Embed Size (px)
Citation preview
Meranie SAR (specific absorption rate)
DIPLOMOVÁ PRÁCA
ERNEST TICHÝ
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: Ing. Roman Ščehovič
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)
Dátum odovzdania diplomovej práce: 18.5.2007
ŽILINA 2007
Abstrakt
Táto diplomová práca má za cieľ navrhnúť a zostrojiť poloautomatické pracovisko
na meranie SAR (špecifického absorpčného pomeru) na plochom dvojrozmernom
fantómovi pre frekvenčnú oblasť od 800 MHz až do 3000 MHz. Po úvode sú v práci
uvedené fyzikálne základy a pojmy súvisiace s riešenou problematikou. V štvrtej kapitole
je rozbor vplyvov elektromagnetického poľa na ľudský organizmus z pohľadu
medzinárodnej organizácie pre neonizujúce žiarenie ICNIRP ako aj európskych
a amerických normalizačných inštitúcií. V hlavnej časti práce je popísaný postup
zostrojenia poloautomatického pracoviska, konštrukcia a kalibrácia sondy ako aj program
na ukladanie a spracovanie výsledkov z jednotlivých meraní vytvorený v programovacom
jazyku Pascal. V záverečnej časti sú spracované a vyhodnotené výsledky z meraní.
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická faku lta,
Katedra telekomunikácií
________________________________________________________________________
ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA
Priezvisko, meno: Ernest Tichý školský rok: 2006/2007
Názov práce: Meranie SAR (specific absorption rate)
Počet strán: 49 Počet obrázkov: 13 Počet tabuliek: 10
Počet grafov: 6 Počet príloh: 0 Použitá lit.: 8
Anotácia (slovenský jazyk): Diplomová práca sa zaoberá návrhom a realizáciou
poloautomatického pracoviska na meranie SAR (špecifického absorpčného pomeru) na
plochom dvojrozmernom fantómovi pre frekvenčnú oblasť od 800 do 3000 MHz. V práci
sú vysvetlené základne pojmy a definície súvisiace s riešenou problematikou a rozbor
vplyvov elektromagnetického poľa na ľudský organizmus.
Anotácia v cudzom jazyku (anglický jazyk): This Diploma work deal with proposal
and realization semiautomatic place of work on measuring SAR (specific absorption rate)
on flat two-dimensional phantom for frequency region from 800 to 3000 MHz. At work
are illustrated terms and definitions connected with solution problematic and analyses
influence electromagnetic field on humane organism.
Kľúčové slová: SAR, absorpcia, elektromagnetické pole, žiarenie, sonda, fantóm,
kalibrácia
Vedúci práce: doc. Ing. Roman Ščehovič
Recenzent práce :
Dátum odovzdania práce: 18.5.2007
Obsah
1. Úvod .................................................................................................................................1
2. Pole, vlna, žiarenie...........................................................................................................2
3. Základné pojmy a definície .............................................................................................5
4.Elektromagnetické pole..................................................................................................11
4.1 Absorpcia energie z EMF ..............................................................................................11
4.2 Základné podklady pre určenie medzných hodnôt pre ožiarenie EMF...........................12
4.2.1 Základné obmedzenia a referenčné úrovne..................................................................13
4.2.2 Biologický základ pre základné obmedzenia ožiarenia poliami s frekvenciami
10 MHz až niekoľko GHz...........................................................................................14
4.2.3. Referenčné úrovne.....................................................................................................15
5. Legislatíva......................................................................................................................18
5.1 Medzinárodná legislatíva ..............................................................................................18
5.2 Národná legislatíva........................................................................................................21
6. Dôvod a požiadavky na merania SAR .........................................................................22
6.1 Pravidlá pre vyhovenie mobilných a prenosných zariadení ............................................22
6.2 Procedúry pre vyhodnocovanie prenosných zariadení ....................................................23
7. Poloautomatické pracoviska na meranie SAR ............................................................25
7.1 Popis zhotovenia sondy na meranie elektrického poľa ...................................................26
7.1.1 Testovanie sondy a charakteristika dipólu...................................................................28
7.1.2 Zosilnenie výstupného napätia zo sondy ....................................................................29
7.1.3 Kalibrácia sondy.........................................................................................................30
7.2 Zhotovenie plochého fantóma na meranie SAR .............................................................32
7.3 Simulácia tkaniva pre meranie SAR...............................................................................33
8. Princíp činnosti programu pre spracovanie výsledkov z merania...............................35
8.1 Komunikácia počítača s voltmetrom .............................................................................38
8.1.1 Rozhranie HPIB..........................................................................................................38
9. Meranie SAR ................................................................................................................40
9.1 Systémová chyba merania..............................................................................................45
10. Záver ............................................................................................................................48
Zoznam použitej literatúry ...............................................................................................49
Zoznam použitých obrázkov, tabuliek a grafov
Obr.7.1 Bloková schéma poloautomatického pracoviska na meranie SAR
Obr.7.2 Profesionálne pracovisko na meranie SAR
Obr.7.3 Reálne zhotovenie sondy
Obr.7.4 Schéma zapojenia sondy
Obr.7.5 Zapojenie dipólov do trojuholníka
Obr.7.6 Schéma neinvertujúceho zapojenia OZ – MAA 741
Obr.7.7 Kalibrácia sondy vo vlnovode
Obr.7.8 Výkonový generátor
Obr.7.9 Plochý fantóm
Obr.8.1 Vývojový diagram pre vykreslenie grafu
Obr.8.2 Vývojový diagram programu pre spracovanie údajov z voltmetra
Obr.9.1 Fantóm s lievikovou anténou
Obr.9.2 Priestorové zobrazenie izotropie sondy
Tab.2.1 Rozdelenie elektromagnetických vĺn podľa vlnovej dĺžky
Tab.4.1 Referenčné úrovne pre elektrické, magnetické a elektromagnetické polia
Tab.4.2 Referenčné úrovne pre ožiarenie pracovníkov
Tab.7.1 Zoznam použitých meracích zariadení
Tab.7.2 Namerané hodnoty
Tab.7.3 Výsledné hodnoty z kalibrácie sondy
Tab.7.4 Použité zložky a množstvo na simuláciu tkaniva
Tab.9.1 Zoznam použitých meracích zariadení
Tab.9.2 Farba priradená k výslednému napätiu
Tab.9.3 Priradená farba výsledného SAR k jednotlivým napätiam
Graf 7.1 Výsledná charakteristika dipólu
Graf 9.1 Napätia na jednotlivých súradniciach pri mer. so sondou s jedným dipólom
Graf 9.2 Farebne znázornená úroveň SAR lievikovej antény
Graf 9.3 Farebne znázornená úroveň SAR plochej antény pre pásmo GSM 900
Graf 9.4 Farebne znázornená úroveň SAR pre mobilný telefón Samsung SGH-X480
Graf 9.5 Napätia na jednotlivých dipóloch pri otáčaní sondy okolo vlastnej osy
Zoznam požitých skratiek a symbolov
EAS Elektronická ochrana tovaru
EMF Electromagnetic Field - Elektromagnetické pole
EUT Equipment under test - Merané zariadenie
GPIB General Purpose Instrumentation Bus
HPIB Hewlett – Packard Interface Bus – Rozhranie Hewlett – Packard
ICNIRP Medzinárodná organizácia pre ochranu pred neionizujúcim žiarením
IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers
IRPA Medzinárodná organizácia pre ochranu pred radiáciou
MPE Vyžarovací potenciál
NIR Pracovná skupina pre neonizujúce žiarenie
NF Nízka frekvencia
OZ Operačný zosilňovač
PC Personal computer – Osobný počítač
PCS Personal Communication Services – Osobné komunikačné služby
POI Bod vyšetrovania
RF Radio Frequency – Rádiová frekvencia
RFID Vysokofrekvenčná identifikácia
SAR Specific Absorption Rate – Špecifický absorpčný pomer [W/kg]
TDD Time Division Duplex – Duplex s časovým delením
TDMA Time Division Multiplex Access – Viacnásobný prístup s čas. delením
VF Vysoká frekvencia
WHO World Health Organization - Medzinárodná zdravotnícka organizácia
J Prúdová hustota [A/m2 ]
E Intenzita elektrického poľa [V/m]
D Hustota elektrického toku [C/m2]
σ Elektrická vodivosť [S/m]
f Frekvencia [Hz]
H Intenzita magnetického poľa [A/m]
B Hustota magnetického toku [T]
ρ Hustota [kg/m3 ]
µ Permeabilita [H/m]
ε Permitivita [F/m]
λ Dĺžka vlny [m]
T Teplota [K]
c Rýchlosť svetla vo vákuu [2.997 x 108 m/s]
ε0 Permitivita voľného priestoru [8.854 x 10-12 F/m]
µ0 Permeabilita voľného priestoru [4π x 10-7 H/m]
Z0 Impedancia voľného priestoru [120π (approx. 377) Ω]
Pavg Priemerný (časovo) absorbovaný výkon
tavg Doba priemerovania
S Hustota výkonového toku
ε r Relatívna permitivita
Ei Hodnota intenzity elektrického poľa v tkanive tela vyjadrená v [V/m]
ρ Hustota tkaniva tela vyjadrovaná v [kg/m3]
ci Teplotná kapacita tkaniva vyjadrená v [J/kg K]
G Zisk antény
R Vzdialenosť od miesta merania k anténe
P Výkon dodávaný do antény
1
1. Úvod
Nové formy celosvetovej komunikácie pomocou telefónu, rádia, televízie
a internetu zásadne zmenili v priebehu jedného storočia nielen životný štýl, ale aj stav
vyžarovania. Viditeľné svetlo, ktoré človek potrebuje pre život rovnako ako vzduch a
teplo, zahŕňa len malú časť spektra elektromagnetického žiarenia, ktoré na človeka v jeho
okolí pôsobí. Človek ale nevníma neviditeľnú časť elektromagnetického spektra, pretože
okrem očí nemá žiadny zmyslový orgán pre jeho priame vnímanie. Práve preto sa treba
zaujímať o pôsobenie neviditeľného žiarenia na človeka.
Cieľom tejto práce je navrhnúť a zostrojiť poloautomatické pracovisko na meranie
SAR (špecifického absorpčného pomeru), na plochom dvojrozmernom fantóme pre
frekvenčnú oblasť od 800 MHz do 3000 MHz. Hlavnou úlohou práce bude zostrojiť
sondu a metodiku jej kalibrácie. Pomocou tohto pracoviska bude možné vykonávať
merania rôznych druhov prenosných rádiových a telefónnych zariadení. Výsledky meraní
prenosných rádiových a telefónnych zariadení budú v závere porovnané s hodnotami
deklarovaných výrobcom.
Projekt bude realizovaný na pracovisku vo VÚS Banská Bystrica.
2
2. Pole, vlna, žiarenie
Vo fyzike sa pojem „pole“ používa na opis priestorového rozdelenia (štruktúry)
určitej fyzikálnej veličiny.:
Pole je skalárna, vektorová alebo tenzorová kvantitatívna funkcia súradníc bodu v
definovanom priestore, prípadne v čase. Pole môže predstavovať fyzikálny jav, ako je
akustické tlakové pole, gravitačné pole, zemské magnetické pole, pole rádiového
vysielača.
Vlna je zmena fyzikálnych podmienok prostredia charakterizovaná poľom a jeho
pohybom s rýchlosťou určenou v každom bode a v každom smere vlastnosťami tohto
prostredia.. Vlna sa vytvára miestnym podnetom alebo súborom takýchto podnetov.
