СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МАЛОГАБАРИТНЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2001 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для оперативной оценки экспериментальным путем степени безопасности малогабаритных радиоэлектронных средств (РЭС) - портативных радиостанций, бесшнуровых и сотовых радиотелефонов и т.д. - по фактору электромагнитного излучения (ЭМИ).

Известны технические способы оценки безопасности малогабаритных РЭС по ЭМИ:
- путем измерения плотности потока энергии (ППЭ) в единицу времени: ППЭ; мкВт/см², на расстоянии, соответствующем расположению головы пользователя (ближняя зона излучения РЭС) [1];
- путем измерения уровней напряженности поля электрической E-составляющей ЭМИ E, В/м, и магнитной H-составляющей ЭМИ H, А/м, в дальней зоне излучения РЭС [2; 5];
- путем определения удельной поглощенной мощности SAR, мВт/г, внутри биофантома головы человека с последующим усреднением значений SAR для 10 г биоткани за 6 мин и для 1 г биоткани за 30 мин [3-5].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ оценки безопасности РЭС по ЭМИ на расстоянии, соответствующем ближней зоне излучения, с помощью прибора ПЗ-20 и его аналогов, которые предназначены для измерения уровней ППЭ, мкВт/см², в дальней зоне излучения РЭС [1].

Известный способ ориентирован на применение измерителей ЭМИ отечественного производства (прибор ПЗ-20 и его аналоги); позволяет располагать антенну измерителя на расстоянии 2...4 см от лицевой панели малогабаритного РЭС, что соответствует реальному расположению головы пользователя в ближней зоне излучения РЭС; прост и удобен для практической реализации. В то же время он обладает следующими существенными недостатками.

1. Измеритель ПЗ-20 и его аналоги предназначены для измерения уровней ЭМИ в дальней зоне излучения РЭС - в ближней зоне их показания трактовать как значения ППЭ, мкВт/см², недопустимо.

2. Показания измерителя ПЗ-20 и его аналогов вблизи лицевой панели малогабаритных РЭС существенно зависят от варианта взаимного расположения антенны измерителя и РЭС - незначительные смещения антенны относительно РЭС в ближней зоне его излучения изменяют показания измерителя ППЭ, что не позволяет получить однозначные, повторяющиеся и сопоставимые друг с другом результаты для РЭС разных типов.

3. Результаты, полученные с помощью измерителя ПЗ-20 и его аналогов согласно [1-2] , в непосредственном виде не могут быть сравнены с усредненными значениями SAR, которые нормируются за рубежом [3-5] и указаны в сертификатах безопасности ведущих мировых производителей малогабаритных РЭС (поскольку это разные физические величины).

В то же время способ оценки безопасности РЭС по ЭМИ путем определения SAR согласно [3-5] весьма сложен для практической реализации; исключает оперативную диагностику РЭС по ЭМИ; требует применения специализированных компьютерных методов и средств проведения измерений и обработки их результатов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение методики оценки безопасности малогабаритных РЭС по ЭМИ и повышение эффективности этой оценки за счет введения относительной характеристики безопасности РЭС "коэффициент излучения"; а также обеспечение однозначности, повторяемости и взаимной сопоставимости результатов оценки безопасности малогабаритных РЭС по ЭМИ с помощью статистической обработки полученных данных и определения значений "коэффициента излучения" для РЭС разных типов, которые не превышаются с вероятностью 0,95.

