Promieniowanie stacji bazowych telefonii komórkowej na tle pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez duże ośrodki radiowo-telewizyjne Fryderyk Lewicki Telekomunikacja Polska, Departament Centrum Badawczo-Rozwojowe, Pracownia Anten i Kompatybilności Elektromagnetycznej, ul. B. Prusa 9, 50-385 Wrocław, fryderyk.lewicki@telekomunikacja.pl Stacje bazowe często są lokalizowane na stacjach nadawczych UKF-FM i TV. W referacie porównano poziomy promieniowania od stacji bazowych telefonii komórkowej i od emisji UKF-FM i TV dużej mocy. Wskazano na znaczenie maksymalnej mocy promieniowanej ERP, oraz zysku kierunkowego i wysokości środków elektrycznych anten nadawczych. Wprowadzenie Bardzo szybki rozwój radiodyfuzji (ciągle zwiększa się liczba nadawanych programów radiofonicznych UKF-FM, TV, a ostatnio także telewizji cyfrowej DVB-T i radiofonii cyfrowej T-DAB) oraz radiokomunikacji ruchomej (w tym przede wszystkim telefonii komórkowej GSM), powoduje, że w otoczeniu człowieka pojawia się coraz więcej masztów z antenami nadawczymi. Powoduje to zrozumiałe zainteresowanie, a często także zaniepokojenie wielu ludzi. Dużo emocji budzą stacje bazowe telefonii komórkowej, ponieważ są one budowane stosunkowo blisko miejsc zamieszkania. Tak jest, ponieważ stacje bazowe muszą być budowane w obszarach, gdzie przybywają ich użytkownicy. W referacie rozpatrzono stacje bazowe GSM zlokalizowane na masztach radiodyfuzyjnych stacji nadawczych, z reguły położonych stosunkowo daleko od zabudowy mieszkalnej. Charakterystyka źródeł promieniowania Zarówno stacje nadawcze UKF-FM, TV jak i stacje bazowe GSM są w obecnym świecie niezbędna. Ważne jest, aby lokalizowane one były w taki sposób, żeby z jednej strony jak najlepiej wypełniały swoje funkcje telekomunikacyjne, a z drugiej strony minimalizowały wpływ na środowisko, przede wszystkim pod względem poziomu promieniowania niejonizującego do obszarów, gdzie mieszkają ludzie. Dąży się do tego, żeby poziomy promieniowania były wystarczające do prawidłowej pracy urządzeń i jednocześnie możliwie najmniejsze. Stosowane w Polsce rozwiązania techniczne, zarówno dla stacji nadawczych UKF-FM i TV jak i stacji bazowych GSM są takie same, jak stosowane w innych krajach europejskich. W USA rozwiązania techniczne także są podobne, ale stosowane moce promieniowane są na ogół większe. W tabeli 1. zestawiono najważniejsze z punktu widzenia ochrony środowiska parametry typowych stacji nadawczych: UKF-FM i TV dużej mocy, oraz stacji bazowych telefonii komórkowej GSM. Z tabeli 1 wynika, że zyski kierunkowe systemów antenowych radiodyfuzji i GSM są podobne. Systemy antenowe UKF-FM i TV są jednak montowane znacznie wyżej od anten GSM. Także moce promieniowane z systemów antenowych radiodyfuzji są znacznie większe od mocy promieniowanych przez anteny GSM. Przedstawione porównanie jest słuszne jedynie dla stacji nadawczych UKF-FM i TV dużej mocy. W radiodyfuzji bardzo często wykorzystuje się także stacje małej mocy. Przykładowo warto wspomnieć, że w Polsce istnieją przemienniki telewizyjne o mocy promieniowanej ERP = 20 W, a wiele stacji UKF-FM pracuje z mocami ERP rzędu 50 lub 100 W. Programy UKF i TV mogą więc być nadawane z mocami ERP mniejszymi od maksymalnych mocy promieniowanych stacji bazowych GSM. Na rysunkach 1 3