Šírenie vlny môže byť charakterizované iba takými poliami, ktoré možno vyjadriť
parciálnymi diferenciálnymi rovnicami hyperbolického tvaru. Napr. elektromagnetická
energia sa šíri priestorom alebo vlnami, ale šírenie tepla v tyči nemá definovanú rýchlosť
a preto nejde o šírenie vĺn.
Elektromagnetické pole je pole charakterizujúce elektrické a magnetické
podmienky hmotného prostredia alebo vákua, definované nasledujúcim súborom štyroch
vektorových veličín:
E - vektor intenzity elektrického poľa [V/m]
D - vektor elektrickej indukcie [C/m2]
H - vektor intenzity magnetického poľa [A/m]
B - vektor magnetickej indukcie [T]
Elektromagnetické pole je osobitná forma hmoty, pomocou ktorej sa uskutočňuje
interakcia (pôsobenie) medzi elektrickými nabitými časticami. Vlastnosti
elektromagnetických polí sú popísané Maxvelovými rovnicami. Elektromagnetické pole
3
môže obsahovať statické zložky, t. j. elektrostatické pole a magnetostatické pole a
časovo premenné zložky predstavujúce elektromagnetické vlny.
Elektromagnetická vlna je vlna charakterizovaná šírením časovo premenného
elektromagnetického poľa. Elektromagnetická vlna sa vytvára zmenami elektrických
nábojov alebo elektrických prúdov.
Rádiová vlna (vysokofrekvenčná vlna) je elektromagnetická vlna ktorá sa šíri
v priestore bez umelého vedenia s frekvenciou podľa dohody nižšou ako 3 000 GHz.
Elektromagnetické vlny s frekvenciou okolo 3 000 GHz, možno považovať buď za
rádiové vlny alebo optické vlny. [1]
Šírenie rádiových vĺn je prenos energie formou rádiových vĺn (tab.2).
Názov Označenie Vlnová dĺžka Frekvencia
miriametrové vlny (VLF) 100 - 10 km 3 - 30 kHz
kilometrové vlny DV (LF) 10 - 1 km 30 - 300 kHz
hektometrovévlny SV (MF) 1 - 0,1 km 300 kHz - 3 MHz
dekametrové vlny KV (HF) 100 - 10 m 3 - 30 MHz
metrové vlny VKV (VHF) 10 - 1 m 30 - 300 MHz
decimetrové vlny VKV (UHF) 1 - 0,1 m 300 MHz - 3 GHz
centimetrové vlny (SHF) 10 - 1 cm 3 - 30 GHz
milimetrové vlny (EHF) 10 - 1 mm 30 - 300 GHz
Tab. 2.1 Rozdelenie elektromagnetických vĺn podľa vlnovej dĺžky
Vyžarovanie (elektromagnetické)
• jav, pri ktorom sa energia vyžaruje zo zdroja do priestoru vo forme
elektromagnetických vĺn.
• energia prenášaná priestorom vo forme elektromagnetických vĺn.
4
Keď spoločne pôsobia striedavé elektrické a magnetické polia a pritom sa do
okolia vyžaruje energia, ktorá sa v priestore voľne šíri, označuje sa tento jav ako
elektromagnetické žiarenie. Energetický obsah žiarenia je vždy násobkom elementárnej
jednotky – kvanta žiarenia. Pritom je energetický obsah týchto dávok žiarenia závislý od
frekvencie žiarenia – čím vyššia frekvencia, tým je žiarenie energeticky bohatšie. [2]
Z hľadiska biologických účinkov sa rozlišuje:
• neionizujúce žiarenie
• ionizujúce žiarenie
V prípade neionizujúceho žiarenia kvantá žiarenia nemajú dostatočnú energiu aby
ničili molekulárnu štruktúru látok. Biologický účinok je preto závislý od intenzity
žiarenia, teda od množstva kvánt žiarenia dopadajúceho na plochu a od času trvania
účinku. Preto pre tento typ žiarenia možno definovať prahové hodnoty intenzity pre
priame biologické poškodenie.
V prípade ionizujúceho žiarenia je už kvantum žiarenia tak energeticky bohaté, že
môže zmeniť chemický vzorec molekuly, resp. zničiť jej štruktúru. To znamená, že
v prípade ionizujúceho žiarenia – nezávisle od intenzity – stále trvá nebezpečenstvo
biologického poškodenia. Röntgenový snímok vždy škodí telu, ale riziko poškodenia tela
je vyvážené získanou diagnostickou informáciou pre lekára. Hranice medzi neionizujúcim
a ionizujúcim žiarením ležia (v závislosti od druhu látky) približne na rozhraní medzi
viditeľnou a ultrafialovou časťou svetla. Ak vynecháme oblasti tepelného žiarenia,
viditeľného svetla a ionizujúceho žiarenia s ešte kratšími vlnovými dĺžkami, potom
spektrum technicky využívaného elektromagnetického žiarenia zahŕňa frekvenčný rozsah
od 1 Hz až po 1 000 GHz. V rámci tohto veľkého rozsahu je vplyv žiarenia veľmi
rozdielny čo do šírenia a prieniku hmotou, tak aj svojej biologickej účinnosti. Preto
nemožno paušálne hodnotiť zdravotné nebezpečia, ktoré môžu mať pôvod v žiarení.
Rovnako tak nemožno dôkaz o zdravotnom nebezpečí spôsobenom žiarením v určitom
frekvenčnom pásme aplikovať v iných frekvenčných pásmach alebo tento dôkaz
zovšeobecňovať. [2]
5
3. Základné pojmy a definície
V tejto kapitole sú uvedené základné fyzikálne pojmy a definície súvisiace
s riešenou problematikou.
1. Priemerný (časovo) absorbovaný výkon (Pavg) je v čase priemerovaná rýchlosť
prenosu energie definovaná :
Pavg
_= 1
t2− t1
P( t)dtt1
t 2
∫ (1)
kde t1 a t2 sú časy počiatku a konca doby vyžarovania . Doba medzi t2 - t1 je čas trvania
ožarovania.
2. Doba priemerovania (tavg) je pridelený čas, počas ktorého je ožiarenie priemerované
s cieľom určiť splnenie medzných hodnôt.
3. Základné obmedzenia sú ožiarenia časovo premenným elektrickým, magnetickým
a elektromagnetickým poľom, ktoré sú založené len na zdravotných aspektoch. Vo
frekvenčnom rozsahu 110 MHz – 10 GHz je používanou fyzikálnou veličinou merný
absorbovaný výkon. Vo frekvenčnom pásme 10 GHz až 40 GHz je fyzikálnou veličinou
výkonová hustota.
4. Vyhovujúca vzdialenosť je minimálna vzdialenosť od antény, kde vyšetrovaný bod
vyhovuje požiadavkám pre splnenie základných obmedzení. Súbor týchto vzdialeností
definuje hranice, mimo ktorých v žiadnom vyšetrovanom bode nie sú prekročené
základné obmedzenia bez ohľadu na dĺžku doby ožiarenia.
5. Vodivosť (σ ) je pomer hustoty dotykového prúdu v prostredí k intenzite elektrického
poľa. Vodivosť je vyjadrená v jednotkách Siemens na meter ( S/m).
6. Trvalé ožiarenie je ožiarenie, ktoré trvá dlhšie ako je čas spriemerovania.
7. Intenzita elektrického poľa (E) je veľkosť vektora intenzity elektrického poľa v bode
v ktorom pôsobí sila (jej veľkosť) (F) na kladný náboj (Q ) podelená nábojom:
E = F/Q (2)
6
8. Hustota elektrického toku, vektor elektrickej indukcie (D) je hustota elektrického
toku (D) je vektor, ktorý je rovný súčinu permitivity (ε) a intenzity elektrického poľa (E)
D = εE (3)
9. Merané zariadenie (EUT) je zariadenie (ako napr. vysielač, základňová stanica alebo
pridelená anténa), ktoré je predmetom vyšetrovania.
10. Pevná koncová stanica je zvyčajne pridelená užívateľovi obsahujúca hardware -
vysielač, prijímač, určený pre vysielanie a príjem rádiových signálov. Patria sem pevné
koncové stanice s integrovanými anténami, externými anténami a s anténami, ktoré
nedodáva výrobca rádiových staníc.
11. Impedancia voľného priestoru (intrinzická impedancia) Z0 je pomer vektora
intenzity elektrického poľa a vektora intenzity magnetického poľa šíriacej sa
elektromagnetickej vlny. Impedancia voľného priestoru rovinnej vlny vo voľnom
priestore je 120π (približne 377) ohm.
12. Linearity je maximálna odchýlka v celom meracom rozsahu meranej veličiny od
najbližšej lineárnej referenčnej krivky definovanej v celom intervale.
13. Hustota magnetického toku, vektor magnetickej indukcie (B) je veľkosť vektora
poľa ktorý je rovný súčinu vektora intenzity magnetického poľa H a permeability µ
prostredia.
B = µ H (4)
Hustota magnetického toku je vyjadrená v jednotkách Tesla (T).
14. Vektor intenzity magnetického poľa (H) je veľkosť vektora poľa v bode v ktorom
pôsobí sila na pohybujúci sa náboj q s rýchlosťou v .
F = q (v× µ H ) (5)
Intenzita magnetického poľa a je vyjadrená v jednotkách A/m.
7
15. Magnetická permeabilita materiálu (µ )je definovaná hustotou magnetického toku
B deleného intenzitou magnetického toku H :
µ =
B
H (6)
kde µ je permeabilita prostredia vyjadreného v henry na meter (H/m).
16. Permitivita (ε ) je vlastnosť dielektrického materiálu (napr. Biologické tkanivo)
definovaná hustotou elektrického toku D deleného intenzitou elektrického poľa. E.
ε =
D
E (7)
Permitivita je vyjadrená v jednotkách farad na meter F/m.
17. Fantóm je zjednodušený reprezentant alebo model napodobňujúci ľudské telo ( po
stránke elektrických vlastností a niekedy aj tvaru).
18. Bod vyšetrovania (POI) je miesto v priestore v ktorom sú vyhodnocované E, H,
hustota výkonového toku alebo SAR. Toto miesto je definované kartézskymi,
cylindrickými alebo sférickými súradnicami vztiahnutými k referenčnému bodu na EUT.
19. Hustota výkonového toku (S) je výkon na jednotku plochy v smere šírenia
elektromagnetických vĺn.
20. Rádiová frekvencia (RF) je pre účely posudzovania bezpečnostných požiadaviek je
frekvenčné pásmo záujmu 110 MHz až 40 GHz.
21. Relatívna permitivita (ε r) je pomer permitivity dielektrického materiálu a
permitivity voľného priestoru:
0εεε =r
(8)
22. Hodnota rms je hodnota, ktorá sa získa ako druhá odmocnina priemeru druhých
mocnín hodnôt periodickej funkcie získaných počas jednej periódy.
8
23. Rýchlosť absorpcie energie (SAR) je časová derivácia infinitezimálnej energie (dW)
absorbovanej (rozptýlenej v) v infinitezimálnej hmotnosti (dm) obsiahnutej v objemovom
elemente (dV) s hustotou (ρ ).
SAR=d
dt
dW
dm
=
d
dt
dW
ρdV
(9)
SAR je vyjadrená vo W/kg a môže sa vypočítať pomocou vzorca:
SAR=
σ Ei2
ρ (10)
SAR= ci
dT
dt (11)
Kde:
Ei - rms hodnota intenzity elektrického poľa v tkanive tela vyjadrená v [V/m]
σ - vodivosť tkaniva tela vyjadrovaná v [S/m]
ρ - hustota tkaniva tela vyjadrovaná v [kg/m3]
ci - teplotná kapacita tkaniva vyjadrená v [J/kg K]
dT
dt - časová derivácia teploty v tkanive tela [K/s]
24. Vysielač je zariadenie určené na generovanie VF výkonu za účelom komunikácie ale
ono samo nie je určené na vyžarovanie tejto energie.