Сущность предлагаемого способа заключается в измерении уровней ЭМИ на расстоянии 2-4 см, соответствующем расположению головы пользователя в ближней зоне излучения РЭС, причем оценка безопасности производится с помощью относительной характеристики РЭС "коэффициент излучения" G_эт относительно эталонного излучателя, при этом производится предварительная калибровка уровня ЭМИ эталонного излучателя в дальней зоне (на расстоянии R≥2L²/λ, где L - максимальный габаритный размер эталонного излучателя, λ - рабочая длина волны), целью которой является установление в нем тока с амплитудой 100 мА, соответствующего эталонной излученной мощности 0,365 Вт, после чего выполняется N измерений значений Э - уровней ЭМИ с помощью прибора ПЗ-20 или его аналога в ближней зоне эталонного излучателя на расстоянии, соответствующем расположению головы пользователя (R = 2-4 см), при разных вариантах расположения антенны измерителя ПЗ-20 или его аналога вблизи эталонного излучателя, и производится статистическая обработка полученных N результатов измерения Э с определением оценок среднего значения Э_ср и среднеквадратического отклонения СКО_э и вычисляется значение уровня (Э_0,95)_эт, не превышаемого с вероятностью 0,95, по формуле
(Э_0,95)_эт=Э_ср+1,6 СКО_э,
значение G_эт определяется по формуле
G_эт=(Э_0,95)/(Э_0,95)_э,
где (Э_0,95) - аналогичным образом определенная характеристика ЭМИ для малогабаритного РЭС, или в децибелах
G_этдБ= 101gG_эт=101g[(Э_0,95)/(Э_0,95)_эт].

На фиг. 1 приведена структурная схема аппаратурной реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 показаны (в виде штриховых кругов) варианты расположения антенны 2 измерительного прибора 1 (ПЗ-20 или одного из его аналогов) вблизи лицевой панели малогабаритного РЭС 5.

Схема включает в себя измерительный прибор 1 (ПЗ-20 или один из его аналогов) с антенной 2, эталонный излучатель 3, подключенный к генератору сигнала 4 с частотой, соответствующей рабочей частоте малогабаритного РЭС 5.

Способ осуществляется следующим образом.

1. Производится предварительная калибровка уровня ЭМИ в дальней зоне эталонного излучателя 3, подключенного к генератору 4 сигнала, целью которой является установление в эталонном излучателе 3 тока с амплитудой 100 мА, соответствующего эталонной излученной мощности 0,365 Вт.

2. В точку М на расстоянии R = 2-4 см от эталонного излучателя 3 (см. фиг. 1) помещается антенна 2 измерительного прибора 1 и при N вариантах взаимного расположения эталонного излучателя 3 и антенны 2 (аналогично случаю, показанному на фиг.2 для РЭС) выполняется N измерений значений Э - уровней ЭМИ в ближней зоне эталонного излучателя 3.

3. В точку М вместо эталонного излучателя 3 помещается малогабаритное РЭС 5 и аналогичным образом (фиг.2) выполняется N измерений уровней ЭМИ в ближней зоне излучения РЭС.

4. Производится статистическая обработка результатов обеих серий измерений, определяются оценки Э_ср и СКО_э, а затем - (Э_0,95)_эт и (Э_0,95) согласно (1) и G_этдБ согласно (3).

Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами по сравнению с известными способами и аналогом изобретения.

1. Показания измерительного прибора 1 (ПЗ-20 или одного из его аналогов), предназначенного для измерения уровней ЭМИ в дальней зоне излучения, нет необходимости в ближней зоне эталонного излучателя 3 и малогабаритного РЭС 5 трактовать как энергетические значения уровней ЭМИ в каких-либо конкретных единицах (в том числе ППЭ, мкВт/см²), поскольку искомая величина G_этдБ является относительной.

2. Смещения антенны 2 измерительного прибора 1 относительно эталонного излучателя 3 и малогабаритного РЭС 5 в ближней зоне излучения не влияют на значения (Э_0,95)_эт и (Э_0,95), полученные после статистической обработки результатов измерений, что позволяет получить однозначные, повторяющиеся и сопоставимые друг с другом результаты для малогабаритных РЭС 5 разных стандартов и типов.

3. Значения удельной поглощенной мощности SAR, мВт/г, внутри биофантома головы человека с усреднением их для 10 г биоткани за 6 мин и 1 г биоткани за 30 мин при воздействии на биофантом ЭМИ эталонного полуволнового вибраторного излучателя 3 с эталонной излученной мощностью 0,365 Вт известны по данным [8-10] . Поэтому результаты определения (Э_0,95)_эт для эталонного излучателя 3, а затем и (Э _0,95) для малогабаритного РЭС 5 удается однозначно сопоставить с усредненными значениями SAR, которые нормируются за рубежом [3-5] и указаны в сертификатах безопасности ведущих мировых производителей малогабаритных РЭС 5 разных стандартов и типов.

