1
•
TNO-rapport FEL-01-C050
EMC-aspecten GSM-opstelpunten op wegportalen
TNO Fysisch en Elektronisch Laboratorium
Datum
Oude Waalsdorperweg 63 Postbus 96864 2509 JG 's-Gravenhage
februari 2001
Telefoon 070 374 00 00 Fax 070 328 09 61
Auteur(s)
Ing. A.B. Woltering
Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht van net ministerie van Defensie werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van de opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de 'Modelvoorwaarden voor Onderzoeks- en Ontwikkelingsopdrachten' (MVDT 1997) tussen de minister van Defensie en TNO indien deze op de opdracht van toepassing zijn verklaard dan wel de betreffende terzake tussen partijen gesloten overeenkomst.
FBB 00.05266 Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat
Opdrachtnummer Opdrachtgever
R. van der Voort Adviesdienst Verkeer en Vervoer
Organisatieonderdeel Projectbegeleider Organisatieonderdeel
Rubricerina
Ongerubriceerd Ongerubriceerd Ongerubriceerd
Titel Rapporttekst Bijlage Vastgesteld door
R. van der Voort februari 2001
Vastgesteld d.d. © 2001 TNO
Exemplaarnr.
TNO Fysisch en Elektronisch Laboralorium is onderdeel van TNO Defensieonderzoek waartoe verder behoren: TNO Prins Maurits Laboratorium TNO Technische Menskunde
^
5
Oplage
50
Aantal pagina's
23 (incl. bijlage, excl. dislributiclijst)
Aantal bijlagen
1
^
^
•||J| 1l ^ t ^ j
L
Nederiandse Organisatie voor toegepastnatuurwetenschappelijk onderzoek TNO
TNO-rapport
FEL-01-C050
Inhoud Afkortingen
3
1.
Inleiding
4
2.
Metingen
6
2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 3.
Meetresultaten Metingen dwars op de hoofdbundel van de antenne, over het wegportaal Metingen onder de antenne op plaatsen waar apparatuur kan worden geplaatst Metingen in de hoofdbundel van de lage antenne
7 7 10 10
Elektrische veldsterkteberekeningen in worst-case situatie 3.1 Berekening van de elektrische veldsterkte over het wegportaal 3.2 Locatie waar apparatuur komt te staan
12 13
4.
Immuniteitseisen huidige en toekomstige systemen van RWS
14
5.
Blootstellingslimieten voor de algemene bevolking 5.1 Algemeen 5.2 Normen
15 15 17
6.
Conclusies en aanbevelingen
19
7.
Referenties
20
8.
Ondertekening
21
Bijlage A
Meetapparatuur
12
TNO-rapport
3
FEL-01-C050
Afkortingen A/m AVI AW CCTV dB dBm DCS DRIP E E, EM EMC EN GSM H ICNIRP IEC ISA MD MHz MTM NAB Pr
RF RWS SAR TDI TNO TNO-FEL TRX UPS |iV
V/m W WED P G
5
Ampère per meter, eenheid van magnetische veldsterkte Automatic Vehicle Identification Adviesdienst Verkeer en Vervoer Closed Circuit Television System decibel, een tiende van een bel, logaritmische grootheid waarin de verhouding van twee vermogens kan worden uitgedrukt decibel ten opzichte van 1 mW (milliwatt) Digital Cellular System Dynamisch Route Informatie Panelen Symbool voor elektrische veldsterkte Effectieve waarde van de elektrische veldsterkte in het lichaam Elektromagnetisch Elektromagnetische Compatibiliteit Europese Norm Global System for Mobile Communications Symbool voor magnetische veldsterkte International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection International Electrotechnical Commission Intelligente Snelheids Adaptie Meetkundige Dienst Megahertz (1.000.000 Hz) Monitoring Traffic Management (Verkeerssignaleringssysteem) Nationaal Antennebeleid Ontvangen vermogen Radiofrequent Rijkswaterstaat Specific Absorption Rate Toeritdoseer Installatie Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Fysisch en Elektronisch Laboratorium Transceiver Uninterruptible Power System micro Volt (miljoenste volt) Volt per meter, eenheid van elektrische veldsterkte Watt Werktuigkundige en Elektrotechnische Dienst Massadichtheid van het medium (kg/m ) Elektrische geleidbaarheid van het medium (mho/m) Absorptiecoëfficiënt formele indringdiepte; 5 = 1/(1
TNO-rapport
4
FEL-01-C050
1.