25. Anténa je zariadenie, ktoré slúži ako prevodník medzi vedeným vlnením ( napr.
v koaxiálnom kábli) a vlnením vo voľnom priestore a naopak.
26. Priemerný absorbovaný výkon je časovo priemerovaný merný prenos energie
definovaný:
P avg=1/(t2-t1) integrál P(t) dt (12)
Kde t1 a t2 sú štart čas a stop čas expozície. Perióda t2 – t1 je doba trvania expozície.
27. Doba spriemerovania je potrebná doba počas ktorej je expozícia spriemerovaná za
účelom určenia zhody s medznými hodnotami.
28. Trvalé ožiarenie je ožiarenie, ktoré trvá dlhšie ako je doba spriemerovania.
9
29. Intenzita elektrického poľa je veľkosť vektora poľa v bode, ktorý reprezentuje silu
(F) pôsobiacu na kladný malý náboj delenú veľkosťou náboja.
E=F/q (13)
Intenzita je vyjadrená vo V/m
30. Izotropia - všesmerovosť je definovaná ako odchýlka meranej hodnoty v rôznych
uhloch. Je uhlová a sférická izotropia. Uhlová je odchýlka hodnôt keď sa otáča sonda
okolo hlavnej osi a zdroj sa pohybuje po polosfére pred sondou. Hemisférna
všesmerovosť je prípad keď sa zdroj pohybuje po hemisfére (elevácii) so stredom
v mieste sondy.
31. Vzdialené pole je elektromagnetické pole vo vzdialenosti od antény väčšej ako :
R= 2D2 /λ (14)
V tomto mieste je vlna tzv. rovinná . Rozmery antény sa neuvažujú ale sa s ňou počíta
ako s bodovým zdrojom . Intenzita v tomto bode sa spočíta podľa vzorca:
E = (30PG)1/2 /r (15)
Kde:
G - zisk antény v smere k miestu merania voči zisku izotropného žiariča
(výsledkom je číselná hodnota)
R - vzdialenosť od miesta merania k anténe
P - je výkon dodávaný do antény
10
V tomto mieste platí priamy vzťah medzi magnetickou a elektrickou zložkou poľa
E = H x 377 (16)
Kde:
E - intenzita elektrického poľa (V/m)
H - intenzita magnetického poľa (A/m)
32. Blízke pole - vyžarované Tento charakter má elektromagnetické pole
vo vzdialenosti R od antény danej vzorcom:
λ/4 < R < 2D2 /λ (17)
V tomto mieste sa pri výpočte intenzity uvažuje s rozmermi antény, pretože sú
porovnateľné so vzdialenosťou meraného miesta od antény. V tomto mieste je možné
s určitou nepresnosťou použiť vzťah medzi E a H platiaci pre vzdialené pole.
33. Blízke pole – reaktívne je špeciálnym prípadom blízkeho poľa kde pre vzdialenosť
od antény platí
R< λ/4 (18)
V tomto mieste neplatí priamy vzťah medzi magnetickou a elektrickou zložkou a preto sa
musí merať osobitne magnetické a elektrické pole. [3]
11
4.Elektromagnetické pole
Elektromagnetické pole je pole kde sú prítomné magnetické aj elektrické polia.
Obe tieto polia tvoria tzv. magnetickú a elektrickú zložku elektromagnetického poľa
(ďalej EMF). Elektromagnetické pole sa rozdeľuje na nízkofrekvenčné (do 10 kHz)
a vysokofrekvenčné (10 kHz – 300 GHz).
Doporučenie 1999/519/EC definuje základné obmedzenia a referenčné hodnoty
pre magnetickú a elektrickú zložku elektromagnetického poľa. Nerozdeľuje ich ako
smernica ICNIRP na referenčné hodnoty pre obyvateľstvo a pre pracovníkov. Tieto
hodnoty vychádzajú z výskumov vplyvu elektromagnetického poľa na ľudský
organizmus. Pri elektromagnetických poliach s frekvenciami do 10 MHz sa uvažuje
induktívny charakter, tzn. vytvárajú sa induktívne prúdy v tele. Pri vyšších frekvenciách
prevládajú tepelné účinky na ľudský organizmus. So zvyšujúcou frekvenciou sa zmenšuje
hĺbka prieniku ohrevu do ľudského organizmu. Pre medzné hodnoty ako východzia
úroveň sa uvažuje ohrev organizmu o 1 °C. Z tohto sa vypočíta absorbovaný výkon
v tkanive tela. Tento výkon sa pre obyvateľstvo vydelí 50-timi a pre pracovníkov 10-timi.
Takto stanovené hodnoty sa považujú za medzné hodnoty absorbovaného výkonu pre
jednotlivé skupiny obyvateľstva. [4]
4.1 Absorpcia energie z EMF
Absorpcia v elektromagnetických poliach s frekvenciami do 100 kHz nemá za
následok zvýšenie teploty tela, ale pri frekvenciách nad 100 kHz dochádza k zvyšovaniu
teploty tela. Podľa spôsobu absorpcie energie ľudským telom je možné EMF
s frekvenciami nad 100 kHz rozdeliť do štyroch rozsahov:
• frekvencia od 100 kHz do 20 MHz, absorpcia na týchto frekvenciách sa
prudko znižuje so znižovaním frekvencie a absorpcia sa prejavuje hlavne na
krku a na nohách
• frekvencie v rozsahu od 20 MHz až po 300 MHz, kde sa pomerne vysoká
absorpcia prejaví na celom tele a hlavne na hlave
12
• frekvencie 300 MHz až do niekoľkých GHz, kde sa prejavuje miestna
absorpcia
• frekvencie nad 10 GHz, kde sa absorpcia objavuje len na povrchu tela.
Absorpcia SAR (W/kg) uvádza množstvo energie absorbovanej v jednotkovom
množstve hmoty. Priemerná SAR a rozdelenie SAR v tele je možné vypočítať alebo určiť
z laboratórnych meraní. (EN50 361, EN50 383). Hodnoty SAR závisia na nasledovných
faktoroch:
• situačné parametre poľa, t.j. frekvencia, intenzita, polarizácia a konfigurácia
objektu, ktorý je zdrojom poľa (či sa jedná o blízke pole alebo vzdialené);
• vlastnosti ožarovaného tela, jeho veľkosť, vnútorná a vonkajšia geometria
a dielektrické vlastnosti rôznych povrchov tela;
• vplyvy zeme a odrazových objektov, ktoré sa nachádzajú v blízkom okolí tela
V prípade, že pozdĺžna os tela je paralelná s elektrickým vektorom poľa
v podmienkach vzdialeného poľa (vlna v tomto mieste je plochá), celé telo absorbuje
maximálny SAR a veľkosť absorbovanej energie závisí od vlastností ožarovaného tela.
„Štandardný referenčný človek“(charakteristika je uvedená v ICRP 1994) ak nie je
uzemnený má rezonančnú absorpčnú frekvenciu 70 MHz. Pre vyšších ľudí sa táto
frekvencia znižuje, pre nižších zvyšuje a pri deťoch prekračuje až 100 MHz.
V podmienkach blízkeho poľa je závislosť absorpcie na frekvencii úplne iná ako
v podmienkach vzdialeného poľa. Podmienky blízkeho poľa sú splnené hlavne v prípade
mobilných telefónov, prenosných rádiostaníc a rádiových ovládačov. [4]
4.2 Základné podklady pre určenie medzných hodnôt pre ožiarenie
EMF
Pre určenie medzných hodnôt bolo obyvateľstvo rozdelené do dvoch skupín:
• Prvá skupina sú pracovníci. Túto skupinu tvoria ľudia, ktorí sú ožarovaní pri
výkone svojho povolania. V tomto prípade ide o dospelých ľudí a o tzv.
13
kontrolovanú expozíciu čo znamená, že títo ľudia o tomto vedia a poznajú
intenzitu tohto žiarenia.
• Druhá skupina zahŕňa obyvateľstvo, ktoré je ožarované EMF počas
nekontrolovanej doby a nie sú to len dospelí ľudia, ale aj deti všetkých vekových
kategórií. V tomto prípade ide o tzv. nekontrolovanú expozíciu, čo znamená, že
títo ľudia nepoznajú úroveň a ani väčšinou zdroj žiarenia. [4]
4.2.1 Základné obmedzenia a referenčné úrovne
Základné obmedzenia vplyvu žiarenia EMF vychádzajú z určenia vplyvu žiarenia
na zdravie. V závislosti na frekvencii sú fyzikálnymi veličinami, ktoré špecifikujú
základné obmedzenia žiarenia prúdová hustota, SAR a výkonová hustota (podrobnejšie
boli popísané vyššie). Aby bola zabezpečená ochrana zdravia, tak tieto obmedzenia
nesmú byť prekročené.
Referenčné úrovne – slúžia na porovnanie meraných hodnôt a fyzikálnych veličín.
Bližší popis bol uvedený vyššie.
• Keďže nie je dostatok informácií o biologických vplyvoch na ľudský organizmus
EMF v celom frekvenčnom pásme a pri rôznych typoch modulácie tak pre
určenie bezpečných faktorov pre vysokofrekvenčné polia boli uvažované tieto
všeobecné premenné:
• vplyv EMF žiarenia pri určitých okolitých podmienkach (vysoká teplota okolia
atď.)
• možná vyššia citlivosť na teplotu u určitej skupiny obyvateľstva, ako napr. malé
deti, chorých ľudí alebo ľudí, ktorí berú lieky, zvyšujúce citlivosť na ohrev
• rozdiely v absorpcii elektromagnetickej energie osobami rozdielnej veľkosti ako
aj rozdielnej orientácie voči zdroju EMF
• odrazy, rozptyl a smerovanie dopadajúceho žiarenie od okolitých objektov, čo
môže spôsobiť miestne zvýšenie absorpcie VF energie [4]
14
4.2.2 Biologický základ pre základné obmedzenia ožiarenia poliami s frekvenciami
10 MHz až niekoľko GHz
O vplyve týchto frekvencií na reprodukciu a na vznik rakoviny bolo vykonaných
len málo štúdií, ale ani pri jednej nebol tento vplyv potvrdený. Tieto vplyvy boli
pozorované hlavne u pracovníkov v blízkosti radarov. Ani vplyv na nervový systém nebol
potvrdený.
Pri laboratórnych testoch na dobrovoľníkoch bol vyšetrovaný tepelný vplyv na
organizmus. Bolo zistené, že so zmenou frekvencie od 100 kHz do 10 MHz sa vplyv na
telo mení od vplyvu na nervy a na svaly, po tepelný vplyv (ohrev tela), kým pri 100 kHz
bol primárny vplyv na nervový systém, tak pri 10 MHz ide len ohrev tela. Vo
frekvenčnom pásme 10 MHz až 300 GHz ide len o tepelný vplyv. Ako hlavný
obmedzujúci faktor bol zobratý ohrev tela o 1- 2 °C, pretože toto môže mať vplyv na
zdravie ako napr. tepelná únava alebo tepelný šok.
Pre určenie základných obmedzení sa zobralo zvýšenie teploty tela o 1 °C. Toto
zvýšenie sa dosiahne pri expozícii celého tela so SAR približne 4 W/ kg počas doby
približne 30 minút. Z tohto dôvodu bolo prevzaté ako základné obmedzenie desatina tejto
hodnoty t.j. 0,4 W/kg. Pre určenie základných obmedzení pre obyvateľstvo bol na základe
predchádzajúcich predpokladov zvolený faktor 5, tzn. že základné obmedzenie pre
obyvateľstvo je 0, 08 kg/W. Pre lokálne ožiarenie boli tieto hodnoty zvýšené. Pre hlavu
a telo na 10 W/kg a pre končatiny na 20 W/kg. Jednotlivé hodnoty sú uvedené v tabuľke
(4.1 a 4.2) Pocit tepla na končatinách spôsobuje vysokofrekvenčný prúd s hodnotou 100
– 200 mA.
