POLE ELEKTROMAGNETYCZNE EMITOWANE PRZEZ URZĄDZENIA W ZAKRESIE RADIO- I MIKROFAL — APARATURA I METODYKA ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Medycyna Pracy 2008;59(6):513–519
© Instytut Medycyny Pracy im. prof. J. Nofera w Łodzi
PRACA PoglądowA
Paweł Bieńkowski
POLE ELEKTROMAGNETYCZNE EMITOWANE PRZEZ URZĄDZENIA
W ZAKRESIE RADIO- I MIKROFAL — APARATURA I METODYKA POMIARÓW
DLA OCHRONY ŚRODOWISKA I BEZPIECZEŃSTWA PRACY
ElECTRoMAgNETIC FIEldS EMITTEd IN RAdIo- ANd MICRowAVE- FREQUENCY RANgE: EQUIPMENT ANd METHodS
FoR THE ENVIRoNMENT PRoTECTIoN ANd SURVEY MEASUREMENTS
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki, Politechnika Wrocławska, Wrocław
Pracownia Ochrony Środowiska Elektromagnetycznego, Katedra Radiokomunikacji i Teleinformatyki
Streszczenie
W pracy dokonano przeglądu źródeł pola elektromagnetycznego w zakresie radiofal i mikrofal. Przedstawiono możliwości pomia-
rów ochronnych z wykorzystaniem metod szerokopasmowych i selektywnych wraz z przykładami aparatury pomiarowej. Osza-
cowano niepewność typowych pomiarów pola elektromagnetycznego dla celów ochrony środowiska i bezpieczeństwa pracy. Med.
Pr. 2008;59(6):513–519
Słowa kluczowe: metrologia pola elektromagnetycznego, ochrona środowiska elektromagnetycznego, pola elektromagnetyczne
Abstract
In the paper a review of electromagnetic ield sources in radio- and microwave- frequency range is presented. he aim of the study was
to analyze possibilities and methods used to survey electromagnetic ield (EMF) measurements. Selective and broadband methods with
examples of apparatus are described. he accuracy of typical EMF survey measurements was estimated. Med Pr 2008;59(6):513–519
Key words: electromagnetic ield metrology, electromagnetic environment protection, electromagnetic ields
Adres autora: Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki, Politechnika Wrocławska, Pracownia Ochrony
Środowiska Elektromagnetycznego, Katedra Radiokomunikacji i Teleinformatyki, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław,
e-mail: pawel.bienkowski@pwr.wroc.pl
Nadesłano: 6 października 2008
Zatwierdzono: 16 października 2008
WPROWADZENIE
Pomiary natężenia pola elektromagnetycznego (PEM)
są, obok teoretycznych analiz rozkładów pola (1),
podstawowym narzędziem oceny ekspozycji na PEM
w środowisku i na stanowiskach pracy. Do prowadzenia
pomiarów obligują również polskie przepisy ochronne
(2,3), które podają w zarysie metodykę, natomiast nie
opisują aparatury pomiarowej przeznaczonej do takich
pomiarów. Fakt ten, w powiązaniu ze stosunkowo małą
dokładnością metrologii pola elektromagnetycznego
(4), przyczynia się do wielu kontrowersji związanych
zarówno z samymi pomiarami, jak i interpretacją wyni-
ków i oceną ekspozycji na PEM.
W pracy przedstawiono krótki przegląd źródeł PEM
z zakresu radiofal i mikrofal, możliwe metody pomia-
ru PEM oraz ograniczenia ich stosowania, rozwiązania
techniczne aparatury pomiarowej oraz próba oszacowa-
nia niepewności takich pomiarów.
Przegląd źródeł PEM
W zakresie radiofal i mikrofal dominującymi źródłami
PEM — istotnymi z punktu widzenia ochrony przed
polem elektromagnetycznym — są między innymi: sys-
temy radiokomunikacyjne (w najszerszym rozumieniu
tego pojęcia), sprzęt ISM, urządzenia powszechnego
użytku (ESPU), systemy przeciwkradzieżowe (EAS)
oraz czujniki i sensory wykorzystujące fale radiowe do
realizacji funkcji podstawowych (np. mikrofalowe czuj-
niki ruchu) lub do transmisji danych. W tabeli 1. doko-
nano przeglądowego zestawienia źródeł PEM w zakre-
sie radiofal i mikrofal.
