В статье рассматривается электромагнитное излучение со стороны антенн базовых станций, технологические решения антенн, влияющие на излучение и регулирование его предельных уровней воздействия в РФ.
Ключевые слова: базовые станции, электромагнитное излучение .
С развитием техники растёт потребность в ней и соответственно в связи. Каждый оператор хочет покрывать станциями максимальную территорию, в домах появляются умные устройства, требующие объединения в единую сеть или постоянного подключения к интернету. В труднодоступных местах появляются различные усилители сигналов и репитеры. Всё это одновременно создает большое количество различных полей, что создает вопросы о влиянии на здоровье у людей. В итоге мы имеем проблему безопасного и эффективного расположения базовых станций, роутеров и т. д. в районах застройки.
Особенностью размещения базовых станций в жилых районах в нашей стране являются крайне строгие ограничения по излучаемой энергии, а именно СаНПиН 2.1.8/2.2.4.
В диапазоне частот 30 кГц — 300 МГц — по значениям напряженности электрического поля ( Е ) в В/м; а в диапазоне частот 300 МГц — 300 ГГц — по средним значениям плотности потока энергии (ППЭ), в мкВт/см 2 .
Воздействие на людей оценивается по энергетической экспозиции электрического поля (ЭЭ Е ), напряженности магнитного поля (ЭЭ Н ) для низких частот и плотности потока энергии (ЭЭ ППЭ ) для мобильных базовых станций. Все они не должны превышать установленных предельно допустимых уровней (ПДУ) с учетом переотражения.
Энергетическая экспозиция в диапазоне частот 30 кГц — 300 МГц рассчитывается по формуле:
в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц для не круговых:
где Е — напряженность электрического поля, а Н — напряженность магнитного поля.
Первый диапазон распределен за различными службами и международным вещанием, на базовых станциях (мобильные операторы, радио, TV, Wi-Fi) используется второй диапазон поэтому дальше речь будет преимущественно о нем. Станции работают круглосуточно поэтому энергию считают просто в Вт.
Если источников, покрывающих на зону несколько, например, вышки разных операторов, то общие Е и ППЭ должны удовлетворять соотношениям,
С одинаковыми ПДУ:
Для n количества диапазонов с разными ПДУ:
Когда известна излучаемая энергия для всех источников это значение можно сопоставить с значениями из СаНПиН 2.1.8/2.2.4 (таблица 1).
Таблица 1
Предельно допустимые уровни ЭМП диапазона частот 30 кГц — 300 ГГц для населения
|
Диапазон |
30 кГЦ – 300 кГЦ |
300 кГц – 3 МГЦ |
3 МГЦ – 30 МГЦ |
30 МГЦ – 300 МГЦ |
300 МГЦ – 300 ГГЦ |
|
Параметр |
Е(В/м) |
ППЭ (мВТ/см2) |
|||
|
ПДУ |
25 |
15 |
10 |
3 |
10 25(круговые) |
Свой вклад в изменение излучаемой энергии вносят применяемые технологические решения. Во-первых, на излучаемую энергию влияет диаграмма направленности антенны, которая зависит от её типа: турникетная, антенна Вивальди, штыревые, фазированные решетки, патч-антенны, рефлекторные решетки, антенна-пушка, параболические. Они различаются по форме диаграммам направленности и характеристикам и применяются каждая в своей области.
Разработка антенн сводится к созданию диаграммы направленности в зависимости, от которых они делятся на узконаправленные и широконаправленные.
Узконаправленные антенны применяют для увеличения дальности и имеют один выраженный основной лепесток, и побочные лепестки, имеющие отрицательное влияние. Широконаправленные антенны имеют хотя бы в одной плоскости диаграмму направленности, приближенную к круговой. Они находят применение, например, в телерадиовещании.
В базовых станциях для общения между станциями применяются параболические антенны, они используются операторами для управления станцией. Для передачи данных между абонентами применяются системы из нескольких секторных MIMO антенн. В микрорайонах могут применятся патч-антенны, очевидное преимущество которых — это размер и энергопотребление поэтому именно они применяются в районах плотной жилой застройки, где не разрешены мощные антенны.
Секторная антенна — это фазированная антенная решетка, её элементы часто дополнительно усиливают директорными системами (рисунок 3), самый простой пример — патч-антенна элементы которой это разновидность щелевой антенны.
Примером использования слабонаправленных излучателей можно назвать антенны базовых станций GSM-стандарта, где в качестве излучателей используются патч-антенны. В качестве излучателей антенн LTE-стандарта используются диполи и монополи.
Особенность ФАР возможность поворачивать главный лепесток излучения или менять форму диаграммы направленности, из-за того, что лепестки активных ФАР формируются посредством интерференции волн от всех элементов. Общая тенденция в их производстве — это миниатюризация элементов и рост их количества это ведет к уменьшению боковых лепестков, потребляемой и излучаемой энергии, что благоприятно сказывается на их безопасности.
