Spectrum day-2010-union

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Union - Apresentação dos estudos conduzidos pela UNION Engenharia, a pedido do SINDISAT, a respeito de radiações não-ionizantes em estações terrenas

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Spectrum day-2010-union

  1. 1. Estudo patrocinado pelo
  2. 2. Avaliação teórica da exposição a campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos (CEMRF) gerados por antenas de estações terrenas típicas de sistemas de Comunicações via Satélite com vistas a demonstrar o atendimento aos limites estabelecidos no Título II do Anexo à resolução No 303, de 2 de Julho de 2002 – Regulamento sobre Limitação da Exposição a Campos Elétricos, magnéticos e Eletromagnéticos na Faixa de Radiofreqüências entre 9 kHz e 300 GHz (documento [1]). Corroborar os estudos teóricos com medidas de radiação eletromagnética no entorno de antenas de comunicações via satélite de diversos tamanhos e potência de transmissão, buscando-se escolher as mais representativas e os piores casos. 2
  3. 3. O processo utilizado nesta análise técnica envolve estabelecer as distâncias mínimas da borda da antena (ou dos limites da projeção da antena no solo) para atendimento aos limites de exposição ocupacional e da população em geral, estabelecidos em [1]. A conformidade à norma, portanto, pode ser atestada garantindo-se que os locais possíveis de acesso por pessoas estarão a distâncias superiores aos valores mínimos encontrados, através, quando necessário, da colocação no local de avisos de restrição de acesso, conforme estabelece o Art. 30, Capítulo III, Título III, de [1]. 3
  4. 4. Tipo de Exposição Intensidade de Campo, E (V/m) Intensidade de Campo, H (A/m) Densidade de potência de onda plana equivalente, Seq (W/m2) Ocupacional 137 0,36 50 População em geral 61 0,16 10 Tipo de Exposição Densidade de potência de onda plana equivalente, Seq (W/m2) Ocupacional 22,22 População em geral 4,44 4 Além disso, como determinado pelo Art. 19 do Cap. I, Título III de [1], em locais onde é permitido o acesso de pessoas, sempre que os valores de CEMRF obtidos por meio de cálculos teóricos forem maiores ou iguais a 2/3 dos limites da tabela acima, será obrigatória a realização de medições para a comprovação do atendimento. Portanto, nos cálculos teóricos aqui efetuados, os limites efetivos de densidade de potência máxima serão reduzidos de (2/3)2, conforme a tabela 2 abaixo:
  5. 5. Tabelas VII e VIII do Cap. III, Título III de [1], apresentam expressões simplificadas para o cálculo das distâncias mínimas das antenas, a partir das quais pode-se admitir que os limites de exposição a CEMRF, para as faixas de radiofreqüências indicadas, são atendidos. Derivadas de modelo de propagação que calcula a densidade de potência transmitida, na região de campo distante, como: No entanto: ◦ Expressões só são válidas na direção de máxima radiação da antena transmissora, uma vez que não consideram nenhum tipo de discriminação para o ganho da antena. ◦ O Art. 29 do Cap. III, Título III de [1], reconhece que as expressões contidas nas Tabelas VII e VIII do mesmo Capítulo são conservadoras e que, para o cálculo de distâncias mínimas mais realistas, modelos específicos devem ser empregados. 5 S = EIRP x 2,56 4 x π x r2 S = EIRP x 2,56 4 x π x r2
  6. 6. No caso específico de comunicações via satélite, as antenas empregadas apresentam elevada direcionalidade, o que reduz consideravelmente a possibilidade de exposição humana à radiação de RF. Dois fatos adicionais tendem a minimizar ainda mais esta possibilidade: ◦ Como regra geral, a direção de máxima radiação de antenas de estações terrenas não pode estar bloqueada por obstáculos, o que garante que áreas ocupadas por pessoas não serão objeto desta radiação; ◦ A maioria dos satélites em operação no Brasil permite operação com ângulos de elevação elevados, minimizando efeito da radiação fora do eixo principal da antena da estação terrena. 6
  7. 7. Cassegrain Off-set
  8. 8. Fonte: Ref. [6]
  9. 9. Frequências na faixa de 2 a 40 GHz (bandas L, S, C, X, Ku, K e Ka), com alguns sistemas especiais empregando frequências na faixa de 40 a 94 GHz. Antenas de alto ganho e diretividade; razão λ/D é fator determinante. A exposição de pessoas à radiação dependerá: ◦ altura da antena em relação ao solo (ou ao piso em que pessoas podem estar); ◦ orientação do feixe principal; ◦ localização do sistema em relação a áreas de acesso público; ◦ potência de transmissão; ◦ diâmetro da antena e ◦ comprimento de onda.
