Samenvatting Sedert een tiental jaar is het bijna onmogelijk geworden om zich nog een landschap in te beelden zonder ergens een basisstation aan de horizon. Aangezien bijna iedereen wel geconfronteerd wordt met de installatie van een basisstationantenne in zijn buurt, is de bekommernis bij het algemeen publiek gegroeid over de eventuele schadelijke gezondheidseffecten ten gevolge van de blootstelling aan elektromagnetische straling. Om de bevolking te beschermen tegen een overmatige blootstelling aan elektromagnetische velden, hebben autoriteiten op verschillende niveaus een volledig regelgevend kader uitgewerkt. Standaardisatie-organisaties hebben dan op hun beurt verschillende berekenings- en meetprocedures ontwikkeld, zodat dit regelgevend kader praktisch kan toegepast worden. De doelstelling van dit doctoraatsonderzoek is de verdere ontwikkeling en verfijning van de onderliggende wetenschappelijke principes achter de meetprocedures, zodat de methodes om de blootstelling aan elektromagnetische straling verder geoptimaliseerd kunnen worden, en dat de resultaten van meetprocedures beter de werkelijke blootstellingsmetriek weergeven. Er zijn verschillende procedures en methodes opgesteld om de blootstelling te schatten en te beperken. In een eerste categorie van procedures worden methodes beschreven om het volume rond de antenne te bepalen waar de blootstelling de richtlijnen niet overschrijdt (de zgn. uitsluitingszone). Alhoewel deze grens zou kunnen berekend worden met een simulator die de volledige elektromagnetische veldverdeling berekent, is het interessant om een eenvoudiger manier van berekenen te ontwikkelen die gebruikt maakt van de typische interne structuur van basisstationantennes. Inderdaad, de meeste basisstationantennes zijn paneelantennes die bestaan uit een rooster van boven elkaar geplaatste antenneelementen. Dus, als de basisstationantenne gemodelleerd wordt als een verticale rij van puntbronnen, elk met een aangepast stralingspatroon, kunnen er nauwkeuriger voorspellingen van de elektromagnetische velden dichtbij de antenne gemaakt worden, dan in de situatie waar de hele anxi
xii Nederlandstalige Samenvatting tenne door één puntbron benaderd wordt. In dit werk wordt er een methode voorgesteld waarbij de stralingspatronenvan de individueleantenneelementen bekomen worden op basis van de stromen berekend met een simulator die het elektromagnetisch probleem in zijn geheel oplost. De onnauwkeurigheden die veroorzaakt worden door deze benadering werden theoretisch afgeleid. De ontwikkelde methode, werd vergeleken met verschillende andere methodes die gepubliceerd werden in de literatuur. Een tweede type van meetprocedures werd ontwikkeld om na te gaan of bronnen van elektromagnetische straling in orde zijn met de regelgeving. In dit werk wordt er een meetprocedure voorgesteld om te verifiëren of de blootstelling rond basisstations voor mobiele netwerken onder geen enkele omstandigheid de richtlijnen kan overschrijden. De ontwikkelde meetprocedure verzekert erin dat de bekomen resultaten nauwkeurig en reproduceerbaar zijn, maar werd ook zo ontworpen dat ze praktisch haalbaar is, en dat ze met beperkte middelen kan uitgevoerd worden in een redelijke termijn. Eerst worden de zones waar de hoogste elektrische veldwaarden verwacht worden, bepaald met behulp van een eenvoudig simulatiemodel, dat enkel de rechtstreeks invallende straal, en de aan de grond gereflecteerde straal in rekening brengt. Vervolgens worden in deze zones elektrische-veldmetingen met een breedbandige probe uitgevoerd om de plaats met het hoogste elektrische veld te bepalen. Uiteindelijk wordt op deze plaats dan een nauwkeurige elektrische- veldmeting uitgevoerd met de spectrumanalysator. Het gebruik van een spectrumanalysator laat toe om de bron die de hoogste bijdrage tot de blootstelling levert te identificeren, en om bovendien nauwkeurige en sensitieve metingen uit te voeren. In deze procedure werd er ook speciale aandacht besteed aan de verwerkingsmethode van de meetresultaten, zodat rekening kan worden gehouden met de sterke vermogensvariaties die typisch optreden bij een mobiel communicatiesignaal, zoals vermogenscontrole en frequentieverspringing. Er wordt voorgesteld om voor GSM-signalen het omroepkanaal te meten, omdat dit kanaal met een constant vermogen wordt uitgezonden. De blootstelling onder de slechtst mogelijke omstandigheden, dit is wanneer alle zenders actief zijn, kan dan geëxtrapoleerd worden uit de bekomen veldwaarde voor het omroepkanaal alleen. De meetprocedure voorziet bovendien in een validatie van de meetresultaten, daar de veldwaarden bekomen worden d.m.v. zowel een frequentieselectieve als een breedbandige meting. Deze meetprocedure werd succesvol toegepast op een realistische omgeving. Een derde soort procedures beschrijven methodes om in-situ blootstellingsmetingen uit te voeren. Het doel van in-situ metingen is om de eigenlijke blootstelling waaraan een individu onderworpen is te bepalen,