przedstawiono kolejno zdjęcia typowych systemów antenowych UKF-FM i TV dużej mocy, oraz przykładową antenę nadawczą telefonii GSM. Tabela 1. Zestawienie parametrów typowych stacji nadawczych UKF-FM III zakres TV IV/V zakres GSM 900 GSM 1800 dużej mocy dużej mocy TV dużej mocy zakres częstotliwości 87,5 108 174 230 470 790 (860) 870 960 1710 1880 typowa wysokość nad poziomem terenu 150 200 m 200 280 m 200 350 m 25 50 m 25 50 m typowy maksymalny zysk kierunkowy typowa moc wyjściowa nadajnika maksymalne moce promieniowane ERP Typowa pozioma charakterystyka promieniowania 10 12 dbd 10 12 dbd 13 16 dbd 10 20 dbd 10 20 dbd 5 10 kw 5 10 kw 10 30 kw 25 W / kanał 25 W / kanał 60 120 kw 100 200 kw 100 1000 kw 200 500 W / kanał Dookólna dookólna dookólna sektorowa 120 200 500 W / kanał Sektorowa 120 Rys. 1 Typowy system antenowy UKF-FM dużej mocy (8 pięter 3 ściany) System antenowe UKF-FM i TV zbudowane są z wielu identycznych elementów antenowych ułożonych w piętra i ściany. Wszystkie elementy antenowe systemu antenowego połączone są wspólnym układem zasilania i pracują jako całość (jako jedna antena nadawcza). Systemy antenowe UKF-FM dużej mocy (rys. 1) mają na ogół 3 4 ścian i 8 12 pięter, oraz wysokość rzędu 25 30 m. Typowy system antenowy IV/V zakresu TV dużej mocy zbudowany jest z 4 ścian. ma 16 pięter i 25 m wysokości (na rysunku 2 system antenowy ma 8 pięter). Często umieszczony jest w cylindrycznej osłonie dielektrycznej. Typowe stacje bazowe GSM wyposażone są w elementy antenowe najczęściej nazywane panelami (rys. 3). Część z tych paneli pracuje jako anteny nadawczo-odbiorcze, a część jako anteny tylko odbiorcze (w przypadku odbioru przestrzennego). Typowy panel ma 1,5 3 m wysokości i kierunkową poziomą charakterystykę promieniowania. Odmiennie od radiodyfuzji w telefonii GSM każdy panel stacji bazowej pracuje jako oddzielna antena nie stosuje się systemów antenowych, gdzie jednocześnie tym samym sygnałem zasilanych jest wiele paneli. Każdy sektor jednej stacji bazowej obsługiwany jest przez jedną antenę nadawczą (jeden panel).
Rys. 3 Typowy panel nadawczo-odbiorczy telefonii GSM (900/1800 ) Rys. 2 System antenowy IV/V zakresu TV dużej mocy (8 piętrowy bez osłony dielektrycznej) Najnowsze obecne rozwiązania w telefonii GSM to pojedynczy panel nadawczoodbiorczy na oba zakresy częstotliwości 900/1800 i w dwóch polaryzacjach +45 /-45. Taki panel spełnia funkcje 8 anten (2 nadawcze i 4 odbiorcze; 4 na pasmo 900 i 4 na pasmo 1800 ; 4 w polaryzacji +45 i 4 w polaryzacji 45 ). Z punktu widzenia ochrony środowiska taki panel to umieszczone w tym samym miejscu dwie anteny nadawcze: jedna w paśmie 900 i druga w paśmie 1800. Rozkłady natężenia pola Stacje nadawcze UKF-FM, TV i stacje bazowe GSM często korzystają ze wspólnego masztu. Dlatego istotnym zagadnieniem jest porównanie poziomów pól wytwarzanych przez nie w obszarach w których mogą przebywać ludzie, przede wszystkim bezpośrednio nad poziomem terenu. Z tabeli 1 można odczytać, że anteny nadawcze UKF-FM, TV i GSM mają zyski kierunkowe powyżej 10 db. Oznacza to, że mają stosunkowo wąską (2 10 ) wiązkę główną pionowych charakterystyk promieniowania. Przykładowo typowa szerokość wiązki głównej systemu antenowego IV/V zakresu TV to 2. Maksimum promieniowania jest skierowane na największe odległości, w kierunku horyzontu radiowego czyli w przybliżeniu
prostopadle do osi masztu antenowego. Powszechnie stosowane jest pochylenie wiązki głównej charakterystyk pionowych ku ziemi. W przypadku anten radiodyfuzyjnych jest to pochylenie o kąt rzędu 0,2 0,6 dlatego, że pod takim kątem z wysokości środków elektrycznych anten widoczny jest horyzont radiowy. Wiązki główne anten GSM są często bardziej pochylone: o 3 15. Głównym powodem pochylenia charakterystyk pionowych jest w tym przypadku potrzeba ograniczenia zasięgu, co umożliwia powtórne wykorzystanie tego samego kanału w mniejszej odległości. Wąskie pionowe charakterystyki promieniowania (duże zyski kierunkowe) mają duże zalety nie tylko z punktu