Na základe týchto predpokladov boli vypracované ďalšie štúdie, ktoré sa
zameriavali na dlhodobý pobyt v EMF. Z nich vyplynulo, že pri expozícii do 30 min. pri
ožiarení celého tela so SAR 4W/kg spôsobuje zvýšenie teploty o menej ako 1 °C. Pri
týchto podmienkach si telo zachováva svoju termoregulačnú funkciu. Pri vyšších
hodnotách ohrevu sa prejavili rôzne psychologické efekty, ktoré sú spôsobené nervovo-
svalovými funkciami, spôsobenými zvýšením teploty krvi v mozgu, ako aj hematologické
zmeny. Pri ožarovaní určitých častí tela sa môže ohrev prejaviť ako deštrukčný (veľmi sa
to prejavuje na bunkách očného pozadia). [4]
15
Vplyvy vyšších hodnôt ožiarenia sa skúmali na zvieratách. Frekvencie v pásme
10 – 300 GHz sa prejavujú len na povrchu pokožky (popálenie mikrovlnami). Viditeľné
poškodenie sa prejavuje pri výkonovej hustote okolo 50 W/m2. Na presnejšie určenie
vplyvu EMF na organizmus na týchto frekvenciách je potrebné vykonať ďalšie štúdie.
Špeciálnym prípadom sú EMF vytvorené nespojitým – impulzným signálom
a amplitúdovo- modulovaným (pri oboch dochádza v čase k cyklickej zmene výkonovej
úrovne). Impulzné mikrovlnné polia s rovnakým priemerným výkonom ako pri tzv. CW
vysielaní (s konštantnou úrovňou nosnej) majú väčší vplyv na biologické odozvy, hlavne
tam, kde je dobre definovaná hraničná hodnota, ktorá musí byť dosiahnutá, aby sa
dosiahol požadovaný efekt. Z predchádzajúcich výsledkov a zistení vychádza, že celo-
telové SAR medzi 1 - 4 W/kg spôsobuje zvýšenie teploty o 1° C. Desatina hodnoty bola
použitá pre maximálny SAR pre pracovníkov a pre obyvateľstvo bola prevzatá
päťdesiatina tejto hodnoty. Výsledky štúdií na dobrovoľníkoch (pracovníci na MW
zdrojoch ako napr. radary) potvrdzujú tieto hodnoty. [4]
4.2.3. Referenčné úrovne
Referenčné úrovne ožiarenia sú zavedené za účelom porovnania s hodnotami
meraných veličín. Pri rešpektovaní všetkých odporúčaných referenčných úrovní sa zaistí,
že budú splnené základne obmedzenia.
Aj keď namerané hodnoty sú väčšie ako referenčné úrovne neznamená to
automaticky, že budú prekročené základné obmedzenia. V takomto prípade je potrebné
zistiť či úrovne ožiarenia sú pod základnými obmedzeniami.
Referenčné úrovne pre medzné ožiarenie sú získané zo základných obmedzení
pri maximálnej väzbe poľa na ožarovanú osobu a preto zabezpečujú maximálnu ochranu.
Referenčné úrovne pre celé frekvenčné pásmo sú uvedené v tabuľke 4.1 a 4.2. Referenčné
úrovne sú vo všeobecnosti určené pre hodnoty získané priestorovým spriemerovaním
v priestore tela ožarovanej osoby ale s dôležitou podmienkou nie sú prekročené základné
obmedzenia pre lokálne ožiarenie. V niektorých situáciách kde ožiarenie je úzko
lokalizované (napr. pri prenosných telefónoch) použitie referenčných úrovní nie je
možné. V takýchto prípadoch sa budú posudzovať základné obmedzenia pre lokálne
ožiarenie
16
Tab. 4.1 Referenčné úrovne pre elektrické, magnetické a elektromagnetické polia (0 Hz
až 300 GHz - rms hodnoty)
Frekvenčný rozsah
Intenzita poľa -E
(V m_1)
Intenzita poľa -H (A m_1)
Pole -B (µµµµT)
Ekvivalentná plocha vlnovej výkonovej hustoty Seq (W m-2)
do 1 Hz - 1,63 x 105 2 x 105 - 1 - 8 Hz 20,000 1,63 x 105/f2 2 x 105/f2 - 8 - 25 Hz 20,000 2 x 104/f 2,5 x 104/f - 0,025 - 0,82 kHz 500/f 20/f 25/f - 0,82 - 65 kHz 610 24,4 30,7 - 0,065 - 1 MHz 610 1,6/f 2,0/f - 1 - 10 MHz 610/f 1,6/f 2,0/f - 10 - 400 MHz 61 0,16 0,2 10 400 - 2,000 MHz 3f1/2 0,008f1/2 0,01f1/2 f/40 2 - 300 GHz 137 0,36 0,45 50
Tab. 4.2 Referenčné úrovne pre ožiarenie pracovníkov pri časovo premenlivých
elektrických a magnetických poliach
Tieto referenčné hodnoty sa týkali polí s nemennou úrovňou. V súčasných
rádiových zariadeniach sa využíva impulzné pole. Impulzné pole je také, pri ktorom
dochádza k rýchlej zmene úrovne poľa.
Najstarším príkladom je EMF s amplitúdovou moduláciou, novšie systémy hlavne
TDMA alebo TDD vysielajú len v krátkych časových intervaloch tzv. burstoch. V týchto
prípadoch priemerný výkon je menší ako špičkový výkon počas pulzu. Takže je možné,
aby táto úroveň bola vyššia ako referenčná hodnota s tým, že priemerná hodnota
Frekvenćný rozsah
E-pole intenzita
(V/m)
H-pole intenzita
(A/m)
B- indukcia (µT)
Výkonová hustota (W/m 2 )
0-1 Hz 1-8 Hz 8-25 Hz 0,025-0,8 kHz 0,8-3 kHz 3-150 kHz 0,15-1 MHz 1-10 MHz 10-400 MHz 400-2 000 MHz 2-300 GHz
- 10 000 10 000 250/f 250/f 87 87 87/f 1/2 28 1,375 f 1/2 61
3,2 × 104
3,2 × 104/f2
4 000/f 4/f 5 5 0,73/f 0,73/f 0,073 0,0037 f1/2 0,16
4 x 104
4 x 104/f2
5 000/f 5/f 6,25 6,25 0,92/f 0,92/f 0,092 0,0046 f1/2 0,20
- - - - - - - - 2 f/200 10
17
neprekročí referenčnú hodnotu. Z toho vyplýva, že čím sú pulzy užšie oproti dobe medzi
pulzmi, tým špičková hodnota počas pulzu môže byť vyššia.
Pre prípad krátkodobého ožiarenia nie sú stanovené žiadne iné referenčné hodnoty
preto, že pri krátkodobých poliach tieto hodnoty je možné určiť z dĺžky doby trvania
expozície. Výsledná hodnota ale nesmie prekročiť základné obmedzenie.
Pre referenčné úrovne sa môžu aplikovať tieto špičkové hodnoty pre E (V/m), H
(A/m) a B- (µT):
• Pre frekvencie do 100 kHz sú špičkové hodnoty získané delením odpovedajúcich
hodnôt rms hodnotou v2 (=1,414). Pre pulzy v trvaní t p sa odpovedajúca
frekvencia
na aplikovanie vypočíta ako ƒ =1 /(2tp ),
• Pre frekvencie medzi 100 kHz a 10 MHz sa špičkové referenčné hodnoty získajú
delením odpovedajúcej rms hodnotou 10a ,kde a = (0,665 log(f/105 )+0,176), f je
v Hz,
• Pre frekvencie medzi 10 MHz až 300 GHz sa špičková hodnota získa delením
odpovedajúcej rms hodnoty číslom 32.
Aj keď je k dispozícii málo informácií o vzťahu medzi biologickými vplyvmi a
špičkovými hodnotami impulzných polí, odporúča sa, aby pri frekvenciách nad 10 MHz
Seq ako spriemerovaná počas šírky impulzu neprekročila 32 násobok referenčných
hodnôt pre intenzitu poľa.. Pre frekvencie medzi 0,3 GHz až niekoľko GHZ a pre lokálne
ožiarenie hlavy je potrebne obmedziť audio efekty spôsobené termoelastickým
rozpínaním hlavy a preto musí byť limitovaný merný absorbovaný výkon SAR. V tomto
frekvenčnom rozsahu je hraničný merný absorbovaný výkon 4 - 16 mJ kg–1 čo je pri 30
µs pulzoch, špičková hodnota SAR 130-520 W kg–1 v mozgu. Medzi 100 kHz a 10
MHz ,špičkové hodnoty pre intenzitu poľa sú získané interpoláciou z 1,5 násobku
hodnoty na 100 kHz a 32 násobku hodnoty na 10 MHz. [4]
18
5. Legislatíva
Táto kapitola sa zaoberá rozborom vplyvov elektromagnetického poľa na ľudský
organizmus z pohľadu medzinárodnej organizácie pre neionizujúce žiarenie ICNIRP ako
aj európskych a amerických normalizačných inštitúcií. Ďalej sú v nej uvedené základné
obmedzenia, ktoré vychádzajú z odporúčaní ICNIRP. Pri názve každej normy je krátky
popis problematiky a pojmov, ktorá sa v danej norme preberá.
5.1 Medzinárodná legislatíva
Problém neionizovaného žiarenia na rozdiel od ionizujúceho žiarenia sa stal
predmetom zvýšeného záujmu medzinárodnej svetovej zdravotníckej organizácie (WHO)
v roku 1974, keď medzinárodná organizácia pre ochranu pred radiáciou (IRPA) vytvorila
pracovnú skupinu pre neionizujúce žiarenie (NIR), ktorá sa neskôr zmenila na
medzinárodnú komisiu pre neionizujúce žiarenie (INIRC). V spolupráci s WHO vytvorili
množstvo dokumentov o zdravotných kritérií pre neionizujúce žiarenie (NIR). Tieto
zdravotné kritériá vytvárajú databázu pre vytvorenie expozičných limitov a vzťahov
k NIR. V roku 1992 sa vytvorila nezávislá organizácia – Medzinárodná komisia pre
ochranu neionizujúceho žiarenia (ICNIRP) ako nástupca IRPA/INIRC. Cieľom tejto
komisie bolo vyšetrovanie rôznych nebezpečí, ktoré sa môžu vyskytnúť s rôznymi
formami NIR. Pre účely jednotného prístupu k posudzovaniu škodlivosti EMF žiarenia
vydala ICNIRP: Smernicu pre medzné hodnoty časovo premenlivého elektrického,
magnetického a elektromagnetického poľa. Cieľom tejto smernice je uviesť komplexný
pohľad na určenie medzných hodnôt elektromagnetického poľa, ktoré zabezpečia ochranu
pred jeho vplyvom na ľudské zdravie. Tento materiál bol vytvorený po komplexnom
vyhodnotení súvisiacich vedeckých prameňov. Hodnoty boli overené ako bezpečné, pri
prísnom posudzovaní krátkodobých, ale aj bezprostredných zdravotných následkov,
akými sú stimulácia periférnych nervov a svalov, funkčné zmeny v nervovom systéme
a v iných tkanivách, elektrické rany a popáleniny vzniknuté dotykom vodivých
predmetov, umiestnených v elektromagnetickom poli (EMF) a zmeny v chovaní,
vyvolané zvýšením teploty tkaniva. Existujú údaje aj o dlhodobej expozícii nízkymi
úrovňami, kde by mohli existovať aj ďalšie vplyvy na zdravie, ale zo stanoviska ICNIRP
19
vyplýva, že pri absencii laboratórnych štúdií sú epidemiologické štúdie nedostatočné na
to, aby bolo možné určiť smernicu pre takúto expozíciu.
