Результаты анализа эффективности электромагнитных экранов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 621.317.328

С. В. ЕЛЯГИН

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ

Приводится критерии обнаружения мест с наибольшим уровнем плотности потока мощности Приводятся результаты исследования электромагнитного поля в э/сшых помещениях. Показана эффективность электромагнитных экранов, устанавливаемых в оконных проёмах.

Ключевые слова: уровень сигнала, измерения, ослабление, электромагнитные экраны Поддержано грантом РФФИ 08-07~97000-Р_гюволжье_ а.

В работе [1] была показана актуальность ис-п о л ьзо ван и я эл е ктро м агн итн ы х экранов дл я уменьшения плотности потока мощности вблизи излучающих антенн. Кроме того, были приведены начальные результаты исследования электромагнитных экранов. В настоящей статье будут продолжены исследования экранов, которые будут устанавливаться в оконных проёмах жилых помещений.

Необходимость установки электромагнитных экранов определяется значением плотности потока мощности около оконных проёмов. Рекомендованная в [2] и используемая в [3] формула (1) определения максимального расстояния с1тС1Х от излучающей антенны до точек местности, в которых возможно допустимое значение плотности потока мощности П$оп, не позволяет

учитывать реальные значения параметров антенн и условий измерения (высота и положение относительно главной оси антенны). Всё это делает формулу (1) непригодной для прогнозирования проблемных зон вблизи излучающих антенн.

с^тах - 4.51

Л Ю„рд _

V/ Л I

тах

П

(1)

доп

где 0Пр() - коэффициент усиления антенны;

Рх,(ах - максимальная мощность передатчика.

В работе [4] авторами была показана возможность использования формулы (2) [5] как для определения точки местности с наибольшим

значением плотности потока мощности в зависимости от реальных параметров излучающих антенн и места расположения наблюдателя, так и для определения самого значения плотности потока мощности в этой точке.

/7 =

N • Р

пп 1 мах

■ 10° ю"Рд ■ в,} (9г) ■ в1 к)

4лгЯ2

(2)

где Nпп - число приёмо-передатчиков; РЛ1ах -максимальная мощность передатчика: С7}у)()

коэффициент усиления антенны; вг ((рР) и

0в ((рв) - нормированная диаграмма направленности передающей антенны (ДНА) в горизонтальной и вертикальной плоскостях (в статье будем использовать выражение *1п(х)/х для описания ДНА [5]); К - расстояние от центра передающей антенны до точки наблюдения. Выполнив по формулам (3-5) переход от полярных координат к декартовым, получим выражение, которое позволит определить плотность потока мощности вблизи интересующего оконного проёма.

2

К2 =(И\-И2)2 +(х2 +у

(рг - Я (П

Г \

У

чху

(3)

(4)

(Рв = аг81п

/

\

\

/71-/72

2

х~ + V

/

-т

©С. В. Елягин, 2008

где И\ - высота подвеса антенны; /?2 - высота точки измерения; л" и у - координаты точки

измерения относительно места установки антенны. Таким образом, формула (2) может быть

использована для npoi иодирования значения плотности потока мощности в конкретной точке измерения.

Поскольку наибольшее значение сигнала наблюдается на расстоянии, при котором наблюдатель оказывается на главной оси антенны, то для оценки наибольшего значения плотности потока мощности примем углы <р? и ср(> равными нулю.

На рис. I показаны результаты расчёта по формуле (2) зависимости плотности потока мощности типовой антенны GSM с мощностью излучения 60 Вт с одним и тремя приёмопередатчиками от расстояния до антенны. Из рис. I видно, что минимальное расстояние до излучающей антенны, при котором плотность потока мощности не превышает 10 мкВт/см", составляет 80 м.

Рис. 1. Зависимость плотности потока мощности

от расстояния до антенны

Таким образом, основным критерием необходимости измерения плотности потока мощности в жилом помещении может стать тот факт, что расстояние от антенны до жилого помещения составляет менее 80 м.

Проведённая серия измерений ослабления экранов в жилых помещениях с помощью разработанного мобильного измерительного терминала [6] показала, что максимальное значение плотности потока мощности не превышает 0.5 мкВт/см2. Для анализа величины ослабления электромагнитных экранов, устанавливаемых в оконных проёмах, в качестве источника излучения использовались работающие антенны стандарта GSM. В работе [1] было показано, что толщиной- сплошного металлического экрана можно пренебречь, и, что на открытом про-

странстве экраны обеспечиваю*] ослабление отпала порядка 6-7 дБм вблизи экрана. Кроме того. в работе [1] показано, что для получения наименьшего значения среднеквадратичес.ко! о отклонения (СКО) уровня сигнала необходимо вычислять оценку его математического ожидания. При этом следует выполнять четыре повторных измерения при интервале времени накопления. равном трём минутам (общее число измерений составит 600 замеров, причём каждый замер есть среднее арифметическое 102-1 измерений [6]).