Во-вторых, немаловажным моментом, влияющим на излучаемую энергию, являются материал и качество изготовления антенны. Оба эти параметра влияют на коэффициент стоячей волны антенны (КСВ), это важно так как антенна с слишком высоким КСВ не только не обеспечивает хорошей связи, но и может нести повышенный вред. Так как при плохом уровне сигнала антенна начинает увеличивать свою мощность, например, при использовании GSM 900 максимум до 2 Вт (средняя при разговоре 0.25- 0.5 Вт).
На качество связи в труднодоступных местах могут влиять репитеры, а именно улучшать. Но если они не сертифицированы, то сильно забивают эфир, из-за этого падает уровень сигнала вокруг, а излучаемая энергия антенн телефонов сильно возрастает.
Идеальным считается КСВ равный 1.1, но он не должен превышать 3 когда идет потеря 25 % полезной нагрузки, свыше 5 антенна считается неисправной. Зависимость КПД антенны от КСВ представлена в таблице 2.
Таблица 2
Таблица зависимости КПД антенны от её КСВ
|
КСВ антенны |
Потери мощности (%) |
КПД (%) |
|
1.1 |
0.23 |
99.77 |
|
1.5 |
4 |
96 |
|
2 |
11.1 |
88.9 |
|
2.5 |
19.8 |
80.2 |
|
3 |
25 |
75 |
|
3.5 |
30.9 |
69.1 |
|
4 |
36 |
64 |
|
5 |
44.4 |
55.6 |
|
7 |
56.3 |
43.7 |
|
10 |
67 |
33 |
Именно поэтому при производстве элементов применяется медь с местным серебрением или золочением, омедненный алюминий. В дешевых антеннах применяется оцинкованная сталь. На КСВ также сильно влияет согласованность элементов, а именно на диаграмму направленности и т. д. Так как диапазоны операторов расположены очень близко, то антенны имеют инструменты тонкой настройки и сами хорошо защищены от внешних воздействий.
В-третьих, на излучаемую энергию влияет стандарт работы. Например, максимальная мощность излучения: 0.2Вт для LTE (4G), 0.25Вт для UMTS (3G), 1Вт для GSM 1800 (3G) и 2Вт для GSM 900 (3G) (средняя при разговоре 0.25Вт).
В-четверных, на излучаемую энергию влияет расстояние до базовой станции (рис. 1).
Рис. 1. График зависимости ППЭ от расстояния до типовой базовой станции
Как известно напряженность поля снижается пропорционально квадрату расстояния. Следовательно, как можно видеть из графика безопасное расстояние до базовой станции около 45 метров. Антенны обычно устанавливаются на вышках высотой 29–50 м. Радиус действия базовой станции регулируется ГКРЧ от 8.09.2011 г. № 11–12–03–2. Так радиус действия равен 0.5 км в городах с населением 1 млн. человек, 3–5 км в городах с населением свыше 250 тыс. человек (GSM 1800), 10 км меньше 250 тыс. человек, до 20–30 км (GSM 900) на территориях с низкой плотностью.
При установке на крыше в жилых районах антенны ставятся на высоту более 3 метров, доступ на крышу блокируется. Выделения технической территории вокруг здания не требуется. При этом они должны располагаться на расстоянии не менее 7 метров до ближайшего строения и 2 метров от края стен при соблюдении одного из следующих условий:
— наличие железобетонного перекрытия верхнего этажа;
— наличие металлической кровли или покрытия технической территории ПРТО экранирующим металлическим листом;
— наличие технического этажа.
Судьба 5G в России неопределённа так как до конца не определен их частотный диапазон, но они пилотно внедряются оператором МТС в крупных городах на 4 ГГЦ.
В заключении можно подытожить, что антенны базовых станций достаточно безопасны при условии, что они высокого качества, правильно установлены и используют современные стандарты.
Литература:
- СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383–03 Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов (с изменениями от 19.12.2007 г.)
- Пудовкин, А. П. Основы теории антенн: учебное пособие / А. П. Пудовкин, Ю. Н. Панасюк, А. А. Иванков; А. П. Пудовкин, Ю. Н. Панасюк, А. А. Иванков; М-во образования и науки Российской Федерации, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Тамбовский гос. технический ун-т». — Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. — 92 с. — ISBN 978–5-8265–0981–4. — EDN QMVYOR.
- Воскресенский, Д. И. Антенны и устройства СВЧ: учебник. — 2-е изд. / Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарёв // Москва: Радиотехника, 2006. — 376 с. — ISBN 5–88070–086–0.
- Hamdy, M. N. An introduction to LTE Smart base station antennas. Mobility Network Engineering. — 2018.
- Нечаев, Ю. Б. Алгоритмы диаграммообразования адаптивных антенных решеток в условиях многолучевого распространения радиоволн / Ю. Б. Нечаев, Д. Н. Борисов, И. В. Пешков // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. — 2012. — № 1(120). — С. 194–202. — EDN QZKLGB
