CC BY
65
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.317.328 С. В. ЕЛЯГИН
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА МОЩНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МОБИЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТЕРМИНАЛА
Проводится калибровка разработанного мобильного измерительного терминал. Выполняется измерение плотности потока мощности, создаваемого антеннами, установленными на главном корпусе технического университета (УлГТУ).
Ключевые слова: уровень электромагнитного поля, плотность потока мощности, измерения, антенны GSM.
Поддержано грантом РФФИ 08-07-97000-Р_гюволжье_а.
Целыо работы является привязка измерительных данных, получаемых с помощью мобильного измерительного терминала уровня электромагнитного поля [1, 2] к соответствующим теоретическим значениям плотности потока мощ-иости, а также проведение ряда измерений на территории технического университета.
В предлагаемом мобильном измерительном терминале [I, 2] используется детектор радиосигнала А08314 [3], работающий в диапазоне 0.1-2.7 ГГц и имеющий динамический диапазон от минус 45 дБм до 0 дБм. Выходным сигналом детектора радиосигнала является постоянное напряжение ¿У, значение которого прямо пропорционально уровню Р[дБм] входного сигнала. Характеристика преобразования детектора А08314, описывается линейной функцией [3]
О = 0.022?+ 1.07 . (1)
Поскольку предельно допустимый уровень электромагнитного поля в диапазоне 900 МГц и
л
1800 МГц измеряется в Вт/м , то необходимо осуществить перевод уровня электромагнитного поля из единиц измерения дБм в единицы измерения Вт/м'. Плотность потока мощности [4].
)0 0.1/>[дБм]-3
77 =
Socfi
(2)
где - Л - эффективная площадь
приёмной антенны; Л - длина волны на средней частоте 1442 МГц диапазонов 900 МГц и 1800 МГц [4], ва = 2.15 дБи - коэффициент
©С. В. Елягин, 2008
усиления используемой двухдиапазонной штыревой антенны АОА-0086 [4].
Анализ выражения (2) показывает, что детектор радиосигнала А08314 позволяет измерять плотность потока мощности в диапазоне
0.1-20 мкВт/см2.
После преобразований выражений (1) и (2) получим теоретическую зависимость выходного напряжения Ц детектора радиосигнала от плотности потока мощности П
' П •
{/ = 0.022 -10/og
\
\
+ 1.07, (3)
где Ро = 1 мВт - номинальная мощность.
Для сравнения теоретической и практической
зависимости U -/(II) был проведён ряд экспериментов с использованием измерителя плотности потока мощности ПЗ-ЗЗ. Получено 21 значение плотности потока мощности. Измерения проводились вблизи работающих базовых станций стандарта GSM. С помощью мобильного измерительного терминала получены 252 пары измерительных данных с выходов двух детекторов радиосигнала. Причём каждое измерение есть среднее значение 1024 измерений, полученных с интервалом в 1 мс. Следует отметить, что одному измерению плотности потока мощности (с помощью прибора ПЗ-ЗЗ) соответствует 12 пар измерительных данных с мобильного измерительного терминала. Коэффициент корреляции двух векторов равен 0.888, что говорит о хорошем соответствии измерительных данных. Использование двух измерительных каналов (два AD8314), позволяет уменьшить ошибку
измерения за счет применения процедуры ком-плексирования, которая сводится к вычислению среднего значения соответствующих пар измерен и й. Результаты измерений приведены 11а рис. 1. Используя метод наименьших квадратов, построена линейная регрессия, связывающая плотность потока мощности П с выходным напряжением у детектора радиосигнала
/ . * V
и = 0.0237 -\0log
П^Ъср
' Ро
+ 0.837. (4)
Результаты измерений показывают, что крутизна реальной характеристики преобразования равна 0.0237 мВ/дБм и практически совпадает с теоретическим значением. Отличие постоянной составляющей от теоретического значения обусловлено отличием напряжения питания детекторов радиосигнала от номинального значения [3]. Разброс измерительных данных объясняется проведением измерений на работающем оборудовании базовых станций, а не с использованием тестового генератора.
