Capitolo 7 - Risultati e confronti

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Capitolo 7 - Risultati e confronti

In questo capitolo verranno esposti i valori di riflettività misurati al termine della costruzione della camera, per verificarne la bontà, nel 1990, i risultati delle misure effettuate dopo diciassette anni in occasione di questo studio ed infine un confronto tra le prestazioni iniziali e quelle odierne dei pannelli assorbenti montati sulle pareti della camera semi-anecoica.

7.1 Valori di riflettività misurati nel 1990

Nel 1990, terminata la costruzione della camera semi-anecoica, l’installatore dei pannelli assorbenti provvide alla verifica delle prestazioni di assorbimento delle pareti attraverso la loro riflettività utilizzando il metodo di misura allora comunemente in uso, denominato “Termination-VSWR”, descritto nel Paragrafo 5.1.

Le misure furono fatte su tutte e quattro le pareti, con segnale trasmesso sia in polarizzazione orizzontale che in polarizzazione verticale, a quattro frequenze:

♦ 500 MHz ♦ 2,7 GHz ♦ 10 GHz ♦ 18 GHz.

E’ da evidenziare il fatto che le misure della parete 3 furono fatte in corrispondenza dei pannelli fissati sul supporto mobile in legno che copre la porta d’accesso alla camera in modo da tenere conto dell’influenza del supporto sulle prestazioni assorbenti della parete.

I risultati sono riportati in Tabella 7.1 e nei grafici successivi, in tutti il numero che identifica le pareti si rifà alla Figura 4.2.

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Pol. Vert. - 66,0 - 65,0 - 53,6 - 67,6 Pol. Hor. - 74,0 - 71,5 - 74,1 - 80,2 10 GHz Pol. Vert. - 87,3 - 83,9 - 68,9 - 75,3 Pol. Hor. - 74,5 - 78,4 - 72,4 - 68,4 18 GHz Pol. Vert. - 76,3 - 73,1 - 58,1 - 81,4

Tabella 7.1: Riflettività in dB delle pareti alle frequenze di misura

Parete 1

-74,5 -74,0 -67,3 -55,0 -87,3 -66,0 -75,3 -58,6 -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 500 MHz 2.7 GHz 10 GHz 18 GHz Frequenze R if le tt iv it à i n d B Pol. Hor. Pol. Vert.

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Capitolo 7 - Risultati e confronti

Parete 2

Grafico 7.2: Riflettività della Parete 2

Parete 3

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-68,4 -80,2 -67,7 -75,3 -67,6 -81,4 -90 -85 -80 -75 -70 500 MHz 2.7 GHz 10 GHz 18 GHz Frequenze R if le tt iv

Grafico 7.5: Riflettività della Parete 4

7.2 Risultati delle nuove misure

Dopo aver ottenuto su foglio Excel gli andamenti della riflettività relativi alle quattro pareti in funzione della frequenza si sono riportati tali andamenti su grafico presentando separatamente gli andamenti trovati per i due range frequenziali relativi ai diversi metodi di misura.

La scelta di non presentare gli andamenti in un grafico unico per l’intero range [500 MHz - 18 GHz] è stata presa per poter presentare delle visualizzazioni chiare e comprensibili.

Per migliorare la leggibilità dei risultati, diminuendo il numero di grafici presentati, si è deciso di visualizzare gli andamenti della riflettività ottenuta sia in polarizzazione orizzontale che verticale relativi alla stessa parete su di un unico grafico.

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Capitolo 7 - Risultati e confronti Parete 1 [0,5 - 6 GHz] 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0 4 ,5 5 ,0 5 ,5 6 ,0 -6 5 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 F re q u e n z e i n G H z HP VP

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6 ,0 8 ,0 1 0 ,0 1 2 ,0 1 4 ,0 1 6 ,0 -8 0 -7 5 -7 0 -6 5 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 F re q u e n z e i n G H z

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Capitolo 7 - Risultati e confronti Parete 2 [0,5 - 6 GHz] 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0 4 ,5 5 ,0 5 ,5 6 ,0 -6 5 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 F re q u e n z e i n G H z HP VP

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6 ,0 8 ,0 1 0 ,0 1 2 ,0 1 4 ,0 1 6 ,0 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 F re q u e n z e i n G H z

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Capitolo 7 - Risultati e confronti Parete 3 [0,5 - 6 GHz] 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0 4 ,5 5 ,0 5 ,5 6 ,0 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 F re q u e n z e i n G H z HP VP