Для подтверждения сказанного в табл. I приведены результаты измерения ослабления вблизи экранов, установленных в оконных проёмах жилых помеще!Iий при различиых параметрах эксперимента.

Таблица 1

Результаты измерения ослабления вблизи экрана при различных параметрах эксперимента

сЗ Удалённость от экрана, м X Г\ г» Сч тг

X ctf CL 0.01 1 С. О Н £ 5 £ CS es с

* Г) с* (D Г« О £ "Т" с£ г О о С CL ^ о ш ер на ко vi и н

X Ь Ослаблеь дБм Г» С s и * 1С t-G со er <=t о С ГЧ о СJ ^ о 5 т о CD CL CQ

7.6 0.58 3.2 0.53 10 О

7.7 0.58 3.1 0.49 7

кх 7.3 0.16 3.0 0.34 4

• О 7.3 0.17 2.9 0.38 Л j

СчЗ 7.5 0.37 3.2 0.54 10 5

X О) 7.5 0.26 3.2 0.41 7

с 7.3 0.16 3.0 0.35 4-

ч 7.4 0.19 3.0 0.40 3

г i—« Л 7.1 0.85 3.5 0.47 4 3

с; о е 7.0 1.00 3.5 0.59 4 5

Анализ данных, приведённых в табл. I, подтверждает зависимость СКО ослабления от числа повторных измерений и от интервала времени накопления. Хотелось бы отметить, что оценка математического ожидания ослабления слабо зависит как от числа повторных измерений, так и от интервала времени накопления. Кроме того, из табл. 1 видно, что экран из фольги имеет практически такое же ослабление, что и экран, выполненный в виде плёнки с металлизированным напылением порядка 0.3мкм, что подтвер-

ждается и проведёнными измерениями на открытом пространстве [1], при котором обеспечивается ослабление 7 дБм и 6,5 дБм соответственно. Кроме го го, в [7] показано, что стекло с металлическим напылением в диапазоне 6 ГГц обеспечивает ослабление 8-10 дБ, что согласуется с полученными автором значениями ослабления экранов.

Таким образом, ослабление вблизи экрана на открытом и в закрытом пространстве можно считать практически равными при наличии прямой видимости на антенну.

Для выявления влияния экранов, установленных в оконных проёмах жилых помещений, на уровень сигнала в помещении, будем проводить два измерения уровня сигнала: непосредственно в центре окна Р^ и на расстоянии 1 м от центра

окна Р\ (с экраном и без экрана). При этом будут

фиксироваться тип здания, этаж, внутренняя обстановка помещения и положение помещения относительно излучающих антенн. Па рис. 2 приведена зависимость уровня сигнала Р\ от

уровня сигнала без использования экрана. Из рис.- 2 видно, что между уровнем сигнала Р\ и уровнем сигнала существует линейная зависимость.

Для подтверждения значимости линейной регрессии Р\ = -8.02 + 0.7975 будем использовать Р-кригерий [8]. Вычисленное по экспериментальным данным значение Гэ] -19.1 больше

-20 Р0, дБм

критического значения 7-^(1. I 1) = 9.65 при

степени надёжности 0.99. Следовательно., гипотеза о наличии линейной связи подтверждается. Кроме того, для численного подтверждения правил ьности выбора л и \ 1ей I юй за вис и моем \ рас-считаем коэффициент детерминации [8]. который в нашем случае равен 94% . Таким образом.

поведение уровня сигнала Р\ на 94% определяется поведением уровня сигнала 7|). Хотелось

бы отметить, что при наличии явной зависимости уровня сигнала от типа здания, указанная выше зависимость была бы очень чувствитель-ной к конструктивным особенностям зданий и описывалась бы более сложной зависимостью.

Высказанное выше предположение об отсутствии явной зависимости уровня электромагнитного поля внутри помещения от типа здания и этажа жилого помещения проследим по подобной зависимости, но при наличии экрана в оконном проёме. Установка экрана уменьшит долю электромагнитного излучения, попадающего в помещение через окно. Таким образом, картина поля будет в большей мере определяться электромагнитным излучением, проникающим через стены и межэтажные перекрытия.