Inleiding
De afgelopen jaren zijn door de operators van mobiele netwerken in toenemende lmate en in hoog tempo in Nederland antennes voor GSM-900 en DCS-1800 geplaatst, zowel in de stedelijke omgeving als ook in landelijke gebieden. Gezien i de aanstaande introductie van nieuwe toepassingen in de ether zullen er de ]komende jaren nog vele antennes nodig zijn. De druk op de verwerving van nieuwe antennelocaties zal bij elke operator alleen maar toenemen. De centrale overheid wil hierin een vooraanstaande rol gaan vervullen. Zo heeft zij een Nationaal Antennebeleid (NAB) ontwikkeld. Hiermee krijgen de gemeenten een kader waarbinnen zij hun eigen beleid kunnen ontwikkelen. Ook voor de informatievoorziening aan publiek en lagere overheden draagt de overheid zorg. Naast de reeds gebruikelijke locaties als daken en vakwerkmasten worden nu ook kerken, silo's, hoogspanningsmasten en reclamezuilen als opstelplaatsen gebruikt. De Staatssecretaris van Verkeer en Waterstaat heeft dinsdag 14 maart 2000 dan |ook toestemming verleend voor een proef met het plaatsen van GSM-antennes op wegportalen. Het project betreft een proef waarbij op het traject van de A28 in de regionale directie Utrecht, tussen Rijnsweerd en Hoevelaken op 23 portalen kleine masten worden geplaatst. Elke mast is voorzien van vier GSM-antennes, twee boven elkaar en twee in elke rijrichting.
Figuur 1.1:
P
GSM-antennes voorzien van vier dual-band antennes
Voordeel van het plaatsen van antennes op wegportalen is dat belcapaciteit wordt toegevoegd op die plaatsen waar veel verkeer is. De capaciteitsproblemen zijn hier
TNO-rapport
FEL-01-C050
groot en overbelasting van het mobiele netwerk kan hierdoor worden tegengegaan. Een van de aandachtspunten van de proef is na te gaan of de EM-velden afkomstig van de antennes een nadelige invloed kunnen hebben op de reeds aanwezige elektronische systemen van Rijkswaterstaat. Voorts dient te worden onderzocht hoe de sterkte van de EM-velden zich verhoudt tot de blootstellingslimieten voor personen. TNO-FEL heeft van de Adviesdienst Verkeer en Vervoer (AVV) van de Rijkswaterstaat opdracht gekregen hiernaar een onderzoek in te stellen. Dit onderzoek heeft uit de volgende onderdelen bestaan: Berekenen van de optredende elektische veldsterkte langs het wegportaal. Meten van de elektrische veldsterkte. Inventariseren van de door Rijkswaterstaat langs de autosnelwegen gebruikte apparatuur en de immuniteitseisen voor EM-velden die aan deze apparatuur zijn gesteld. Vergelijken van de berekende elektrische veldsterkte met de immuniteitseisen. Het doen van aanbevelingen bij het optreden van mogelijke discrepanties tussen de berekende optredende veldsterkte met de immuniteitseisen van de apparatuur. Het doen van een uitspraak over de blootstelling van personen aan EM-velden. Voor het uitvoeren van de veldsterktemetingen is gebruik gemaakt van het wegportaal dat staat opgesteld op het terrein van RWS in de Dienstkring Haaglanden te Delft. Dit wegportaal is voorzien van een antenneopstelling gelijk aan die wordt gebruikt op de A28. De gemeten elektrische veldsterkte wordt vergeleken met de immuniteitseisen waaraan de systemen van Rijkswaterstaat voldoen. Aan de hand hiervan kan een indruk worden verkregen of er "kritische systemen" aanwezig zijn. De metingen worden in hoofdstuk 2 beschreven terwijl de berekeningen van de elektrische veldsterkte in de worst-case situatie zoals deze tijdens het pilotproject kan voorkomen in hoofdstuk 3 worden behandeld. De immuniteitseisen waaraan de huidige en toekomstige systemen van Rijkswaterstaat voldoen respectievelijk dienen te voldoen zijn in hoofdstuk 4 gegeven. Hoofdstuk 5 geeft de blootstellingslimieten voor de algemene bevolking en in hoofdstuk 6 staan de conclusies en de aanbevelingen.
TNO-rapport
FEL-01-C050
2.
Metingen
Op dinsdag 4 juli 2000 zijn metingen van de elektrische veldsterkte uitgevoerd in de nabijheid van de antenneopstelling op het wegportaal dat is opgesteld op het terrein van de directie Zuid-Holland, Dienstkring Haaglanden. Doel van deze metingen was kennis te verkrijgen van het verloop van de elektrische veldsterkte langs de bovenkant en aan de voet van het wegportaal op locaties waar apparatuur wordt opgesteld. Hiertoe is het portaal uitgerust met een GSM-antennemast voorzien van twee lagen van twee dual-band antennes die rug aan rug zijn gemonteerd, zodat beide wegrichtingen worden bestreken. De TRX-en zijn vervangen door signaalbronnen van voldoende sterkte in de 900 MHz-band en in del800MHz-band. Voor een overzicht van de gebruikte apparatuur wordt verwezen naar Bijlage A. De metingen kunnen worden verdeeld in: Metingen over het wegportaal op ca. 1,7 m boven de onderste liggerbuis. Metingen aan de voet van het portaal op de plaats waar apparatuur komt te staan. Metingen in de hoofdbundel van de onderste antenne. Bij deze metingen is het uitgangsvermogen van de versterker ingesteld op 40 dBm. Uitgaande van een demping van de kabels naar de antenne van 3,7 dB voor het 945,2 MHz-signaal en 4,9 dB voor het 1807,4 MHz-signaal bedraagt het vermogen op de antenneconnector: 945,2 MHz: 40 dBm - 3,7 dB = 36,3 dBm 1807,4 MHz: 40 dBm - 4,9 dB = 35,1 dBm
TNO-rapport
FEL-01-C050
Figuur 2.1:
Mast met breedband meetprobe geflankeerd door twee afgestemde dipolen
Voor het bepalen van de elektrische veldsterkten op de beide frequenties is gebruik gemaakt van twee dipoolantennes in combinatie met een spectrumanalyzer voor het meten van de afzonderlijke signaalsterkten. Met een breedband isotrope elektrische veldsterkte sensor (verder in dit rapport 'probe' genoemd) wordt de som van de beide signalen gemeten.