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6 ,0 8 ,0 1 0 ,0 1 2 ,0 1 4 ,0 1 6 ,0 -7 5 -7 0 -6 5 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 F re q u e n z e i n G H z

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Capitolo 7 - Risultati e confronti Parete 4 [0,5 - 6 GHz] 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0 4 ,5 5 ,0 5 ,5 6 ,0 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 F re q u e n z e i n G H z HP VP

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6 ,0 8 ,0 1 0 ,0 1 2 ,0 1 4 ,0 1 6 ,0 -7 5 -7 0 -6 5 -6 0 -5 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 F re q u e n z e i n G H z

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Per quanto riguarda l’andamento anomalo della riflettività della Parete2 nella banda che va dai 6 ai 18 GHz questo è causato dalla presenza dei cavi d’acciaio che escono dai pannelli assorbenti che rivestono la parete e che giungono fino a terra correndo lungo buona parte dell’altezza della parete.

In particolare i cavi sono responsabili di tre particolarità:

• Andamenti, per entrambe le polarizzazioni, molto regolari della riflettività con la quasi assenza di picchi e “frastagliature”

• Alti valori di riflettività

• Differenza d’ampiezza tra i valori in polarizzazione orizzontale e quelli in polarizzazione verticale; questi ultimi risultano maggiori in quanto, incontrando il segnale bersagli ad elevata RCS, i cavi, posizionati proprio verticalmente, la riflessione risulta decisamente maggiore.

L’andamento in Parete2 trovato per le frequenze comprese tra 500 MHz e 6 GHz non risulta anomalo poiché, rispetto ai valori ottenuti nel range successivo, per effettuare le misure sono state utilizzate antenne meno direttive rendendo così minore, in proporzione rispetto alla superficie illuminata, la superficie occupata dai cavi e quindi l’influenza di questi sul risultato.

7.3 Confronti e considerazioni

Per effettuare un confronto tra i valori di riflettività misurati nel 1990 e quelli attuali trovati in occasione di questo studio si è scelto di considerare per questi ultimi una sorta di media fatta nell’intorno delle frequenze usate per le misure del 1990.

Per garantire un confronto visivamente più immediato si è scelto di riportare i valori affiancati, oltre che in due tabelle (Tabella 7.2 e Tabella 7.3), anche in una serie d’istogrammi (grafici a colonna) in cui si è considerato il modulo dei valori.

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Parete 2 HP - 44,5 - 36,5 - 68 - 32,6 Parete 2 VP - 49,4 - 31,2 - 65 - 30,7 Parete 3 HP - 43,7 - 30,4 - 59,1 - 44,8 Parete 3 VP - 52,5 - 42,1 - 53,6 - 37 Parete 4 HP - 48,3 - 27,8 - 67,7 - 42,7 Parete 4 VP - 52,5 - 30,6 - 67,6 - 47,7

Tabella 7.2: Confronto valori riflettività a 500 MHz e 2,7 GHz

1990 2007 1990 2007 Frequenze [GHz] 10 10 18 18 Parete 1 HP - 74 - 62,8 - 74,5 - 51,4 Parete 1 VP - 87,3 - 58,2 - 76,3 - 48,7 Parete 2 HP - 71,5 - 28,1 - 78,4 - 36,7 Parete 2 VP - 83,9 - 14,7 - 73,1 - 31,2 Parete 3 HP - 74,1 - 58,8 - 72,4 - 49,7 Parete 3 VP - 68,9 - 55,3 - 58,1 - 47,2 Parete 4 HP - 80,2 - 41,6 - 68,4 - 43,6 Parete 4 VP - 75,3 - 50,5 - 81,4 - 49,3

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Confronto Riflettività - Parete1 HP

74 74,5 55 67,3 45 25,1 62,8 51,4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz Misure 1990 HP Misure 2007 HP

Grafico 7.16: Confronto del modulo della riflettività della Parete1 in polarizzazione orizzontale

Confronto Riflettività - Parete1 VP

58,6 22,3 58,2 48,7 76,3 87,3 66 45,2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz Misure 1990 VP Misure 2007 VP

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32,6 44,5 36,7 28,1 36,5 0 10 20 30 40 50 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz

49,4 65 73,1 83,9 14,7 31,2 30,7 31,2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz Misure 1990 VP Misure 2007 VP

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Confronto Riflettività - Parete3 HP

43,7 59,1 74,1 _72,4 30,4 44,8 58,8 49,7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz Misure 1990 HP Misure 2007 HP

