:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
Procedury projektowania stacji bazowych oraz pomiary wokół źródeł pola elektromagnetycznego w telefonii komórkowej
Pomiary pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowych telefonii komórkowej

Operator telefonii komórkowej zgodnie z Art. 122a ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 roku – Prawo ochrony środowiska (Dz. U. Nr 62, poz. 627) jest zobowiązany do przeprowadzania pomiarów pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowej bezpośrednio po każdym rozpoczęciu jej użytkowania oraz po każdej zmianie warunków instalacji. Dokładne warunki pomiaru pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowych telefonii komórkowej zostały określone w rozporządzeniu z dnia 30 października 2003 r. (Dz. U. Nr 192, poz. 1883). Celem pomiarów jest wyznaczenie miejsc występowania promieniowania elektromagnetycznego, w których przekraczane są dopuszczalne wartości fizyczne pola elektromagnetycznego określone w tym rozporządzeniu oraz wyznaczenie granic obszarów o ograniczonym użytkowaniu.

Dla urządzeń pracujących w paśmie częstotliwości od 300 MHz do 300 GHz, czyli m.in. częstotliwości pracy stacji bazowych telefonii komórkowej, należy wykonać pomiary gęstości powierzchniowej mocy oraz wartości składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego. Zgodnie z przepisami pomiary powinny być przeprowadzone przy najgorszych warunkach transmisyjnych, czyli przy pełnym obciążeniu wszystkich szczelin czasowo-częstotliwościowych sygnałem testowym nadawanym z maksymalną mocą dla stacji bazowych telefonii komórkowej emitującej promieniowanie elektromagnetyczne o mocy zastępczej promieniowanej izotropowo o wartości powyżej 15 W. Pomiary powinny być wykonywane przy temperaturze powyżej 0oC i wilgotności względnej poniżej 75%, braku opadów atmosferycznych oraz w miejscach, w których na podstawie wykonanych wcześniej obliczeń określono występowanie pól elektromagnetycznych o wartościach zliżonych do wartości dopuszczalnych.

Pomiary kontrolne powinny być dokonywane podczas pracy wszystkich urządzeń jednocześnie w danym zakresie częstotliwości. Jeśli w ramach stacji bazowej występuje pole elektromagnetyczne emitowane przez urządzenia pracujące niejednocześnie, granice występowania pola elektromagnetycznego o poziomie dopuszczalnym określa się dla instalacji emitującej pole elektromagnetyczne o najwyższym poziomie gęstości mocy lub natężeniu pola elektrycznego.

Pomiary prowadzi się wzdłuż głównych kierunków pomiarowych, czyli wzdłuż kierunku maksymalnego promieniowania anten oraz linii do najbliższych wolnostojących budynków mieszkalnym. Dodatkowo prowadzone są pomiary kontrolne także na pomocniczych kierunkach pomiarowych w celu wyznaczenia dokładnych granic ograniczonego użytkowania na kierunkach odchylonych o ±30° i ±60° od kierunków maksymalnego promieniowania anten. Pomiary powinny być dokonywane także w innych, dodatkowych pionach – takich jak balkony, tarasy oraz w środku pomieszczeń, w otworach okiennych w odległościach nie mniejszych niż 0,3 m od innych instalacji elektrycznych czy elementów metalowych. Pomiary wykonuje się do odległości 100 m od stacji bazowych lub do odległości określonej zasięgiem występowania pól elektromagnetycznych o dopuszczalnych poziomach. Badania pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowych muszą uwzględniać także topografię terenu, szczególnie występowanie wzniesień o wysokości podobnej do wysokości zawieszenia anten. Pierwszy pomiar dokonywany jest w odległości 1 m od ogrodzenia stacji bazowej lub w przypadku jego braku w odległości 1 m od podstawy masztu lub wspornika.