Используя выражение (4), получаем зависи-
л
мость плотности потока мощности П от вы-
А
ходного напряжения Ъг детектора радиосигнала
л
П = 0(4-Ш-2-3) [мкВт/см2]
(5)
Выражение (5) позволяет установить связь показаний мобильного измерительного терминала и плотности потока мощности.
Используя выражение (5), выполним измерение плотности потока мощности трёх антенн, установленных на крыше главного корпуса технического университета. В общей сложности произведено 25 244 измерения плотности потока мощности с привязкой к географическим координатам и высоте местности. На рис. 2 приведено распределение плотности потока мощности по территории технического университета (тёмные участки соответствуют большим значениям).
На рис. 3 приведена теоретическая и экспериментальная зависимости плотности потока мощности от дальности до антенны на различных азимутальных углах, одновременно представленных в одной плоскости.
Из рис. 3 видно, что существует участок территории с наибольшим значением плотности потока мощности.
Анализ теоретического и экспериментального (среднего значения на данном участке территории) значения плотности потока мощности показывает, что ошибка измерения для трёх антенн равна 10%, 11% и 64%. При этом среднее значение плотности потока мощности и средне
-25
-20
-15
-10
-5 Р. лБУ
Рис. !. Результаты измерений
ул. Докучаева
Рис. 2. Распределение плотности потока мощности по территории технического университета
»■ » Г1, мкВт/см
2-
1........
И
т-'-«» Ч-
о
г, м
Рис. 3. Зависимость плотности потока мощности от дальности до антенны на различных азимутальных углах, одновременно представленных
в одной плоскости
квадратическое отклонение (СКО) соответственно равны 0.86 м кВт/см- (СКО 0.42 мкВт/см"), 0.65 мкВт/см2 (СКО 0.51 мкВт/см2) и 0.08 мкВт/см2 (СКО 0.08 мкВт/см"). Большое 'значение СКО вызвано непостоянством мощности, излучаемой антеннами GSM. Для подтверждения сказанного было выполнено шесть измерений плотности потока мощности в фиксированных точках местности. Измерения содержали от ¡90 до 253 замеров. Анализ измерений показал, что доверительный интервал оценки математического ожидания составляет от ±1.4% до ±4.6% с доверительной вероятностью 0.99.
Следует отметить, что значительная ошибка измерения плотности потока мощности (64%) для третьей антенны обусловлена наличием препятствия (четырёхэтажное здание) между антенной и областью измерения, что приводит к уменьшению плотности потока мощности. При теоретических расчётах использовалась одно-лучевая модель распространения сигнала в открытом пространстве, как самая простая для расчётов [5].
Таким образом, целью дальнейших исследований должна стать разработка методов обнаружения места с наибольшим значением плотности потока мощности.
На рис. 4 приведена зависимость плотности потока мощности от азимутального угла. Из
я/ *
рис. 4 видно, что наибольшее значение плотности потока мощности (для данных антенн) сосредотачивается зеркально вблизи нулевого азимута. Следует отметить, что локальный максимум в районе 17 градусов вызван явлением дифракции от края крыши корпуса библиотеки.
Таким образом, в работе показана справедливость выражения (5), позволяющего выполнить оценку плотности потока мощности, а само устройство [К 2] может быть использовано для
ф
построения карты электромагнитного загрязнения территории, прилегающей к излучающим антеннам.
-30 -20 -10 0
10 <р\ градус
Рис. 4. Зависимость плотности потока мощности
от азимутального угла
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. на полезную модель №73144 Российская Федерация, МГ1К7 H04Q9/00. Мобильный измерительный терминал уровня электромагнитного поля / Елягин С. В., Армер А. И.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. Бюл. №13, 10.05.2008.
2. Елягин, С. В. Мобильное устройство экологического мониторинга уровня электромагнитного поля/ С. В. Елягин, А. И. Армер// Современные проблемы науки и образования. -2008. - №4 (июль - август). - С. 30-35.
3. vvww.analog.com.
4. www.compeí.т.
5. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов: учеб. пособие для радиотехи. специальностей вузов / под ред. Д. И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1972. -318 с.
©<8>®0ОО®е©©£©©0в9<5©в©
Елягин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ. Имеет работы в области радиотехники и связи.