Zásady, podľa ktorých ICNIRP vyhodnocuje publikácie a správy pri určovaní
expozičných medzných hodnôt sú také, že sa do hĺbky vyhodnocujú existujúce vedecké
materiály s použitím medzinárodne uznávaných kritérií. Experimentálne výsledky pre
hodnotenie zdravotného rizika môžu byť akceptované v prípade ak obsahujú úplný popis
experimentálnej techniky a dozimetrie a ak sú v nich predkladané údaje dôkladne
analyzované, s možnosťou reprodukovať rovnaké efekty v nezávislých laboratóriách.
Práve táto smernica zavádza novú základnú veličinu pre hodnotenie expozície VF
elektromagnetickým poľom – merný absorbovaný výkon SAR. Zavádza tiež nový spôsob
hodnotenia expozície, tzv. dvojstupňový. Pri tomto spôsobe sú zavedené základné
obmedzenia, ktoré nesmú byť prekročené a dobre merateľné referenčné úrovne. Tento
spôsob umožňuje posúdiť aj moderné komunikačné prostriedky ako sú napr. mobilné
telefóny, prenosné rádiostanice, pri ktorých dochádza k lokálnemu ožiareniu, tzn., že len
časť tela je v mieste vysokej úrovne poľa. [4]
Doporučenie rady Európy 1999/519/EC toto odporúčanie bolo vydané radou
Európy ako náhrada za prednormu ENV 50 166-1. Vychádza zo smernice ICNIRP, ale
na rozdiel od tejto smernice uvádza len jedny základné obmedzenia a referenčné
hodnoty, ktoré sú rovnaké ako hodnoty pre obyvateľstvo uvedené v smernici ICNIRP.
CENELEC (European Comittee for Electrical Standardization) je európska
organizácia, ktorá má na starosti prípravu a vypracovanie noriem pre elektrotechniku.
Táto organizácia bola poverená vypracovaním noriem pre hodnotenie a meranie úrovní
elektromagnetického poľa pre jednotlivé rádiové zariadenia z hľadiska hygienických
obmedzení ožiarenia ľudí. Niektoré z týchto noriem už boli prevzaté ako Európske
harmonizované normy pre posudzovanie bezpečnosti z pohľadu ožiarenia
elektromagnetickým poľom. Ďalej sú uvedené názvy jednotlivých noriem s krátkym
popisom ich obsahu a zamerania. Normy sa rozdeľujú na tie, ktoré popisujú čo majú
zariadenia spĺňať, aby bola preukázaná zhoda s požiadavkami, ktoré sú uvedené
v doporučení 1999/519/EC, vydané Európskym výborom pre komunikácie alebo
v smernici ICNIRP a na normy, ktoré popisujú spôsob tohto preukázania. Prvá skupina
noriem sa postupne zaraďuje medzi tzv. harmonizované normy v rámci posudzovania
zhody podľa smernice 1999/5/EC (RTTE smernica).
20
EN 50371 - je norma, ktorá pojednáva o preukazovaní zhody nízko-výkonových
elektrických zariadení so základnými obmedzeniami pre vystavenie človeka
elektromagnetickým poliam vo frekvenčnom pásme 10 MHz až 300 GHz. Táto norma
vychádza z najpesimistickejších podmienok absorpcie vyžiareného výkonu v tele človeka,
t.j. že všetok vyžiarený výkon sa absorbuje v tkanive obsluhy. Hlavné obmedzenie je 2
W/kg v ktorejkoľvek časti tkaniva, merané v každých 10 g. Z toho vyplýva, že
zariadenia s výkonom do 20 mW EIRP spĺňajú podmienky medzných hodnôt pre
absorbovaný výkon.
EN 50360 - je norma, ktorá slúži na preukázanie zhody mobilných telefónov so
základnými obmedzeniami z hľadiska vystavenia človeka elektromagnetickým poliam.
Podobne ako norma EN 30371 vychádza z maximálneho absorbovaného výkonu SAR
v tkanive obsluhy. Spôsob merania tohto výkonu je uvedený v norme EN 50361.
STN EN 50364 – Obmedzenie expozície človeka elektromagnetickým poliam od
zariadení pracujúcich vo frekvenčnom rozsahu 0 Hz – 10 GHz, používaných pri
elektronickej ochrane tovaru (EAS), vysokofrekvenčnej identifikácii (RFID)
a podobných aplikáciách. Táto predmetová norma sa používa na preukázanie zhody
s požiadavkami smernice 1999/519/E, ktoré sa týkajú obmedzenia expozície človeka
EMF, ktorého zdrojom je zariadenie určené na identifikáciu tovaru a iných predmetov
a osôb. Norma pripúšťa posudzovanie zhody meraním alebo výpočtom. Spôsoby merania
ako aj výpočtu sú uvedené v norme EN 50357. Rozdeľuje expozíciu na expozíciu
obyvateľstva a pracovníkov. Medzné hodnoty vychádzajú zo smernice ICNIRP. Podľa
tejto normy je požadované vykonať len typové posudzovanie a nie je požadované
vykonať meranie pri každej inštalácii zariadenia. To sa môže vykonať na základe
požiadavky investora.
EN 50392 - všeobecná norma na preukázanie zhody elektroniky a elektronických
prístrojov so základnými obmedzeniami vo vzťahu k ožiareniu ľudí elektromagnetickými
poliami vo frekvenčnom pásme 0 Hz – 300 GHz.
EN 62311 - všeobecná produktová norma na preukázanie zhody elektroniky
a elektronických prístrojov so základnými obmedzeniami vo vzťahu k ožiareniu ľudí
elektromagnetickými poliami vo frekvenčnom pásme 0 Hz – 300 GHz.
EN 50361 - táto norma je technickou podporou normy EN 50360. Obsahuje
spôsoby preukázania zhody s požiadavkami EN 50360. Spôsoby preukázania rozdeľuje
na:
21
• preukázanie pomocou merania
• preukázanie pomocou výpočtu
Preukázanie zhody pomocou merania sa zameriava hlavne na laboratórne merania
SAR na fantóme, ktoré nahradzuje hlavu, pretože mobilný telefón sa pri používaní
dostáva najbližšie k telu pri hlave. Merania sa vykonávajú v laboratóriách skenovaním,
premeriavaním vnútra fantómu pomocou malej izotropnej sondy pri priložení telefónu
v prevádzke k fantómu. Toto meranie je pomerne náročné na meracie, hlavne pomocné
prístroje. [4]
5.2 Národná legislatíva
V bývalom Československu boli už v roku 1965 výnosom hlavného hygienika
stanovené medzné hodnoty elektromagnetického poľa pre obyvateľstvo a pre
pracovníkov. Pokračujúcim legislatívnym krokom bola príloha č. 9 smernice 40/1976
„Hygienické predpisy o hygienických požiadavkách na stacionárne stroje a technické
zariadenia.“
Do marca roku 2004 bola v platnosti vyhláška 123/1993, ktorá vychádzala
z poznatkov a z názorov vedcov z bývalej ZSSR, kde sa uvažovala dĺžka pobytu
v elektromagnetickom poli podobne ako v prípade ionizujúceho žiarenia
(rádioaktívneho). Uvažovalo sa s dávkou ožiarenia EMF, kde dávka bola definovaná ako
výkonová hustota alebo intenzita EMF násobená dobou trvania žiarenia v hodinách.
Medze uvedené v tejto smernici boli postavené na dávke ožiarenia. Pre zamestnancov sa
brala ako denná doba ožiarenia 8hodína pre obyvateľstvo 24 hodín. V marci roku 2004
vošla do platnosti vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č. 271/2004 o ochrane zdravia
pred neionizujúcim žiarením, ktorá dávala do súladu prístup k stanoveniu medzných
hodnôt pre obyvateľstvo.
V roku 2006 vošli do platnosti dve nariadenie vlády SR:
• č. 325/2006 o podrobnostiach o požiadavkách na zdroje elektromagnetického poľa
a na limity expozície obyvateľov elektromagnetickému poľu v životnom prostredí
22
• č. 329/2006 o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách na
ochranu zamestnancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou
elektromagnetickému poľu
6. Dôvod a požiadavky na merania SAR
Už v minulosti bol záujem širokej verejnosti skúmať možné zdravotné dopady na
ľudský organizmus z dlhodobého vystavenia rádiofrekvenčnému žiareniu. Vysoké
hodnoty RF žiarenia sú známe tým, že majú množstvo negatívnych účinkov na ľudské
telo. V posledných rokoch významnou mierou vzrástol počet užívateľov najmä
mobilných telefónov a iných prenosných rádiových zariadení, pričom pri častom
používaní týchto zariadení boli zaznamenané negatívne účinky ako je napr. ohrev tkaniva
ľudského tela. Z týchto dôvodov sa stalo celosvetovým úsilím prijať zákony na ochranu
zdravia spotrebiteľov. Množstvo úradov, zamestnávateľov i zamestnancov chce byť
oboznámených s limitmi SAR u produktov, ktoré sú umiestnené na trhu. Preto sa meranie
SAR stáva rýchlo rastúcou požiadavkou pre spoločnosti zaoberajúce sa výrobou týchto
produktov. [5]
6.1 Pravidlá pre vyhovenie mobilných a prenosných zariadení
Pre účely vyhodnocovania RF vyžarovania je mobilné zariadenie definované ako
vysielacie zariadenie pre použitie v inej ako fixnej polohe a všeobecne používané tým
spôsobom, že medzi vyžarujúcou časťou vysielača a telom používateľa alebo osoby
v blízkosti je normálne udržovaná vzdialenosť najmenej 20cm. V tomto kontexte sa ako
fixná poloha rozumie, že zariadenie vrátane antény je fyzicky upevnené na jednom mieste
a nie je možné ho jednoducho premiestniť na iné miesto. Príklady takýchto zariadení sú
mobilné telefóny a niektoré ďalšie prenosné bezdrôtové vysielacie zariadenia. Tieto
zariadenia sa bežne hodnotia vyžarovacím potenciálom MPE.
Mobilné a prenosné vysielacie zariadenia pracujúce v bunkových rádio
telefónnych službách, osobných komunikačných službách (Personal Communication
Services – PCS), satelitných komunikačných službách, bezdrôtových komunikačných
23
službách, námorných službách (len pozemné stanice) a špecializovaných mobilných
rádiových službách sú predmetom merania RF vyžiarenia pred ich schválením alebo
použitím. Nelicencované PCS, a zariadenia pracujúce na milimetrových vlnách
hodnotené organizáciou Industry Canada sú tiež predmetom merania RF vyžarovania
pred ich schválením alebo použitím. Všetky vyššie uvedené zariadenia sú zahrnuté v
príslušných špecifických rádiových normách.