(4.1)

gdzie:
W – wartość wskaźnikowa zasięgu występowania pól elektromagnetycznych o wartościach wyższych od dopuszczalnych,
Ei, Si – zmierzone lub wyznaczone wartości wypadkowe, odpowiednio natężenia pola elektrycznego oraz gęstości mocy w poszczególnych zakresach częstotliwości,
Egi, Sgi – dopuszczalne poziomy, odpowiednio natężenia pola elektrycznego oraz gęstości mocy w poszczególnych zakresach częstotliwości.

W przypadku, gdy wartość wskaźnikowa W wynosi 1, to w danym punkcie określa ona granicę strefy promieniowana pola elektromagnetycznego o wartości dopuszczalnej. Jeżeli zaś W < 1, to na obszarze tym nie występuje promieniowanie o poziomach wyższych niż dopuszczalne.

W rozporządzeniu z roku 2003 określono najwyższe dopuszczalne natężenia pola elektrycznego i gęstości powierzchniowej mocy dla instalacji emitujących pole elektromagnetyczne w paśmie częstotliwości od 300 MHz do 300 GHz, czyli w paśmie pracy stacji bazowych telefonii komórkowej. Ze względu na fakt występowania różnych obszarów pola elektromagnetycznego nie jest możliwe wykorzystanie każdego rodzaju miernika w danej strefie. Dokładne metody prowadzenia pomiarów i oceny pola elektromagnetycznego m.in. wokół anten stacji bazowych opracowano w Polskiej Normie PN-T-06580-3. Opisano w niej warunki wykorzystywania odpowiednich mierników oraz sposoby ich doboru i kalibracji.

W bliskiej odległości od anten pole elektromagnetyczne jest nierównomierne i ma bardzo skomplikowaną strukturę (zobacz więcej). Ze względu na fakt istnienia oprócz składowych poprzecznych (prostopadłych do kierunku promieniowania) dodatkowo składowych wzdłużnych (równoległych do kierunku propagacji), w obszarze tym należy stosować osobne mierniki natężenia pola elektrycznego oraz magnetycznego. Zgodnie z Polską Normą PN-T-06580-1 impedancja pola jest wielkością uzyskaną z podzielenia zmierzonej wartości skutecznej natężenia pola elektrycznego przez zmierzoną wartość skuteczną pola magnetycznego w danym punkcie pomiarowym. Do obliczeń niezbędne jest więc zmierzenie wszystkich składowych pola elektromagnetycznego, a w przypadku pola bliskiego, także składowych wzdłużnych.

Pomiary w strefie bliskiej oddziaływania anteny powinny być realizowane bezkierunkowymi sondami pomiarowymi, zaś gęstość mocy powinna być obliczana na podstawie wzorów:

(4.2)

gdzie:
SR – składowa wzdłużna pola elektromagnetycznego (gęstość mocy),
Sϴ – składowa poprzeczna pola elektromagnetycznego (gęstość mocy).

Do pomiarów pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowych telefonii komórkowej często stosowane są mierniki bazujące jedynie na detekcji pola z sondą wyposażoną w detektor typu „dipol-dioda”, np., sondy miernika typu MEH. Miernik ten mierzy jedynie pole elektryczne, zaś wartość gęstości mocy oblicza wykorzystując stałą wartość impedancji falowej ośrodka wynoszącą 120π . Niestety, ale takie założenie jest błędne, bowiem w strefie bliskiej impedancja falowa nie jest równa impedancji właściwej ośrodka. Często pola te nazywane są polami wielkiej impedancji, która może przyjmować wartości dużo większe od impedancji właściwej ośrodka. Dlatego więc wyliczana tą metodą wartość gęstości mocy jest obarczona sporym błędem [Źródło].

Często wykorzystywane są także inne mierniki gęstości mocy, takie jak PO-1-Medik czy P3-9, które są wyposażone w detektory termistorowe. Mierniki te posiadają tubę, jako antenę odbiorczą, dopasowaną do impedancji 120π . Zmiana impedancji pola elektromagnetycznego powoduje, iż zmienia się współczynnik odbicia na wejściu tuby takiego miernika. Do termistora umieszczonego w odcinkach prowadnic falowych dociera więc inna wartość energii pola elektromagnetycznego. Wykorzystywanie takich mierników daje więc także nieprawidłowe wyniki przy pomiarach w niewielkiej odległości od anteny.

