Radioaallot Tommi Toivonen Ionisoimattoman säteilyn valvonta STUK etunimi.sukunimi-ät-stuk.fi p. 09 75988660 RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY
Luennon sisältö TI 29.11.2016 (3h) Säteilymittaukset Perusteet Kenttämittaukset Laboratoriomittaukset Numeerinen mallinnus Yhteenveto Kotitehtävät? 2
Radiotaajuisen säteilyn mittaukset ja muut altistumisen määritysmenetelmät Vapaan tilan kaukokenttäkaavat yms. Mittaustekniikka Perusteet Mittarit E vapaassa tilassa Esim. tukiasemamittausstandardi H vapaassa tilassa S? SAR, fantomimittaukset Esim. matkapuhelinten SAR-arvo Numeerinen mallinnus 3
Altistumisen määritys: yleistä Altistumisen tarkka määritys on usein turhaa Karkeilla helpoilla menetelmillä voidaan usein todeta, että: Rajojen ylittyminen on ilmeistä Rajojen ylittyminen on hyvin epätodennäköistä Tarkempaa määritystä tarvitaan kun: Yksinkertaistukset eivät päde (esim. lähikenttä) rajat ylittyvät karkealla (konservatiivisella) menetelmällä tehon alennusta tai lähettimen sammutusta halutaan välttää Esim. yleisradiomastot Tehonalennuksen kustannukset vs. dosimetrian kustannukset Muut syyt Tieteellinen tutkimus Jälkipuinti onnettomuustapauksissa jne. 4
Altistumisen määritys: yleistä (2) Turvallisuusarvio kannattaa aloittaa helpoimmasta menetelmästä Vapaan tilan laskentamallit Kenttämittaukset (E / H / S vapaassa tilassa) Laboratoriomittaukset (SAR) Numeerinen mallinnus Numeerinen mallinnus voi olla joissain tapauksissa myös kohtuullisen helppoa 5
Altistumisen määritys: yleistä (3) Altistumisen määritysmenetelmään vaikuttavia tekijöitä Taajuus Signaalimuoto Etäisyys antenniin Koko kehon vai paikallinen altistuminen Ihmisen vaikutus lähteeseen Onko mittaus standardisoitu 6
Vapaan tilan laskukaavat Lähetysteho Antennivahvistus tarkasteltavaan suuntaan (tai ERP teho) Taajuus Verrataan näin saatua maksimiarvoa suoraan viitearvoon r -> 0? S r Gt P 4 r t 2 2 2D Esimerkkejä tarkemmista laskukaavoista EN 50383 tukiasemien kentät Voimassa r>λ/4 saakka Antennista tarvitaan varsin yksityiskohtaista tietoa Pulssitutkan säteilyturvallisuus ST-ohje Huomioi antennin keilauksen jne. 7
Kenttämittaukset Tavoitteena turva-rajat antennin ympärille Kenttämittausten vahvuuksia Antenni toimii normaalissa käyttöympäristössään Mittalaitteita kaupallisesti saatavilla n. 10 k :stä alkaen Mittaukset kohtuullisen nopeita tehdä Keskiarvoistamalla suhteellisen realistinen arvio Mittausstandardeja olemassa moniin tapauksiin 8
Kenttämittaukset (2) Rajoituksia Altistumisarvio perustuu häiriintymättömän kentän viitearvoihin Paikallisen altistumisen määritysmenetelmät puuttuvat osin voidaan kuitenkin sulkea pois monissa tapauksissa Lähikentässä mittaukset ei luotettavia H-mittaus ei onnistu yli n.300mhz taajuuksilla Mittaajan ja mittarin vaikutus Matalilla RF taajuuksilla Mikroaalloilla Mikä on worst case Suurin lähetysteho (esim. LTE tai GSM) Lähin piste? Antennin tehollinen sijainti? 9
Kenttämittarien tekniikkaa Antennielementit Sähkökenttä Dipolit ja dipoliryhmät Ortogonaaliset dipolit Log-periodiset tai Yagi-Uda ryhmät Magneettikenttä Silmukat, ortogonaaliset silmukat Tasoaalto Torviantennit Elementin tyyppi määrää mitattavan asian Polarisaation vaikutus? 10
