:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
Oddziaływanie pola elektromagnetycznego w telefonii komórkowej na ludzi i środowisko
Oceny ekspozycji w polu stacji bazowych oraz terminali ruchomych

Wyznaczenie wartości absorpcyjności SAR opiera się głównie na dwóch metodach. Na pomiarze wartości SAR za pomocą fantomów – fizycznych modeli człowieka oraz przez wykorzystanie odpowiednich metod numerycznych, opartych na symulacjach komputerowych (rys. 3.1). Takie podejście jest w głównej mierze spowodowane problemami pomiaru wartości SAR na ciele żywego człowieka, które to mogłyby stanowić duże zagrożenie dla jego zdrowia i życia. Badania nie mogą być także przeprowadzane na zwierzętach, których tkanki mają inne właściwości elektryczne i fizyczne niż tkanki człowieka. Pomiary przy użyciu sond termicznych nie pozwalają otrzymać poprawnych wyników ze względu na występowanie w organizmie ludzkim: zjawiska termoregulacji, niejednorodnych tkanek o różnych właściwościach elektrycznych, czy błędów spowodowanych absorpcją energii przez samo urządzenie pomiarowe [Źródło].

Rys. 3.1. Przykładowe modelowanie komputerowe z wykorzystaniem złożonych modeli numerycznych ciała człowieka [Źródło]

Opracowaniem norm dotyczących pomiarów, obliczeń oraz dopuszczalnych wartości SAR w ostatnich latach podjął się Europejski Komitet Normalizacji Elektrotechniki CENELEC (ang. European Comitee for Electrotechnical Standardisation). Efektem prac tego komitetu są dwie normy europejskie ustanowione również jako polskie: PN-EN-50360[Źródło] i PN-EN-50361[Źródło] z 2001 roku odnoszące się do terminali ruchomych. Zadaniem pierwszej z nich jest „określanie zgodności telefonów ruchomych z ograniczeniami podstawowymi dotyczącymi ekspozycji ludzi na pola elektromagnetyczne”, druga zaś dotyczy „pomiarów swoistego tempa pochłaniania energii związanego z ekspozycją ludzi na pola elektromagnetyczne o częstotliwościach od 300 MHz do 3 GHz, wytwarzane przez telefony ruchome”.

W przypadku stacji bazowych telefonii komórkowej norma PN-EN-50383 – „norma podstawowa w zakresie obliczeń i pomiarów natężenia pola elektromagnetycznego i SAR w odniesieniu do ekspozycji ludzi, pochodzących od radiowych stacji bazowych i stacjonarnych stacji końcowych systemów bezprzewodowej telekomunikacji (110 MHz - 40 GHz)” zawiera różne metody pomiarów w zależności od odległości od źródła promieniowania elektromagnetycznego (charakteru pola w miejscu pomiaru) (tab. 3.2), z tą najwłaściwszą, określoną jako „metoda referencyjna”. W przypadku pomiaru wartości SAR wokół anten stacji bazowych sugerowane jest wykorzystywanie modelowania numerycznego (metoda obliczeniowa) ze względu na duże wymiary elektryczne anten i problemy z fantomami. Celem predykcji jest określenie granic strefy ochronnej na zewnątrz której, w miejscach dostępnych dla ludności, spełnione są wymagania ochronne, zgodne z europejskimi zaleceniami [Źródło] i przepisami w poszczególnych krajach. Jedynie w przypadku oceny ekspozycji wokół terminali ruchomych metoda pomiaru na fantomach uznawana jest za metodę dopracowaną [Źródło].

Tabela 3.2 - Metody predykcji / oceny ekspozycji w zależności od charakteru pola elektromagnetycznego emitowanego z anten stacji bazowej telefonii komórkowej [Źródło]
Metody Obszary
Obszar bliski pola indukcyjnego Obszar bliski pola promieniowania Obszar daleki
Referencyjna SAR SAR Obliczenia E, H, S
Alternatywna 1 Pomiar E, H Pomiar E, H Pomiar E, H
Alternatywna 2 - Obliczenia E, H, S -

Zgodnie z normą dotyczącą pomiaru SAR wokół terminali ruchomych, w przypadku anten o wielkości 600x300 mm i pracy w paśmie 800 MHz – 3000 MHz, sugerowane jest wykorzystanie fantomu do pomiaru pola elektromagnetycznego. Fantom to pojemnik lub skorupa wypełniona odpowiednim płynem o właściwościach średnich parametrów tkanek ludzkiego ciała. Składnikiem fantomu jest woda, sól NaCl, 1,2 propanediol dla częstotliwości 900 MHz lub dwuetanol dla częstotliwości 1800 MHz. Przenikalność elektryczna i konduktywność wyliczane są przy użyciu odpowiednich wzorów, zapisanych w normie, zależnych od częstotliwości pracy terminala ruchomego. W tabeli 3.3 przedstawiono parametry płynu wypełniającego fantom dla wykorzystywanych w Polsce i Europie pasm częstotliwości systemów telefonii komórkowej. Pomiary ciepła dokonuje się przy użyciu rezonansu magnetycznego lub tomografii komputerowej. Wykorzystywane mogą być także detektory temperatury lub kamery termowizyjne. Pomiary powinny być przeprowadzane w komorach bezechowych (bezodbiciowych), aby wyeliminować ewentualny wpływ innych źródeł promieniowania.