2.1 2.1.1
Meetresultaten
Metingen dwars op de hoofdbundel van de antenne, over het wegportaal Met de elektrische veldsensoren op ca. 1,7 m boven de onderste dwarsligger zijn op een aantal vaste afstanden tot de mast (2 m, 4 m, 6 m, 8 m, 10 m en 12 m) de elektrische veldsterkten gemeten.
TNO-rapport
FEL-01-C050
Figuur 2.2:
De elektrische veldsensoren op ca. 1,7 m boven de onderste dwarsligger en op een afstand van twee meter van de mast
De gemeten elektrische veldsterkten zijn in Tabel 2.1 en Tabel 2.2 verzameld. De waarden in Tabel 2.1 zijn gemeten met het vermogen op de lage antenne terwijl Tabel 2.2 de waarden aangeeft met het vermogen op de hoge antenne. Tabel 2.1:
Gemeten signaalsterkten op ca. 1,7 m boven de onderste liggerbuis als functie van de afstand tot de antennemast met het vermogen op de lage antenne (gemarkeerd met een groene label) Gemeten signaalsterkten
Frequentie Afstand [m] 2 4
945,2 [MHz] [dBm]
6 8
-32,0 -23,0 -36,0 -48,1
10 12
-42,0 -36,7
[V/m] 0,34 0,95 0,21 0,05 0,11 0,20
1807,4 [MHz]
Probe
[dBm]
[V/m]
[V/m]
-33,5 -39,0 -34,6 -41,3
0,81 0,43 0,72
1,35
-53,8
0,08 0,07
-55,0
0,33
1,1 G.A. G.A. G.A. G.A.
G.A. = Veldsterkte te gering voor het verkrijgen van een aanwijzing op de uitleeseenheid
TNO-rapport
FEL-01-C050
Tabel 2.2:
Gemeten signaalsterkten op ca. 1,7 m boven de onderste liggerbuis als functie van de afstand tot de antennemast met het vermogen op de hoge antenne (gemarkeerd met een gele label) Gemeten signaalsterkten 945,2 [MHz]
Frequentie Afstand [m] 2
[dBm]
[V/m]
-29,5
0,45
4
-32,4
0,32
6
-39,1
0,15
8 10 12
-37,5
0,18 0,13
-40,5 -44,8
0,08
1807,4 [MHz] [dBm] -59,2
[V/m] 0,04
-41,1 -34,3 -38,2
0,34 0,74
-50,3 -53,7
0,12
0,47 0,08
Probe [V/m] 1,2 G.A. G.A. G.A. G.A. G.A.