  10. 10. Em [4], diversas estações terrenas transmissoras foram estudadas analiticamente e suas emissões medidas, o que permitiu o desenvolvimento de modelo empírico. Neste modelo, as características do campo de radiação no eixo da antena são:
  11. 11. Obtidas expressões para a densidade de potência na EIXO da antena: ◦ Superfície da Antena - SS = 4P/AS ◦ Região entre Refletor Principal e o Solo - SS = P/AS ◦ Região de Campo Próximo - Snf = 16hP / pD2 ◦ Região de Transição – St = Snf Rnf / R (Rnf < R < Rff) A exposição de pessoas, em particular público em geral, a distâncias mais próximas da antena do que o início do campo distante se dá geralmente em posições FORA do eixo da antena; ◦ intensidades relativas são muito inferiores as densidade de potência no feixe principal da antena, para a mesma distância horizontal da antena
  12. 12. Os contornos são mostrados no plano y-z para o caso D ≥ 30λ, aonde -4D ≤ y ≤ 4D e 0 ≤ z ≤ D2/λ. A iluminação da abertura é [1- (ρ/a)2]2, aonde ρ é a distância radial variável, 0 ≤ ρ ≤ a, e a = D/2. Cada contorno corresponde a um incremento de -2,5 dB. Contornos de densidade de potência relativa para uma antena de abertura circular
  13. 13. Neste trabalho, será utilizado o modelo de propagação empírico proposto no documento Evaluating Compliance with FCC Guidelines for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields OET Bulletin 65 Edition 97-01 August 1997 (Section 2 : Prediction Methods - Aperture Antennas) [2]; Por este modelo, a densidade de potência na região de campo distante do diagrama de radiação da antena (região de Fraunkofer) diminui inversamente ao quadrado da distância à antena. A densidade de potência pode então ser estimada pela equação: 13 Sff =Sff = P x G(P x G(θθ)) / 4 x/ 4 x ππ x Rx R22 (1)(1)(1)(1)
  14. 14. Ganho da antena em uma determinada direção, obtido a partir de seu diagrama de radiação, aplicado à equação (1), será geralmente suficiente para estimar níveis de RF no entorno da antena de comunicações por satélite, uma vez que sua área efetiva é tipicamente muito pequena quando comparada com sua área frontal; De acordo com a resolução No 364 (Ref [3]), a envoltória do ganho, em polarização co-polar, será dada por: G(θ) = 29 – 25logθ para θmin < θ < 20 λ; G(θ) = -3,5 para 20 λ < θ < 26,3 λ; G(θ) = 32 - 25logθ para 26,3 λ < θ < 48 λ; G(θ) = -10 para 48 λ < θ < 180 λ. Θmin = maior ângulo, expresso em graus, entre 10 e (100 λ / D)0, λ sendo o comprimento de onda do sinal transmitido e D o maior diâmetro da área da abertura da antena, expressos ambos em metros. Aplicando-se ainda restrições especificas para: Para antenas operando em freqüências ≤ 8,4 GHz: G(θ) = GTX(0) – 20 para θmin < θ < (160 λ / D) e antenas com D ≤ 2,8 m; G(θ) = GTX(0) – 16 para θmin < θ < (160 λ / D) e antenas com 2,8 m ‹ D ≤ 3,5 m; G(θ) = GTX(0) – 12 para θmin < θ < (160 λ / D) e