Триколор 

Какая мощность усилителя в мобильном телефоне. Как измеряется излучение мобильного телефона. Как работает мобильный телефон

Краткая информация по оборудованию.

Мобильный телефон представляет собой в примитиве дуплексную радиостанцию ведущую радиообмен на разных частотах.
Всего в стандарте GSM900 насчитывается 124 частоты. Телефон, как и базовая станция может работать на любой из 124 частот, определяемых оператором.

Базовая станция (BS) передает, а телефон (MS) принимает на частотах 935.2-959.8 МГц. Мобильный телефон передает, а базовая станция принимает на частотах 890.2-914.8 МГц.

Канал от BS к MS называется DOWN LINK, от MS к BS-UP LINK.
Большинство операторов используют ограничение по дальности 35 км.от BS. Это обусловлено особенностями стандарта.
Таким образом если у Вас телефон GSM900, дальше чем 35 км от BS не пытайтесь установить связь . Максимум, что я видел - это 33 км.

Дальность связи определяется:

1. Местоположением BS и MS + рельефом местности.
2. Мощностью и чувствительностью MS.
3. Мощностью и чувствительностью BS.
4. Используемой антенной.
5. Волей Господа Бога (главный фактор) :-)

Обычно базовые станции имеют мощность 20-30 Вт, (репитеры -2 Вт). Чувствительность -100 дБ - 115 дБ и изменить эти параметры пользователь MS не может.

У телефона мощность 0.3- 2 Вт, чувствительность -90-105 дБ. Разные модели отличаются по вышеуказанным параметрам. По хорошей чувствительности я могу выделить следующие модели из лично проверенных мной: Nokia 5110, 6110, 3210, Siemens C25, Motorola D520.

По мощности выделяются все "старые телефоны", особенно Motorola. Все телефоны фазы 2 имеют примерно одинаковую мощность.

По поводу рельефа и т.д. я думаю объяснять не надо, но пару слов скажу:

На ровной местности и по реке распространение волн лучше. Чем выше ваше местоположение, тем лучше (разумеется в разумных пределах). Лес "гасит" волны сильнее чем город.

Значительно увеличить дальность позволяют внешние антенны.

Антенны

Для телефонов используются в основном внешние штыревые антенны, логопериодические антенны и волновые каналы.

Штыревая антенна знакома вам в виде автомобильной штыревой антенны, волновой канал выглядит как ваша метровая телевизионная антенна на крыше дома.

Когда вы разговариваете по телефону 10 % энергии поглощается вашим телом. При использовании внешней антенны эти потери отсутствуют.

Простая автомобильная магнитная антенна дает усиление до 3-5 дБ. Волновой канал 7-15 дБ в зависимости от количества элементов и качества сборки и настройки антенн. Штыревая антенна излучает волны по кругу, а волновой канал только в одном направлении. Таким образом использование штыревой антенны усиливает сигнал на 1-2 кубика по шкале телефона (4-8 дБ), а волновой канал до 2-3 кубиков (8-16 дБ). Если кабель между антенной и телефоном не больше 3 метров, то потери в нем можно не учитывать.

Внимание!

Антенна для ее нормальной работы должна быть хорошо сделана и настроена, иначе использование дешевых не качественных конструкции, не улучшит связь, а ухудшит.

Пользуйтесь услугами профессионалов либо продукцией таких фирм как ALLGON, KATREIN, CELLWAVE и.т.д.

Антенну вы можете сделать и сами, необходимо ее рассчитать и изготовить по точным размерам. Попробуйте хуже не будет, может вам повезет. Позже я постараюсь опубликовать размеры, а пока если очень надо пишите МНЕ .

Благодаря Анатолию Шова вы можете посчитать вашу 9 элементную антенну сами при помощи Microsoft Exсell, только введите номер GSM канала и получите размеры вашей антенны в миллиметрах. Номера каналов в вашем городе вы можете узнать у оператора. Для Киева я бы посоветовал средние каналы: WellCOM-6 канал, Kievstar-43 канал, UMC-22 или 62 канал. Лучше всего для определения вашей точной частоты использовать функцию NETMONITOR. Скачать программу расчета можно .

Итак если вы на даче, в загородном доме, на природе и хотите обеспечить связь:

Поднимитесь на крышу или самую высокую точку рядом с домом. Если ваш телефон ловит сеть, но на пределе, у вас есть 100% шанс используя внешнюю антенну поправить дело. Если расстояние до станции меньше чем 30 км, а сеть не ловится, можно все таки попробовать использовать антенну.

В Киеве все операторы имеют станции по краям города, а также в пригородах. В пригородных городах станции стоят на высоких точках типа местных вышек. Так что отсчеты расстояния делайте на основе карт покрытия оператора.

При расстоянии между антенной (волновой канал) и телефоном 20-30 метров все усиление антенны теряется в кабеле и антенна становиться бессмысленной.

Старые автомобильные Motorola имеют большую мощность и низкую цену, можете поэкспериментировать с ней.

Если у вас есть связь и вы можете позвонить, но при этом вы слышите абонента хорошо, а он вас с прерываниями это значит, что сигнал вашего телефона слабый и надо усиливать UL т.е. антенну нужно настраивать на частоту UL и наоборот соответственно.

На большинстве телефонов есть разъем для внешней антенны. Внешняя антенна включиться если в гнездо воткнуть антенный разъем или на сервисные контакты телефона подать сигнал на включение (иногда достаточно закоротить два контакта).