G.A. = Veldsterkte te gering voor het verkrijgen van een aanwijzing op de uitleeseenheid
Voor het omrekenen van de op de spectrumanalyser gemeten signaalsterkte in dBm naar V/m is gebruik gemaakt van de volgende formule: E(dBuV/m) = Pr(dBm) + Demping kabel (dB) + 107 + Antennefactor (dB) waarin: E = sterkte van het elektrische veld uitgedrukt in dBuV/m Pr = het gemeten vermogen uitgedrukt in dBm De demping van de gebruikte kabels tussen de dipoolantennes en de spectrumanalyser zijn in Tabel 2.3 gegeven. Tabel 2.3:
Demping van de kabels tussen de dipoolantennes en spectrumanalyser bij GSM 900- en DCS 1800-frequentie
Demping van de kabels tussen dipoolantennes en spectrumanalyser Frequentie [MHz] Demping [dB]
945,2 8,0
1807,4 11,4
De antennefactor voor de dipoolantenne bij 950 MHz bedraagt volgens de specificaties van de firma "EMC Test Systems": 27,6 dB. De antennefactor voor de Half-Wave Dipole van de firma "Schwarzback" bedraagt bij 1800 MHz: 33,3 dB. De omrekening van de gemeten waarden in dBm naar de elektrische veldsterkte is nu:
voor 945,2 MHz: E(dB^V/m) = Pr(dBm) + 8 + 107 + 27,6 = Pr(dBm) + 142,6 en voor 1807,4 MHz: E(dB|iV/m) = P r (dBm) + 11,4 + 107 + 33,3 = P r (dBm) +151,7
TNO-rapport
10
FEL-01-C050
De berekende waarden van de elektrische veldsterkte in V/m zijn eveneens in de Tabellen 2.1 en 2.2 weergegeven. 2.1.2
Metingen onder de antenne op plaatsen waar apparatuur kan worden geplaatst Onder de antennes is, in de omgeving van de fundering van het portaal, de elektrische veldsterkte gemeten. Daar de elektrische veldsterkte sterk varieerde als functie van de plaats door de aanwezigheid van de reeds aanwezige metalen kasten, is een scan gemaakt vanaf het midden van het portaal tot op een afstand van ca. 2 m rond de fundering. Hierbij is de maximale waarde en de variatie vastgesteld. Voor het 945,2 MHz-signaal lagen de gemeten waarden tussen - 20 dBm en 40 dBm. Voor het 1807,4 MHz-signaal waren deze waarden respectievelijk - 34 dBm en -54 dBm. Bij het omrekenen van deze waarden naar een elektrische veldsterkte dient rekening te worden gehouden met de demping van de aangesloten kabels. Deze demping bedroeg 3,3 dB voor het 945,2 MHz-signaal en 4,1 dB voor het 1807,4 MHz-signaal. De voor de omrekening gebruikte formules zijn: voor 945,2 MHz: E(dB|iV/m) = Pr(dBm) + 3,3 + 107 + 27,6 = Pr(dBm) + 137,9 voor 1807,4 MHz: E(dB|iV/m) = Pr(dBm) + 4,1 + 107 + 33,3 = Pr(dBm) + 144,4 Zowel het gemeten vermogen als de hieruit afgeleide elektrische veldsterkten zijn in Tabel 2.4 weergegeven. Tabel 2.4:
Gemeten signaalsterkten rond de fundering van het wegportaal aan de kant van de antennes Gemeten signaalsterkten Minimum
Frequentie [MHz] 945,2 1807,4
2.2
[dBm]
[V/m]
-40 -54
Maximum [V/m]
0,078
[dBm] -20
0,785
0,033
-34
0,331
Metingen in de hoofdbundel van de lage antenne
Om een indruk te krijgen van de elektrische veldsterkte als functie van de afstand tot de antenne zijn in de hoofdbundel op een aantal afstanden metingen verricht. Bij deze metingen zal de invloed van het portaal geringer worden, daar we ons van het portaal af bewegen. Voor het uitvoeren van deze metingen is zowel het 945,2 MHz-signaal als het 1807,4 MHz-signaal aan de lage antenne toegevoerd. De dipoolantennes en de breedband meetprobe zijn in de hoofdbundel van de onderste antenne gebracht. De resultaten van de metingen zijn in Tabel 2.5 verzameld.
TNO-rapport
FEL-01-C050
11
Tabel 2.5:
Gemeten signaalsterkte in de hoofdbundel van de lage antenne als functie van de afstand (gemarkeerd met een groene label) Gemeten signaalsterkte 1807,4 MHz
945,2 MHz
Frequentie
E^ [V/m]
[dBm]
Afstand [m]
17,4
+ 2,2
3
[dBm] -7,4
Probe [V/m]
E2 [V/m] Gemeten
Berekend Et
16,4
27,3
23,9 19,1
4
-0,4
12,9
-8,7
14,1
21,4
6
-3,8
8,7
- 11,8
9,9
14,3
13,2 10,2 7,8
8
-6,1
6,7
- 14,2
7,5
10,7
10
-8,2
5,2
- 16,4
5,8
8,3
De waarden in de kolom 'Berekend" zijn verkregen met de volgende formule: E t = yJE\ + E 2 Et = de totale veldsterkte Voorafgaande aan deze metingen zijn op een afstand van 3 m de afzonderlijke signalen met zowel de dipoolantennes als met de breedband meetprobe gemeten. Het resultaat hiervan is in Tabel 2.6 weergegeven. Tabel 2.6:
Vergelijking van de gemeten signaalsterkte in de hoofdbundel van de lage antenne (gemarkeerd met een groene label) op 3 m afstand, gemeten met de spectrumanalyser en de breedband meetprobe Gemeten signaalsterkte
Frequentie
945,2 [MHz]
1807,4 [MHz]
Spectrum Analyser
+ 2,2 dBm (17,4 V/m)
-7,4 dBm (16,4 V/m)
Ber. 23,9 V/m
Probe
20,8 V/m
15,7 V/m
27,3 V/m (Ber. 26 1)
Ber. = Berekend
Totaal
TNO-rapport
12
FEL-01-C050
3.
