Badanie emisji elektromagnetycznej wybranych telefonów komórkowych The electromagnetic emission test of chosen cellular telephones Andrzej Wac-Wlodarczyk, Pawel A. Mazurek, [email protected], [email protected]Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii, Politechnika Lubelska Tobiasz Parys, Lukasz Ziętek, Michal Bernat, Grzegorz Maslowski Studenckie Kolo Naukowe Elmecol, Politechnika Lubelska [email protected]Streszczenie Dynamiczny rozwój systemów telefonii komórkowej spowodowal ogromny wzrost zainteresowania problematyką oddzialywania niejonizującego pola elektromagnetycznego na czlowieka i środowisko, wytwarzanego przez urządzenia tych systemów. W artykule przedstawione zostaną podstawowe zagadnienia dotyczące dzialania systemu telefonii komórkowej oraz jej wplywu na otoczenie. W artykule zamieszczono wyniki badań emisji elektromagnetycznej aparatów telefonicznych, przeprowadzonych w Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej na Politechnice Lubelskiej. Abstract The dynamic expansion of the telephone GSM systems caused the huge growth of the interest the problems of the electromagnetic field influence on the environment. In the article were presented the basic questions of relating workings of telephone and GSM systems. The results of the investigations of the electromagnetic emission of few telephone were present too. Investigations were executed in the Electromagnetic Compatibility Laboratory at Technical University of Lublin . Slowa kluczowe: emisja elektromagnetyczna, kompatybilność elektromagnetyczna, telefony komórkowe Keywords: electromagnetic emission, electromagnetic compatibility, GSM phones. Wprowadzenie Gwaltowny rozwój technologii telekomunikacyjnych przeklada się na duże zainteresowanie lącznością bezprzewodową, w tym radiokomunikacją ruchową. Wtórnym efektem jest sytuacja, w której źródla pola elektromagnetycznego, jakimi są radiotelefony, znalazly się w powszechnym użyciu. Już kilkuletnie dzieci wykorzystują w zabawie „walkie-talkie”, slużby
12
Embed
Badanie emisji elektromagnetycznej wybranych telefonów ...elmecol.pollub.pl/publikacje/a_elmecol2010_badanie... · SAR = gdzie: γ to przewodno ść uogólniona materiału (tkanki),
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Streszczenie Dynamiczny rozwój systemów telefonii komórkowej spowodował ogromny wzrost zainteresowania problematyką oddziaływania niejonizującego pola elektromagnetycznego na człowieka i środowisko, wytwarzanego przez urządzenia tych systemów. W artykule przedstawione zostaną podstawowe zagadnienia dotyczące działania systemu telefonii komórkowej oraz jej wpływu na otoczenie. W artykule zamieszczono wyniki badań emisji elektromagnetycznej aparatów telefonicznych, przeprowadzonych w Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej na Politechnice Lubelskiej. Abstract The dynamic expansion of the telephone GSM systems caused the huge growth of the interest the problems of the electromagnetic field influence on the environment. In the article were presented the basic questions of relating workings of telephone and GSM systems. The results of the investigations of the electromagnetic emission of few telephone were present too. Investigations were executed in the Electromagnetic Compatibility Laboratory at Technical University of Lublin . Słowa kluczowe: emisja elektromagnetyczna, kompatybilność elektromagnetyczna, telefony komórkowe Keywords: electromagnetic emission, electromagnetic compatibility, GSM phones.
Wprowadzenie
Gwałtowny rozwój technologii telekomunikacyjnych przekłada się na duże zainteresowanie
łącznością bezprzewodową, w tym radiokomunikacją ruchową. Wtórnym efektem jest
sytuacja, w której źródła pola elektromagnetycznego, jakimi są radiotelefony, znalazły się w
powszechnym użyciu. Już kilkuletnie dzieci wykorzystują w zabawie „walkie-talkie”, służby
cywilne i mundurowe - profesjonalne radiotelefony do łączności wewnętrznej, a statystycznie
co czwarty Polak nie rozstaje się z telefonem komórkowym.