Проиллюстрируем сказанное на конкретных примерах. В таблице 1 обобщены результаты исследования биофантомов разной конструкции на частоте 900 МГц [9] ; в таблице 2 - на частоте 1800 МГц [10] (источником ЭМИ во всех случаях является диполь дойной 0,45 λ, аналогичный эталонному излучателю 3 с мощностью 0,365 Вт в свободном пространстве, расположенный в непосредственной близости от "рабочей поверхности" биофантома).

В таблицах 1-2 приведенные значения SAR₁ и SAR₂ соответствуют значениям SAR, усредненным соответственно для 10 г биоткани за 6 мин и для 1 г биоткани за 30 мин; SAR₀ - пиковым (максимальным внутри биофантома) значениям SAR, SAR_1N и SAR_2N соответствуют "нормам" для пикового значения SAR₀, найденным по аналогии с нормами SAR₁ = 2 мВт/г и SAR₂ = 1,6 мВт/г путем взаимного пересчета приведенных значений SAR. Из таблиц 1-2 видно, что незначительный разброс полученных "норм" для пикового SAR₀: 4...4,5 мВт/г на частоте 900 МГц и 3...4 мВт/г на частоте 1800 МГц вполне позволяет использовать его для сравнительной оценки опасности ЭМИ (что подтверждает правомерность использования пикового значения SAR₀ в качестве рабочего критерия при оценке воздействия ЭМИ на разные фантомы согласно [8-10]).

Зная реакцию измерительного прибора 1 на ЭМИ эталонного излучателя 3 (которая соответствует как предельно допустимым уровням (ПДУ) для SAR₁ = 2 мВт/г и SAR₂ = 1,6 мВт/г; так и найденным "нормам" для SAR₀ = 3...4,5 мВт/г), заменяем эталонный излучатель 3 реальными малогабаритными РЭС 5 и находим относительным методом все интересующие нас значения SAR.

В качестве варианта реализации эталонного излучателя 3 на частотах 900 МГц и 1800 МГц был использован несимметричный вибратор длиной 0,45 λ с дисковым рефлектором малого диаметра, запитанный с помощью коаксиального волновода. Путем измерения уровней ППЭ, мкВт/см², в дальней зоне вокруг эталонов были найдены значения излученной мощности: 500 мВт на частоте 900 МГц и 1,2 мВт на частоте 1800 МГц (что позволяет ввести в дальнейшие расчеты поправку соответственно в 0,73 и 304,20 раза относительно эталонной мощности 0,365 Вт). С учетом этой поправки на расстоянии 2-4 см от эталонного излучателя на частоте 900 МГц были получены значения 320...367; а на частоте 1800 МГц - 966 условных единиц, которым, согласно [1-2], должна быть приписана размерность мкВт/см². Тогда значениям SAR_N = 4...4,5 мВт/г; SAR₀ = 6... 9 мВт/г на частоте 900 МГц (таблица 1) и SAR_N = 3...4 мВт/г; SAR₀ = 9...17 мВт/г на частоте 1800 МГц (таблица 2) соответствуют значения Э = 140...280 (в среднем 210) условных единиц на частоте 900 МГц и Э = 170...430 (в среднем 300) условных единиц на частоте 1800 МГц. Поскольку ПДУ для пользователей сотовой связью, согласно [1] , есть ППЭ = 100 мкВт/см; мы, кстати, видим отсюда, что отечественная норма по ЭМИ необоснованно завышена в 2-3 раза по сравнению с зарубежными.

Выразив показания прибора ПЗ-20, соответствующие типичным малогабаритным РЭС - мобильным радиотелефонам разных стандартов и типов - в дБ относительно средних норм для показаний того же прибора (200 мкВт/см на частоте 900 МГц и 300 мкВт/см² на частоте 1800 МГц), соответствующих эталонному излучателю 3, находим значения G_этдБ согласно (3): см. таблицу 3.

Звездочкой в таблице 3 отмечен телефон Nokia-2160, работающий на минимальном расстоянии от базовой станции - в режиме максимального ограничения мощности излучения. Из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ прост, эффективен и удобен для практической реализации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи. ГН 2.1.8./2.2.4.019-94. М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1995.