Kenttämittarien tekniikkaa (2) Tunnetaanko aallon tulosuunta? Isotrooppinen mittaus Tulosuunnalla ei väliä Isotrooppinen mittapää on vaikeasti toteutettava Suuntaava mittaus Kokeellinen vai teoreettinen vahvistus? Identtisten antennien menetelmä Vakioantennimenetelmä (Kaupallinen vahvistuksen kalibrointi) 11
Kenttämittarien tekniikkaa (3) Ilmaisu Valittava mitattavan signaalin mukaan Määrittää herkkyyden ja tehonkeston Diodit Herkkä Nopea Epälineaarinen vaste Termoparit Vähemmän herkkä Hidas Tehon suhteen lineaarinen vaste signaalista riippumatta Heterodyne ja muut taajuusselektiiviset Käytännössä diodi-ilmaisu Taajuusvaste Monimutkainen Hidas 12
Kenttämittarien tekniikkaa (4) Ilmaisimien ominaisuuksia Diodit Epälineaarinen puolijohdeliitos lämpöriippuvuus Signaalivaste Termoparit Toimintaperiaate vismutti-antimoni 13
Modulation error of diode detector (UMTS signal) 14 12 SARUMTS - SARCW error [%] 10 8 6 4 2 0-2 0 2 4 6 8 10 SAR CW [W/kg] Downlink Uplink 14
Kenttämittarien tekniikkaa (5) Antennielementti Ilmaisin Häiriösuojaus Matalataajuiset ja staattiset suojaukset Elektroniikka Laajakaistainen Taajuusselektiivinen Kalibrointi? Laajakaistaisen mittarin toimintaperiaate 15
Kenttämittarien tekniikkaa (6) Erikoistapauksia Tutkapulssimittarit Tavallinen mittari päästää savut jo näytön herkkyyden alapuolella Kehovirtamittarit Kosketusvirtamittarit Maavirta (levymittarit) 16
SAR-mittaukset Paikallinen altistuminen Koko kehon altistumista voi arvioida mutta huonosti Kehoa koskettavat antennit (reaktiivinen lähikenttä) Toiminta muuttuu merkittävästi kehon vaikutuksesta Kehoa lähellä olevat antennit (säteilevä lähikenttä) Kenttä hyvin epähomogeeninen Paikallinen altistuminen voi olla merkittävää 17
SAR-mittaukset (2) Altistuvaa kehon osaa mallinnetaan fantomilla Pää ja vartaloa vastaava laatikko standardoitu Muitakin muotoja on mahdollista tehdä Nesteen ominaisuudet vastaavat sähköisesti ihmistä (std.) Hienojakoinen skannaus nestetilan pohjalta Isotrooppinen E- (sähkökentän) mittapää SAR lasketaan sähkökentästä ja nesteen ominaisuuksista Vaatii kohtalaisesti laskentaa Ekstrapolointi fantomin pohjalle Interpolointi mittauspisteiden välille Keskiarvoistus (10g ja 1g kuutiot jne.) 18
SAR-mittaukset (3) Automatisoitu liikuttelu välttämätön Nopea mittapää Sähkökenttä (pieni dipoli) Diodi-ilmaisin Lämpötilaan perustuvia mittapäitä saatavilla, lähinnä tutkimuskäyttöön 19
SAR-mittaukset (4) NARDA 8021B Dipole sensors Highly resistive leads 4 mm 7 mm 10 mm 25 mm 90 mm 160 mm 7.5 mm ET3DV5 Dipole sensors 7 mm Highly resistive leads 12 mm 15 mm 15 mm 300 mm 2.7 mm 20
SAR-mittaukset (5) Standardoituja mittauksia Matkapuhelimet korvalla IEC/EN 62209-1 Vastaava standardi IEEE 1528.1 Matkapuhelimet tms. kehoa vasten IEC 62209-2 Paikallinen SAR tukiasemien lähikentässä EN 50383 Keskustellaan lisää excursiolla 21
SAR-mittausten kalibrointi Taajuus- ja nestekohtainen kalibrointi Kalibrointeja saatavilla kaupallisesti Standardoituja mittanormaaleja on useimmille taajuusalueille 22
Calibration Calibration setup of STUK SAR/P in in liquid is defined by measuring T and C t SAR probe is then calibrated at the same point The dynamic response is linearised by channel-specific factor The sum of the linearised voltages is proportional to the SAR 23