Tabela 3.3 - Parametry elektryczne płynu wypełniającego fantom w zależności od częstotliwości
Częstotliwość [MHz] εr [F/m] σ [S/m]
900 42,3 0,99
1800 40 1,38
2100 39,6 1,57

Alternatywą pomiaru wielkości dozymetrycznych SAR i SA i swoistej absorpcji SA są pomiary wielkości pochodnych – natężenia pola elektrycznego oraz natężenia pola magnetycznego (rys. 3.2). Przy wykonywaniu oceny ekspozycji w bliskiej odległości od anten należy pamiętać o nietypowym charakterze obszaru pola bliskiego (zobacz więcej).

Rys. 3.2. Schemat układu do pomiaru pola elektromagnetycznego wokół anteny [Źródło]

Do oceny ekspozycji w polu stacji bazowych telefonii komórkowych norma PN-EN-50383 rekomenduje stosowanie metod opartych na zaawansowanych metodach pełnofalowego modelowania numerycznego, takich jak: metoda momentów (ang. Method of Moments) oraz metoda FDTD (ang. Finite Difference Time Domain) lub metody elementarne, oparte na prostych modelach źródeł promieniowania. Mimo, iż mogą one wymagać bardzo dużych nakładów obliczeń, ich elastyczność, skuteczność oraz wiarygodność jest bardzo wysoka.

Metoda momentów polega na przybliżonym rozwiązaniu skomplikowanych równań różniczkowo-całkowych metodami numerycznym, opisującymi dany układ. W metodzie tej zastępuje się płaty przewodzące anten drobnooczkową siatką przewodzącą (ang. wire-grid modelling). W przypadku FDTD, wykorzystywany jest dyskretny model zbudowany najczęściej z małych sześcianów zwanych voxelami, a istotą tej metody jest rozwiązanie metodą różnic skończonych równań Maxwella opisujących ten model w dziedzinie czasu. Każdy voxel posiada inne parametry elektryczne, w zależności od tego jakim jest materiałem, np. materiałem biologicznym tkanki czy elementem metalowym anteny. Rozmiary jednego voxela są bardzo małe, przykładowo precyzyjne modele głowy, czy anten stacji bazowych mogą zawierać nawet do kilku milionów voxeli o różnych parametrach. Przykład rozkładu promieniowania (natężenia pola elektrycznego) wokół jednej z anten panelowych firmy Kathrein uzyskanego za pomocą zaawansowanych pełnofalowych metod modelowania numerycznego, zamieszczono na rysunku 3.3 [Źródło].

Rys. 3.3. Rozkład wartości skutecznej natężenia pola elektrycznego wokół anteny firmy Kathrein 735 908 o polaryzacji V (wertykalnej), wiązce pochylonej o 12o i mocy doprowadzonej do anteny P = 1W, a) w głównej płaszczyźnie E, b) w głównej płaszczyźnie H

Do pomiarów pola elektromagnetycznego wokół anten stacji bazowych mogą być wykorzystywane także metody elementarne, oparte na modelu fali kulistej lub fali cylindrycznej. Nie wymagają one znajomość struktury wewnętrznej anteny, pozwalają jednak na rozsądne oszacowanie istotnych wielkości pochodnych. Metoda fali kulistej opiera się na założeniu, iż źródłem promieniowania jest źródło izotropowe. Wtedy w kierunku maksymalnego promieniowania, gęstość powierzchniową mocy można wyznaczyć z zależności:

(3.6)

gdzie:
P – moc wypromieniowana izotropowo z anteny,
G – maksymalny zysk energetyczny anteny,
r – odległość od anteny.

Taki sposób szacowania gęstości mocy jest w pełni poprawny jedynie w dużej odległości pod źródła pola elektromagnetycznego – w obszarze pola dalekiego. W przypadku szacowania gęstości mocy w bliskiej odległości od anteny – w obszarze bliskim pola indukcyjnego przez FCC jest rekomendowana metoda fali cylindrycznej [Źródło]. Wykorzystuje ona założenie, iż moc wypromieniowana przez antenę przepływa równomiernie przez wycinek bocznej powierzchni walca współosiowego z anteną, o wysokości równej wysokości anteny i rozwartości poziomej równej kątowi połowy mocy. Gęstość powierzchniową mocy przy użyciu tego modelu można obliczyć ze wzoru:

(3.7)

gdzie:
P – moc wypromieniowana z anteny,
h – wysokość anteny,
r – odległość od anteny,
Ø1/2 - kąt połowy mocy.

Powyższe metody stosowane są do wyznaczenia bezpiecznej odległości od anteny stacji bazowej telefonii komórkowej, powyżej której nie jest przekraczana dopuszczalna wartość strumienia gęstości powierzchniowej mocy promieniowania (zobacz więcej). Pomiary gęstości mocy i natężenia pola elektrycznego wokół istniejących już instalacji stacji bazowych telefonii komórkowej opisano (tutaj).

© 2009 Krzysztof Niemczyk