antenas com D ≥ 3,5 m; Para antenas operando em freqüências maiores do que 8,4 GHz e com D ≤ 1,2 m,: a) G(θ) = GTX(0) – 15 dB, para θmin < θ < (130 λ / D); b) G(θ) = GTX(0) – 20 dB, para (130 λ / D) < θ < (160 λ / D). (nas expressões acima, GTX(0) é o ganho da antena na direção de máxima radiação) Nas regiões de transbordamento e de cáustica, aplicam-se ainda os seguintes critérios de tolerância: a) Na faixa de valores de θ entre 20° e 70°, nas regiões de transbordamento, o ganho poderá exceder a envoltória em no máximo 6 dB; b) Para valores de θ maiores que 70°, nas regiões de transbordamento, o ganho poderá ter valores de até 3 dBi. 14
  15. 15. A distância mínima que garante o atendimento aos limites de exposição definidos em [1], Rmin(θ), pode ser calculada a partir de (1), igualando-se Sff aos valores da tabela 2 do slide 5 e usando o ganho da antena G(θ) na direção θ dado pela envoltório do diagrama de radiação da antena (slide anterior): Para exposição ocupacional: ROmin(θ) = [P x G(θ) / (4 x π x 22,22)]1/2 (2a) Para exposição da população em Geral: RPmin(θ) = [P x G(θ) / (4 x π x 4,44)]1/2 (2b) 15
  16. 16. Premissa: ganho mPremissa: ganho mPremissa: ganho mPremissa: ganho mááááximo da antenaximo da antenaximo da antenaximo da antena éééé vvvváááálido para um cilindrolido para um cilindrolido para um cilindrolido para um cilindro de diâmetro igual ao da abertura da antena, D, e não apenasde diâmetro igual ao da abertura da antena, D, e não apenasde diâmetro igual ao da abertura da antena, D, e não apenasde diâmetro igual ao da abertura da antena, D, e não apenas no eixo principal da mesma.no eixo principal da mesma.no eixo principal da mesma.no eixo principal da mesma. 16
  17. 17. 17 Elevação αααα Direção de Irradiação H Dmin θθθθ h Diâm etro da antena Direção da exposição, θ R(θ) Elevação αααα Direção de Irradiação H Dmin θθθθ h Diâm etro da antena Direção da exposição, θ R(θ) R(θ) = (H – h) / sen (αααα - θ) (3) A expressão (3) sA expressão (3) sA expressão (3) sA expressão (3) sóóóó éééé vvvváááálida quando H > h. Em caso contrlida quando H > h. Em caso contrlida quando H > h. Em caso contrlida quando H > h. Em caso contráááário, serrio, serrio, serrio, seráááá assumido que o ângulo de discriminaassumido que o ângulo de discriminaassumido que o ângulo de discriminaassumido que o ângulo de discriminaççççãoãoãoão θθθθ éééé equivalente ao ângulo deequivalente ao ângulo deequivalente ao ângulo deequivalente ao ângulo de elevaelevaelevaelevaççççãoãoãoão αααα, premissa altamente conservadora, uma vez que n, premissa altamente conservadora, uma vez que n, premissa altamente conservadora, uma vez que n, premissa altamente conservadora, uma vez que nííííveis deveis deveis deveis de emissão nesta condiemissão nesta condiemissão nesta condiemissão nesta condiçççção são mão são mão são mão são míííínimos.nimos.nimos.nimos.