Zainteresowanie problematyką oddziaływania na człowieka i środowisko niejonizującego
pola elektromagnetycznego (PEM) wytwarzanego przez tego typu urządzenia więc wzrasta
[8,10]. Jest to zrozumiałe, ponieważ bierze się z troski ludzi o własne zdrowie; ma ono także
racjonalne podstawy, ponieważ biologiczna aktywność pola PEM jest faktem od wielu lat.
Pola elektromagnetyczne traktuje się jako czynnik nieobojętny dla organizmów żywych,
wiele instytucji prowadzi szereg badań związanych z interakcjami pól i materii ożywionej.
Metodykę badań uzależnia się od charakteru źródła pola, specyfiki oddziaływania czy
oczekiwanych efektów. Ważne są również czynniki techniczne - bardzo kosztowna aparatura
[1,2,5,7,9,11-13]. W niniejszej pracy poddano analizie radiotelefony (11 komórek) i
odniesiono zmierzone wartości ich emisji do dopuszczalnych limitów.
Telefonia komórkowa - system GSM
Telefonia komórkowa jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin telekomunikacji. Ma
ona zadanie przesyłania informacji do i od użytkowników, którzy są lub mogą być w ruchu.
Pierwszy publiczny system telefonii komórkowej uruchomiono w Japonii w 1979 roku. Po
dwóch latach system zawitał do Europy - oddano do komercyjnego użytku skandynawski
Nordic Mobile Telephony (NMT 450). W 1983 roku dołączyły do nich amerykański
Advanced Mobile Phone System (AMPS) i jego brytyjska odmiana Total Access Cellular
System (TACS). W Polsce od 1992 roku działał system NMT 450 pod komercyjną nazwą
Centertel. Wszystkie wymienione systemy, określane dzisiaj jako systemy pierwszej generacji
(1G), były oparte na technice analogowej. Zakres świadczonych usług był mniejszy niż w
publicznych sieciach stałych, a ich cena stosunkowo wysoka, co skutecznie odstraszało
potencjalnych abonentów do systemów 1G. Rozbudzone i rosnące zapotrzebowanie na nowe
i bardziej zaawansowane usługi, przyczyniły się do przyśpieszenia prac nad następną
generacją systemów telefonii komórkowej - tym razem cyfrową. Obecnie mamy ponad 4
miliardy użytkowników komórek, na szacowane 6 miliardów ludzi ogółem na naszym globie.
Dominującą rolę na globalnym rynku komórkowym odgrywa obecnie system GSM drugiej
generacji. Istnieje także sieć trzeciej generacji (3G) o nazwie UMTS, która docelowo zastąpi
sieć GSM, ale przez długi czas oba systemy będą wykorzystywane równolegle [1,2,7,11-13].
Telefonia komórkowa udostępnia w dowolnym miejscu i czasie znaczną ilość usług
począwszy od przesyłania mowy i danych. Systemy radiokomunikacji komórkowej oparte są
na podziale, objętej usługami powierzchni, na komórki (rys. 1).
Każda komórka wyposażona jest w stację bazową, odpowiedzialną za gromadzenie i
aktualizację danych o użytkowniku oraz pośredniczenie w połączeniu użytkownika z
wybranym abonentem tej samej sieci, innej sieci, bądź sieci publicznej. Do zapewnienia
łączności na terenie jednej komórki stosuje się anteny dookólne lub sektorowe, natomiast do
łączności między stacjami bazowymi anteny kierunkowe – w większości przypadków
paraboliczne. Podział terenu na komórki umożliwia zmniejszenie mocy nadajników i
wielokrotne wykorzystanie tego samego zakresu częstotliwości [2,11,12,13]. Rysunek 1
prezentuje uproszczony schemat systemu GSM.