2. Определение уровней электромагнитного поля в местах размещения передающих средств и объектов сухопутной подвижной радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов. МУК 4.3.046-96. М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996.

3. Рудаков М.Л. Зарубежные гигиенические стандарты на параметры электромагнитных воздействий в диапазоне радиочастот // Зарубежная радиоэлектроника, N 8, 1997. - С. 56-60.

4. CENELEC. European Prestandart: ENV 50166-2. Human Exposure to Electromagnetic Fields. High Frequency (100 KHz - 300 GHz). January, 1995.

5. E DIN VDE 0848. Sicherheit in elektromagnetischen Feldem. Teil 1: 1995-5; Teil 2:1991-10.

6. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1972.

7. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. Под ред. Цейтлина Н.М. М.: Радио и связь, 1985.

8. Cooper J. , Hombach V. , Schiavoni A. Comparison of computational electromagnetic codes applied to a sphere canonical problem // IEEE Proc. Microw. Antennas Propagat, Vol. 143, N 4, August 1996. - P. 309-316.

9. Hombach V., Meier K., Burkhardt M. et al. The Dependence of EM Energy Absortion Upon Human Head Modeling at 900 MHz // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techn., Vol.44, N 10, October 1996. - P.1856-1873.

10. Meier К. , Hombach V., Kastle R. et al. The Dependence of Energy Absortion Upon Human-Head Modeling at 1800 MHz // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techn., Vol.45, N 11, November 1997. - P. 2058-2062.

Способ оценки электромагнитной безопасности малогабаритных радиоэлектронных средств (РЭС), заключающийся в измерении уровней электромагнитного излучения (ЭМИ) на расстоянии 2-4 см, соответствующем расположению головы пользователя в ближней зоне излучения РЭС, оценка безопасности производится с помощью относительной характеристики РЭС "коэффициент излучения" G_ЭТ относительно эталонного излучателя, которая определяется путем предварительной калибровки уровня ЭМИ эталонного излучателя в дальней зоне, целью которой является установление в нем эталонной излученной мощности, выполнения N измерений значений Э - уровней ЭМИ в ближней зоне эталонного излучателя при разных вариантах расположения антенны измерителя ЭМИ вблизи эталонного излучателя и статистической обработки полученных N результатов измерения Э с определением оценок среднего значения Э_ср и среднеквадратического отклонения СКО_э, а затем вычисления уровня (Э_0,95)_эт, не превышающего с вероятностью 0,95, и G_ЭТ по приведенным формулам. Технический результат заключается в упрощении методики, повышении эффективности, обеспечениии однозначности, повторяемости и взаимной сопоставимости результатов. 2 ил., 3 табл.

Способ оценки электромагнитной безопасности малогабаритных радиоэлектронных средств (РЭС), заключающийся в измерении уровней электромагнитного излучения (ЭМИ) на расстоянии 2 - 4 см, соответствующем расположению головы пользователя в ближней зоне излучения РЭС, отличающийся тем, что оценка безопасности производится с помощью относительной характеристики РЭС "коэффициент излучения" G_эт относительно эталонного излучателя, которая определяется путем предварительной калибровки уровня ЭМИ эталонного излучателя в дальней зоне, целью которой является установление в нем эталонной излученной мощности, выполнения N измерений значений Э - уровней ЭМИ в ближней зоне эталонного излучателя при разных вариантах расположения антенны измерителя ЭМИ вблизи эталонного излучателя и статистической обработки полученных N результатов измерения Э с определением оценок среднего значениях Э_ср и среднеквадратического отклонения СКО_э, а затем вычисления уровня (Э_0,95)_эт, не превышающего с вероятностью 0,95 по формуле
(Э_0,95)_эт = Э_ср + 1,6 СКО_э
значение G_эт определяется по формуле
G_эт = (Э_0,95)/(Э_0,95)_эт
где (Э_0,95) - аналогичным образом определенная характеристика ЭМИ для малогабаритного РЭС или в децибелах
G_этдБ = 10lg G_ЭТ = 10lg [(Э_0,95)/(Э_0,95)_эт]