Z przedstawionego, zestawienia wynika duża róż-
norodność źródeł PEM w rozpatrywanym zakresie.
Pod względem liczebności bez wątpienia dominują te-
lefony komórkowe (według szacowań operatorów licz-
ba telefonów w Polsce zbliża się do liczby mieszkańców
naszego kraju) oraz stacje bazowe tychże systemów.
* Praca zrealizowana w ramach projektu badawczego nr 3T11D
00629 inansowanego przez MNiSW. Kierownik projektu —
dr inż. Paweł Bieńkowski. Została również wygłoszona na XXII Szko-
le Jesiennej Polskiego Towarzystwa Badań Radiacyjnych im. M. Skło-
dowskiej-Curie pt. „Pola elektromagnetyczne (PEM) w środowisku
— aspekty zdrowotne, ekologiczne i pomiarowe”, która odbyła się
w dn. 20–24 października 2008 r. w Zakopanem.
514
P. Bieńkowski
Nr 6
Tabela 1.
Przegląd źródeł PEM w zakresie radiofal i mikrofal
Table 1.
he review of electromagnetic ield (EMF) sources in radio- and microwave- band
Dziedzina zastosowań
Zakres częstotliwości
Typowe moce nadajników/generatorów
Radiokomunikacja
Nadajniki radiowe i telewizyjne
180 kHz–860 MHz
5 W–2 MW
Stacje bazowe telefonii komórkowej
450 (900)–2100 MHZ
2–50 W/kanał
Linie radiowe naziemne i satelitarne
1–40 GHZ
10 mW–20 W
Radiotelefony i terminale przenośne
27 MHz–2,1 GHz
0,1 W–15 W
Radiolokacja (radary)
1–10 GHz
1 W–3 MW w impulsie
Transmisja danych
Punkty dostępowe Wi-Fi
2,4; 5,1–5,8 GHz
0,1–1 W
Systemy PMP (punkt-wielopunkt)
3,5–26 GHz
0,1–20 W
Karty Wi-Fi
2,4; 5,1–5,8 GHz
10–100 mW
ISM
Nagrzewnice, suszarki i zgrzewarki dielektryczne
27,12 MHz
100 W–100 kW
Mineralizatory, suszarki mikrofalowe
2,45 GHz
300 W–10 kW
Aparaty do elektrochirurgii (lancetrony)
300–440 kHz, 1–3 MHz
30–200 W
Diatermie krótko i mikrofalowe
27,12 MHz–2,45 GHz
50–1 000 W (w impulsie)
MRI (niezależnie od pola magnetycznego,
występuje pole z zakresu radiofal)
40–100 MHz
30–200 W
EAS
1–20 MHz i 2,45 GHz
brak danych, praca impulsowa
ESPU
Kuchenki mikrofalowe
2,45 GHz
600–100 W
Czujniki ruchu
2,45 GHz
< 20 mW
Metodyka pomiarów
Pole elektromagnetyczne charakteryzuje szereg para-
metrów, które można poddać ocenie i sklasyikować
w trzech grupach (chociaż jest to klasyikacja umow-
na) — widmo, amplituda i polaryzacja. Do parametrów
związanych z widmem zalicza się: częstotliwość, szero-
kość pasma zajmowanego przez sygnał i rodzaj modu-
lacji. Z amplitudą związane są: natężenie pola (w tym
natężenie składowej elektrycznej E, składowej magne-
tycznej H i ewentualnie gęstość mocy S) oraz modulacja
(zależnie od rodzaju modulacja wpływa zarówno na wid-
mo, jak i amplitudę). Polaryzacja pola niesie informację
o położeniu wektora E i H w przestrzeni i zmianach tego
położenia. W systemach radiokomunikacyjnych mamy
do czynienia z polaryzacją liniową lub elipsoidalną
(zwykle kołową), a w przypadku polaryzacji liniowej —
poziomą, pionową lub coraz powszechniej stosowaną
w systemach telefonii komórkowej polaryzacją ±45
o
.