Rys. 1. Uproszczony schemat systemu GSM [13]
W telefonii komórkowej systemów pracujących w Polsce i w większości krajów świata
obecnie wykorzystywane są, dla stacji bazowych, następujące pasma częstotliwości
[2,6,7,11,12,13]:
– GSM 900 – pracujące w zakresie częstotliwości 935 ÷ 960 MHz,
– GSM 1800 – pracujące w zakresie częstotliwości 1805 ÷ 1880 MHz,
– UMTS – pracujące w zakresie częstotliwości 1900 ÷ 2200 MHz.
Są to pasma radiowe z zakresu niejonizującego, zwanego mikrofalowym. Sygnał ma strukturę
cyfrową z modulacją TDMA (ang. time division modulation acces). Moce nominalne
nadajników są określone w normach międzynarodowych. Stosowane nadajniki mają
następujące moce nominalne:
– dla pasma 900 MHz – do 50 W,
– dla pasma 1800 MHz – 35 W,
– dla UMTS – 40 W (2 · 20 W).
W rzeczywistości moc doprowadzona do anteny jest pomniejszona o straty występujące w
tzw. trakcie antenowym [13]. Ważnym parametrem opisującym specyfikę emitowanego pola
elektromagnetycznego jest charakterystyka kierunkowa anteny (charakterystyka
promieniowania). Od jej kształtu zależy, w którym kierunku zostanie skierowana większość
energii emitowanego pola.
Dopuszczalne wartości pól EM emitowanych w pasmach telefonii komórkowej
W Polsce dopuszczalne wartości parametrów pól elektromagnetycznych dla pasma telefonii
komórkowej reguluje ustawa Dz. U. Nr 192 z dn. 14.11.2003 r. poz. 1883. Wartości
przedstawione w tabelach 1 i 2 są obecnie obowiązującymi limitami. Na podstawie tych
wartości należy oceniać ewentualne przekroczenia norm przez operatorów sieci telefonicznej,
bądź też producentów aparatów telefonicznych korzystających z dostępnych pasm
przedzielonych dla sieci komórkowych. Istotne jest, że dla pasm wysokich częstotliwości jako
jeden z parametrów podaje się gęstość mocy wyrażoną w watach na metr (W/m2) natomiast
nie określa się dopuszczalnego limitu składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego.
Tab. 1. Dopuszczalne wartości parametrów pola elektromagnetycznego dla częstotliwości
użytkowanych przez sieci telefonii komórkowej
Zakres częstotliwości pola
elektromagnetycznego
Składowa
elektryczna
Składowa
magnetyczna
Gęstość mocy
300 MHz ÷ 300 GHz 7 V/m - 0,1 W/m2
Tab. 2. Limity ekspozycji na PEM dla częstotliwości użytkowanych w systemach telefonii
komórkowych. Przedstawione wartości to limit gęstości mocy wyrażony w W/m2 [11,13]
Kraj 900 MHz 1800 MHz 2100 MHz
Belgia 1,125 2,25 2,625
Francja 4,5 9 10,5
Hiszpania 4,5 9 10,5
Japonia 6 12 100
Korea 4,5 9 10,5
Polska 0,1 0,1 0,1
Szwajcaria 0,01 0,02 0,016
Powyższe zestawienie wskazuje jak bardzo Polskie normy są restrykcyjne na tle innych
państw. W odniesieniu do Japonii limit gęstości mocy jest 60 razy większy dla pasma
900MHz, a nawet 1000 razy większy dla pasma 2,1GHz. Z drugiej strony ustawy
szwajcarskie nakładają jeszcze mniejsze poziomy emisji niż Polskie.
SAR
Każdy człowiek na Ziemi jest stale poddawany działaniu promieniowania
elektromagnetycznego, zarówno naturalnemu jak i sztucznemu będącego wynikiem
działalności człowieka (zamierzonej lub nie) [8-10].