Величина, которую измеряют или прогнозируют в месте приема, и есть мощность передачи мобильного сигнала . Это значит, что она находится на расстоянии от передающей антенны. Такая величина, зачастую, является показателем уровня сигнала или мощностью оцениваемого поля. Она измеряется как мощность сигнала, который получает антенна, либо как сила приема сигнала поля на расстоянии. Мощные передатчики, которыми пользуются в радиовещании, зачастую используют величину дБ милливольт на метр (дБмВ/м ). Для более слабых устройств, например телефонов, используется величина дБ-микровольта метр (дБмкВ/м) или в децибелах, как показатель приема в один милливатт (к примеру 70дБм). Чаще всего радиус действия в сотовых сетях совсем небольшой, из-за этого мощность передатчиков радиостанций не так уж велика.

Максимальная мощность, которой обладают передатчики мобильных устройств стандарта GSM 900, всего 2 Вт. А устройства, которые устанавливают на автомобили, обладают 8 Вт мощности. В стандарте есть 4 класса мощности, от 800 мВт - до 8 Вт.

Если говорить о стационарных станциях, то промежуток значений мощностей довольно большой. Если сравнить сотовые телефоны стандарта GSM 900 и GSM 1800, то мы увидим, что GSM 1800 в 2 раза слабее. Такой фактор влияет на потребление энергии, и на автономность работы моделей. Также радиус действия данных моделей, намного меньше, чем у передатчиков стандарта GSM 900, который аж в 16 раз больше.

Давайте разберем пример обычной городской передающей станции, с покрытием в 2 км. ЕЕ мощность может составлять 20-30 десятков ватт на сектор. Такая величина присутствует на выходе передатчиков, так как благодаря специально направленному действию антенны сила излучения может перевалить за 100 Вт. Это, практически, равносильно работающей с открытой дверкой, СВЧ печи.

Можно сказать так, что от плотности оборудования мобильной сети зависит то, сколько Вашему телефону нужно мощности для удержания соединения при разговоре. А если Вы находитесь в движении, так еще больше. К тому же, не забываем, что телефон постоянно находится около головы и уха. В свою очередь такая вещь, как ретранслятор, работает в высоком диапазоне. Но не стоит переживать, так как, его излучение не касается человека, оно передается от одного ретранслятора к другому. Но даже такая мощь, не сравнится с излучением, которое распространяют большие телевизионные и FM башни.

Взять даже Эйфелевою башню, она издает излучение в сотни киловатт, и считается одной из самых «вредных» в мире.

В деревнях и небольших поселках такое излучение может быть в разы больше, из-за дополнительно установленных усилителей сигнала. Для увеличения дальности сигнала.

Проанализировав информацию от производителей специальных измерительных приборов, оказалось, что максимальная мощность на выходе передатчика доходит до 30 Ватт, при 1800 МГц, и 300 Ватт, при 900 МГц. Но, на самом деле, эти показатели находятся в районе 70-80 Ватт. На первый взгляд, показатель довольно высокий. Ведь мобильные и фиксированные приемники имеют высокую чувствительность. На качество сигнала влияют разные препятствия, в виде зданий, деревьев и т.д. на пути между станцией и устройством. Даже осадки в виде дождей или снега, могут влиять на качество сигнала, и ощутимо снижать его показатели, на 20-30 дБ. Если спуститься в подвал, или метро, то сигнал будет равносилен сигналу на расстоянии 30 км.

Из-за исключительных разнообразных условий передачи сигналов, было решено, что мощность передатчиков должна регулироваться к возникшим условиям. Именно из-за этого, качество связи и сигнала в телефоне, напрямую зависят от передаваемого сигнала. И в реале, это не всегда те показатели, которые обещает производитель.

Давайте рассмотрим пример, при передаче сигнала с моря, так как впереди нет помех, помещений, а только безграничные просторы, GSM система будет максимально эффективна. Но не стоит полагаться на мобильную связь при крушении корабля, так как другие суда не смогут принять сигнал о бедствии, и прийти на помощь. Стоит упомянуть, что выяснить местонахождения мобильного телефона гораздо сложнее, чем радиотелефона. В открытом море, не правильно ожидать качественного сигнала в радиусе 70-80 км, который обеспечивается с помощью 25 Вт станциями. Но при хорошей погоде, на побережье Нормандии, можно зафиксировать сигнал от 4 английских сетей, которые находятся в 120 км.

Все это говорит о том, что сигнал достигает мобильного устройства в течении промежутков времени в 0,577 мс. При скорости 300 тысяч км/с, радиоволнам достаточно 0,233 мс, чтобы пролететь 70 км (туда-обратно) между базовой станцией и телефоном. Это просто нонсенс, который происходит вследствие временного мультиплексирования ТБМД, при этом радиус действия составляем 35 километров.

За границами радиуса действия пакеты битов, которые пускает мобильный телефон, попадают на базовую станцию тогда, когда станция уже не ожидает их, и принимает сигнал от другого телефона. Удивляет то, что если медленно отдаляться от прибрежной линии, связь может неожиданно прерваться, даже если секунду назад аппарат показывал высокий уровень сигнала.

Такие ситуации, нередко, встречаются и на твердой почве, но только в гористой местности. Только наоборот, можно ловить качественный сигнал даже при радиусе больше чем 35 км. Так как на возвышенности, где отсутствуют какие-либо помехи, сигнал с легкостью распространяет свое действие за пределы 35 км.

Также следует быть внимательным, при наборе номера 112, для вызова службы спасения, можно попасть к пожарным соседнего района. Это обусловлено тем, что базовая станция находится в радиусе 20 км, но перед ней нет помех. А нужный Вам сигнал, может располагается в 2 км, но станция может быть спрятана за холмом.