W otoczeniu urządzeń przemysłowych czy medycznych
oraz w polu bliskim z reguły występuje duże nieupo-
rządkowanie polaryzacyjne PEM. W zależności od celu
pomiarów dokonuje się analizy wybranych parametrów,
wykorzystując prawidłowo dobrany sprzęt pomiarowy
oraz odpowiednie metody.
Pomiary PEM w zależności od celu ich prowadzenia,
można umownie podzielić na dwie grupy: propagacyjne
i ochronne.
Pod pojęciem pomiarów propagacyjnych rozumie
się pomiary realizowane pod kątem planowania i ana-
lizy systemów radiokomunikacyjnych. Obejmują one
wyznaczanie zasięgów i pokrycia terenu, określanie po-
ziomu sygnałów niepożądanych, kompatybilność mię-
dzysystemową itp. Pomiary ochronne służą natomiast
ocenie ekspozycji na PEM ludzi i środowiska, w tym
dotrzymania dopuszczalnych poziomów PEM. W obu
przypadkach stosuje się różne metody pozwalające na
osiągniecie założonego celu. Są to w szczególności po-
miary selektywne, szerokopasmowe oraz pomiary sze-
rokopasmowe miernikiem selektywnym.
Pomiary selektywne stosowane są głównie w przy-
padku pomiarów propagacyjnych i oceny parametrów
PEM od jednego źródła. Typowo pomiar realizuje się
z wykorzystaniem anteny dołączonej do selektywnego
odbiornika pomiarowego. Wynik pomiaru wyznacza się
na podstawie następującej zależności:
lub
[1]
[2]
Nr 6
PEM emitowane przez urządzenia w zakresie radio- i mikrofal
515
lub wyszukiwanie w przestrzeni maksymalnego wska-
zania dla każdego sygnału. Mierniki szerokopasmowe
mają zwykle sondy izotropowe, w przypadku mierni-
ków selektywnych z antenami dipolowymi wypadkowe
natężenie pola w przestrzeni wyznacza się na podstawie
pomiaru poszczególnych składowych i zależności:
gdzie:
E
— natężenie pola,
A
f
— współczynnik antenowy (antenna
factor),
U
— napięcie wskazywane przez odbiornik pomiarowy.
Przedstawiona powyżej zależność jest prawdziwa dla
składowej elektrycznej, ale po zamianie
E
na
H
i V/m na
A/m uzyskujemy zależności dla składowej magnetycz-
nej PEM.
Z kolei metody szerokopasmowe stosowane są po-
wszechnie w pomiarach związanych z ochroną przed
polami elektromagnetycznymi. Wykorzystuje się tu
mierniki z sondami szerokopasmowymi umożliwiają-
ce wykonywanie pomiarów w bezpośrednim otoczeniu
źródeł PEM (zarówno pierwotnych, jak i wtórnych).
Wynikiem pomiaru jest wypadkowe natężenie pola
z całego pasma pomiarowego sondy. Dla zakresu na-
tężeń PEM, w których sondy pomiarowe zapewniają
detekcję wartości skutecznej (RMS) i dla płaskiej cha-
rakterystyki częstotliwościowej sondy pomiarowej, od-
powiedź sondy (wypadkowe natężenie pola
E
w
) wyraża
się zależnością (5):
[5]
Znacznie bardziej skomplikowane jest wyznaczenie
natężenia pola odpowiadającemu pomiarowi sondą izo-
tropową przy zastosowaniu anten o dużej kierunkowo-
ści (np. anten logarytmiczno-periodycznych — LPDA).
W tym przypadku pomiary ogranicza się zwykle do
pomiaru maksymalnego natężenia pola na kierunkach
do dominujących źródeł. W większości przypadków
jest to w pełni wystarczające. Na rycinie 1. przedstawio-
no efekt sumowania dwóch, trzech i czterech sygnałów
o różnych poziomach względem sygnału dominującego.