V tejto práci sa merania budú vykonávať na prenosných rádiových a mobilných
zariadeniach. Pre účely vyhodnocovania RF vyžarovania je prenosné zariadenie
definované ako vysielacie zariadenia, ktoré je v priamom kontakte s telom používateľa pri
normálnych prevádzkových podmienkach. Prenosné zariadenia sú hodnotené s ohľadom
na limity SAR pre RF vyžarovanie. Kritéria sú založené na zisteniach, že pri úrovni SAR
v priemer 4W/kg na celom tele môžu nastať škodlivé biologické účinky. Pre väčšinu
prenosných vysielačov je príslušný limit SAR v priemere 1,6W/kg na 1 gram tkaniva
definovaného ako tkanivo v objemovom tvare kocky. [5]
6.2 Procedúry pre vyhodnocovanie prenosných zariadení
Prenosné komunikačné zariadenia typicky pracujú v rozsahu menšom ako 100
mW až do niekoľkých wattov a používajú analógové alebo digitálne modulačné techniky.
Väčšina prenosných zariadení má anténu, ktorá vyžaruje niekoľko centimetrov od tela
používateľa. Intenzita poľa a rozloženie poľa v blízkosti antény je vysoko závislé od
polohy, orientácie a elektromagnetických charakteristík okolitých objektov. Hlava, ruka
a telo používateľa sú v oblasti blízkeho poľa antény kde EMF je zväčša nešírivé. Energia
absorbovaná v hlave, v ruke a v tele je spôsobená elektrickými poľami indukovanými
magnetickými poľami generovanými prúdmi tečúcimi v bode napájania antény, pozdĺž
antény a tela prenosného zariadenia. RF energia sa potom rozptyľuje a utlmuje pri šírení v
tkanive a maximum absorpcie energie sa očakáva vo viac absorbujúcich tkanivách
s vysokým obsahom vody v blízkosti povrchu tela, hlavy a ruky . Vyhodnotenie týchto
účinkov sa robí pomocou realistických modelov zvaných fantóm.
Vyhodnotenie SAR nízko výkonových zariadení sa môže vykonať pomocou
meraní elektrického poľa vo vnútri tkaniva. SAR sa potom určí podľa nasledujúceho
vzorca:
24
SAR=
σ Ei2
ρ (19)
Kde:
Ei - rms hodnota intenzity elektrického poľa v tkanive tela vyjadrovanej v [V/m]
σ - vodivosť tkaniva tela vyjadrovaná v [S/m]
ρ - hustota tkaniva tela vyjadrená v [kg/m3]
Za určitých okolností je možné určiť SAR na základe zvýšenia teploty v tkanive
podľa nasledujúceho vzorca:
SAR= cidT
dt (20)
Kde:
ci - teplotná kapacita tkaniva vyjadrená v [J/kg K]
dT - je vzostup teploty
dt - je trvanie ožiarenia
Avšak pri použití tejto techniky je nutný vysoký výkon spolu s krátkym trvaním
ožiarenia, aby sa zabránilo chybám v dôsledku termálnej difúzie. Preto je táto metóda
väčšinou nepoužiteľná pre vyhodnocovanie SAR nízko výkonových vysielačov, ale je
užitočná pri kalibrácii meracích sond.
Pri zariadeniach nosených pri tele, ako napr. vysielače na pleci, na páse alebo na
hrudi sa SAR vyhodnocuje podľa pokynov výrobcu na prevádzkovú polohu zariadenia
a zahŕňajú tiež iné typické prevádzkové polohy, pri ktorých nastáva maximum absorpcie
energie do používateľa alebo okolitých osôb. Pokiaľ je anténa vyťahovateľná, je potrebné
vykonať merania so stiahnutou aj vytiahnutou anténou. Nie je totiž vždy s istotou možné
určiť, ktorá konfigurácia spôsobí maximálnu absorpciu energie v tkanivách. Je to
spôsobené dizajnom a vlastnosťami antény a jej interakciou s telom prístroja v obidvoch
polohách. [5]
25
7. Poloautomatické pracoviska na meranie SAR
Poloautomatické pracovisko na meranie SAR (viď. obr.7.1) sa skladá z malej
izotropnej sondy elektrického poľa, držiaka sondy, prístrojového a počítačového
vybavenia používaného na meranie a spracovanie výsledných hodnôt z meraní. Tiež je
potrebné doplnkové vybavenie na kalibráciu sondy a materiál na zhotovenie simulácie
tkaniva.
Obr. 7.1 Bloková schéma poloautomatického pracoviska na meranie SAR
Na obrázku 7.2 je fotografia profesionálneho pracoviska na meranie SAR, ktoré je
ale na naše podmienky veľmi nákladné a jeho cena sa pohybuje v niekoľkých miliónov
SK. Pracovisko je plnoautomatické, takže doba merania je omnoho kratšia ako na
poloautomatickom pracovisku, kde jedno meranie trvá 30 až 50 min. Záleží od hustoty
rastra a rozmerov fantóma.
26
Obr. 7.2 Profesionálne pracovisko na meranie SAR
7.1 Popis zhotovenia sondy na meranie elektrického poľa
Sonda je trojkanálové zariadenie používané na meranie RF elektrických polí.
Senzory sú tri dipóly, každý dlhý 9 mm, ktorými sa odmeria intenzita poľa v troch na
sebe kolmých rovinách. V každom kanáli sondy je dipól a vysoko impedančné vedenie
umiestnené na plochom substráte. V strede dipólu je Schottkyho dióda (obr.7.4).
Schottkyho dióda má volt-ampérovú charakteristiku podobnú charakteristike
kremíkovej diódy s výnimkou prahového napätia UF = 0,3 V (oproti 0, 7V pre kremíkové
diódy). Ked' Schottkyho dióda pracuje v priamom smere, prúd je vyvolaný pohybom
elektrónov z kremíka typu N krížom cez priechod a cez kov . Pretože sa elektróny v kove
pohybujú relatívne voľne, rekombinačný čas je malý, rádovo 10 ps. Je to rýchlejšie, ako v
obyčajných diódach s priechodom PN. Kapacita spojená s touto diódou je veľmi malá. [6]
Každý dipól je na plošnej doske umiestnený pod uhlom 54, 7º. Jednotlivé dipóly
sú zoskupené do tvaru trojuholníka (obr.7.5). Výstup z každej sondy je pomocou
tienených vodičov privedený cez prepínač na vstup operačného zosilňovača (OZ). Sonda
je umiestnená v ochrannom obale (obr.7.3), aby sa zabránilo styku s korozívnymi
zložkami simulovaného tkaniva. Celková dĺžka sondy je asi 25cm. Držiak sondy je
vyrobený z nevodivého materiálu, aby výrazne neovplyvňovala merané pole. Sonda je
krehká, pri manipulácii s ňou je potrebná zvýšená opatrnosť. [7]
27
Obr. 7.3 Reálne zhotovenie sondy
Obr. 7.4 Schéma zapojenia sondy
Ako je zo zapojenia sondy (obr.7.4) vidieť, uprostred dipólu je zapojená
Schottkyho dióda, ktorá mení vysoko frekvenčné napätie (VF) na nízko frekvenčné
napätie (NF). Dipól slúži ako detektor. Induktory L1 a L 2 eliminujú vplyv zvyšku
spojenia dipólu, aby prepojovací drôt mal čo najmenší vplyv na charakteristiku dipólu.
Kapacitori C1, C2 a C3 skratujú VF a zamedzujú vplyv okolia na charakteristiku dipólu.
Výstup zo sondy je privedený na vstup OZ.
28
Obr. 7.5 Zapojenie dipólov do trojuholníka
7.1.1 Testovanie sondy a charakteristika dipólu
Zariadenie Výrobca Typ zariadenia
Generátor KALMUS –
Voltmeter Rodhe & Schwarts –
Napájací zdroj – ZSZ 75
PC ACER Acros 486
Programovací jazyk – Pascal
Prepojovací kábel PC-VM Hewlett-Packard HPIB
Tab.7.1 Zoznam použitých meracích zariadení
Postup testovania sondy je nasledujúci:
• Zapojiť prístroje podľa (obr.7.1).
• Nastaviť RF generátor na frekvenciu 1GHz a určiť meranú hodnotu z voltmetra.
• Sondu ožarujeme hornovou anténou v horizontálnej polohe.
• Po dosiahnutí tejto polohy je potrebné ju udržať počas celého merania.
• Postupne nastaviť RF generátor pozri (tab. 7.2) na ďalšiu požadovanú frekvenciu
až do 2,4 GHz.
29
Tab.7.2 Namerané hodnoty
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4
f [GHz]
U [m
V]
Graf 7.1 Výsledná charakteristika dipólu
7.1.2 Zosilnenie výstupného napätia zo sondy
Na výstupe sondy je veľmi nízke jednosmerné, usmernené napätie okolo 4 mV,
ktoré je na meranie nepostačujúce. Preto je potrebné výstupné napätie zo sondy zosilniť
pomocou neinvertujúceho zapojenia OZ - MAA 741 . Schéma zapojenia OZ je na (obr.
7.6).
F [GHz] 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4
U [mV] 42 41 40 41 62 71 36 30 29 16 12 8 6 5 3
30
Obr.7.6 Schéma neinvertujúceho zapojenia OZ – MAA 741
Na základe zapojenia z (obr. 7.6) sme dosiahli požadovaný zisk z OZ G = 1000.
Rezistor R1 v zapojení slúži na zaťaženie vstupu aby sa zamedzilo elektromagnetickému
rušeniu z okolia. Kondenzátor C1 slúži na odrušenie napájania integrovaného obvodu.
Výstup zo zosilňovača je pomocou konektora vyvedený na voltmeter. Zosilňovač je
napájaný zo zdroja +Ucc = 15 V.
7.1.3 Kalibrácia sondy
Pred začatím merania je potrebné sondu nakalibrovať. Kalibrácia sondy bude
vykonaná pri frekvencii 850 MHz. Objem kvapaliny, v ktorej bude kalibrácia sondy
vykonaná je 4litre. Princíp kalibrácie môže vychádzať z definície SAR podľa vzorca 20
kde je absorbovaný výkon definovaný ako zmena teploty ožarovaného materiálu počas
určitého času alebo podľa vzorca 19 kde je SAR vyjadrený v závislosti na intenzite poľa
vodivosti a hustote tkaniva. Aby bolo možné kalibrovať sondu je potrebné, aby bolo
možné rovnomerne absorbovať známy výkon do známeho množstva materiálu
simulujúceho ľudské tkanivo. Kalibrácia bola vykonaná na uzavretom vlnovode, kde je
predpoklad rovnomerného rozloženia výkonu. (pozri obrázok 7.7). Do vlnovodu bola
vložená kvapalina simulujúca tkanivo. Táto bola vložená v igelitovom sáčku tak, aby
31
nedošlo k vodivému skratovaniu žiariča so stenami vlnovodu. Do otvoru na vrchu bola
vložená sonda, ktorá bola ponorená do polovice vlnovodu, tak aby sa nachádzala
približne v jeho strede. Vlnovod bol použitý z toho dôvodu, aby došlo k čo
najrovnomernejšiemu rozloženiu výkonu v tekutine. VF výkon bol do vlnovodu
dodávaný pomocou žiariča pripojeného na N- konektor. Prispôsobenie bolo zabezpečené
tým, že celé to bolo konštruované ako prechod koaxiál – vlnovod pre frekvenčné pásmo
0,8 – 2 GHz. Výkon do vlnovodu sa postupne zvyšoval tak, aby bolo dosiahnutý SAR
vo vlnovode v rozmedzí 0,2 až 1,7 W/kg . Výššie úrovne nám neumožňoval zdroj VF
signálu. Ako zdroj signálu bol použitý výkonový generátor (pozri obr.7.8) Výsledky
z kalibrácie sú uvedené v (tab. 7.3).