Сейчас существуют разнообразные технические методы, которые увеличивают радиус сигнала в два раза, но для этого придется пожертвовать пропускной способностью базовой GSM станции. Предприимчивые австралийцы проводили исследования, которые подтверждают такие цифры.

Также бывают случаи, когда отличное качество сигнала фиксируется в самых неожиданных местах, например, у подножья высокой горы. Такое явление может продержаться несколько секунд, а потом опять сигнал пропадает. Но стоит буквально на миллиметр отодвинуть антенну телефона, как сигнал тут же обрывается.

В наше время, во время новых инноваций и технологий, огромное количество вышек-ретрансляторов, способствует передаче качественного сигнала по всему миру. Но все же, еще остались, совершенно дикие и непроходимые места, где покрытие нет вовсе. А что касается нашей родной местности, во многих селах, качественная связь либо отсутствует, либо существует на очень низком уровне. Такова правда жизни, себестоимость сотовой башни слишком высока, и никто не станет возводить ее специально для небольшого поселка с населением в 100-200 человек.

Хорошему качеству приема, также могут мешать соседние вышки, находящиеся в радиусе действия сигнала. И даже некоторые строительные материалы, которые сейчас широко используются при масштабном строительстве, могут негативно влиять на качество сигнала и на скорость его передачи. Такие факторы могут влиять даже на сильный и качественный сигнал, что уж говорить об слабом сигнале в 20 километровом радиусе.

Чаще всего от нехватки качественного сигнала страдают крупные помещения, какие как больницы, промышленные склады, многоэтажные офисы или заводы.

Такая проблема особенно остро стоит у сетей, работа которых основана на высоких частотах, так как такие сигналы гаснут быстрее, при столкновении с препятствиями.

Такой показатель, как уровень SAR – это характеристика величины электромагнитного излучения различных моделей сотовых телефонов. Ни для кого не секрет, что мобильные телефоны непосредственно влияют на человеческий организм. На сегодняшний день, ученые со всего мира спорят, и проводят много опытов, а все направлено на то чтобы доказать или опровергнуть влияние мобильных телефонов на здоровье человека. При чем одни утверждают что излучение, которое выдают телефоны, производят просто колоссальное, негативное влияние на человека, а другие, в свою очередь утверждают, что излучение находится в пределах нормы, и никак не вредит. Кому верить? Решать Вам.

Что такое SAR излучение?

Простыми словами, SAR (Specific Absorption Rate) – это количество поглощение излучения человеком. SAR измеряется в Ваттах на килограмм (Вт/кг).

На упаковках производителей телефонов, обычно указывается максимальное число SAR, но в реальной жизни и на практике, такое число достигается очень редко. Ведь телефон не всегда работает на максимальной мощности, это бывает при вызове или принятии звонка. В обычном режиме, телефон будет иметь низкий уровень SAR.еть низкий уровень SAR.

Игорь Белецкий сделал интересный эксперимент, который наглядно демонстрирует мощность электромагнитного излучения телефона. Многие знают, что в момент в связи с базовой станцией мобильный телефон посылает самый мощный сигнал. В некоторых случаях его пик может достигать 1-2 ватт. Как это увидеть? Для этого нам понадобится обыкновенной светодиод, для большего эффекта в эксперименте использованы крупный супер яркий белый светодиод. Свч диод в данном случае d604. Кусочек провода длиной 8-10 сантиметров.

Диоды соединяются встречно-параллельно методом скрутки, потому что паять свч диоды нельзя. И потом к одному из концов крепится провод антенна. Выглядит все это вот так.

В схеме нет никаких источников питания. Светодиод должен дать свет, только используя энергия электромагнитного излучения вашего смартфона.

Сделаем звонок и приложим к телефону самодельный детектор сигнала. Вызов пошел, и мы можем наблюдать, как передатчик телефона начал подавать сигнал к базовой станции. Световые импульсы очень сильные. Чем дальше будете находиться от станции связи, тем сильнее будет исходящий сигнал вашего телефона.

К сожалению камера снимает с определенной частотой кадров. Многие световые импульсы просто не попадают в кадр. К тому же теряется яркость. В живую светодиод светится практически непрерывно и, действительно, супер ярко. Как же это работает?
Если мы возьмем медную катушку и поднесем к ней магнит, то получится такой же свечение. Другими словами, у нас огромная антенна катушки из тонкого провода с большим количеством витков, и магнитное поле, изменяющееся с низкой частотой.
А в эксперименте маленькая антенна, на магнитное поле изменяется с высокой частотой. И получается тот же результат. Чтобы зажечь такой светодиод, нужно совсем мало энергии. Но, учтите, все же большая ее часть прошла мимо этой маленькой антенны.

Если не получится достать свч диод, просто возьмите самый доступный диод 1n 4148. Соберите по той же схеме и тоже заметите эффект. Ну, правда, не так ярко.

Какой из этого можно сделать вывод? Когда вы набрали номер абонента, дождитесь, когда он ответит. Это будет видно на экране. А потом уже прикладывайте телефон к уху. Мощность сигнала, конечно, мизерная. Но все-таки. Это практически маленькая микроволновка.

Источник: youtu.be/NxZPp6ia8Ts

Ученые: производители обманывают о мощности излучения мобильных телефонов

Для некоторых это может быть не новость, но поколению «смартфонов» излучение сотового телефона может создать большие проблемы.

Согласно новым исследованиям, риск развития рака из-за излучения сотового телефона очень велик. Хотя скептики могут сказать, что доказательства, полученные путём проведения опытов на животных не совсем убедительны, кто захочет пренебречь осторожностью, когда дело касается рака?

