Έλεγχος ασφάλειας και διαχείριση συστημάτων ραδιοεπικοινωνιών

Abstract

The growth of wireless communications has led to the deployment of dense wireless networks. Their infrastructure is built around access points, either short range (802.11), intermediate range (802.16, Mobile Communications) or long range (wireless links). As the gain of those gets larger, the concern about the possible adverse effect of electromagnetic radiation on human health grows also. Therefore various methods are being developed for the fast and accurate field estimation in the vicinity of such installments. In this thesis the Near Field of large Reflector and Mobile Base Station Antennas is studied. First, the exact characteristics of the near field of circular and elliptical cross section apertures are presented, and an approximate method for its fast estimation is developed. This method is based on finding an aperture with the same half power beam widths at the two main radiation planes, as the one under study. The equivalent aperture has uniform excitation, so that its field can be calculated fast and therefore also smaller dimensions than the original one. Numerous diagrams are given establishing the equivalence claimed in the near field zone. The same method is modified and applied to antennas of smaller electrical dimensions, as the ones in mobile base stations. In this case the antenna is split into distinct radiation centers, since it has a broader main lobe and higher side lobes in the far field. The equivalence is established for each one of them with a uniform excited aperture, considering again as equivalence criterion the half power beam width equalization of the radiation centers under study with the equivalent uniform excited apertures. It is also shown how the far field lobes emanate from energy flow tubes with their origin in the near zone as a result of constructive and destructive interference. The equivalent method is applied on a real base station antenna (Powerwave 7721.00) and the results are compared with the exact solution of the Method of Moments and measurements. Finally simulations for the near field estimation of base station antennas through dipole probes are performed. Conclusions are drawn as far as the length of the probes is concerned and the best way of combining their currents (in case of probes consisting of more than one dipole) in order to get the most reliable estimation of the total field magnitude in the near zone.

Η ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών οδηγεί στην εγκατάσταση ολοένα και πυκνότερων ασύρματων δικτύων. Παράλληλα αυξάνεται και η ανησυχία για τους πιθανούς κινδύνους από την έκθεση στην ακτινοβολία των κεντρικών σημείων πρόσβασης αυτών των δικτύων. Tα τελευταία χρόνια αναπτύσσονται διάφορες μέθοδοι για τον ακριβή και γρήγορο υπολογισμό του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στη γειτονία τέτοιων εγκαταστάσεων. Στη διατριβή αυτή μελετάται το κοντινό πεδίο κεραιών ανακλαστήρα και σταθμών βάσης κινητής τηλεφωνίας. Αρχικά περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του κοντινού πεδίου κεραιών ανοίγματος κυκλικής και ελλειπτικής διατομής μεγάλων ηλεκτρικά διαστάσεων. Ακολούθως δίνεται μία προσεγγιστική γρήγορη μέθοδος για την εκτίμηση του κοντινού τους πεδίου. Η μέθοδος στηρίζεται στον προσδιορισμό μίας ισοδύναμης κεραίας ανοίγματος όμοιου σχήματος με τη μελετώμενη, αλλά με μικρότερες διαστάσεις και με ίσα ανοίγματα μισής ισχύος στα δύο κύρια επίπεδα του διαγράμματος ακτινοβολίας. Η ισοδύναμη κεραία έχει ομοιόμορφη εξώθηση, ώστε το πεδίο της να υπολογίζεται ταχύτατα με ημιαναλυτικές μεθόδους. Η ορθότητα του μοντέλου επιβεβαιώνεται με την παρουσίαση διαγραμμάτων ισοεντατικών στα δύο κύρια επίπεδα στον κοντινό χώρο. Η ίδια μέθοδος εφαρμόζεται ακολούθως με τροποποιημένη μορφή σε κεραίες μικρότερων ηλεκτρικά διαστάσεων, όπως αυτές των σταθμών βάσης κινητής τηλεφωνίας. Προκειμένου να επιτευχθεί ικανοποιητικότερη ακρίβεια, αλλά και εξαιτίας της γεωμετρική τους διαίρεσης σε στοιχειώδεις κυψελίδες, οι κεραίες αναλύονται σε διακριτά κέντρα ακτινοβολίας. Αυτό κρίθηκε απαραίτητο, καθώς τα διαγράμματα ακτινοβολίας έχουν φαρδύτερο κύριο λοβό και υψηλότερους πλευρικούς. Για κάθε διακριτό κέντρο υπολογίζεται μία ισοδύναμη κεραία ανοίγματος, χρησιμοποιώντας και πάλι ως κριτήριο της εξίσωση των ανοιγμάτων ημίσειας ισχύος. Δείχνεται επίσης πως οι λοβοί μακρινού πεδίου προκύπτουν από τη συμβολή των σωλήνων ροής ενέργειας του κοντινού χώρου. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε μία πραγματική κεραία σταθμού βάσης (Powerwave 7721.00) και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τη λύση της Μεθόδου των Ροπών και με μετρήσεις. Τέλος δίνονται αποτελέσματα από την προσομοίωση της εκτίμησης του πεδίου σταθμών βάσης κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιώντας ως αισθητήρες πρόμπες από ένα και δύο ομόκεντρα κάθετα δίπολα. Εξάγονται συμπεράσματα όσον αφορά το μέγιστο επιτρεπόμενο μήκος των χρησιμοποιούμενων δίπολων και το βέλτιστο τρόπο συνδυασμού των ρευμάτων αυτών, ώστε να επιτευχθεί η πιο αξιόπιστη εκτίμηση του πεδίου στον κοντινό χώρο.