concentrato soprattutto sul problema dei possibili effetti sanitari. Da parte mia non intendo sottovalutarli, ma neanche affrontarli perché non ho sufficienti nozioni in materia, mentre sono estremamente preoccupato dall'invasività della tecnologia 5G sulla privacy di ognuno di noi. Per questa ragione nei prossimi post che tratteranno l'argomento mi occuperò soprattutto di questo aspetto, lasciando a chi è più esperto di me di questioni sanitarie legate all'esposizione ai campi elettromagnetici di occuparsene.

Non me ne vogliate, ma la forza del nostro popolo consiste anche in questo: che siamo in tanti ad avere competenze sufficienti per contrastare le cosiddette élites impegnate nella diffusione di fake news pseudoscientifiche in ogni campo in favore dei loro interessi, per cui è bene coordinarsi agendo ognuno dove è meglio preparato. Il mio campo non è quello sanitario.

Sulle élites

Per concludere vorrei parlarvi di un articolo segnalatomi oggi dall'amico Paolo Marino a firma di Alessandro Baricco:

E ora le élite si mettano in gioco

Come il mondo si è diviso e come l’era digitale ha amplificato la rabbia di chi non si sente parte del Game.

Vi invito a leggerlo sia perché è ben scritto, sia perché è un clamoroso esempio di come questi maggiordomi del grande potere finanziario-industriale (si chiama capitalismo) comincino ad essere preoccupati. Mi limito per ora a riportarvi il commento che ho inviato a Paolo Marino (che ringrazio per le numerose e interessanti segnalazioni):

Scrive bene Alessandruccio Bariccuccio, ma trovo i contenuti che veicola inaccettabili. La fine della distribuzione del reddito e del potere non è stato un errore in buona fede, ma un assalto selvaggio ai diritti di classi sociali all'interno delle quali, per sovrappiù, vive una frazione di popolazione più acculturata di loro, sia sul piano tecnico che umanistico. Solo che questa frazione non ha accesso al sistema di relazioni che permette di mettere a profitto il sapere. Il risultato è che questa frazione si è messa a scrivere sui social facendo dilagare le sue idee. Se le élites vogliono la pace, allora è con questo segmento sociale che devono confrontarsi, e anche abbassando parecchio la cresta.

E sono anche convinto che la ragione vera per cui la scuola pubblica è stata devastata negli ultimi decenni abbia a che fare proprio col problema che un popolo troppo acculturato è in grado di difendersi, sia dal punto di vista delle competenze tecniche che delle conoscenze umanistiche e storiche. Meglio, molto meglio per le cosiddette élites, nelle quali Alessandruccio è ben embedded, che nella scuola pubblica si faccia di tutto meno che studiare e selezionare la classe dirigente. Meglio, per le cosiddette élites, che si organizzino corsi sul gender e sul volemose bbene!

Link tecnico: Prestazioni di un collegamento