Výkon
[W] SAR
[W/kg] Uv [V]
0,8 0,2 0,87 1,2 0,3 2,3 1,6 0,4 2,8 2 0,5 4,36
2,4 0,6 4,43 2,8 0,7 5,7 3,2 0,8 5,9 3,6 0,9 6 4,0 1,0 7,9 4,4 1,1 8,0 4,8 1,2 12,7 5,2 1,3 15,1 5,6 1,4 16,5 6 1,5 17,06
6,4 1,6 17,34 6,8 1,7 17,5
Tab.7.3 Výsledné hodnoty z kalibrácie sondy
32
Obr. 7.7 Kalibrácia sondy vo vlnovode
Obr. 7.8 Výkonový generátor
7.2 Zhotovenie plochého fantóma na meranie SAR
Pre tento prípad bol zvolený fantóm podľa EN 50 383. V tomto prípade ide
o fantóm, ktorý má simulovať oblasť tela užívateľa (aplikuje sa pre rádiové zariadenia,
ktoré sa nosia pri tele). Fantóm simuluje veľkosť, obrysy a elektrické vlastnosti ľudského
tkaniva pri normálnej telesnej teplote. Je zložený z pevného obalu a syntetického roztoku
ekvivalentného ľudskému tkanivu.
Uzavretý vlnovod
33
Obr. 7.9 Plochý fantóm
Pevný obal plochého fantóma (obr.7.9) je vyrobený z plexiskla, ktorý je
transparentný voči šíreniu elektromagnetickej energie (teda má veľmi nízku absorpciu RF
energie) a je čo najtenší pri zachovaní pevnosti potrebnej na udržanie hmoty
simulovaného tkaniva. Plochý fantóm v tvare kvádra má rozmery 40 x 20 x 9. Jednotlivé
časti plochého fantóma sú spojené akrylovým lepidlom.
7.3 Simulácia tkaniva pre meranie SAR
Modely tkaniva používané pre testovanie ručných zariadení musia byť
zodpovedajúce pre pracovnú frekvenciu testovaného zariadenia. Tkanivá tela sú typicky
rozlišované na základe obsahu vody. Tkanivá s vysokým obsahom vody, ako napr. svaly
a koža, absorbujú viac RF energie ako tkanivá s nízkym obsahom vody, ako napr. tuk,
kosti alebo lebka. Elektrické vlastnosti tkanív na RF a mikrovlnných frekvenciách sú
charakterizované permitivitou a vodivosťou pri bežnej teplote ľudského tela, okolo 37°C.
Tieto parametre tkaniva sú tiež teplotne závislé. Pri tkanivách s vysokým obsahom vody
permitivita klesá o hodnotu asi 0,5%/°C a vodivosť stúpa asi o 2%/°C. Simulované
tkanivá používané pri meraniach SAR sa väčšinou správajú podobne. Sú typicky
namiešané pre použitie pri izbovej teplote s ekvivalentnými vlastnosťami tkaniva pri
teplote 37°C. [5]
Sú dva spôsoby prípravy simulovaných tkanív s vysokým obsahom vody. Jedným
je nepriehľadný gél zložený z vody, soli, polyetylénového prášku a želatínového činidla
označovaného ako TX-151. Druhým typom je kvapalina zložená z vody, cukru, soli
34
a zložky zvanej HEC, ktorou sa nastavuje viskozita kvapaliny. Gél sa väčšinou používa
pre merania SAR u vysoko výkonových aplikácií použitím termografov alebo metód
s meraním teploty. Tekutý materiál je priehľadný, ponúka výhody pri skladaní meracej
zostavy a meraniach a používa sa len jeden typ tkaniva, ten s najväčšou absorpciou
reprezentujúci najhoršie podmienky. V tomto prípade sa kvapalné tkanivo umiestni do
nádoby tvaru hlavy alebo inej časti tela, ktorá je tvorená stenami o hrúbke 3-5mm typicky
tvorenej z plexiskla alebo iných plastických materiálov s veľmi nízkou absorpciou RF
energie Priemerné parametre tkaniva mozgu a svalov uvedené v procedúre môžu poslúžiť
ako návod na vývoj vhodných fantómov pre merania SAR. Vo všeobecnosti je ťažké
pripraviť materiály s presnými vlastnosťami, preto sme v meraní použili bežne dostupné
zložky na simuláciu tkaniva.(tab. 7.4).
Zložky Množstvo
Voda 2,5 l
Soľ 66 g
Cukor 2,14 kg
Tab. 7.4 Použité zložky a množstvo na simuláciu tkaniva
35
8. Princíp činnosti programu pre spracovanie výsledkov z
merania
Program na meranie a zobrazenie výsledkov bol napísany v programovacom
jazyku Pascal. Program bol rozdelený na dve časti. Prvý program s označením
Voltmeterx (obr. 8.2) zabezpečuje meranie napätí v jednotlivých miestach fantóma. Na
začiatku programu sa zadá názov súboru, kde sa uložia výsledky z merania. Potom sa
zadajú počty bodov v X ovej a Y ovej súradnici. Tieto hodnoty určia hustotu výsledného
rastru v zobrazení rozdelenia SAR. Program pracuje v poloautomatickom režime tzn. že
meranie napätia je automatické a posúvanie sondy na jednotlivé pozície v rastri
a prepínanie jednotlivých detektorov (v x-ovej, y-ovej a z-ovej rovine) je manuálne. Po
skončení merania sú namerané honoty uložené do súboru s určeným názvom. Druhý
program s názvom graph2 (obr. 8.1) slúži na spracovanie nameraných hodnôt do grafu,
ktorý zobrazuje rozloženie SAR v rovine X, Y. Program Voltmeterx je navrhnutý tak, že
v prípade nechceného prerušenia merania z dôvodu výpadku el. energie, alebo iných
príčin je možné pokračovať v meraní tam, kde bolo prerušené meranie, pretože program
ukladá medzivýsledky. Zo sondy sú výstupom tri napätia z troch smerov žiarenia, ktoré sa
z voltmetra ukladajú do počítača. Program si ukladá a vypočíta výsledné napätie podľa
nasledujúceho vzorca.
Uv = Ux2 + Uy
2 + Uz2
(21)
Pre vykreslenie grafu je potrebné zadať názov súboru kde sú uložené výsledky
z merania, z ktorého chceme vykresliť graf. Ďalej je potrebné zadať frekvenciu na ktorej
bolo meranie vykonané. Prideľovanie k hodnotám získaným z voltmetra hodnotu SAR
získanú z kalibrácie vykonáva táto procedúra:
36
1. begin
2. roz1:=abs(value[j,i]- kalo[f-1]);
3. roz2:=abs(value[j,i]- kalo[f]);
4. if roz1>=roz2 then value[j,i]:=f*0.1;
5. if roz2>roz1 then value[j,i]:=(f-1)*0.1;
6. f:=16;
7. end;
Obr. 8.1 Vývojový diagram pre vykreslenie grafu
Začiatok
Načítanie názvu súboru, kde sú uložené namerané hod.
Načítanie názvu súboru, kde sú uvedené kalibračné dáta
Načítanie hodnôt z jednotlivých súborov
Výpočet hodnôt SAR pre jednotlivé body mriežky
Vykreslenie grafu
Koniec
37
Obr. 8.2 Vývojový diagram programu pre spracovanie údajov z voltmetra
38
8.1 Komunikácia počítača s voltmetrom
Programovací jazyk Pascal dokáže spolupracovať aj s externým zariadením.
V tomto prípade je to voltmeter.
Na to aby, bolo možné prijímať merané hodnoty z voltmetra je potrebné, aby bolo
zariadenie k počítaču pripojené a mohlo s ním komunikovať. Toto je možné vďaka
rozhraniu HPIB. Cez kartu obsahujúcu toto rozhranie je pripojený voltmeter. Spojenie
počítača s voltmetrom je vytvorené pomocou dátového kábla Advantech 10488.
8.1.1 Rozhranie HPIB
Spoločnosť Hewlett – Packard vyvinula v roku 1960 rozhranie pre počítačmi
riadené meracie systémy. Toto rozhranie nazvali HPIB (Hewlett – Packard Interface Bus).
HPIB sa rýchlo stalo populárnym, preto z neho organizácia na tvorbu noriem IEEE
(Institute for Electrical and Electronics Engineers) vytvorila štandard s označením GPIB
(General Purpose Instrumentation Bus). IEEE 488 (štandard opisujúci toto rozhranie ) bol
prvý krát zavedený v roku 1978. V roku 1980 bol tento štandard doplnený o nové
skutočnosti. To viedlo k jeho premenovaniu na IEEE 488.1. Najnovší štandard má
označenie IEEE 488.2.
IEEE 488.2 zahŕňa minimálne požiadavky pre ovládače (kontroléry) a možnosti
(funkcie) zariadení (vysielač, prijímač, kontrolér). Takisto je v novej špecifikácii (oproti
IEEE 488.1) podrobnejšie definovaný formát, kódovanie údajov, štruktúra
komunikačného protokolu a správ medzi kontrolérom a zariadením.
Vlastnosti rozhrania HPIB:
• prenosová rýchlosť 1 MB/s
• maximálne 14 meracích zariadení pripojených na 1 riadiaci počítač
• maximálna dĺžka zbernice je 20 m
• maximálna vzdialenosť medzi zariadeniami je 2 m
• dáta sa vysielajú po 1 bajte ( 8 bitov súčastne - paralelný prenos )
24 zbernicových vodičov sa delí na 4 skupiny:
39
• informačné / adresné vodiče ( DIO 1 – DIO 8 ) – prenos dát obojsmerne
• vodiče riadenia prenosu dát ( DAV, NDAC, NRFD )
• vodiče riadenia obecných funkcií sústavy ( ATN, IFC, REN, SRQ, EOI )
• uzemňovacie a tieniace vodiče
Zariadenia môžu byť pripojené na počítač pomocou zbernice do hviezdy alebo
sériovo (sekvenčne) za sebou. V praxi je možné zapojiť maximálne tri konektory jeden na
druhý (vzhľadom na dĺžku prepojovacieho kábla ). [8]
40
9. Meranie SAR
Celé meranie SAR sa vykonávalo v tienenej komore umiestnenej vo výskumnom
laboratóriu Výskumný ústav spojov v Banskej Bystrici. Merané zariadenia boli
umiestnené vnútri tejto komory z dôvodu minimalizovania okolitých vplyvov pri meraní.
Meranie SAR týchto zariadení:
1. Lieviková anténa – parametre:
- Pracovné frekvenčné pásmo : 1 GHz až 18 GHz
- Pomer stojatých vĺn (PSV, VSWR) : < 1.5:1
- Impedancia : 50 Ω
- Výstupný konektor typu : N
- Rozmery : 24,4 cm x 27,9 cm x 15,9 cm (vrátane apertúry)
- Váha : 1,8 kg
- Výrobca : THE ELECTRO-MECHANICS CO
2. Plochá anténa pre pásmo GSM 900
3. Mobilný telefón Samsung SGH – X480
Zariadenie Výrobca Typ zariadenia
Generátor Marconi –
Voltmeter Rodhe & Schwarts –
Napájací zdroj – ZSZ 75
PC ACER Acros 486
Programovací jazyk – Pascal
Prepojovací kábel PC-VM Hewlett-Packard HPIB
Tab. 9.1 Zoznam použitých meracích zariadení
Výsledky merania na jednotlivých zdrojoch elektromagnetického vyžarovania sú
farebne znázornené na grafoch (9.1 - 9.4). Na grafe 9.1 sú uvedené hodnoty napätia
v jednotlivých bodoch rastru. V tomto meraní sa použila sonda len s jedným dipólom,
ktorý bol orientovaný do tej istej polarizácie ako anténa, ktorá bola zdrojom
elektromagnetického žiarenia. Toto meranie sa vykonalo na súradnicovej sieti 38x19
41
bodov. Zdrojom elektromagnetického žiarenia v tomto prípade bola lieviková anténa . Na
grafoch (9.2 - 9.4) sú výsledky SAR merané na hore uvedených zariadeniach. Tieto
meranie sa vykonali so sondou, ktorá mala tri navzájom kolmé dipóly podľa kapitoly 7.1.