Elektrische veldsterkteberekeningen in worst-case situatie
3.1
Berekening van de elektrische veldsterkte over het wegportaal
Bij de metingen was het uitgangsvermogen van de versterker ingesteld op 40 dBm. Uitgaande van een demping van de kabels naar de antenne van 3,7 dB voor het 945,2 MHz-signaal en 4,9 dB voor het 1807,4 MHz-signaal bedraagt het vermogen op de antenneconnector: 945,2 MHz: 1807,4 MHz:
40 dBm - 3,7 dB = 36,3 dBm; 40 dBm - 4,9 dB = 35,1 dBm.
Voor het berekenen van de elektrische veldsterkten in de worst-case situatie voor de pilotopstelling wordt uitgegaan van de antenne- en zenderconfiguratie zoals in Tabel 3.1 vermeld. Deze gegevens zijn verstrekt door Libertel. Tabel 3.1:
Worst-case situatie voor de pilotstudie
Operator Aantal TRX-en (vermogen/T RX) Demping kabel in pilot Totaal vermogen aan antenneconnector Toename vermogen t.o.v. meting aan proefopstelling
Lage antenne
Hoge antenne
Dutchtone 3 (43 dBm)
KPN 4 (41 dBm)
7,6 dB 40,2 dBm
3,5 dB 43,5 dBm
5,1 dB
7,2 dB
De sterkte van de opgewekte EM-velden in de worst-case situatie kan worden berekend uit de toename van het vermogen aan de antenneconnector vermeld in Tabel 3.1 in vergelijking met het vermogen toegevoerd aan de antenneconnector tijdens de metingen aan de proefopstelling. In de worst-case situatie wordt er tevens vanuit gegaan dat de hoofdbundel van de antenne niet loodrecht op het wegportaal staat maar dat de antenne en dus ook de hoofdbundel 30 graden naar het portaal toe zijn gedraaid. Dit kan voorkomen indien de portalen zijn geplaatst in een bocht in de weg. Door deze verdraaiing zal het ontvangen vermogen toenemen met 7,5 dB voor het 945,2 MHz-signaal en met 9,6 dB voor het 1807,4 MHzsignaal. De totale toenamen van het ontvangen signaal zijn voor de beide operators in Tabel 3.2 gegeven.
L
TNO-rapport
13
FEL-01-C050
Tabel 3.2:
Totale toename van het ontvangen vermogen ten opzichte van de metingen
Totale toename van het vermogen in dB 5,1 +9,6= 14,7 7,2 + 7,5= 14,7
Dutchtone (lage antenne) KPN (hoge antenne)
De totale toename van het ontvangen vermogen bedraagt 14,7 dB ten opzichte van de waarden vermeld in zowel Tabel 2.1 voor het 1807,4 MHz-signaal als voor de waarden vermeld in Tabel 2.2 voor het 945,2 MHz-signaal. In Tabel 3.3 zijn deze berekende waarden weergegeven. Tabel 3.3:
Berekende elektrische veldsterkte t.g.v. 4 KPN TRX-en op de hoge antenne en 3 Dutchtone TRX-en op de lage antenne Berekende elektrische veldsterkte
Frequentie Afstand [m]
945,2 [MHz] op Hoge antenne [V/m]
2 4
2,44 1,74
6 8 10
0,81 0,98
Totaal [V/m]
4,40
5,03
2,33 3,91
2,91 3,99 2,04
1,79 0,43
0,70 0,43
12
3.2
1807,4 [MHz] op Lage antenne [V/m]
0,82 0,57
0,38
Locatie waar apparatuur komt te staan
Bij het meten van de elektrische veldsterkte is alleen gebruik gemaakt van de lage antenne. Voor het berekenen van de worst-case situatie wordt er van uitgegaan dat zowel de vier KPN TRX-en als de drie Dutchtone TRX-en op de lage antenne zijn aangesloten. De waarden vermeld in Tabel 2.4 dienen vermenigvuldigd te worden met een factor 2,2 voor het 945,2 MHz-signaal en met een factor 2,45 voor het 1807,4 MHz-signaal. Deze berekende veldsterkten zijn in Tabel 3.4 weergegeven. Tabel 3.4:
Berekende elektrische veldsterkte t.g.v. 4 KPN TRX-en 3 Dutchtone TRX-en op de lage antenne Berekende elektrische veldsterkte
Frequentie
Minimum
Totaal
Maximum
Totaal
[MHz] 945.2 1807,4
[V/m]
[V/m]
[V/m]
[V/m]
0,18 0,06
0,19
1,80 0,60
1,9
Subtotaal Totaal [V/m]
Totaal
1,81 0,60
1,9
[V/m]
TNO-rapport
14
FEL-01-C050
4.