Jak wynika z wykresu, już sygnały o poziomie niższym
o 6 dB względem sygnału mierzonego można pominąć
bez znacznego pogorszenia dokładności pomiaru.
Przy wyborze rodzaju pomiaru konieczne jest rów-
nież uwzględnienie ograniczeń w stosowaniu poszcze-
gólnych metod. Dotyczy to zwłaszcza używania mier-
ników z antenami rezonansowymi (w tym LPDA).
Pierwszy warunek stosowania takich mierników to
realizacja pomiarów w polu dalekim źródła, ale nie
można zapominać również o otoczeniu anteny pomia-
rowej. Wszystkie elementy przewodzące (zwłaszcza
o rozmiarach rezonansowych) mogą stać się wtórnymi
źródłami pola albo mogą sprzęgać się z anteną, co po-
woduje zmianę jej parametrów — np. charakterystyki
promieniowania lub impedancji, a tym samym stopień
dopasowania do odbiornika i współczynnik antenowy,
[3]
gdzie
E
n
jest natężeniem pola od źródła
n.
Warunek pomiaru wartości skutecznej jest dla
większości dostępnych mierników spełniony w zakre-
sie natężeń PEM, spotykanych w pomiarach dla celów
ochrony środowiska. Nie zawsze jest on jednak spełnio-
ny w przypadku pomiarów dla celów BHP, co może być
przyczyną zmniejszenia dokładności pomiarów.
Pomiary szerokopasmowe miernikiem selektywnym
pozwalają połączyć zalety dwu poprzednich metod —
dużą czułość pomiarów selektywnych i możliwość
wyznaczenia wypadkowego natężenia pola charakte-
rystycznego dla pomiarów szerokopasmowych. Wypad-
kowe natężenie pola wyznacza się na podstawie selek-
tywnych pomiarów pojedynczych źródeł korzystając
z zależności:
[4]
gdzie
A
fn
—
współczynnik antenowy dla częstotliwości odpo-
wiadającej kolejnemu przedziałowi pomiarowe-
mu (6).
Niezależnie od pomiaru składowych częstotliwo-
ściowych, należy pamiętać o składowych przestrzen-
nych pola. W polu dalekim dla sygnałów o polaryzacji
liniowej występuje tylko jedna składowa — pole E, ale
w przypadku pomiarów pól pochodzących od różnych
źródeł niezbędny jest pomiar w trzech płaszczyznach
Ryc. 1.
Wypadkowe natężenie PEM przy sumowaniu sygnałów
o różnych poziomach.
Fig. 1.
Total EMF intensity in the case of summation signals with
diferent levels.
516
P. Bieńkowski
Nr 6
który bezpośrednio wpływa na wynik pomiaru. Nieste-
ty w literaturze można znaleźć przykłady bezkrytyczne-
go stosowania takich anten, np. wewnątrz pomieszczeń
biurowych czy mieszkalnych lub do pomiarów w bez-
pośrednim otoczeniu źródła. Dobór właściwej metody
pomiaru można podsumować następująco: pomiary
ochronne BHP w większości przypadków odbywają się
w streie bliskiej (7), pomiary dla celów ochrony środo-
wiska — zarówno w streie bliskiej, jak i dalekiej. Zasady
pomiarów oraz aparaturę przystosowaną do pomiarów
w polu bliskim można z powodzeniem stosować w polu
dalekim, sytuacja przeciwna jest niedopuszczalna.
Kolejnym trudnym zagadnieniem są pomiary eks-
pozycji na PEM od urządzeń użytkowanych normalnie
bezpośrednio przy ciele człowieka (można tu spróbować
stworzyć neologizm w rodzaju „sprzęt obwieszany”).
Do urządzeń takich zaliczyć można radiotelefony (z te-
lefonami komórkowymi na czele), słuchawki Bluetooth,
ale także np. aktywne systemy identyikacji radiowej.
Pomiary natężenia pola są w większości przypadków
niemiarodajne, zwłaszcza, że zgodnie z polskimi prze-
pisami pomiary wykonuje się w polu niezakłóconym
obecnością człowieka. W takich sytuacjach należy ra-
czej rozważyć pomiary prądów indukowanych w ciele
niż zewnętrznego PEM.