52,5 53,6 68,9 42,1 58,1 47,2 55,3 37 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz Misure 1990 VP Misure 2007 VP

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42,7 _41,6 43,6 27,8 0 10 20 30 40 50 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz

52,5 75,3 81,4 30,6 50,5 _49,3 67,6 47,7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,5 2,7 10 18 Frequenze in GHz Misure 1990 VP Misure 2007 VP

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Come si può notare, evitando di considerando la Parete2 a causa della presenza dei cavi d’acciaio che falsano il confronto, nei 17 anni passati dalla costruzione della camera le prestazioni di tutte le pareti sono notevolmente peggiorate, indipendentemente dalla frequenza analizzata e dalla polarizzazione del segnale, l’aumento della riflettività delle pareti va dai 10 ai 30 dB.

Per capire i motivi del degrado delle prestazioni dei pannelli assorbenti è necessario considerare le caratteristiche su cui si basa la loro efficacia.

7.3.1 Principi di funzionamento di pannelli anecoici a piramidi

e cause del deterioramento della riflettività

L’efficacia di funzionamento dei pannelli anecoici si basa fondamentalmente su due principi, il primo legato alla forma geometrica del materiale assorbente, il secondo legato alla quantità di polvere di carbonio (spesso viene utilizzata la grafite) presente nella matrice schiumosa di poliuretano.

La forma geometrica in cui si sagoma il materiale è importante perché determina il livello di riflessione dell’onda incidente. Pur non essendo l’unica scelta utile possibile allo scopo, la forma piramidale ha il pregio di evitare all’onda incidente una brusca transizione tra l’impedenza dello spazio libero e quella del materiale riducendo quindi il coefficiente di riflessione.

Per capire come questo sia possibile, facendo riferimento alla Figura 7.1 per rendere più chiara la spiegazione, si ricorre ad una approssimazione secondo la quale è possibile vedere la piramide come una struttura multistrato composta da materiali aventi diverse permittività equivalenti dipendenti dai vari rapporti tra volume d’aria e volume di materiale. Da questa approssimazione si arriva al concetto di “impedenza rastremata”, ovvero di impedenza che varia da quella del vuoto sulla superficie di separazione tra aria e mezzo anecoico, ad impedenza quasi nulla alla fine del pannello; una diminuzione d’impedenza graduale ed uniforme al progredire dell’onda all’interno del mezzo assorbente garantisce che le riflessioni che si hanno all’interno della piramide siano trascurabili.

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Figura 7.1: Struttura approssimata multistrato di piramide anecoica

La quantità di polvere di carbonio presente nella “spugna” di poliuretano è importante perché incide in maniera diretta sulla permittività caratteristica del materiale anecoico e quindi anche sulla sua impedenza. A frequenze superiori ai 500 MHz la riflettività del materiale anecoico diminuisce, e quindi migliorano le prestazioni del pannello, all’aumentare della concentrazione di carbonio, mentre per frequenze inferiori ai 150 MHz vale l’opposto. In Figura 7.2 è riportato un esempio di andamenti di riflettività al variare della frequenza per materiali anecoici aventi al loro interno diverse concentrazioni di polvere di carbonio.

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Le cause del netto peggioramento registrato nella riflettività delle pareti della camera semi-anecoica riprendono entrambi gli aspetti elencati in precedenza.

Con il passare degli anni molti pannelli, a causa di manipolazioni od anche del loro stesso peso e della loro scarsa rigidità, si sono leggermente deformati andando parzialmente a vanificare l’effetto positivo dovuto alla loro forma; alcuni pannelli hanno inoltre ceduto rendendo dunque la parete non regolare rispetto ad un’onda incidente.

Essendo il poliuretano una struttura porosa ed aperta, simile ad una spugna, anche in condizioni ambientali normali, questo materiale può divenire fragile e perdere molta della propria integrità strutturale e ciò può avvenire anche dopo pochi anni dalla data di posa. Una volta divenuto fragile il materiale può deteriorarsi, sia in superficie che internamente alla struttura del pannello, a causa delle espansioni e delle contrazioni associate alle escursioni termiche o all’assorbimento ed al rilascio dell’umidità. Il deterioramento del materiale spugnoso causa sempre uno spostamento, all’interno della struttura, del carbonio con conseguente perdita di uniformità di parametri quali la permittività o addirittura il distacco e la caduta a terra dello stesso, e, come si è visto, la quantità di polvere di carbonio presente nei materiali assorbenti e la sua corretta distribuzione hanno un grosso impatto sulle prestazioni dei pannelli assorbenti.