Известно, что ионизирующее излучение - например, от рентгеновских аппаратов - может увеличить риск онкологических заболеваний из-за эффекта «дробления», который оно оказывает на клетки. Но риски, связанные с неионизирующим радиочастотным излучением (радиоизлучением) сотовых телефонов измерить сложнее. Как сообщается в Scientific American , радиоизлучение сотовых телефонов точно имеет одно биологическое воздействие: оно нагревает ткани возбуждёнными молекулами.

В ходе недавних исследований, проведённых учёными из Национальной программы по токсикологии (NTP) этот риск был изучен более тщательно. Полученные данные показали, что крысы, подвергавшиеся радиочастотному излучению в течение длительного времени, стали более восприимчивы к развитию редкого типа опухоли, известной как «шваннома». Шваннома - это опухоль из клеток Шванна, которые являются особым типом нейронов в периферической нервной системе. Также были выявлены доказательства других видов рака.

Во время исследования, которое проводилось в течение двух лет, опытам подверглись 3 000 крыс. На сегодняшний день это крупнейшее исследование радиочастотного излучения и рака в США. Учёные NTP воздействовали на животных радиоволнами с частотой 900 МГц и 1900 МГц в течение примерно 9 часов в день с мощностью от 1 до 10 Вт на килограмм веса в «близком радиусе действия», имитируя воздействие на человека сотового телефона.

В результате эксперимента выяснилось, что после излучения с частотой 900 МГц самцы крыс стали более восприимчивыми к злокачественным новообразованиям шванномы сердца. Также были получены доказательства злокачественной глиомы головного мозга у самок крыс. Другие виды рака были очевидны как у самцов, так и у самок, хотя связь была неясной. С другой стороны, у обоих полов после воздействия такого радиационного облучения проявились нераковые виды опухолей.

При частоте 1900 МГц сомнительные признаки рака лёгких, печени и других органов также стали очевидными.

Ещё одно исследование, приведённое итальянскими учёными из , показало, что радиационное излучение при «дальнем радиусе воздействия» также влияет на здоровье крыс. Такой тип воздействия имитировал беспроводное радиоизлучение, которому мы подвергаемся круглые сутки. Интересно, что в этом исследовании были получены аналогичные результаты: у самцов крыс было значительно больше шансов «заработать» шванномы сердца.

Кроме того, прошлые исследования показали, что количество радиации, излучаемой сотовыми телефонами, значительно выше , чем заявляют производители.

Про антенну для тф.