Ryc. 2.
Układ do pomiaru PEM z analizatorem widma
i anteną 0,3–1 GHz.
Fig. 2.
Setup for EMF measurement with spectrum analyzer
and 0.3–1 GHz antenna.
Aparatura pomiarowa
Do pomiarów w streie bliskiej najczęściej stosuje się
czujniki szerokopasmowe, w których detekcja sygnału
odbywa się bezpośrednio przy antenie i sygnał stało-
prądowy transmitowany jest przez linię transparento-
wą (przezroczystą dla PEM) do układu wskaźnikowego
(monitora). Do pomiaru składowej elektrycznej (więk-
szość pomiarów w zakresie ochrony środowiska i duża
grupa pomiarów w zakresie BHP) stosuje się elektrycz-
nie krótkie anteny dipolowe obciążone zwykle detekto-
rem diodowym, który pozwala na uzyskanie większej
czułości i dynamiki niż w przypadku termopar czy bo-
lometrów. Do pomiarów składowej magnetycznej wy-
korzystuje się układy z antenami ramowymi.
Analizując rozwiązania układowe stosowane w ta-
kich miernikach, można stwierdzić, że od momentu
opracowania sondy o charakterystyce sferycznej, w sa-
mych sondach nie ma rewolucyjnych zmian i osiągnęły
one szczyt technicznych możliwości. Dolny próg wy-
krywalności sond (określany również mianem czu-
łości) ograniczony jest czułością detektorów i mak-
symalną długością anteny do poziomu ok. 1 V/m,
w rozwiązaniach specjalnych osiąga 0,1 V/m. Dyna-
mika pojedynczej sondy nie przekracza 60 dB. Dość
dobrze opanowana jest technika kształtowania cha-
rakterystyki częstotliwościowej, co pozwala dopaso-
wywać pasmo pracy sond do wybranych zastosowań
lub dostosować do wymagać przepisów ochronnych.
Znacznie bardziej zmieniają się układy wskaźnikowe.
W najnowszych rozwiązaniach można znaleźć, oprócz
funkcji podstawowych, szereg pamięci, GPS, możli-
wość wprowadzania współczynników korekcyjnych
i analizy danych itp. Są jednak pomiary, w których nie-
zastąpiony jest miernik analogowy „z przetwarzaniem”
w czasie rzeczywistym.
Pomiary pola dalekiego rządzą się innymi zasada-
mi. Podstawowym rodzajem pomiarów są pomiary
selektywne, a podstawowym zestawem pomiarowym
jest antena dołączona do odbiornika pomiarowego i,
w odróżnieniu od mierników pola bliskiego, do odbior-
nika przekazywany jest sygnał wielkiej częstotliwości.
Mierniki takie charakteryzują się również możliwością
pomiarów o dużo niższych natężeniach — nawet rzę-
du μV/m i dynamiką dochodzącą do 140 dB. Jest to
Nr 6
PEM emitowane przez urządzenia w zakresie radio- i mikrofal
517
wstępnego rozpoznania pola elektromagnetycznego
w punkcie pomiaru. Inną grupą mierników są, opar-
te na technologii mierników selektywnych, mierniki
szerokopasmowe (np. 80 MHz–6 GHz lub pasmowe).
Pozwalają one np. na jednoczesny pomiar wraz z archi-
wizacją danych natężenia PEM w wybranych pasmach
częstotliwości, np. pasmach pracy typowych systemów
radiokomunikacyjnych. Przykładowy podział pasm
może wyglądać następująco: radiofonia i radiokomuni-
kacja — UKF (80–170 MHz), TV-VHF (170–250 MHz),
radiokomunikacja — UHF (250–470 MHz), TV-UHF
(470–860 MHz), pasma GSM (900 i 1800 MHz, nieza-
leżnie uplink i downlink), UMTS (2100 MHz) oraz pa-
sma dostępowe i WiFi (2500–6000 MHz).