Numeerinen mallinnus 24
Numeerinen mallinnus (2) Numeerinen malli lähteestä Koordinaatit / parametrit / lähteet Numeerinen malli altistuvasta Koordinaatit / parametrit (Numeerinen malli lähiympäristöstä) Laskenta-alueen päättäminen (ABC tms.) Algoritmi ja solveri 25
Numeerinen mallinnus (3) Solvereita FDTD (Yee, 1966) SEMCAD, XFDTD FIT, MOM... CST-microwave studio Helppokäyttöisiä käyttöliittymiä saatavilla (10-20 k ) RF-teknistä ymmärrystä kuitenkin vaaditaan melkoisesti Junk in junk out Vaatii paljon muistia ja nopean prosessorin 26
Numeerinen mallinnus (4) Ihmismallit Kudosmalleja saatavilla <1mm resoluutiolla Virtual family (2009) Mies, nainen, tyttö (~15v.), poika (~8v.) CAD-formaatti Visible man Hyvin lihaksikas Koko kehon SAR ja virran ahtautuminen? Vokseli-formaatti Norman, Japanilaiset mallit... Vokseli-formaatti Plastiset mallit 27
Numeerinen mallinnus (5) Lähdemallit Yleensä suurin ongelma Lähteet geometrisesti monimutkaisia Vaihejakauma? Amplitudijakauma? Vaatii yhteistyötä valmistajalta (tietoja ei yleensä haluta antaa ulkopuolisille) Huomattavan tarkka vokselointi usein tarpeen Mallin koko muistissa kasvaa nopeasti hyvin suureksi 28
Numeerinen mallinnus (6) Ympäristö GUI:t sisältävät yleensä piirtämismahdollisuuksia Päälle näkyvät mitat helposti selvitettäviä Sisäinen rakenne vaikeampi Dielektriset parametrit 29
RF-osuuden yhteenveto Radioaalloilla on haitallisia terveysvaikutuksia Nämä vaikutukset perustuvat radioaalloista kudoksiin absorboituvan energian aiheuttamasta lämpötilan noususta Suuria altistustasoja saattaa esiintyä joillakin ammattiryhmillä Matalampien altistustasojen vaikutuksista ei ole näyttöä Joitain viitteitä on, lähinnä epidemiologiasta Mekanismeja ei tunneta Lopulliset johtopäätökset toistaiseksi tekemättä Huoli on todellinen ongelma 30
RF-osuuden yhteenveto Altistumisrajat suojaavat tunnetuilta terveysvaikutuksilta Sisältävät biologiseen tietoon perustuvat perusrajat sekä soveltamista helpottavat viite- (toiminta-) arvot <10 GHz perusraja on SAR [W/kg], erikseen koko kehon tai 10 g kudosmassan keskiarvona >10 GHz perusrajana on S [W/m 2 ] 20 cm 2 suuruisen pinta-alan keskiarvona Viitearvo Vapaan tilan häiriintymätön kenttä, jossa perusraja ei ylity pahimmassakaan tapauksessa Yleensä yliarvioi altistumista kohtuullisen paljon Altistuminen määritetään aikakeskiarvona <10GHz, 6 minuuttia >10 GHz 68/f 1.05 minuuttia Standardeissa täsmennetään soveltamista Velvoittavia vain, mikäli niihin viitataan laissa 31
RF-osuuden yhteenveto Turvallisuusarvio kannattaa aloittaa helpoimmasta päästä Tarkan altistumisarvion sijaan halutaan yleensä vain tieto ok / ei-ok Selvitys etenee konservatiivisesta realistiseen menetelmään Tekniset tiedot Yksinkertaiset mittaukset Tarkemmat mittaukset kentällä ja laboratoriossa Numeeriset simuloinnit Mittalaitteen toimintaperiaate on syytä tuntea Mihin reagoi Miten käsittelee tuloksia Käytön rajat Ympäristöolosuhteiden vaikutus 32
Kotitehtävät? RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY 29.11.2016 33
RF-osuuden yhteenveto Kiitos aktiivisesta osallistumisesta! 34