Dla pomiarów wokół anteny firmy Kathrein K-730370, pracującej w standardzie GSM 900, strefa daleka anteny zaczyna się w odległości 2D2/λ = 10,5 m od anteny, zaś obszar bliski pola indukcyjnego to około 1 m. Wykorzystując miernik wyposażony w antenę w postaci apertury prostokątnej otrzymano odmienne wartości gęstości mocy wokół anteny w stosunku do miernika wyposażonego w detektor typu „dipol-dioda”. Wartość błędu systematycznego metody pomiarów gęstości mocy polegającej na detekcji jedynie składowej elektrycznej przedstawiono na rysunku 4.2. Z wykresu wynika, iż w strefie dalekiej, tj. w odległości większej niż 10,5 m, błąd systematyczny metody pomiaru gęstości mocy pola elektromagnetycznego wynosi w przybliżeniu 0. Dla takich odległości przy użyciu tych mierników wyliczana gęstość mocy nie jest obarczona błędem. W obszarze bliskim pola promieniowania, błąd systematyczny wynosi ∆Z ≤ 3 %, czyli uzyskiwane wyniki obarczone były niewielkim błędem metody. W bliskiej odległości od anteny, w obszarze bliskim pola indukcyjnego, błąd systematyczny jest już na tyle duży, że mierniki tego typu nie powinny być stosowane [Źródło].

Rys. 4.2. Wartości błędów systematycznych ∆Z przy pomiarze gęstości mocy za pomocą mierników wykorzystujących stałą wartość impedancji falowej pola elektromagnetycznego równą impedancji właściwej ośrodka (120 Ω) w funkcji odległości, dla anteny GSM firmy Kathrein 730370, a – na kierunku osi promieniowania (ϴ = 90°), b – na kierunku listka bocznego, skierowanego w stronę ziemi (ϴ = 150°) [Źródło]

Poprawne wyniki pomiarów pola elektromagnetycznego można otrzymać m.in. za pomocą często stosowanego w Polsce miernika PMM 8053A (rys. 4.3) z sondami pomiarowymi PMM EP408 i PMM EP105, służącymi do pomiaru natężenia pola elektrycznego. Pierwsza z sond umożliwia pomiary w paśmie częstotliwości od 1 MHz do 40 GHz, a zakres odczytu to 0,8–800 V/m (rys. 4.3). Zakres pomiarowy drugiej sondy to pasmo 100 kHz–1000 MHz i zakres odczytu 0,05–50 V/m. Wykorzystywana może być także sonda HP-102 do pomiaru natężenie pola magnetycznego w paśmie częstotliwości 30–1000 MHz i zakresie odczytu 0,01– 20A/m. Przy użyciu tego miernika sugerowany czas trwania pojedynczego pomiaru wynosi około 10 minut. Miernik ten ze względu na izotropowy charakter podłączanych sond umożliwia przeprowadzenie pomiarów w każdej płaszczyźnie oraz w bliskiej odległości od anteny. Gęstość mocy pola elektromagnetycznego powinna być wyznaczana na podstawie odczytanych odpowiednich składowych pola elektrycznego i magnetycznego jako wartość pierwiastka kwadratowego z sumy kwadratów poziomów natężeń pól w poszczególnych, trzech kierunkach wzajemnie do siebie prostopadłych (moduł). Taki pomiar praktycznie nie jest obarczony błędem, a obliczone wartości w pełni odzwierciedlają charakter pola elektromagnetycznego w danym punkcie pomiarowym [Źródło].

Rys. 4.3. Miernik pomiarowy PMM 8053A wraz z sondą PMM EP330 (pasmo częstotliwości 100 kHz – 3 GHz), umieszczony na stojaku oraz przykładowy pomiar natężenia pola elektrycznego
© 2009 Krzysztof Niemczyk