Promieniowanie elektromagnetyczne w całym zakresie GSM jest promieniowaniem
niejonizującym, co oznacza, że ma zbyt małą energię by spowodować jonizację cząstek
będących podstawowym budulcem żywej materii. W odróżnieniu od promieniowania
jonizującego pochłanianie promieniowania niejonizującego nie ma charakteru
kumulacyjnego, jednak dawka pochłoniętego promieniowania niejonizującego może
generować w obiekcie inne efekty o działaniu długotrwałym, np. nagrzewanie. Z
biologicznego punktu widzenia ważne bez wątpienia jest to, co dzieje się w obiekcie oraz
poznanie wartości energii wydzielanej w obiekcie. Efekty oddziaływania pola
elektromagnetycznego nie są do końca poznane, wiele ośrodków naukowych na całym
świecie zajmuje się tą problematyką od kilkudziesięciu lat, a uzyskiwane wyniku ciągle
obarczone są dużą niepewnością [1-13].
Podstawowym parametrem opisującym procesy energetyczne w organizmach żywych pod
wpływem przyłożonego pola elektromagnetycznego jest współczynnik pochłaniania
właściwego SAR (specific absorption rate) [3,4,7]. W zakresie częstotliwości radiowych i
mikrofalowych wartość współczynnika pochłaniania liczonego lokalnie zależy od kwadratu
skutecznej wartości natężenia pola elektrycznego E w wybranym obszarze ciała człowieka.
ργ 2E
SAR =
gdzie: γ to przewodność uogólniona materiału (tkanki), ρ jest gęstością masy, a E natężeniem pola elektrycznego.
Średnia wartość współczynnika pochłaniania w wybranym obszarze ciała (tzw. average SAR
lub whole-body SAR) opisuje całkowitą dawkę mocy pochłoniętej przez ciało absorbujące
promieniowanie elektromagnetyczne, odniesioną do całkowitej masy ciała M.
Wyznaczenie współczynnika SAR wymaga wyznaczenia energii wydzielanej w obiekcie lub
wyznaczenia natężenia pola elektrycznego E w obiekcie. SAR jest miarą pochłoniętej energii.
Współczynnik ten w organizmach żywych zależy od parametrów padającej fali i parametrów
obiektu. Stosowane są dwie wzajemnie uzupełniające się metody oceny narażenia związanego
z ekspozycją ludzi na pole elektromagnetyczne pochodzące od urządzeń telefonii
komórkowej; pomiary na fizycznych modelach człowieka - fantomach oraz symulacje
komputerowe [3,4,7].
Metody te określa się, odpowiednio, jako dozymetrię eksperymentalną i dozymetrię
numeryczną. Zaletą podejścia eksperymentalnego jest to, że umożliwia ono badanie
rzeczywistych urządzeń. Wadą natomiast jest to, że fantomy materialne, są bardzo proste
(homogeniczne) i nie odwzorowują silnie niejednorodnej budowy wewnętrznej ciała
człowieka (np. zbudowane są ze specjalistycznego żelu, który niezbyt dokładnie
odwzorowuje układy kości, warstwy mięśni, krew…) [3,4]. Lepiej wygląda natomiast
modelowanie komputerowe. Istnieją precyzyjne, anatomiczne modele człowieka które
wykorzystujemy w dozymetrii numerycznej, a w ich efekcie możliwe jest śledzenie rozkładu
SAR w różnych częściach ciała i w różnych tkankach.
Ideę dozymetrii eksperymentalnej w odniesieniu do doręcznych telefonów komórkowych
poglądowo objaśnia rysunek 2, na którym pokazano część systemu pomiarowego do badania
rozkładu pola i mocy pochłanianej na jednostkę masy w głowie użytkownika telefonu z
wykorzystaniem fantomu [7]. Do fantomu wlewana jest znormalizowana ciecz - roztwór
glikolu. Fantom jest poddawany odpowiedniej ekspozycji np. 900/1800, a poprzez zestaw
czujników lub jeden umieszczony na ramieniu robota „zbierana” jest wartość natężenia pola
w środku fantomu. Badanie narażeń powodowanych przez telefony komórkowe nie wymaga
sporządzania modelu całego człowieka, lecz tylko najbardziej narażonych części jego ciała –
np. głowy. Normy europejskie bardzo dokładnie określają kształt i wymiary skorupy fantomu
oraz parametry elektryczne płynu, którym należy tę skorupę wypełnić. System ten,
opracowano w szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologicznym w Zurichu. Obecnie
istnieje już kilka tego typu stanowisk pomiarowych w Polsce (rys. 2).