Immuniteitseisen huidige en toekomstige systemen van RWS
Voor het beoordelen van de mogelijke beïnvloeding van de werking van huidige en de te verwachte toekomstige systemen van Rijkswaterstaat is met medewerking van de specialistische diensten AVV en MD en de regionale directies een inventarisatie uitgevoerd naar de toegepaste immuniteitseisen. Voor het onderliggende rapport is alleen de immuniteit voor EM-velden van belang. Tabel 4.1 geeft een overzicht van deze eisen. Tabel 4.1:
Imm un iteitseisen van bij R WS in gebruik zijnde systemen
Immuniteitseisen Apparatuur Verkeerssignalering Spitsstrooksysteem Dynamisch inhaalverbod (voldoet gedeeltelijk aan de eisen) Onderstation (MTM-2) Detectorstation Dynanische Route Informatie Panelen (DRIP) Toeritdoseer installatie (TDI)
CCTV-systemen
Intelligente SnelheidsAdaptie (ISA) Elektronische kenteken (EVI) Rekeningrijden
Systeemdeel Algemeen
Richtlijn IEC801-3, level3(10V/m)
Algemeen Algemeen Noodstroom (UPS) Algemeen, zowel met gesloten als met open deuren Camera LTC 0600/50 Video, audio and data multiplexer AWS 3000 Algemeen
IEC801-3, IEC801-3, IEC801-3, IEC801-3,
Algemeen Algemeen Autobetaalbox
level3(10V/m) level3(10V/m) level3(10V/m) Ievel2, (3 V/m)
EN 50130-4 (10 V/m) EN 50082-1 (3 V/m) Nog vast te stellen Nog vast te stellen Nog vast te stellen
Daar de laatste drie systemen zich nog in een ontwikkelingsfase bevinden dient bij het definitieve ontwerp een immuniteitsniveau van 10 V/m te worden geëist.
TNO-rapport
FEL-01-C050
15
5.
Blootstellingslimieten voor de algemene bevolking
5.1
Algemeen
Door het toenemend gebruik van draadloze communicatiemiddelen en een steeds groter wordend aantal toepassingen in industriële en medische processen is in de laatste decennia een groeiende belangstelling ontstaan voor de invloed van EM-velden op levende organismen. Het effect en de mate waarin een levend organisme wordt beïnvloed door EM-velden wordt bepaald door de in het organisme heersende veldsterkten. Deze veldsterkten zijn niet gelijk aan die buiten het organisme maar zijn in het algemeen een functie van: de amplitude van het externe veld, de vorm en elektrische eigenschappen van het organisme, de frequentie van het betreffende veld en de oriëntatie van het object ten opzichte van de veldvector. Voorts kan bij niet continue velden het type modulatie een rol spelen bij het biologische effect. Een en ander wil zeggen dat een bepaald EM-veld in twee objecten van verschillende vorm en samenstelling volkomen verschillende interne velden in deze objecten zal opwekken. De discipline die zich specifiek bezighoudt met de relatie tussen een extern radiofrequent EM-veld en het EM-veld opgewekt in een absorberend lichaam, bij blootstelling van dit lichaam aan dat veld, is de radiofrequente (RF-) dosimetrie. In de RF-dosimetrie wordt de interactie tussen EM-veld en lichaam vaak uitgedrukt in termen van energie-overdracht; de gebezigde grootheid hiervoor is de SAR (Specific Absorbtion Rate). De SAR is de door het medium geabsorbeerde hoeveelheid energie per tijdseenheid per volumeeenheid of per tijdseenheid per massa-eenheid. Onder aanname van een aantal simplificaties is, voor een continu sinusvormig EMveld, de SAR gegeven door: SAR = - E P
2
W/kg
waarbij p is de massadichtheid van het medium (kg/m3); o is de elektrische geleidbaarheid van het medium (mho/m); Ej is de effectieve waarde van het elektrische veld in het lichaam (V/m). Uit de formule blijkt dat de SAR evenredig is met de elektrische geleidbaarheid van het medium. De geleidbaarheid van weefsel met een hoog vochtgehalte is groter dan voor weefsel met een laag vochtgehalte. Hierdoor zal ook de SAR voor beide soorten weefsels verschillend zijn. Het elektrische veld zal bij het binnendringen in een weefsel afnemen als gevolg van de door het weefsel onttrokken energie. Het verschil in vermogen van de diverse soorten weefsels om energie te absorberen wordt tot uitdrukking gebracht door de absorptiecoëfficiënt |i. De omgekeerde waarde hiervan is de 'formele indringdiepte' 5; 5 = l/|l. Dit is de diepte waarop de vermogensdichtheid met een factor 0,135 (=e~) is afgenomen. De indringdiepte is voor vochtarme weefsels groter dan voor vochtrijke weefsels. Van deze principes wordt in de fysiotherapie bij het toepassen van diathermieapparatuur gebruik gemaakt. Meettechnieken ter bepaling van de SAR en de
TNO-rapport
FEL-01-C050
16
daarbij specifiek optredende problemen zijn op vele plaatsen in de literatuur beschreven; gemakshalve zij verwezen naar [1] op pagina 20. Ook rekenmethoden zijn ontwikkeld ter bepaling van de SAR. Al deze methoden zijn gebaseerd op de toepassing van de vergelijkingen van Maxwell aangevuld met de randvoorwaarden die het gebruikte model van het medium vereisen. Ook niet-analytische, zogenaamde numerieke rekenmethoden zijn ontwikkeld waarbij de vorm van het medium wordt benaderd door blokjes. Hiermee is het mogelijk een gedetailleerde SAR-distributie te berekenen. In het algemeen gaan deze rekenmethoden uit van een invallende vlakke EM-golf. De kenmerkende eigenschappen hiervan zijn: • • •
vlakke golffronten; elektrische en magnetische veldsterktevectoren staan loodrecht op elkaar en staan beide loodrecht op de voortplantingsrichting; in de vrije ruimte is het quotiënt van elektrische en magnetische veldsterkte 120 n (377) Ohm.
