4. BULGULAR
4.5 Baz İstasyonu Antenlerinin Yaydığı Elektromanyetik Alanın Ölçülmesi ve
Türkiye genelinde 4.5G sistemlerine geçiş yapılmasına rağmen, Muş ve yakın bölgelerdeki baz istasyonlarının yaydıkları elektromanyetik alanların frekanslarının baskın olarak 900, 1800 ve 2100 MHz düzeylerinde olduğu yapılan ölçümlerde belirtilmiştir. İleride bu frekans spektrumlarının 4.5G ve 5G sistemlerine uygulanmasıyla daha da yükseleceği aşikardır. Ayrıca bu sinyallerin seviyeleri de yerel noktalarda kullanılan sistemlerden (Wi-Fi, TV, radyo) kaynaklanan diğer frekanslı sinyallerle yoğunlaşacaktır. Dolayısıyla baz istasyonu antenlerinin yakın
veya uzak alan bölgelerinde ölçülen elektromanyetik alan seviyeleri herhangi seçilmiş bir sinyalin değil, farklı frekanslardan oluşmuş bir gürültü sinyalinin değeri olacaktır. Gerçekte de çevrede bulunan bu elektromanyetik kirlilik etraftaki bitki ve canlıları etkileyen temel kaynak olarak varsayılabilir. Buna göre, baz istasyonları antenlerinin yaydıkları elektromanyetik alanları frekans spektrumuna göre değil, ölçülen toplam alan seviyesine göre değerlendirmek daha mantıklı olacaktır. Son yıllarda çevredeki elektromanyetik alan kirliliğinin canlılar ve bitkiler üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi yönündeki yapılan çalışmalar da esasen bu yaklaşımı baz almaktadır [114]. Fakat bu yaklaşımda elektromanyetik alanın elektrik veya manyetik bileşenlerinin yakın veya uzak bölgelerdeki değişimlerinin dipol yaklaşımından daha farklı bir formül veya ifade ile belirleneceği dikkate alınmalıdır. Bu durumda ise analitik veya ampirik olarak elde edilen elektrik alan ve manyetik alan değerlerinin gerçek değerlerle kıyaslandığında oluşan hataları da değerlendirmek gerekmektedir. Buna göre tez çalışmasında yapılan ölçümlerin değerlendirilmesi için ortamdaki toplam elektromanyetik alan seviyesi değerleri ve ölçüm koşullarını dikkate alan aşağıdaki yaklaşım kullanılmıştır.
Günümüzde bir çok modern baz istasyonunda olduğu gibi Muş bölgesinde kullanılan baz istasyonlarında da alıcı ve verici antenler farklı frekanslarda çalışmaktadır. Başka bir deyişle Kathrein türü antenler kullanılan baz istasyonları hem Türk Telekom, Vodafone hem de Turkcell kullanıcılarına hizmet etmektedir.
Yoğun iletişim trafiğine sahip olan bu baz istasyonu antenlerinin ön ve arka bölgelerindeki elektromanyetik dalgaların yakın bölgede karmaşık veya silindirik dalga, uzak alanda ise küresel şekilli olduğunu varsayabiliriz. Dalganın yayılma yönü şartı olarak Z yönde olduğunu kabul edersek, elektrik alan şiddetinin bileşenleri arasındaki ilişki denklem 4.1’deki gibi olur.
|Er(r,z)| <<|Ez(r,z)| (4.1) Bu durumda yayılan dalganın güç yoğunluğu (silindirik dalga koşulunda ise) 4.2’deki gibi olur.
Re{ ½.Ez.Hø }= |Ez|2 / Zd (4.2) Burada Zd elektromanyetik dalganın yayıldığı ortamın dalga empedansıdır.
Fakat antenlerde yapılan ölçümlerde, yukarıdaki formüller tek dipolden oluşan elektromanyetik dalga için düşünüldüğü halde bölgedeki elektromanyetik alanın hem antenlerden hem de ortamdaki diğer kaynaklardan oluştuğunu dikkate almalıyız. Bu durumda toplam elektrik alan için aşağıdaki formülü yazabiliriz.