На рис. 3 приведена зависимость уровня сигнала Рэ] на расстоянии 1 м от окна с электромагнитным экраном от уровня сигнала . Из

рис. 3 видно, что' уменьшение проникновения электромагнитного излучения через оконный проём практически не сказывается на виде зависимости уровня сигнала Рэ\ от уровня сигнала

Р0: Рэ 1 = -8.65 + 0.837*0 •

дБм

-25

-30

■35 -35

1 о о

СЪ

о

— о ООО О

О -

1 I

-30

-25

-20 Р0, дБм

Рис. 2. Зависимость уровня сигнала 7^ от уровня сигнала

Рис.3. Зависимость уровня сигнала Рэ\

Кроме того, полученное экспериментальное •значение Г}9 =95.5 и коэффициент детерминации. равный с)7%. подтверждают гипотезу о линейной связи уровня сн1 нала./3!^ и уровня сиг нала 1\). При 'лом уменьшение влияния оконного

проёма на уровень сигнала в помещении, как и предполагалось, приводит к усилению линейной связи между Р.}\ и /|).

Хотелось бы отметить, что после установки экрана затухание сигнала на расстоянии 1 м от окна изменяется с 2.8 дБм (СКО равно 1.8 дБм) до -0.4 дБм (СКО равно 1.8 дБм). Таким образом, после установки экрана значения затухания сигнала на расстоянии 1 м от окна группируются в районе 0± 1 дБм с доверительной вероятностью 0.95 . Значит, установка экрана приводит к относительному выравниванию уровня поля в помещении. Следовательно, уровень сигнала в помещении, в основном, определяется величиной излучения, проникающего через оконный проём.

Для выявления эффективности экранов, устанавливаемых в оконных проёмах жилых помещений, построим экспериментальную зависимость уменьшения уровня сигнала на расстоянии 1 м от окна после установки экрана.

Из рис. 4 видно, что значение уменьшения уровня сигнала составляет 1.6+0.4 дБм с доверительной вероятностью 0.95 .

а} дВм

2.5

?

1.5

0.5

1 ô 1 1

- 0 -

0 о

О

о

— 0 0

0

О О

о

о !

Л)

-35 -30 -25 -20 Р^ дБм

Рис. 4. Зависимость уменьшения уровня сигнала на расстоянии 1 м от экрана после установки экрана

при различном уровне сигнала Ро

Таким образом, проведённые исследования экранов, устанавливаемых в оконных проёмах жилых помещений, показали, что:

- экраны обладают достаточно низкой дефективностью;

- уровень сигнала в помещениях слабо зависит от конструктивных особенностей жилых по-м е ще и и й, а о и редел я ется у ро вне м внешне! о сигнала;

- оценка уровня электромагнитного поля в помещении может быть проведена по уровню электромагнитного поля вблизи окна.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Елягин, С. В. Анализ эффективности электромагнитных экранов от излучения антенн стандарта GSM / С. В. Елягин // Электронная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Ульяновск : Ул-ГТУ, 2008. - Вып. 10.-С. 25-29.

2. Measurement and Evaluation of High Fre-quency (9 kHz to 300 GHz) Electromagnetic Fields with Regard to Human Exposure. IEC\ TC85 WG15, 1995. - 214 p.

3. Григорьев, О. Д. Электромагнитные поля базовых станций подвижной радиосвязи и экология. Характеристика и оценка электромагнитной обстановки вокруг базовых станций подвижной радиосвязи / Григорьев О. А., Меркулов Д. В., Григорьев К. Д. // Радиац. биол. Радио-экол. - 2005. - Т.45, №6. - С. 722-725. •

4. Елягин, С. В. Анализ плотности потока

мощности на территории, прилегающей к излучающим антеннам / С. В. Елягин // Инфокомму-никационные технологии. - 2008. -Т. 6, №3. -С. 75-78.

5. Антенны и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов: учеб. пособие для радиотехн. специальностей вузов / под ред. Д. И. Воскресенского. - М. : Сов. радио, 1972. - 318 с.

6. Елягин, С. В. Измерение плотности потока мощности с помощью мобильного измерительного терминала / С. В. Елягин // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2008. - №2. - С. 56-58.

7. http://grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/ Tempil/ tempM_6.htm.

8. http://www.yartel.ru/stat.

ооооооо&ооофооое&оэо

Елягин Сергей Владимировичу кандидат технических наук доцент кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ. Имеет работы в области радиотехники и связи.