widzenia operatora systemu radiokomunikacyjnego (mniejsze moce nadajników potrzebne do uzyskania dużych zasięgów) ale także z punktu widzenia ochrony środowiska. Wąska pionowa charakterystyka promieniowania oznacza, że większość energii promieniowana jest prostopadle do osi masztu i przelatuje ponad obszarem położonym pod masztem antenowym. Do obszaru wokół masztu antenowego wypromieniowywana jest znacznie mniejsza energia. Na rys. 4 przedstawiono przykładowy wykres rozkładu wypadkowej wartości wskaźnikowej zasięgu W w funkcji odległości od masztu dla typowej stacji nadawczej dużej mocy. Rys. 4. Rozkład wypadkowej wartości wskaźnikowej zasięgu W w funkcji odległości od masztu Z wykresu można odczytać wypadkową wartość współczynnika W - krzywa (a) jak i wpływ poszczególnych emisji. Widać, że największy wpływ ma emisja UKF-FM1 (krzywa (b): 5 częstotliwości roboczych, łącznie ERP = 430 kw, 230 m npt.). Mniejszy wpływ mają emisje IV/V zakresu TV (krzywe (e) i (f): 2 częstotliwości robocze, ERP 330 i 240 kw, 270 m npt). Wpływ promieniowania stacji bazowej GSM (krzywa (g): ERP = 500 W, wysokość 35 m npt.) jest bardzo mały. W rozpatrywanym przykładzie poziom promieniowania z systemów antenowych UKF-FM i TV pomimo dużych mocy ERP jest stosunkowo mały (wartość wypadkowa W nie przekracza 0,4) ponieważ systemy antenowe charakteryzują się dużą kierunkowością i są zamontowane na dużych wysokościach. Poziom promieniowania stacji bazowej GSM pomimo że antena jest zamontowana stosunkowo nisko, jest mały ze względu na duży zysk kierunkowy i małą moc
promieniowaną. Z przedstawionego wykresu widać, że na stacjach nadawczych dużej mocy wpływ promieniowania ze stacji bazowych GSM może być pominięty. Na rysunku 5 przedstawiono wykres analogiczny jak na rysunku 4, ale wykonany dla stacji nadawczej średniej mocy. Także w tym przypadku największy jest wpływ promieniowania z anteny UKF-FM. Co prawda moc promieniowana jest w tym przypadku stosunkowo mała (7,2 kw), ale mniejszy jest zysk kierunkowy anteny (7 db) i mniejsza wysokość środka elektrycznego anteny (35,5 m npt.). Także w tym przypadku wpływ promieniowania stacji bazowych GSM i innych systemów radiokomunikacji ruchomej (krzywe (e) i (f)) może być pominięty. W pokazanym przykładzie pomijalny jest także wpływ promieniowania w IV/V zakresie TV (moce ERP rzędu 1 kw, środek elektryczny 40 m npt). Jest tak ze względu na stosunkowo duży (11 db) zysk kierunkowy. Rys. 5. Rozkład wypadkowej wartości wskaźnikowej zasięgu W w funkcji odległości od masztu Wnioski Poziomy pól w otoczeniu masztów antenowych, wywoływane przez nadajniki systemów radiokomunikacyjnych zależą przede wszystkim od mocy promieniowanej ERP, zysku kierunkowego i wysokości środków elektrycznych nadawczych systemów antenowych. W przypadku gdy anteny stacji bazowych GSM zamontowane są na radiowotelewizyjnej stacji nadawczej dużej mocy, ich wpływ na wypadkowy poziom promieniowania jest pomijalny. Także w przypadku stacji nadawczych średniej mocy (ERP rzędu 10 kw) wpływ anten GSM na wypadkowy poziom promieniowania jest niewielki. Jedynie w przypadku stacji nadawczych małej mocy anteny GSM mogą w sposób znaczący wpływać na wypadkowy poziom promieniowania. Poziomy promieniowania mogą przekraczać wartości dopuszczalne, jeżeli anteny nadawcze są zamontowane za nisko w stosunku do promieniowanych mocy ERP i zysku kierunkowego. Wchodzące do eksploatacji nowe systemy radiofonii i telewizji cyfrowej wymagają do prawidłowego odbioru co najmniej kilkukrotnie mniejszych mocy promieniowanych ERP. Zastąpienie systemów analogowych przez cyfrowe będzie więc korzystne także z punktu widzenia ochrony środowiska.