√𝐸𝑥2+ 𝐸𝑦2+ 𝐸𝑧2 > |Ez|2 (4.3) Bölgedeki veya noktadaki toplam elektrik alan şiddeti genliğini ölçmek için tez çalışmasında iki ölçüm yöntemi kullanılmıştır.
Radyal yönde; anten merkezinden dik yönde uzaklığa göre elektrik alan değerleri,
Azimutal yönde; antenden belli sabit uzaklıkta polar açı yönünde elektrik alan değerleri (Bu ölçüm mobil olarak yapıldığına göre dinamik ölçüm yöntemi olarak tanımlanmıştır.)
Radyal yönde ölçülen elektrik alan değerleri anten merkezinden ön ve arka taraflarda merkez ekseni boyunca ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar Şekil 4.53 ve 4.54’te gösterilmiştir. Elektrik alan değerlerini ifade eden bu şekilden görüldüğü gibi antenden uzaklaştıkça elektrik alandaki değişim grafiği Rayleigh dağılımı grafiğine benzerlik göstermektedir. Bu nedenle elektrik alan değişimi
𝐸 = E0(r
r0) exp [−α(rr
r0)2] (4.4) Burada 𝑟0 silindirik dalganın sınır uzaklığını yani yakın bölgenin sınırı olarak değerlendirilebilir. E0 bölgedeki toplam elektrik alanın ortalama değeridir. 𝛼 düzeltme katsayısıdır. Örneğin Şekil 4.54’deki ölçüm sonuçlarına göre, f =900 MHz 4x1 türlü anten için D=1.6 m ise 𝑟0 = 0,6𝑁√𝐷3/𝜆=8,87 m olduğu varsayılmış olursa, o halde ölçülen elektrik alan değerlerinden en büyük değere karşılık gelen r=200m için 𝛼 =1
2(𝑟0
𝑟)2 =1
2(200
8,87)2=9,84.10-4 olur. Bu değerler dikkate alındığında Muş bölgesinde bulunan bir baz istasyonundan yayılan elektrik alanın değişimin teorik ifadesi(f=900 MHz) denklem 4.4’deki gibi 𝑟0 = 200 𝑚 ve 𝛼 = 2 alınarak yazılabilir.
𝐸 = E0( 𝑟
200) exp [−2( 𝑟
200)2] (4.5)
Şekil 4.55. Muş bölgesinde baz istasyonu anteninden yayılan elektrik alanı değişiminin teorik ve ölçüm sonuçları
Teorik olarak hesaplanmış olan elektrik alan değeri Şekil 4.55’da gösterilmiştir.
Teorik değerler sürekli bir çizgi şeklinde gösterilirken ölçüm değerleri noktasal olarak şekilde gösterilmiştir. Görüldüğü gibi teorik sonuçlarla ölçüm sonuçları büyük oranda benzerlik göstermektedir. Uyumluluk bakımından ise grafikler yeterince uyumlu görünmemektedirler. Bunun temel nedeni ise ölçülen değerlerin hassasiyetinin düşük olmasıdır. Ölçümden elde edilen deneysel değerler yeterince belirgin bir dalgalanmaya sahiptirler. Bu dalgalanmaları gidermek için yeterince çok sayıda ölçüm yapılması ve ölçüm yönteminin ve hata değerlendirilmesi metodunun geliştirilmesi gerekmektedir. Bu işlemler için en kolay yöntem sürekli ölçüm tekniğinin kullanılmasıdır [99]. Sonuç olarak elektrik alan şiddetindeki değişimlerin değerlendirilmesinde "𝛼" düzeltme katsayısı, sinyalin frekansı, dipol sayısı, anten boyutları, sayısı ve iletişim trafiğine göre farklı olacaktır. Bu nedenle
"𝛼" değerinin bölgedeki seçilmiş baz istasyonu anteni etrafında ölçülen eşdeğerine göre belirlemek daha doğru bir yaklaşım olabilir zira bu durumda "𝛼" değerini yukarıda adı geçen parametrelere gereksinim kalmayacaktır. Düzeltme katsayısı değeri daha genel ve kullanışlı olur. Görüldüğü gibi baz istasyonu antenlerinin
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
r, m
E, V/m
yaydıkları elektrik alan aslında Rayleigh dağılımına göre değerlendirilebilir. Fakat Muş ve bölgesindeki baz istasyonlarında farklı olarak, daha yoğun çalışma koşullarında olan ve daha yüksek frekanslı sinyalleri içeren baz istasyonlarının yaydıkları elektrik alan, antenden uzaklaştıkça belirgin bir şekilde eksponent değişim göstermektedir [113]. Bu nedenle çağdaş baz istasyonlarının yaydıkları elektrik alan değişimini basit eksponent bir fonksiyonla da değerlendirebiliriz.