В еличину SAR измерить весьма сложно. Требуется специальное оборудование и фантомы, т.е. имитаторы тканей человеческого организма.Не существует в мире и единой методики измерения SAR.Поэтому данные этого показателя, измеряемые обычно в независимых центрах, могут разниться даже в несколько раз. Наиболее реальным является измерение плотности потока электромагнитного излучения (ПП) сотового телефона, расчет его излучающей способности,исходя из мощности аппарата. Так в чем же опасность для здоровья мобильных телефонов? В действии любого электромагнитного излучения принято выделять два эффекта: термический и нетермический (последний часто обозначают как информационный ). Термический эффект. Пояснять его суть не имеет особого смысла. Вы можете его наблюдать, если поместите курицу в микроволновку и через некоторое время получите готовое блюдо. Примерно такое же действие оказывает и излучение от сотового телефона. Учтите еще и то, что антенна, основной излучатель телефона, находится в 3-5 сантиметрах от вашего головного мозга, на который электромагнитное поле и действует. Естественно температура отдельных участков мозга повышается. При длительном разговоре этот эффект можно ощущать по повышению температуры ушной раковины. Подсчитано, что при величине SAR 4 Вт/кг в течение 30 минут температура ткани у здорового взрослого индивидуума поднимается на 1 градус Цельсия. Это неблагоприятный эффект для любых органов, которые будут отвечать нарушением своей функции. Кстати, все нормирование микроволнового излучения от сотовых телефонов, о котором шла и будет идти речь, базируется только на термическом эффекте . Другой орган, подверженный влиянию излучения от сотового телефона, хрусталик глаза. Из-за выполнения своих очень важных функций - поддержания прозрачности и аккомодации он плохо кровоснабжается и поэтому особенно подвержен действию электромагнитного излучения. А это влияет на остроту зрения. Нетермический или информационный эффект. Изучен весьма слабо. Суть его заключается в следующем. Мобильные телефоны стандарта GSM осуществляют передачу информации импульсами, объединенных в блоки (см. рисунок внизу). Блок состоит из 8 импульсов. В распоряжении каждого пользователя имеется только один из восьми импульсов. Остальные семь принадлежат другим семи абонентам, которые в этот момент на данной частоте могут вести телефонные разговоры. Продолжительность одного GSM-блока составляет 4,616 миллисекунды (мс), следовательно, частота пульсации мобильного телефона составляет 1/4,616 мс=216,6 Гц или округленно 217 Гц. С генерацией каждого восьмого импульса происходит и пропорциональное выделение энергии. Если номинальная мощность сотового аппарата, согласно инструкции равна 2 Вт, то мощность, выделяемая при каждом импульсе будет: 2 / 8=0,25 Вт. Это еще не все. Блоки упомянутых импульсов между мобильным телефоном и базовой станцией группируются в мультиблоки, состоящие из 26 повторений. Следовательно, второй частотой, которая испускается сотовым телефоном является частота: 217 / 26= 8,35 Гц. Более того, некоторые виды мобильных аппаратов, работающие в энергосберегающем режиме (DTX), способны генерировать третью частоту - 2 Гц. Вот в этом наборе низкочастотного излучения и состоит ущу одна опасность мобильной связи. Дело в том, что упомянутые частоты сотовых аппаратов совпадают с частотами собственной, естественной биоэлектрической активности головного мозга человека, которые регистрируются на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Так частота 217 Гц совпадает с так называемым гамма-ритмом мозга, 8,35 Гц - с альфа-ритмом, а 2 Гц - с дельта-ритмом. Следовательно, извне (из непосредственной близости) в головной мозг человека переносятся сигналы, который способен взаимодействовать с собственной биоэлектрической активностью головного мозга (например, путем резонанса) и тем самым, нарушать его функции. Такие изменения заметны на электроэнцефалограмме и не исчезают длительное время после окончания разговора. Очень важно отметить еще и то, что именно альфа-волны чрезвычайно индивидуальны, непосредственно связаны с умственной деятельностью человека и как считают, являются отражением сканирования внутренних образов сознания. Абстрактное мышление связано именно с альфа-ритмом мозга, во время сна преобладает дельта-ритм, а гамма-волны - с активной деятельностью человека. Реально ли негативное воздействие пульсирующих источников энергии на организм человека? Медикам известен такой пример, когда воздействие на человека пульсирующим освещением с частотой 15 Гц, имеющего скрытую форму фоточувствительной эпилепсии приводило с возникновению припадка. Как Вам теперь понравится привычка некоторых располагать возле изголовья кровати сотовый телефон и использовать его в качестве будильника. Мобильный телефон ночью не "спит", а постоянно, даже в состоянии ожидания вызова работает в пульсирующем режиме. О большей подверженности влиянию излучения у молодых людей говорит и исследование, проведенное среди 11.000 пользователей сотовой связи по заказу Norwegian Radiation Protection Board, Национальным Институтом "Рабочей жизни" (Швеция), а также SINTEF Unimed (Норвегия). Изучение показало, что люди, которые использовали телефон менее 2 минут в день, жаловались на дискомфорт и сторонние эффекты. Проблемы со здоровьем возрастают, если пользоваться телефоном дольше. Половина опрошенных абонентов сообщили, что при использовании сотовых телефонов испытывают неприятный разогрев в области головы, вокруг уха. Наибольшему риску подвергаются молодые люди. Те, кому еще нет 30, в 3-4 раза чаще подвержены сторонним эффектам. Особенно чувствительны к высокочастотному излучению мобильных телефонов дети. Следует учитывать, что в условиях экранирования (автомобиль, железобетонные здания) плотность потока электромагнитного излучения, действующего на человека многократно усиливается. Основными симптомами неблагоприятного воздействия сотового телефона на состояние здоровья являются: Периодически появляются сообщения о том, что мобильные телефоны якобы абсолютно безопасны. Окончательно это не установлено. Для развития опухолей мозга от электромагнитного излучения существует латентный период - лет 10-15. Во-вторых, опыты на животных, на которые ссылаются зачастую дают необнозначные результаты. И, в-третьих, за компаниями, которые производят сотовые телефоны стоят огромные деньги и поэтому всегда найдется группа исследователей, которая может получить искомый результат. Тем не менее, наиболее опасными последствиями микроволнового излучения от сотовых телефонов являются опухоли мозга (обычно на стороне преимущественого расположения при разговоре). Риск нейроэпителиальных опухолей мозга повышается вдвое. У лиц, которые пользовались сотовыми телефонами более 6 лет частота развития другой опухоли - шванномы повышалась на 50%. О потенциальной опасности сотовых телефонов говорит и постоянная тенденция к снижению предельного значения SAR. Как указывалось выше, до недавнего времени этот показатель не должен быть выше 2 Вт/кг . Согласно исследованиям шведских специалистов, реализованным в стандарт ТСО-01 (значки таких стандартов имеются почти на каждом мониторе) значение SAR уменьшено до 0,8 Вт/кг . А это уже о чем-то говорит!

Расчет мощности излучения сотового телефона, поглощаемой в голове пользователя.

А. Курушин, А. Титов

Расчет мощности излучения сотового телефона, поглощаемой в голове пользователя

Для расчёта ближнего и дальнего полей, излучаемых антенной системой сотового телефона в различных ситуациях его работы, использована программа HFSS.Исследовано влияние положение штыря антенны, открытой и закрытой крышки корпуса, а также покрытия корпуса на диаграмму направленности телефона и мощность, поглощаемую в голове пользователя. В расчёте поглощения мощности в модели головы человека использованы значения модуля электрического поля по линии, проходящей через слои модели головы.

Введение

Моделирование антенной системы сотового телефона реально только с помощью численных методов на электродинамическом уровне. Численные методы решения уравнений Максвелла, с учётом граничных условий, источников, металлических и диэлектрических объектов в пространстве, работают тем точнее, чем большими компьютерными ресурсами располагает исследователь. Добавление в анализируемое пространство тела человека, представляющее собой диэлектрический материал с большими потерями, значительно усложняет задачу. Однако, именно расчёт и уменьшение мощности, поглощаемой в теле человека, сейчас является одной из приоритетных задач проектирования сотового телефона. Норма поглощения мощности, по отношению к весу, опре-деляется величиной 1,6 Вт/кг. Решение этой задачи в настоящее время выполняется чаще всего методом FDTD, реализованном в программах XFDTD, FIDELITY и другими. Ниже показано, как можно применить для решения этой задачи более доступную программу HFSS (High Frequency Structure Simulator). Объектом анализа является сотовый телефон TM510 фирмы LE Electronics.