Een vlakke golf treedt in de vrije ruimte bij benadering op afstanden groter dan 2D^/X, van de antenne op, waarbij D de grootste afmeting van de antenne is en groot is ten opzichte van de golflengte X,. In veel praktische gevallen echter zullen mens en dier blootgesteld kunnen worden aan EM-velden in de nabijheid van de bron. Deze zogenaamde nabijheidsvelden zijn mathematisch moeilijker te hanteren omdat: • • •
de amplituden van het elektrische en magnetische veld veel sneller variëren als functie van de afstand tot de bron; elektrische en magnetische vectoren niet noodzakelijker loodrecht op elkaar staan en het quotiënt geen 377 Ohm is; een absorberend medium in het nabijheidsveld een terugkoppeleffect naar de bron heeft waardoor de door de bron geproduceerde emissie verandert.
Desondanks zijn in de literatuur rekenmethoden bekend waarmee de gemiddelde SAR en zelfs de SAR-distributie worden berekend voor een absorberend medium, blootgesteld aan het nabijheidsveld van (in het algemeen eenvoudige) EM-bronnen. Wat hierbij opvalt en wat ook door metingen is bevestigd, is het feit dat in het nabijheidsveld de toename van de SAR bij kleiner wordende afstand tot de bron geen gelijke tred houdt met de zeer snel toenemende veldsterkte; met andere woorden de SAR als gevolg van blootstelling in nabijheidsvelden is aanzienlijk kleiner dan die welke optreedt bij blootstelling aan overeenkomstige amplituden in het verre veld. Veel metingen worden dikwijls uitgevoerd in het nabije veld waar de relatie E/H = 12071 Ohm, die voor het verre veld geldig is, niet bestaat. Toch worden vaak de gemeten E- of H-waarden in het nabijheidsveld omgerekend naar vermogensdichtheid alsof genoemde relatie geldig is. De zo berekende waarde wordt, ter onderscheiding, equivalente (vlakke golf) vermogensdichtheid genoemd.
TNO-rapport
17
FEL-01-C050
5.2
Normen
Voor de frequenties waarop GSM 900- en de DCS 1800- systemen werken is de SAR de relevante grootheid. Bij hoger wordende frequenties vindt de energieopname in toenemende mate aan het oppervlak van het lichaam plaats en is opwarming direct gerelateerd aan de vermogensdichtheid van het externe EM-veld. Zoals reeds in de vorige paragraaf is vermeld is de veldsterkte in een lichaam onder andere afhankelijk van de frequentie en dus van de golflengte van het aanwezige EM-veld. Wanneer de golflengte in de orde van grootte van de afmeting van het lichaam is, zal een aanzienlijke toename van het geabsorbeerde vermogen plaatsvinden. Hoe kleiner het lichaam des te hoger de resonantiefrequentie. Op overeenkomstige wijze kan resonantie ook optreden in delen van het lichaam. Aangenomen wordt dat in een mens blootstelling aan een SAR van 2 - 4 W/kg, gemiddeld over het gehele lichaam, gedurende een periode van 20 - 30 minuten, resulteert in een opwarming van het lichaam met 0,1 - 0,5 °C. Het is algemeen aanvaard dat bij een langdurige verhoging van de kerntemperatuur van het lichaam de temperatuurstijging niet groter moet zijn dan 1 °C wil er geen gezondheidsschade optreden. Uit dierexperimenten kan worden geconcludeerd dat onder verder normale omstandigheden gezondheidseffecten niet optreden wanneer de SAR niet hoger is dan ongeveer 4 W/kg. Op grond van deze argumenten zijn alle organisaties die richtlijnen voorstellen van mening dat bij blootstelling aan EM-velden de SAR gemiddeld over het hele lichaam een waarde van 4 W/kg niet te boven dient te gaan. Zie [2] pagina 20. Hoewel het menselijke lichaam een temperatuurstijging van 1 °C kan verdragen is het niet zeker of een langdurige verhoging van de lichaamstemperatuur de kans op nadelige effecten vergroot. Om dit te voorkomen is door de diverse organisaties een veiligheidsfactor van 10 toegepast. Dit resulteert in een basisbeperking voor de SAR van 0,4 W/kg voor de beroepsbevolking. Voor de algemene bevolking is een extra veiligheidsfactor van 5 toegepast, hetgeen leidt tot een maximum SAR van 0,08 W/kg. Voor het bepalen van de SAR wordt het gemiddelde gedurende een 6 minuten-periode aangenomen. Daar het zeer moeilijk is de SAR in levende organismen te meten hebben alle normgevende instanties zogenoemde afgeleide blootstellinglimieten voorgesteld. Hoewel is uitgegaan van dezelfde basisbeperkingen zijn er toch kleine verschillen in de afgeleide limieten. In Tabel 5.1 zijn de blootstellingslimieten voor de algemene bevolking gegeven van zowel de Gezondheidsraad [2] als van de ICNIRP [3] voor het frequentiegebied van de beide GSM-systemen. Opgemerkt wordt dat deze limieten gelden voor een blootstelling gedurende een etmaal.