Niezależnie od wybranej metody i zastosowanej
aparatury pomiarowej, powinna ona podlegać nadzo-
rowi metrologicznemu, w tym okresowemu wzorcowa-
niu w kompetentnych laboratoriach. Bardzo korzystna
(a w wielu przypadkach wręcz niezbędna) jest bieżąca
kontrola sprawności mierników np. z wykorzystaniem
dedykowanych źródeł wzorcowego pola elektromagne-
tycznego.
Ryc. 3.
Widok anteny logarytmiczno-periodycznej 0,6–8 GHz.
Fig. 3.
LPDA antenna for 0.6–8 GHz frequency range.
możliwe dzięki przetwarzaniu sygnału z anteny w od-
biorniku. Jako odbiorniki pomiarowe bardzo często
wykorzystuje się analizatory widma, a anteny są zwykle
szerokopasmowymi antenami kierunkowymi (np. przy-
wołane wcześniej anteny logarytmiczno-periodyczne
LPDA), lub szerokopasmowymi antenami dipolowy-
mi. W uzasadnionych przypadkach stosuje się również
anteny wąskopasmowe. Na rycinie 2. przedstawiono
przykład układu do pomiaru PEM z wykorzystaniem
analizatora widma i anteny dipolowej pracującej w pa-
śmie 0,3–1 GHz, a na rycinie 3. — antenę LPDA pra-
cującą w paśmie 0,6–8 GHz. Obie zaprezentowane an-
teny mają stosunkowo niewielkie wymiary i mogą być
z powodzeniem stosowane w pomiarach terenowych
„z ręki”.
W przypadku stosowania takich anten występuje
sygnalizowany wcześniej problem pomiaru wypadko-
wego natężenia PEM w przestrzeni. W celu wyelimino-
wania tego problemu zostały opracowane (i są dostępne
w handlu) układy trzech anten usytuowanych ortogo-
nalnie z wbudowanym przełącznikiem pozwalającym
dołączać poszczególne anteny do wyjścia układu. Opi-
sany zespół anten wspomagany analizatorem widma
i komputerem z odpowiednim programem sterującym
pozwala na kompleksowe pomiary PEM dla celów mo-
nitoringu oraz ochrony ludzi i środowiska. Kolejnym
krokiem jest scalenie powyższego układu. Powstaje
w ten sposób specjalizowany miernik natężenia PEM
z anteną izotropową i analizą widma. Takie rozwiąza-
nia są również dostępne na rynku. Kilku producentów
oferuje również stosunkowo proste (a tym samym od-
powiednio tańsze) przenośne analizatory widma z de-
dykowanymi antenami (zwykle kierunkowymi), które
mogą być stosowane do pomiarów szacunkowych lub
WIARYGODNOŚĆ POMIARÓW PEM
Pomiary PEM dla celów ochronnych są pomiarami
obarczonymi dużym ryzykiem popełnienia błędu. Wy-
nika to z bardzo dużej liczby czynników wpływających
na niepewność wykonywanych pomiarów. Będą to mię-
dzy innymi:
niedoskonałości metody pomiaru,
a)
b)
niedoskonałości aparatury pomiarowej,
c)
czynniki środowiskowe (temperatura, wilgotność),
d)
wpływ warunków pracy źródła na wynik pomiaru,
e)
czynnik ludzki.
Czynniki od (a) do (c) są zwykle uwzględniane
w podstawowym budżecie niepewności pomiarów
przypisanym do stosowanej aparatury pomiarowej.
Wpływ czynników (d) i (e) w większości przypadków
jest niemożliwy do wyznaczenia a
priori
i powinien być
przypisany do danego pomiaru (lub kategorii pomia-
rów). Dobrą ilustracją wpływu warunków pracy źródła
na wynik pomiarów może być przykład najliczniejszych
obecnie pomiarów w otoczeniu stacji bazowych telefonii
komórkowej. Pomiary takie wykonuje się w warunkach
normalnej eksploatacji stacji. Ze specyiki systemów
(zarówno GSM, jak i UMTS) wynika, że chwilowa moc
nadajników, a więc i natężenie pola w otoczeniu anten,
zależy od chwilowego obciążenia stacji ruchem tele-
komunikacyjnym. Ponieważ pomiary są tylko próbką,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]