Merania sa vykonali len v súradnicovej sieti 12 x 6 bodov z časového dôvodu. V každom
bode sa meranie napätia vykonalo tri krát (na každom dipóle osobitne) a výsledná
hodnota napätia sa získala podľa vzorca 21. Jednotlivým napätiam sa pomocou
kalibračnej tabuľky 7.3 priradili hodnoty SAR a týmto hodnotám odpovedá farba poľa na
danej súradnici podľa tabuľky 9.3.
Graf 9.1 Napätia na jednotlivých súradniciach pri meraní so sondou s jedným dipólom
42
Farba U [V] Modrá 1 – 2 Zelená 2 – 3 Zelenomodrá 3 – 4 Červená 4 – 5 Fialová 5 – 6 Hnedá 6 – 7 Svetlo šedá 7 – 8 Tmavošedá 8 – 9 Svetlomodrá 9 – 10 Svetlozelená 10 – 11 Svetlo zelenomodrá 11 – 12 Svetločervená 12 – 13 Svetlofialová 13 – 14 Žltá 14 - 15
Tab. 9.2 Farba priradená k výslednému napätiu
Graf 9.2 Farebne znázornená úroveň SAR lievikovej antény
43
Pri meraní s lievikovou anténou bol fantóm položený na jej ústí (obr. 9.1).
V tomto prípade meranie sa vykonalo v oblasti blízkeho poľa antény, kde rozloženie poľa
je rovinné a prejavujú sa odrazy od vodivých častí antény. Z toho dôvodu najväčšie SAR
bolo namerané na okrajoch antény (v jej rohoch) graf 9.2.
Obr. 9.1 Fantóm s lievikovou anténou
Graf. 9.3 Farebne znázornená úroveň SAR plochej antény pre pásmo GSM 900
V tomto prípade ide o plochú anténu, ktorá pri meraní bola prilepená zo spodnej
časti fantóma. Najvyššie hodnoty SAR nie sú priamo pred anténou, ale na okraji fantómu,
fantóm
lieviková anténa
44
čiže vo vzdialenosti viac ako 5 cm od antény. Je to spôsobené tým, že tieto miesta sú vo
vzdialenom poli, kde sa prejavuje zisk antény, kým miesta v strede fantómu sa
nachádzajú v blízkom reaktívnom poli antény, kde sa neprejavuje zisk antény (graf 9.3).
Graf. 9.4 Farebne znázornená úroveň SAR pre mobilný telefón Samsung SGH-X480
V tomto prípade bol telefón upevnený v strede fantómu užívateľskou stranou
otočenou k fantómu (aby sa simulovalo priloženie telefónu k hlave užívateľa). Aj v tomto
prípade priamo pred anténou je najmenšie SAR. Je to z toho dôvodu, že antény
v mobilných telefónoch sú smerované tak aby sa minimalizoval výkon smerovaný do
hlavy účastníka. Hodnoty v týchto miestach sú maximálne 0,6 – 0,7 W/kg čo odpovedá
hodnotám definovaných výrobcom telefónu. Najvyššie namerané hodnoty SAR boli 1,2
W/kg ale tieto sa nachádzajú na okrajoch fantómu ale vo fantóme (graf 9.4), ktorý
simuluje hlavu (na ktorom sa merania telefónov vykonávajú) by tieto miesta boli mimo
fantómu.
45
Farba SAR [W/kg] Modrá 0,2 – 0,3 Zelená 0,3 – 0,4 Zelenomodrá 0,4 – 0,5 Červená 0,5 – 0,6 Fialová 0,6 – 0,7 Hnedá 0,7 – 0,8 Svetlo šedá 0,8 – 0,9 Tmavošedá 0,9 – 1,0 Svetlomodrá 1,0 – 1,1 Svetlozelená 1,1 – 1,2 Svetlo zelenomodrá 1,2 – 1,3 Svetločervená 1,3 – 1,4 Svetlofialová 1,4 – 1,5 Žltá 1,5 – 1,6 Biela 1,6 – 1,7
Tab.9.3 Priradená farba výsledného SAR k jednotlivým napätiam
9.1 Systémová chyba merania
Neistota merania SAR je výsledkom neistôt jednotlivých prvkov systému
a neistoty v skenovacom procese. Hlavné vplyvy na neistotu merania majú tieto
skutočnosti:
1. izotropia sondy
2. kalibrácia sondy
3. tvar fantómu a pozícia skúšaného zariadenia
4. systém na skenovanie a získavanie dát
Tvar fantómu, pozícia sondy a kalibrácia majú najväčší vplyv na celkovú neistotu
merania.
1. Izotropia sondy - je spôsobená tým, že pri prekrytí smerových charakteristík
v dipóle má výsledná charakteristika tvar gule (obr. 9.2). Pri zobrazení výsledného
napätia na jednotlivých dipóloch pri otáčaní sondy o 360° je možné vidieť poklesy
celkového napätia pri jednotlivých uhloch otočenia sondy (graf 9.5).
46
Rozoznávame :
• Osová izotropia - je maximálna odchýlka pri otáčaní sondy okolo vlastnej
• Hemisferická izotropia – maximálna odchýlka pri otáčaní sondy okolo osi kolmej
na vlastnú os.
Obr. 9.2 Priestorové zobrazenie izotropie sondy
Z grafu 9.5 je viditeľné, že maximálna odchýlka pri súčtovom výsledku jednotlivých
napätí (na obrázku je to horná spojitá čiara) sa pohybuje v rozsahu 63 – 68 mV, čomu
odpovedá neistota ±3,8 %.
Graf 9.5 Napätia na jednotlivých dipóloch pri otáčaní sondy okolo vlastnej osy
2. Kalibráciu sondy - je možné vykonať viacerými spôsobmi. V tomto prípade bola
použitá kalibrácia pomocou vlnovodu (obr. 7.7). Princíp tejto kalibrácie spočíva
47
v tom, že pomocou žiariča je vyžiarený výkon do vnútra vlnovodu. Tu sa
nachádza tekutina oddelená od žiariča dielektrickou doskou (v našom prípade bol
použitý igelitový sáčok). V tekutine sa nachádza sonda. Vlnovod zabezpečí
približne rovnomerné rozloženie výkonu v tekutine. Keďže výkon z generátora do
vlnovodu je známy a je nastaviteľný a hmotnosť tekutiny je tiež známa je možné
nastavovať SAR (W/kg). Chyba kalibrácie vzniká hlavne tým, že tekutina nie je
v celom priestore vlnovodu. V našom prípade to bolo približne 80 % priestoru,
takže maximálny príspevok neistoty spôsobený kalibráciou je ±10%.
3. Tvar fantóma a presnosť nastavenia pozície sondy - v tomto prípade boli použité
pomerne veľké kroky a preto presnosť nastavenia (maximálne ±3 mm pri kroku 3
cm) spôsobovala neistotu maximálne ±10%. Chyba spôsobená tvarom fantómu
(odrazy od stien a rohov) by z dôvodu jednoduchosti jeho tvaru a minimálnej
vodivosti stien nemala prekročiť ±3%.
4. Systém na získavanie dát - v tomto prípade sa na tomto procese podieľajú hlavne
dva prvky tohto reťazca – operačný zosilňovač a Voltmeter. Chyba voltmetru je
definovaná výrobcom maximálne na ±3% chybu spôsobenú OZ je možné len
odhadnúť (približne ±3%, čo je spôsobené hlavne stabilitou zdroja napájania).
Celkovú neistotu merania získame pomocou vzorca:
2 2
1
. m
c i ii
u c u=
= ∑ (22)
Kde ui sú jednotlivé neistoty uvedené vyššie a ci sú váhové koeficienty (podľa EN 50 383
=1)
Celková neistota merania pre tento prípad vychádza hodnota ±15,1% čo je menšie
ako maximálna doporučená neistota podľa normy ±20%. Z tohto dôvodu je možné
konštatovať že uvedené zariadenie je možné použiť na skúšanie rádiových zariadení
podľa normy EN 50 383.
48
10. Záver
Cieľom tejto diplomovej práce bolo navrhnúť a zostrojiť poloautomatické
pracovisko na meranie SAR na plochom dvojrozmernom fantóme pre frekvenčnú oblasť
od 800 MHz do 3000 MHZ.
Na začiatku práce je stručný úvod do problematiky elektromagnetického žiarenia,
ktoré je vytvárané elektromagnetickým poľom ako aj magnetickým a elektrickým poľom.
Ďalej sú v práci uvedené fyzikálne základy a pojmy súvisiace s riešenou problematikou.
V štvrtej kapitole je rozbor vplyvov elektromagnetického poľa na ľudský organizmus
z pohľadu medzinárodnej organizácie pre neonizujúce žiarenie ICNIRP ako aj
európskych a amerických normalizačných inštitúcii.
Návrh a popis samotnej realizácie poloautomatického pracoviska na meranie SAR
začína v siedmej kapitole. Bolo nutné zhotoviť a skonštruovať sondu na meranie
elektrického poľa. Navrhnúť a vykonať metodiku jej kalibrácie. Ďalej bolo treba vyrobiť
plochý fantóm, ktorý má simulovať oblasť ľudského tela. V ôsmej kapitole je popis
programov na spracovanie výsledkov z voltmetra a na vykreslenie grafov. Programy boli
napísané v programovacom jazyku Pascal. V deviatej kapitole je popis merania SAR,
zhodnotenie a neistota merania SAR. Meranie SAR bolo vykonané na rôznych rádiových
zariadeniach ako sú lieviková anténa, plochá anténa pre pásmo GSM 900 a mobilný
telefón Samsung SGH-X480. Pri mobilnom telefóne boli najvyššie namerné hodnoty
SAR 1,2 W/kg.. Hodnoty SAR namerané na mobilnom telefóne odpovedajú hodnotám
definovaným výrobcom.
Na poloautomatickom pracovisku je možné vykonávať meranie SAR na rôznych
prenosných rádiových zariadeniach. No pre urýchlenie jednotlivých meraní odporúčam
zhotoviť automatizované pracovisko, kde pohyb sondy by bol zabezpečený elektronicky
a nie manuálne.
49
Zoznam použitej literatúry
[1] NOVOTNÝ, K.: Teorie elektromagnetického pole I. Praha: ČVUT, 2000. 187 s.
ISBN 80-01-01774-5
[2] http://www.bbemg.ulg.ac.be/UK/2Basis/emwave.html - Vznik elektromagnetického
Žiarenia.
[3] http://www.standardsdirect.org/ - norma BS EN 50 383
[4] http://www.icnirp.de/documents/emfgdl.pdf - smernica ICNIRP
[5] http://www.spectrum-sciences.org/research/31-SSI_DRB_TP_D01_031Ver5.PDF
- SAR Measurements requirements
[6] http://www.spectrum-sciences.org/research/32-SSI_DRB_TP_D01_032Rev4.PDF
- Probe design and calibration requirements
[7] MICHAELI, L.: Základy Elektroniky. Košice: FEI TU, 2006. 45 s.
[8] http://sk.wikipedia.org/ - rozhranie HPIB (GPIB)
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Romana Ščehoviča a používal som
len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa ............................. .....................................
POĎAKOVANIE
Úprimne ďakujem vedúcemu diplomovej práce Ing. Romanovi Ščehovičovi za
odborné vedenie, konzultácie, všetky rady a pripomienky, ktorými ma viedol pri
vypracovávaní tejto diplomovej práce.