Örneğin yukarıdaki koşullar göz önüne alınırsa elektrik alan şiddeti değerinin genliğini denklem 4.6’daki gibi yazabiliriz.
𝐸 = E0 𝑒−𝛼𝑟 (4.6) Denklem 4.6’nın 4.5’den farkı elektrik alanın herhangi bir maksimuma sahip olmaksızın sürekli azaln bir fonksiyon olmasıdır. Burada düzeltme katsayısı 2 veya 3 ölçüm sonucuna göre kolaylıkla belirlenebilir. Örneğin yapılan çalışmalarda belirtildiği üzere 6x2 f=1800 MHz P=30W anten için elektrik alanın değişimi Çizelge 4.14’te verilmiştir [113].
Çizelge 4.14. Ortalama elektrik alan şiddeti değerinin antenden olan uzaklığa göre değişimi[113]
Deneysel Elektik Alan (V/m)
139 100 73 60 52 48 45 41 40 38 35
Antenden Uzaklık
(r/λ)
1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Teorik Elektik Alan (V/m)
121 105,8 79,9 60,4 45,6 34,5 26,1 19,7 14,9 11,2 8,5
Başlangıç olarak karakteristik bir nokta seçilerek (ICNIRP standartlarına göre) elektrik alanın değişimi için düzeltme katsayısı değeri 0,14 olarak elde edilir.
Elektrik alanın değişimi ise denklem 4.7’deki gibi yazılabilir.
𝐸 =140 e−0,14(r/λ) (4.7)
Benzer şekilde diğer antenler için de elektrik alanın değişimi elde edilebilir.
Görüldüğü gibi, çok az sayıda yerel ölçüm yapılarak elektrik alanın değişiminin analitik ifadesi elde edilebilir.
Dinamik ölçüm yönteminde ise, araba üzerine monte edilmiş ölçüm probu ile anten çevresinde belirli bir uzaklıkta ölçümler yapılarak elektrik alanın değişimi değerlendirilebilir. Bu ölçümlerde antenden -45o<θ<45o bölgesinde ölçülen değerler dikkate alınmaktadır. Fakat mobil aracın hızı ölçüm yarıçapının anten etrafında yeterince eğrisel olması nedeniyle bu ölçüm sonuçları ciddi farklılıklar göstermektedir. Buna göre ölçüm sonuçlarının gerçek bir ortalama değere ulaşabilmesi için ölçüm veya gözlem sayısını doğru seçmek gereklidir. Bu işlem olasılık teorisine göre yapılabilir [114]. Bu yaklaşıma göre %90 olasılıkla ölçüm yapılabilmesi için denklem 4.8 sağlanmalıdır.
𝑃 (𝑚 − 6
√N≤ 𝐸 ≤ 𝑚 + 6
√N) = %90 (4.8) Burada N gözlem sayısıdır. Eğer elektrik alanın ölçüm değerleri ± 1,5db bir hata ile belirlenmiş olursa, o halde dinamik ölçüm deneylerinde gereken gözlem sayısı
6
√N≤ 1.5𝑑𝑏 veya N≥16 olur. Dinamik ölçümlerde hareket hızının 20-30 km/s olması durumunda bu gözlem sayısı rahatlıkla yakalanabilir.