xiii in tegenstelling tot de vorige procedures waar de blootstelling onder de slechtst mogelijke omstandigheden werd gekarakteriseerd. De resultaten bekomen met in-situ metingen kunnen dan b.v. gebruikt worden voor epidemiologische studies. Verschillende aspecten gerelateerd aan in-situ metingen worden kwalitatief besproken, waaronder de gebruikte blootstellingsmetriek, de impact van de ruimtelijke en tijdsvariaties op de in-situ blootstellingsbepaling en de vraag of simulaties kunnen toegepast worden om de eigenlijke blootstelling te bepalen. Hoewel er reeds een aanzienlijke ervaring is met meetprocedures om na te gaan of aan de blootstellingsrichtlijnen wordt voldaan, kunnen deze procedures niet zomaar toegepast worden voor in-situ metingen: metingen moeten uitgevoerd worden op een groter aantal posities, moeten ook een groter aantal parameters bepalen (zoals de polarisatie) en moet de verwerking ook rekening houden met de typische tijdsvariatie van de blootstelling. In het tweede deel van dit doctoraat wordt het gedrag onderzocht van zowel frequentie-selectieve als breedbandige meetapparatuur wanneer deze apparatuur gebruikt wordt voor het schatten van de blootstelling aan mobiele communicatiesignalen. Een eenvoudig basisband model voor de spectrumanalysator werd ontworpen, wat dan vervolgens gebruikt werd om de meting van een GSMen een UMTS-signaal te modelleren. De beschikbaarheid van een dergelijk eenvoudig model laat toe om de invloed van een specifieke parameter op het meetresultaat te bestuderen. Bovendien, omdat een dergelijk model het mogelijk maakt om de interne signalen en variabelen van de spectrumanalysator te bekijken, is het mogelijk om de onderliggende redenen van een bepaald gedrag vast te stellen. Voor het GSM-signaal werd de invloed van de verschillende instellingen van de spectrumanalysator (resolutiebandbreedte, zwaaitijd, frequentiebereik en detectormode) geanalyseerd, maar daarnaast werd ook de impact van bepaalde signaaleigenschapppen (het aantal actieve TDMA sloten in GSM, het uitzenden van constante bitsequenties) nagegaan. Omdat het GSM-signaal in essentie een fase-gemoduleerd signaal is, is het mogelijk om nauwkeurig het maximale vermogensniveau met de positievepiekdetector te bepalen, en tegelijk een relatief smalle resolutiebandbreedte te gebruiken (de voorgestelde resolutiebandbreedte is 50 khz, terwijl het GSM-kanaal 200 khz) breed is. Het gebruik van een smal resolutiefilter laat ook toe om nauwkeurig het vermogensniveau van twee naast elkaar liggende kanalen te onderscheiden. Om het gedrag van het gemeten UMTS-signaal te beschrijven werd er een stochastisch model ontwikkeld. Dit model werd afgeleid voor de verschillende detectormodes van de spectrumanalysator: bemonsteringsmode,
xiv Nederlandstalige Samenvatting RMS- en positieve-piekdetectormode. Er werd ook aandacht besteed aan de situatie waar het UMTS-signaal bestaat uit verschillende spreidingskanalen, wanneer het UMTS-signaal wordt gemeten met een breed resolutiefilter, aan de bijdrage van de ruisvloer tot het gemeten niveau en de invloed van vermogenscontrole op de meting. Alle stochastische modellen werden succesvol gevalideerd op metingen op een signaal gelijkaardig aan UMTS. Op basis van de afgeleide modellen, werd er voorgesteld om een resolutiebandbreedte van 500 khz en een meettijd van 1,33 ms per frequentiepunt te gebruiken. Indien de spectrumanalysator geen RMS-detector bezit, kan het RMS-vermogen van het UMTS-signaal geschat worden van een meting met de positieve piekdetector, door de bekomen positieve-piekwaarde te delen met een factor 2,5. Daarnaast werd ook het gedrag van het signaal gemeten door een breedbandige veldprobe, onderzocht. Gewoonlijk wordt de breedbandige veldprobe gekalibreerd met een sinusoïdaal signaal. In dit werk werd voor de diodedetector een simulatiemodel in de basisband ontwikkeld dat ook kan toegepast worden op willekeurig