  18. 18. Igualando a equação (3) às equações (2a) e (2b), é possível obter os valores de θ para os quais os limites de exposição ocupacional e populacional são respectivamente atendidos. 18 θ RO,RP,R RO RP R θOmin θPmin ROmin RPmin θ RO,RP,R RO RP R θOmin θPmin ROmin RPmin
  19. 19. Uma vez determinados ROmin(θ) e RPmin(θ) para as direções calculadas, é possível determinar as distâncias mínimas horizontais (distância até a projeção da borda da antena no solo) Dmin : 19 DDOminOmin = R= ROminOmin((θθ) x cos () x cos (αααααααα -- θθ) , para exposi) , para exposiçção ocupacional 4(a)ão ocupacional 4(a) DDPminPmin = R= RPminPmin((θθ) x cos () x cos (αααααααα -- θθ) , para exp. popula) , para exp. populaçção em geral (4b)ão em geral (4b)
  20. 20. Esta análise só se aplica no caso em que, na figura do slide 17, h > H, tornando-se desnecessária em caso oposto. Nesta análise, será considerada uma seção transversal da antena no plano horizontal, desprezando-se o ângulo de elevação para facilitar os cálculos 20 Figura 2 Dmin(ângulo) na Região Lateral 0,0 0,5 1,0 0 2 4 6 8 10121416 18202224 26283032 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 9092 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 142 144 146 148150 152154 156158160162164166168170172174176178180182184186188190192194196198200202204206 208210 212214 216 218 220 222 224 226 228 230 232 234 236 238 240 242 244 246 248 250 252 254 256 258 260 262 264 266 268 270272 274 276 278 280 282 284 286 288 290 292 294 296 298 300 302 304 306 308 310 312 314 316 318 320 322 324 326 328 330332334336 338340342344346348350352354356358360 População em geral Ocupacional A observação desta figura demonstra que o uso do afastamento mínimo frontal também para a distância mínima lateral é bastante conservador.
  21. 21. Estação Diâmetro (m) Sat Elevação (graus) Banda Freq EIRP (dBW) Dist. Ocup. (m) Dist. Pub. Geral (m) 1 7,6 AZ 1 57,5 Ku 82,8 0,68 1,53 2 3,6 G 28 50,2 C 58,1 0,82 0,97 3 1,8 IS-1R 66,8 Ku 42,1 0,60 0,61 4 2,4 IS-1R 43,4 C 59,4 1,04 1,31 5 4,5 G 28 29,9 C 70,4 1,34 2,32 6 1,8 AZ 1 77,3 Ku 52,7 0,37 0,44 7 6,0 AZ 1 56,0 C 69,3 0,34 0,75 8 3,6 NSS7 55,5 Ku 70,5 0,28 0,63 9 1,8 NSS7 55,5 Ku 55,8 0,10 0,23 10 6,0 NSS7 55,5 C 71,7 0,45 1,00 11 3,6 SO C2 48,4 C 63,3 1,15 1,38 12 3,8 IS 901 53,4 C 63,6 0,50 0,99 13 3,6 SO C2 49,3 C 63,3 1,12 1,36 14 3,8 IS 901 39,9 C 63,6 0,74 1,27
  22. 22. Exemplo real: site com duas antenas de 6m de diâmetro, ambas apontadas para o mesmo satélite (AZ I) e com ângulo de elevação de 560 e EIRP de 69,3 DBW. ◦ contribuição da antena 02 na borda da antena 04, na direção de máximo apontamento, será dada por: EIRP de operação da antena 02 no feixe: 69,3 dBW; Densidade de potência na borda da antena 04: Sff @ (520 disc. + 7,1m afastamento)= (69,3-54,3)-10*LOG(4*π*(7,1)2) = -13,02 dBW/m2 ou 0,005 mW/cm2, valor 200 vezes abaixo do limite de 1 mW/cm2 da RES 303.