L
TNO-rapport
FEL-01-C050
18
Tabel 5.1:
Blootstellingslimieten voor beide GSM-systemen Blootstellinglimieten [V/m]
Gezondheidsraad ICNIRP
900 MHz 49 41
1800 MHz 81 58
TNO-rapport
FEL-01-C050
19
6.
Conclusies en aanbevelingen
De berekende elektrische veldsterkte over het wegportaal voor de 'worst-case' situatie varieert tussen 0,57 V/m en 5,03 V/m. Verwacht wordt dat de apparatuur die op de wegportalen wordt gemonteerd en voldoet aan een immuniteitseis van 10 V/m niet zal worden beïnvloed door het EM-veld opgewekt door de aanwezige GSM-antennes. De berekende elektrische veldsterkte aan de voet van het portaal onder de antennes varieert tussen 0,19 V/m en 1,9 V/m. Hieruit kan worden geconcludeerd dat geen beïnvloeding van de RWS-systemen te verwachten is wanneer deze voldoen aan de immuniteitseis van 10 V/m. Vergelijking van de optredende elektrische veldsterkte met zowel de blootstellingslimieten vermeld in het advies van de Gezondheidsraad als met de blootstellingslimieten van de ICNIRP-richtlijnen tonen aan dat de optredende elektrische veldsterkte beneden deze blootstellingslimieten liggen. Bij het formuleren van bovenstaande conclusies is uitgegaan van de maximale antennebezetting tijdens het proefproject te weten 4 TRX-en van KPN en 3 TRX-en van Dutchtone. Bij de landelijke roll out kan het aantal TRX-en groter zijn dan tijdens het proefproject. In dat geval moet de dan optredende veldsterkte opnieuw worden berekend en/of gemeten.
TNO-rapport
FEL-01-C050
20
7. [1]
[2]
[3]
[4]
Referenties Radiofrequency Radiation Dosimetry Handbook, Fourth Edition, USAF School of Aerospace Medicine, Aerospace Medical Division (AFSC), Brooks Air Force Base, TX, June 1997 Gezondheidsraad. Commissie Radiofrequente Straling, Radiofrequente elektromagnetische velden (300 Hz-300 GHz), Rijswijk: Gezondheidsraad, 1997; publicatie nr. 1997/01 Guidelines for Limiting Exposure to Time-varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz), International Commission on NonIonizing Radiation Protection (ICNIRP), Health Physics, Vol. 74, No. 4, April 1998 International Electrotechnical Commission, IEC Standard, Publication 801-3, Electromagnetic compatibility for electrical and electronic equipment - Part 3: Immunity to radiated radio-frequency electromagnetic fields.
L
TNO-rapport
FEL-01-C050
21
8.
Ondertekening
4?<£. ***-7
éf Dr.ir. J.H. de Vlieger Groepsleider
Ing. A.B. Woltering Projectleider/Auteur
TNO-rapport
A 1
FEL-01-C050 Bijlage A
Bijlage A
Meetapparatuur
Bij de metingen is gebruik gemaakt van meetapparatuur beschikbaar gesteld door Libertel en van meetapparatuur van TNO-FEL. Meetapparatuur van Libertel: Signaal Generator: Marconi Instruments Signaal Generator 2030 ser.#: 119771/012 Lineaire Versterker 900 MHz: Kalmus Model 720FC-CE (40-1000 MHz, 25 W, 43 dB gain ser.#: 9780-1 Lineaire Versterker 1800 MHz: Aerial Facilities Limited RFA 1800-25NCA (1805-1880 MHz, 25 W) ser.#: AMP2137 Watt Meter: Bird Thruline Wattmeter Model 43 ser.#: 258248 Spectrum Analyzer: Hewlett Packerd Spectrum Analyzer 8594E ser.#: 3523A02042 Dipole Antenna: EMC Test Systems Model nr: DB-4 ser.#: 1248 Halbwellendipol mit EMI-Schleife: Schwarzbeck Mess-Elektronik Model nr: UHA 9125 D
TNO-rapport
FEL-01-C050
A.2
Bijlage A
Meetapparatuur van TNO-FEL: Signal Generator ESG-D serie RF Typenr: E4433B Seienr: 38450297 Isotropic E-field Sensor 0,5 MHz - 6 GHz 3 V/m-1000 V/m Holaday Typenr: HI-4433 GRE ser.#: 96651