gemoduleerde signalen. Dit laat dan toe om de veldprobe te kalibreren voor verschillende types van communicatiesignalen. Het model voor de breedbandige probe werd gevalideerd op een sinusoïdaal signaal, een GSM- en een UMTS-signaal. In het laatste deel van dit doctoraat wordt de ruimtelijke verdeling van zowel het elektrisch veld als het resulterend specifiek energie absorptie tempo (SAT), uitgemiddeld over het volledige lichaam, en hun onderlinge relatie onderzocht. Vervolgens werd er een bemonsteringsstrategie ontwikkeld op basis van deze ruimtelijke verdelingen. Om het verband af te leiden tussen een bepaald blootstellingsscenario (i.e. een constellatie van een aantal invallende vlakke golven) en de resulterende lichaams-sat, wordt eerst het verstrooiingsprobleem van een willekeurige invallende vlakke golf aan een verlieshebbende sferoïde opgelost met de methode van scheiding der veranderlijken. Met behulp van de methode van scheiding der veranderlijken wordt het verstrooiingsprobleem opgelost voor een aantal modes, zodat het mogelijk is om op voorhand de bijdrage van elke mode tot de absorptie te berekenen en deze in het geheugen te bewaren. Bijgevolg, wanneer de blootstelling dient berekend te worden voor een complex blootstellingsscenario, kan eerst de modale excitatie van dat scenario berekend worden, en vervolgens de bijdrage van elke mode tot de absorptie worden bepaald. Deze methode is minder rekenintensief dan voor elke invallende vlakke golf van de constellatie de volledige veldverdeling te berekenen, en vervolgens de absorptie te bepalen op basis van het totale bekomen elektromagnetische veld. De resultaten van het model werden met succes vergeleken met de resul-
xv taten van een commerciële elektromagnetische simulator bij 100 MHz. Bij frequenties gebruikt voor mobiele communicatie (950 MHz) bereikte het sferoïdaal model geen convergentie. In de tweede sectie van het laatste deel wordt er een statistisch model voorgesteld om de blootstelling te modelleren in typische omgevingen (stedelijke macrocel, stedelijke microcel, binnenshuis picocel en koppeling van buiten naar binnen). De statistische beschrijving werd gebaseerd op basis van de beschikbare kennis over het modelleren van kanalen voor draadloze communicatie. Voor de verschillende parameters die een invallende vlakke golf karakteriseren (invalsrichting, polarisatie, magnitude en fase) werd een statistische distributie, aangepast voor een bepaalde omgeving, gekozen. Op basis van deze statistische modellen, wordt dan voor ieder type van omgeving een groot aantal blootstellingsscenarios gegenereerd, en voor ieder scenario werd het overeenkomstige veld en lichaams-sat afgeleid. Vervolgens wordt dan de relatie tussen het gekwadrateerde elektrische veld, uitgemiddeld over een vlak, en de lichaams-sat afgeleid. Daaruit blijkt dat er voor 100 MHz een sterke correlatie bestaat tussen het gekwadrateerd elektrisch veld en de resulterende lichaams-sat. Uitgaande van de waarschijnlijkheidsverdeling voor de gekwadrateerde elektrische velden voor de verschillende omgevingen, blijkt dat het 95%-betrouwbaarheidsinterval van het gemiddelde op vier meetpunten waar de elektrische veldwaarden ongecorreleerd zijn, de helft bedraagt van het betrouwbaarheidsinterval van de gekwadrateerde elektrische veldwaarde op één meetpunt. Metingen uitvoeren op meer dan vier posities veroorzaakt slechts een beperkte versmalling van het 95%-betrouwbaarheidsinterval. Om een bemonsteringsstrategie te ontwikkelen voor het meten van de elektromagnetische velden zodat de lichaams-sat kan geschat worden, wordt de ruimtelijke autocorrelatiefunctie voor het gekwadrateerd elektrisch veld en de lichaams-sat bepaald voor de verschillende omgevingen. Het blijkt dat in het horizontaal vlak, de elektrische velden ongecorreleerd zijn wanneer ze verder dan een golflengte van elkaar liggen, omdat de invalsrichting van de golven min of meer geconcentreerd zijn rond de horizon. Verticaal is er echter een sterke correlatie, omwille van dezelfde reden. Deze correlatie is het sterkst voor de binnenshuis picocel en het scenario waar de elektromagnetische velden inkoppelen van buiten naar binnen. Uit het ruimtelijk spectrum van de lichaams-sat, werd er afgeleid dat, indien de volledige variatie van de lichaams-sat bij 100 MHz wenst gekarakteriseerd te worden, metingen dienen uitgevoerd worden op locaties die slechts een halve golflengte van elkaar gescheiden zijn.