Rys. 2. Analiza SAR z wykorzystaniem fantomu (Centralne Laboratorium Badań
Technicznych Urzędu Komunikacji Elektronicznej w Boruczy)
Badania SAR producenci telefonów komórkowych realizują już od lat dziewięćdziesiątych
zeszłego wieku. Obecnie obowiązek takich badań narzucają na producentów europejskich
dyrektywy unijne i krajowe normy.
Pod koniec roku 2009 Environmental Working Group - amerykańska organizacja zbierająca
dane na temat środowiska oraz wpływu otaczającego nas świata na nasze zdrowie
opublikowała raport, który przedstawił listę tysiąca komórek pogrupowanych według
współczynnika SAR. Wybrane modele zaprezentowano na poniższym diagramie, z
pozostałymi wynikami testów można się zapoznać na stronie http://www.ewg.org [6].
Rys.3. Wartości SAR dla wybranych modeli telefonów komórkowych [6]
Pomiary emisji elektromagnetycznej
Pole elektromagnetyczne charakteryzuje szereg parametrów, które można poddawać analizie.
Parametry te można umownie sklasyfikować w trzech grupach: widmo, amplituda i
polaryzacja. Klasyczne pomiary promieniowania wykonuje się w zakresie częstotliwości od
30 MHz do kilkudziesięciu gigaherców, stosując miernik zakłóceń z detektorem wartości
quasi-szczytowej lub średniej. Miernik zakłóceń powinien spełniać wymagania określone w
publikacji CISPR 16. W zależności od relacji odległości, pomiary realizujemy w polu bliskim
lub dalekim. Wymaga to wykorzystania różnych dodatkowych akcesoriów pomiarowych. W
przypadku pomiarów w polu dalekim wykorzystywany jest system anten pomiarowych, dla
pola bliskiego (taki przypadek jest rozpatrywany w naszych testach) wykorzystywany jest
układ sond pola bliskiego dla składowej magnetycznej i elektrycznej. Pomiary sondami
wykonujemy w najbliższej odległości od źródła emisji w zakresie mili-, centymetrów [9].
Rys. 4. Stanowisko pomiarowe (zdjęcia umiejscowienia sondy pomiarowej przy telefonie
oraz zdjęcie odbiornika pomiarowego ESCI3, Laboratorium EMC w Politechnice Lubelskiej)
Pomiary emisji promieniowanej są jednym z trudniejszych i prawdopodobnie
najkosztowniejszym badaniem, ponieważ wymagają specjalnego stanowiska pomiarowego o
pomijalnym poziomie tła elektromagnetycznego. Zalecenia większości norm dotyczących
emisyjności urządzeń zakładają, że pomiary emisji promieniowanej powinny być
przeprowadzane na tzw. otwartym poligonie pomiarowym (ang. OATS Open Area Test Site)
lub w ekranowanych pomieszczeniach bezodbiciowych [9]. Prezentowane badania zostały
wykonane w ekranowanym pomieszczeniu Laboratorium Kompatybilności
Elektromagnetycznej Instytutu Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki
Lubelskiej zlokalizowanego w Centrum Doskonałości ASPPECT.
Badaniom poddano 11 modeli telefonów komórkowych. Oceniane modele to produkty
czołowych producentów aparatów telefonicznych na rynku europejskim. Do badań wybrano
zarówno nowe modele, aktualnie dostępne na rynku, jak i kilkuletnie (ciągle sprawne)