  23. 23. Potência de transmissão do sistema de radiação de uma estação terrena está associada ao conjunto antena / amplificador de potência; Análise de cerca de 30.000 estações empregados pelas redes satélite operadas pela Embratel no Brasil para definir os conjuntos mais representativos; 23 Bda Diâmetro (m) Pot HPA (W) # de E/Ts % da Bda Ku % antena sobre total bda Ku Ku 0,96 1 10585 42,227% 48,594% 2 1596 6,367% 1,2 1 109 0,435% 48,761%2 9604 38,313% 4 2510 10,013% 1,8 2 647 2,581% 2,641% 4 15 0,060% 2,4 4 1 0,004% 0,004%
  24. 24. Bda Diâmetro (m) Pot HPA (W) # de E/Ts % da Bda C % antena sobre total bda C C 1,8 2 3706 82,046% 89,706% 5 346 7,660% 2,4 2 2 0,044% 2,612% 5 82 1,815% 10 6 0,133% 20 16 0,354% 40 7 0,155% 60 3 0,066% 125 1 0,022% 200 1 0,022% 3,6 2 2 0,044% 6,642% 5 230 5,092% 10 37 0,819% 20 12 0,266% 25 4 0,089% 40 3 0,066% 50 6 0,133% 60 1 0,022% 100 3 0,066% 125 1 0,022% 400 1 0,022% C 4 8 10 0,221% 0,487% 10 12 0,266% 4,5 40 2 0,044% 0,288% 50 1 0,022% 60 5 0,111% 75 1 0,022% 100 1 0,022% 125 1 0,022% 170 1 0,022% 200 1 0,022% 6 2 2 0,044% 0,155% 10 1 0,022% 100 1 0,022% 170 1 0,022% 400 2 0,044% 7 100 1 0,022% 0,044% 125 1 0,022% 7,6 150 2 0,044% 0,044% 10 50 1 0,022% 0,022% Bda Diâmetro (m) Pot HPA (W) # de E/Ts % da Bda C % antena sobre total bda C
  25. 25. Equipamentos cedidos pela estação de Guaratiba da StarOne/Embratel: ◦ Corneta piramidal de banda C TX (WR137) com transição guia/ coaxial com conector N-fêmea, calibrada; ◦ Corneta piramidal de banda Ku TX (WR62) com transição guia/ coaxial com conector N-fêmea, calibrada; ◦ Analisador de espectro HP E4440A PSA ◦ Medidor de Potência HP 437-B com sensor de potência HP-8481D ◦ Modem satélite com saída em banda L e capacidade de alimentação DC dos BUCs utilizados; ◦ BUCs de banda C e Ku de 1 a 5 W; ◦ Cabos / adaptadores e conectores Todos equipamentos de teste com calibração aferida e equipamentos de telecom homologados pela Anatel.
  26. 26. Parâmetro Banda Unidade Comentários C Ku Ganho Corneta (G) 18,58 21,67 dBi Dados de calibração Dimensões (L/H) 24/20 15/12 cm Medidas Área da abertura (LxH) 0,048 0,018 m2 L*H Frequência (f) 6100 14250 MHz Dos modems usados Comp. Onda (λ) 0,0492 0,021053 m 300/f Área efetiva (Aef) 0,013879 0,005175 m2 G*λ2/4π Eficiência (Ef) 28,92 28,75 % Dados de calibração Perda cabo corneta/Analisador (Lc) 2,40 5,00 dB Dados de calibração LIMITE norma 303 (L303) 10 10 W/m2 Norma 303 VALOR Max medido 0,080 0,016 W (Aef*L303)/10Lc/10 19,02 12,14 dBm 10*log(Aef*L303)-Lc+30
  27. 27. Em GUBA: ◦ Antena de 0,96cm e BUCs de 1 e 4W na banda KU; ◦ Antenas de 1,2m e 1,8m, ambas com BUC de 4W e na banda Ku; ◦ Antena de 1,8m de diâmetro na banda C com BUC de 5W. No Teleporto da Globosat: ◦ Duas antenas de 7,3m e uma de 4,9m, todas alimentadas por SSPAs de 400W Razão das Escolhas: ◦ A urgência que o assunto precisa ser tratado pela Anatel; ◦ A disponibilidade de equipamentos de teste adequados; ◦ A disponibilidade, em Guaratiba, de conjuntos antena/amplificador mais representativos nas bandas C e Ku no local, além da existência de um parque diversificado de antenas e aplicações; ◦ Sistemas típicos de elevada potência de transmissão (sinais de vídeo) na Globosat.