На рис. 1 показан вид сотового телефона с открытой крышкой-экраном LCD (Liquid Crystals Dysplay). Считаем, что для электромагнитных волн экран LCD является металлом. Корпус телефона состоит главным образом из экранирующих металлических слоёв и покрыт сверху пластиком LEXAN ( = 2,9, tg D = 0,006 (8,5 ГГц)) толщиной до 3 мм.


Рисунок 1. Вид сотового телефона с открытой крышкой и закрытой крышкой с LCD

Металлический корпус телефона сам по себе имеет сложную форму, поскольку в нём имеются функциональные лакуны сплошного металлического корпуса. Один из таких важных прорывов находится в месте антенны. Поэтому при моделировании телефона в первую очередь строится металлический корпус, в одной из точек которого пропускается вывод антенны.

В реальной конструкции телефона антенна подключена через фильтр к выходу усилителя мощности. Однако в модели, построенной в программе HFSS 1 , антенна запитывается снизу через коаксиальный кабель, поскольку одним из допущений HFSS является то, что мощность может либо излучаться либо поглощаться через плоскости, которые окружают анализируемое устройство.

Антенна анализируемого телефона спиральная, состоящая из двух последовательных секций - с редким и с частым шагом. Такая спиральная антенна предназначена для работы в двух частотных диапазонах. Антенна покрыта материалом с = 2,2 (тефлон).

Модель сотового телефона состоит из корпуса и антенной системы, в которую входит спиральная антенна и несимметричный вибратор (штырь), включенные параллельно.

Расчет удельной мощности поглощения

По определению, величина удельной поглощаемой мощности (SAR - Specific Absorption Rate) в пространстве :

где - проводимость материала в данном объёме, См/м; Е - напряжённость поля, В/м; þ - удельная плотность вещества, кг/м3.

Формулу (1) можно использовать, если известны значения Е в интересующих точках модели головы. Анализ поля можно ограничить точками, наиболее близко расположенными к антенной системе, или по наиболее характерным направлениям. Такими направлениями в анализе выберем линии, идущие перпендикулярно корпусу телефона и на высоте, близкой к высоте антенны.

В работе используется трёхслойная модель головы человека (табл. 1).

Таблица 1. Параметры трёхслойной модели головы человека для частот 0,9 и 1,9 (в скобках) ГГц

Вещество Толщина, мм Радиус границы сферы, мм Относительная диэлектрическая проницаемость, Проводимость слоя, См/м tg D Плотность слоя кг/м 3
Мозг 48 53 (46) 1,1 (1,7) 0,415 (0,369) 1030
Кость 3 9 (8) 0,06 (0,1) 0,133 (0,125) 1800
Кожа 1 59 (46) 1,3 (1,9) 0,44 (0,41) 1100

В литературе можно найти и другие, более подробные модели головы . В программе HFSS с помощью операций объединения и вычитания трёхмерных объектов с заданной проницаемостью и проводимостью можно построить модель головы любой сложности.

Метод анализа

Программа HFSS для расчёта электромагнитного поля во всех точках анализируемого пространства использует метод конечных элементов (FEM).

Анализируемое пространство делится на театраэдры, и решается система уравнений для неизвестных (величины электрического и магнитного полей в вершинах тетраэдров).

Методика расчёта мощности, поглощаемой в голове пользователя, с помощью программы HFSS, состоит в использовании специального режима вывода величины поля - вдоль линии (LINE), пересекающей слои головы насквозь. В этом режиме можно рассчитать зависимость модуля поля от координаты удаления от антенны.

Погрешность метода конечных элементов, реализованного в программе HFSS, связана с тем, что разбиение на неодноразмерные тетраэдры даёт скачки напряжённости поля в промежуточных точках, поскольку в методе конечных элементов производится сшивание и выравнивание величин поля только в определённых точках пространства.

Поэтому поле, которое, предположительно, должно плавно спадать при удалении от источника, может дать скачки в решении, если разбиение грубое. При внесении в анализируемое пространство объекта, например, модели головы, эта погрешность может быть уменьшена, так как вершины тетраэдров (>рис. 3) располагаются на границе слоёв головы.


Рисунок 2. Телефон с открытой крышкой. Исходная конструкция телефона для анализа


Рисунок 3. Электрическое поле вблизи антенны, состоящей из секции с редким шагом и секции с частым шагом. Сверху виден штырь. Разбиение на тетраэдры показано в вертикальном сечении всего анализируемого пространства. Справа видны контуры сферы - модели головы

Расчет ближнего поля антенной системы сотового телефона

Ближнее поле антенной системы чаще всего носит реактивный характер, то есть направление перемещения мощности (вектор Пойнтинга) вблизи излучаемого объекта не обязательно по радиальной линии от точки излучения. Границей ближнего и дальнего полей считается дистанция, начиная с которой плоская волна распространяется строго от антенны.

Для получения информации о ближнем поле, необходимо с помощью постпроцессора вывести картину поля в сечении заданной плоскости. В этом случае программа HFSS также рассчитывает максимальное поле в какой-то точке (эту точку можно определить визуально по цвету) на этой плоскости.

Режим анимации постпроцессора влияет на свойства картины поля, но не влияет на значение максимальной его напряжённости. Ползунок регулирует только на соотношение цветов, создавая впечатление движения поля через плоскость.

Итак, для расчёта ближнего поля определяем несколько плоскостей, лежащих на удалении от задней крышки корпуса сотового телефона.

