Μέτρηση και εκτίμηση αβεβαιότητας ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε σύγχρονα συστήματα ασύρματων ευρυζωνικών επικοινωνιών

Abstract

The present dissertation deals with the problems of measurement of electromagnetic fields with the most widely widespread ways today, that is to say, the broadband measurements and the narrowband measurements. For the broadband measurements, a general methodology for the calculation of total uncertainty of the measured field both in the case of point measurements and in the case of spatial average measurements is developed. For the narrowband measurements methods, both in the case of the use of directional antennas and in the case of using bipolar or isotropic antennas, are proposed. The proposed methods can be applied either for a separate signal or for a specific frequency band or for a wider frequency range, depending on the specific requirements and the capabilities of the measurement instruments. Especially, for the directional narrowband measurements, a methodology for the reception of the maximum field from a specific direction is developed, without the need of the prior knowledge of the reception angle and the mediation of the operator for its identification. Moreover, for the evaluation of the exposure based on the results of multiple narrowband measurements, both for point and for spatial average measurements, methods of calculation of the sum of the exposure quotients, which is a metric for the characterization of the exposure according to the adopted Reference Levels, are proposed. For the estimation of spatial average value the raster method of spatial points is selected, because of its reliability for the repeatability of the measurement results, and the use of tetrahedron type raster is proposed, as with a small number of spatial points that simulate the dimensions of the exposed body it gives results with smaller divergences than raster of more points. This is important for the reduction of the required number of measurements and the respective time. Of course, the same methodology can be applied in any raster type, depending on the measurement purposes. Also, a practical methodology for the calculation of the maximum fields from 2nd generation mobile communication systems that have variable power proportional to the served subscribers is proposed. The proposed methodology for these systems minimizes the required time for the measurements, eliminating simultaneously possible operator faults, and does not presuppose the prior knowledge of the frequencies distribution to the base stations of various network operators, which usually is not known in practice. In all cases of narrowband measurements which are investigated, methods for the calculation of the total uncertainty of the total field intensity and of the total sum of the exposure quotients are proposed, both for point and spatial average measurements. The proposed methods are general and can be applied in measurements with directional, bipolar, or isotropic antennas, or in measurements that require the combination of the above in a narrow or a wide spectrum, irrelevant to the types of communication systems that operate in it.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τα προβλήματα μέτρησης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων με τους πιο ευρέως διαδεδομένους σήμερα τρόπους, δηλαδή τις μετρήσεις ευρείας ζώνης και τις μετρήσεις στενής ζώνης. Για τις μετρήσεις ευρείας ζώνης, αναπτύσσεται γενική μεθοδολογία υπολογισμού της συνολικής αβεβαιότητας του μετρούμενου πεδίου και στην περίπτωση των σημειακών μετρήσεων και στην περίπτωση των μετρήσεων χωρικής μέσης τιμής. Για τις μετρήσεις στενής ζώνης προτείνονται μέθοδοι τόσο στην περίπτωση χρήσης κατευθυντικών κεραιών όσο και στην περίπτωση χρήσης διπολικών ή ισοτροπικών κεραιών. Οι προτεινόμενες μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν είτε για ένα ξεχωριστό σήμα είτε για μια συγκεκριμένη συχνοτική ζώνη είτε για ένα μεγαλύτερο συχνοτικό εύρος ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις και τις δυνατότητες των οργάνων μέτρησης. Ειδικά, για τις κατευθυντικές μετρήσεις στενής ζώνης, αναπτύσσεται μεθοδολογία για την λήψη του μέγιστου πεδίου από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, χωρίς την εκ των προτέρων γνώση της γωνίας λήψης και την μεσολάβηση του χειριστή για τον εντοπισμό της. Επιπλέον, για την αξιολόγηση της έκθεσης με βάση τα αποτελέσματα πολλαπλών μετρήσεων στενής ζώνης προτείνονται τόσο για μετρήσεις σημείου όσο και για μετρήσεις χωρικής μέσης τιμής, μέθοδοι υπολογισμού του αθροίσματος των πηλίκων έκθεσης που αποτελεί και το μέτρο για τον χαρακτηρισμό της έκθεσης σε σχέση με τα υιοθετημένα επίπεδα αναφοράς. Για την εκτίμηση της χωρικής μέσης τιμής επιλέχθηκε η μέθοδος ράστερ χωρικών σημείων, λόγω της αξιοπιστίας της ως προς την επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων των μετρήσεων και προτείνεται η χρήση ράστερ τύπου τετραέδρου αφού με μικρό αριθμό χωρικών σημείων που προσομοιώνουν τις διαστάσεις του εκτιθέμενου σώματος δίνει αποτελέσματα με μικρότερες αποκλίσεις από ράστερ περισσοτέρων σημείων. Αυτό είναι σημαντικό για την μείωση του απαιτούμενου αριθμού μετρήσεων και του αντίστοιχου χρόνου. Φυσικά, η ίδια μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε τύπο ράστερ, ανάλογα με τον σκοπό που εξυπηρετούν οι μετρήσεις. Επίσης, προτείνεται πρακτική μεθοδολογία υπολογισμού των μέγιστων πιθανών πεδίων από συστήματα κινητών επικοινωνιών 2ης γενιάς που έχουν μεταβλητή ισχύ, ανάλογη με τον αριθμό των εξυπηρετούμενων συνδρομητών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία για τα συστήματα αυτά ελαχιστοποιεί τον απαιτούμενο χρόνο μετρήσεων εξαλείφοντας ταυτόχρονα πιθανά σφάλματα των χειριστών του συστήματος μέτρησης, και δεν προϋποθέτει την εκ των προτέρων γνώση της κατανομής συχνοτήτων στους σταθμούς βάσης των διαφόρων παρόχων του δικτύου, κάτι το οποίο συνήθως δεν είναι γνωστό στην πράξη. Σε όλες τις περιπτώσεις μετρήσεων στενής ζώνης που εξετάζονται, προτείνονται μέθοδοι υπολογισμού της συνολικής αβεβαιότητας των συνολικών πεδιακών εντάσεων και του συνολικού αθροίσματος των πηλίκων έκθεσης, και για μετρήσεις σημείου και για μετρήσεις χωρικής μέσης τιμής. Οι μέθοδοι που προτείνονται είναι γενικές και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μετρήσεις με κατευθυντικές κεραίες είτε με διπολικές κεραίες, είτε με ισοτροπικές κεραίες, είτε σε μετρήσεις που απαιτούν τον συνδυασμό των παραπάνω κεραιών σε μικρό ή σε μεγάλο εύρος φάσματος, ανεξάρτητα από τους τύπους των συστημάτων επικοινωνίας που λειτουργούν σε αυτό.