  28. 28. Bda Antena/BUC (m/W) Limite (dBm) Medida (dBm) Margem (dB) Condições Ku 0,96/1 12,14 -20,0 32,1 a 2,35m do centro do refletor da antena -4,9 17,0 a do centro do refletor da antena 4,7 7,4 corneta praticamente no feixe de iluminação da antena e a 0,98m do centro do refletor da antena 0,96/4 12,14 -16,8 28,9 a 2,35m do centro do refletor da antena 0,4 11,7 a do centro do refletor da antena 11,2 0,9 corneta praticamente no feixe de iluminação da antena e a 0,98m do centro do refletor da antena 1,2/4 12,14 -13,0 25,1 a 1,3m do centro do refletor da antena e simulando ângulo de elevação < 300 7,0 5,1 no centro do feixe acima do alimentador 7,0 5,1 ao lado da borda da antena -15,0 27,1 a da borda da antena 1,8/4 12,4 -13,0 25,4 a cerca de 2,5m do centro do refletor da antena -7,0 19,4 a 1,5m do centro do refletor da antena e a cerca de 3m do solo, simulando ângulo de elevação < 300 C 1,8/5 19,02 15,0 4,0 corneta junto à lateral do refletor, na menos distância ao centro da semiparábola -5,0 24,0 simulando ângulo de elevação < 300, com corneta a 2m de altura e a 2m do centro do feixe 4,9/400 19,02 1,67 17,35 na frente da antena, a 1,8m da borda; corneta a 2,20m de altura do solo. 7,3(NSS)/400 19,02 -16 35,02 na frente da antena, a uma distância de3,5m da projeção do refletor no solo; corneta a 2,20m de altura do solo. 7,3(C1)/400 19,02 -13,43 32,45 na frente da antena, a uma distância de3m da projeção do refletor no solo; corneta a 2,20m de altura do solo.
  29. 29. As estações terrenas transmissoras do serviço fixo de comunicações via satélite e suas emissões, possuem características singulares relativamente as estações radiotransmissoras terrestres. Tais características são: ◦ Emprego de antenas de elevada diretividade e ganho; ◦ Antenas apontando para o céu, com ângulos de elevação usualmente altos, na sua grande maioria superiores a 300; ◦ Não pode haver obstrução na visada para o satélite; ◦ Normalmente as estações terrenas transmissoras são instaladas em ambientes de acesso controlado (e.g., topo de edifícios ou facilidades privadas), com pouca possibilidade de proximidade ao público em geral. Tais considerações, corroboradas pelos cálculos teóricos e conclusões apresentadas nos itens anteriores, justifica a necessidade de uma abordagem diferenciada para o tratamento de emissões de estações terrenas, operando no serviço fixo de comunicações via satélite. Particularmente, a necessidade de realização de medidas em campo deve ser imposta somente em casos extremos (como previsto na RES 303) e a obrigatoriedade de novas medidas em intervalos máximos de 5 anos (lei 11934) não deve ser aplicada à redes de comunicações via satélite. A razão é simples: uma vez ativada, uma estação terrena não altera seus parâmetros de transmissão, a não ser em casos de ampliação - ou implantação - de novos serviços. E neste caso, novas análises comprovando o atendimento à RES 303 devem, de qualquer forma, serem efetuadas. Finalmente, em locais multiusuários, a obrigatoriedade de se levar em conta a contribuição do conjunto das emissões de todas as estações terrenas no mesmo local deve ser revista, uma vez que: ◦ a elevada diretividade das antenas envolvidas; ◦ a necessidade de se manter um afastamento mínimo entre elas para permitir eventual movimentação para apontamento para outros satélite; ◦ as antenas não são obstruídas por nenhuma outra.
  30. 30. [1] Anexo à resolução No 303, de 2 de Julho de 2002 – Regulamento sobre Limitação da Exposição a Campos Elétricos, magnéticos e Eletromagnéticos na Faixa de Radiofreqüências entre 9 kHz e 300 GHz; [2] Evaluating Compliance with FCC Guidelines for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields OET Bulletin 65 Edition 97-01 August 1997 (Section 2 : Prediction Methods - Aperture Antennas); [3] Anexo à resolução No 364, de 29 de Abril de 2004, Norma para certificação e Homologação de Antenas para Estações terrenas. [4] Hankin, N., "The Radiofrequency Radiation Environment: Environmental Exposure Levels and RF Radiation Emitting Sources," U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C. 20460. Report No. EPA 520/1-85-014, Julho 1986. [5] Limits of Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields in the Frequency Range from 3 kHz to 300 GHz – Safety Code 6; Environmental Health Directorate Health Protection Branch – Minister of Public Works and Government Services, Canada 1999 [6] Brasilsat, slides do curso sobre antenas refletoras da NAGA, 2009.

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