Анализ исходной структуры сотового телефона

Исходная структура (с закрытой крышкой и с вставленным штырём антенны) даёт результаты расчёта напряжённости поля, приведённые в табл. 2.

Таблица 2. Максимальные напряжённости поля в точках плоскостей, расположенных в сечениях при удалении от корпуса сотового телефона

Имя плоскости Удаление от корпуса, мм
F = 1,2 ГГц F = 1,95 ГГц
SAR_18 max 18 519 1166,3
SAR_24 max 24 660,3 581,2
SAR_26 max 26 808,2 692,7
SAR_30 max 30 148,8 363,8
SAR_100 max 100 87,5 250,7

Эти данные являются исходными, относительно которых рассчитываются поля и характеристики системы при изменении конструкции телефонной трубки. Пояснения результатов (табл. 2) приведены на рис. 4, где показаны две плоскости на удалении 18 и 100 мм от ближайшей стенки корпуса сотового телефона и картина поля в этих плоскостях, на которых можно найти точки с максимальной напряжённостью.


Рисунок 4. Картина напряжённости электрического поля в различных плоскостях, рассекающих модель головы. Постпроцессор программы HFSS

Диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях рассчитаны для нескольких положениё по азимуту (для угломестной ДН) и для нескольких направлений по углу места (для азимутальной ДН):

Экспериментальные точки для данного телефона получены на специально разработанном фирмой Schmidt&Partners измерителе ближнего и дальнего полей NSI-97.

Анализ антенной системы с открытой крышкой сотового телефона

Телефон с открытой крышкой - другое положение конструкции, имеющее место после получения звонка пользователем и включения телефона на связь. Естественно, что чувствительность телефона не должна падать при открывании крышки. Построим модель, соответствующую рис. 2. Выполним электродинамический расчёт системы и выпишем максимальные напряжённости поля в плоскостях, расположенных на различном удалении от корпуса сотового телефона. Результаты расчёта на HFSS ближнего поля телефона без штыря, но с открытой крышкой, приведены в табл. 3.

Имя плоскости Удаление от корпуса, мм Максимальная напряженность поля, В/м
F = 1,2 ГГц F = 1,95 ГГц
SAR_18 max 18 1397,4 1715,5
SAR_24 max 24 752,1 727,9
SAR_26 max 26 784,4 668,5
SAR_30 max 30 513,6 564,6
SAR_100 max 100 111,5 107,7

Для сравнения результатов желательно сделать нормировку по отношению к мощности, рассеиваемой антенной системой. Рассеиваемая мощность зависит от степени согласования антенны с источником. Однако, если коэффициент отражения 20log|S11| достаточно низкий, например -10 дБ, то можно считать, что напряжённости поля в зазоре коаксиальной линии во всех расчётах близкие, поскольку отражённая мощность составляет меньше 5%, что может дать такую же погрешность расчёта. Хорошее согласование на одной частоте обеспечить реально, хотя бы с помощью внешней согласующей цепи.

Сравнение табл. 3 с данными табл. 2 показывает, что напряжённость поля возросла при открытой крышке. Но поскольку крышка должна экранировать голову, это несколько неожиданный вывод, объясняемый тем, что вдоль LCD наводятся СВЧ тока, вторичное излучение которых и является источниками повышенной напряжённости поля в объёме модели головы.

Диаграммы направленности при открытой крышке телефона показаны на рис. 7 и 8.


Рисунок 5. Угломестная ДН исходной излучающей структуры


Рисунок 6. Азимутальная ДН антенной структуры



Рисунок 8. Азимутальная ДН

Анализ поля для антенной системы с выдвинутой штыревой антенной показал, что в этом случае поле более равномерно распределено в пространстве, хотя максимум поля расположен ближе к корпусу телефона.

Общий анализ антенной структуры в присутствии модели головы

Модель головы (рис. 9) создана объединением сфер и цилиндров для трёх диаметров, а затем вычитанием одного из другого. В результате получены 3 объекта: покрытие толщиной 1 мм, со свойствами кожи; следующий слой толщиной 3 мм с параметрами кости и далее, в глубину, материал с параметрами мозга.


Рисунок 9. Расположение модели головы и вертикально стоящий сотовый телефон

Такая модель головы в программе HFSS, совместно с сотовым телефоном, имеет следующие параметры расчёта:

  • количество элементов - порядка 15000–20000;
  • количество неизвестных - порядка 100000–120000;
  • требуемая память RAM - до 450–650 MB;
  • время счёта одной частотной точки на Pentium-III - 30 мин.

При выводе картины качественного распределения электрического поля можно задать режим логарифмического распределения поля. Картину поля в объёме модели головы можно детально просмотреть и изучить.

Большую ценность несёт информация о распределении поля в сечении плоскости (рис. 10). Такие плоскости можно задать вдоль всей модели головы, но наиболее информативная часть - сечения, ближайшие к корпусу телефона.


Рисунок 10. Распределение ближнего поля в сечении модели головы и телефонной трубки. От самого большого уровня (красный) до самого маленького (голубой)

Однако для точного расчёта SAR необходимо знать количественное распределение поля в пространстве. Для этого используется вывод характеристик поля вдоль заранее определённой линии, перпендикулярной корпусу телефона и идущей сквозь слои модели головы.

На рис. 11 правая координата x = 82 соответствует точке корпуса телефона, ближайшей к модели головы. Двигаясь влево от точки с координатой x = 82 до точки с x = 72, видим отрезок, где напряжённость поля особенно высока. Это пространство от корпуса телефона до головы.


Рисунок 11. Напряжённость поля вдоль оси X, по мере удаления от модели головы

Чтобы получить более подробную картину распределения напряжённости поля в пределах модели головы, вводим другой масштаб (рис. 12).


Рисунок 12. Картина напряжённости поля в первом и втором слоях модели головы (увеличенный масштаб в первых слоях головы, наиболее близких к корпусу телефона)


Рисунок 13. ДН в угломестной плоскости с головой, частота 0,8 ГГц


Рисунок 14. ДН в азимутальной плоскости с учётом модели головы, 0,8 ГГц

В зависимости от амплитуды возбуждающего источника (который может изменяться по синусоидальному закону), напряжённость поля также будет изменяться в каждой точке пространства, поскольку в ближнем поле высшие типы волн меняются линейно, но фазовые соотношения меняют картину поля в пространстве.

Таким образом, когда меняется мощность излучения, то амплитуды высших типов волн в каждой точке пространства изменяются линейно, но результирующее поле приобретает сложный характер. Мы имеем тут дело не с нелинейной средой, а с интерференцией (суммированием различных типов волн).

Если изменить параметры возбуждения, распределение ближнего поля изменяется к показанному на рис. 11 и 12. Такой характер распределения объясняется суперпозицией волн высших типов в ближнем поле антенной системы.

Результаты, показанные на рис. 12, используются для расчёта значений SAR.

Таким методом можно рассчитать поглощение мощности в любой точке модели головы. Из рис. 11 и 12, можно видеть, что внутри головы человека существуют точки, в которых наблюдается концентрация энергии. Из-за особенностей корпуса телефона и всей антенной системы происходит фокусировка ближнего поля в голове, из-за чего исчезает характер монотонного спада поля с удалением от корпуса телефона с антенной. Конечно, усреднённую мощность в пространстве этих точек нужно рассчитывать, используя статистический анализ. Однако расчёты показывают, что небольшие металлические предметы, например, серьги в ушах, наводя небольшие статистически устойчивые поля, могут давать значительные мощности в точках пространства тела!

Диаграмма направленности в направлении головы имеет провал в азимутальной диаграмме направленности, поскольку в этой части происходит затенение излучаемой мощности.

Рассчитанные диаграммы направленности, по сравнению с рис. 5–7, показывают на 1...3 дБ меньшее излучение во всех направлениях, однако более равномерное. Очевидное объяснение этому - рядом с антенной системой находится объект с поглощающими свойствами. Однако видно также, что азимутальная ДН почти одинакова для разных углов наклона.

Заключение

Таким образом мощная программа HFSS, вне зависимости от производителя - Ansoft или Agilent, обладает уникальными возможностями, позволяющими применить её для решения задач анализа антенной системы сотового телефона. Для примера, в конкретной конструкции телефона проведён анализ в различном положении штыря и крышки и получено, что:

  • в исходном положении антенны - с закрытой крышкой и невынутым штырём антенны диаграмма направленности антенной системы зависит от смещения антенны относительно оси симметрии корпуса. Сдвиг антенны от центра даёт смещение диаграммы направленности в азимутальной плоскости до 30º;
  • в исходном положении антенна "светит" ещё и вниз, причём даже более эффективно, чем вверх, при определённых углах направленности;
  • по сравнению с исходным положением сотового телефона - с закрытой крышкой и невытащенным штырём, открывание крышки приводит к значительной деформации диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Провалы в диаграмме направленности увеличиваются с 2 до 8 дБ;
  • при вытаскивании штыря в телефоне с закрытой крышкой усиление антенны увеличивается примерно на 3 дБ, что показывает такое же увеличение общей чувствительности системы. Однако вытаскивание штыря также приводит к более распределённому поглощению мощности в теле человека, что подтверждает, что более распределённые антенные системы предпочтительнее точечных. Вытаскивание штыря приводит к уменьшению усредненного SAR. Однако, есть несколько точек, где локальный SAR увеличивается;
  • покрытие металлического корпуса материалом LEXAN изменяет резонансную частоту антенной системы сотового телефона в сторону уменьшения примерно на 200 MГц, что говорит о значительном влиянии покрытия на согласование антенной системы с приёмопередатчиком. Вообще увеличение массы корпуса телефона и его размера приводит к смещению резонансной частоты вниз; при внесении в поле излучения антенной системы модели головы значительно меняется ближнее поле и диаграмма направленности в азимутальной и угломестной плоскостях;
  • величина SAR, рассчитанная с помощью HFSS по порядку (0,2...3 Вт/кг), соответствует литературным данным и близка к измеренным данным (1...2 Вт/кг) для сотового телефона.

Очень важный для практики вывод, следующий из многочисленных расчётов: корпус телефона может концентрировать поле в отдельных точках, работая как зеркальный отражатель. Этот расчётный результат получен при виртуальном разрезании модели головы плоскостями, параллельными сторонам корпуса телефона. Скачки концентрации поля достигают 10 дБ при общей тенденции спада мощности поглощения к центру головы.

Литература

  1. HFSS Manuals. Agilent, 2000.
  2. K. Fujimoto, J.R. James. Mobile Antenna Systems Handbook. 2-ed. 2001. 710 p.
  3. H. Mimaki, H. Nakano. Double patch helical Antenna. 1998. Samplung of papers IEEE.
  4. C.W. Trueman, S.J. Kubina, M. Slater. Modeling Helix Antenna with NEC4. Montreal, 1997. IEEE.
  5. Paivi Haapala, Pertti Vainikainen. Helical Antennas for multi-mode mobile phones. 26thEuMC, 1996.
  6. Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Сов.Радио, 1976. 247 с.