1.Giriş Radyasyon günlük yaşamda her yerde karşımıza çıkmaktadır. Radyasyon bir maddenin elektronmanyetik dalga ve ya ışınım olarak aktarmış olduğu enerjidir. Radyasyon ışınımı 3 türe ayrılmaktadır. Alfa (α), Beta (β) ve Gama (γ) olmaktadır. Bu ışınım türlerinin yaydığı enerji miktarları birbirinden farklı olmaktadır. Mikrodalga sistemlerinde yaymış olduğu enerji türü elektromanyetik alan olmaktadır. Bu radyasyon türü iyonlaştırıcı olmayan radyasyon çeşitine girmektedir. Bu dökümanda üzerinde çalışma yaptığım mikrodalga antenlerin kullanıldığı baz istasyonları ve mikrodalga fırınlar olacaktır. Sistemlerin uluslararası standartlara göre radyasyon yayma oranları ve standartlarından bahsedilecektir. 2. Mikrodalga Antenler ve Baz İstasyonları Mikrodalga antenler günümüzde kullanılan anten çeşitlerinden biridir. Bu anten yapısının kullanılmasının sebebi yüksek data taşıma kapasitesi ve Line of Sight ( Görüş Mesafesi ) olmasıdır. Kısaca görüş mesafesini açıkladığımızda anten yapıları alıcı ve verici kısımdan iki ana yapıdan oluşmaktadır. Bu yapıların haberleşme sağlayabilmesi için görüş mesafesine ihtiyaç bulunmaktadır. Bu mesafesnin uzun olması atmosfer üzerinden dataların gönderilip alınması sağlanmaktadır.. Mikrodalga antenlerin çoğunlukla kullanım alanı haberleşme sektöründe baz istasyonlarıdır. Baz istasyonu cep telefonlarının haberleşmesi için elektromanyetik sinyaller yayan yada alan alıcı verici sistemlerdir. Yaydıkları yada aldıkları elektromanyetik sinyalleri belli seviyelerde olma zorunluluğu vardır. Türkiyede resmi olarak bu düzenlemeyi yapan ve kontrol eden Bilgi Teknolojileri ve İletişim Kurumudur ( BTK ). Türkiyedeki GSM şirketlerinin baz istasyonlarını kurmasında, belli frekans aralığını tahsis etmek için bu kuruma başvurmaktadırlar. Baz istasyonlarının genellinde mikrodalga yada yönlü antenler bulunmaktadır. Mikrodalga antenlerin kullanılmasının amacı az öncede bahsetmiş olduğu yüksek data taşıma kapasitesi ve görüş mesafesidir. Mikrodalga antenlerin sistem yapısından bahsedecek olduğumuzda, dalga boyu 1mm-1m ve frakansı 300MHz-300GHz kadar olmaktadır. Frekansa bağlı olarakda data taşıma kapasitesi değişmektedir. Mobil telefonların çalışma frekansı 900MHz den 3G ile birlikte 2.4GHz kadardır. Resim-1 1
Resim-2 Resim-1 ve Resim-2 de görüldüğü üzere kırsal alanda kurulmuş olan baz istasyonlarıdır. Baz istasyonlarının üstündede mikrodalga antenler bulunmaktadır. Bu baz istasyonlarının yaydıkları elektromanyetik alan gücü fazla olmakla beraber, frekanslarıda yüksektir. Buna sebep olarak taşıdıkları yüksek data kapasitesinden kaynaklanmaktadır. Resimlerde de görüldüğü üzere mikrodalga antenler kullanılmaktadır. Bu antenlerin yaydığı elektromanyetik dalga gücü ve çalışma frekansları BTK tarafından belirlenmiştir. Ayrıca uluslararası standartları International Commission on Non-Ionizind Radiation Protection ( ICNIRP) ve Amerikada Federal Communications Commision ( FCC )tarafından belirlenmiştir. 2.1 Mikrodalga Antenlerinin ve Baz İstasyonlarının Standartları Mikrodalga antenlerin ve Baz İstasyonlarının uluslar arası standartlarına göre ICINRP kurumu belilemektedir. Bu kurumun yayınlamış olduğu Expesure to high frequency electromagnetic fields, biollogical effects and health consequences (100KHz-300GHz) (Yüksek Frekanslı Elektromanyetik Alanların Biyolojik Etkileri ve Sağlık Sonuçları Maruziyeti) dökümanında kurulan baz istasyonların çalışma frekansları ve uzaklıklarına göre yaydığı güç miktarları belirlenmiştir. Tablo-1 de bu veriler bulunmaktadır. Tabloda görülen değerlerde Baz İstasyonunda kullanılan teknolojiye ve uzaklığına göre güç akım yoğunluğunun, her sistem yapısına uygun olarak ne kadar olması gerektiği gösterilmiştir. 2
Teknoloji CDMA (29 towers) GSM900 ( 51 towers) GSM1800 (12 towers) 3G (35 towers) Tüm Telefonlar Güç Akım Yoğunluğu Seviyeleri 50 m 200m 500m Maksimum 2.7*10-5 3.3*10-5 5.9*10-6 8.1*10-5 3.3*10-4 2.6*10-4 2.3*10-5 7.1*10-4 3.1*10-4 4.1*10-5 4.7*10-6 4.3*10-4 4.1*10-5 5.6*10-5 7.6*10-6 1.4*10-4 3.8*10-4 2.8*10-4 2.8*10-5 8.1*10-4 Tablo-1 Baz istasyonlarının yüksekliği 2.5-9m arasında değişmektedir. Tablo-1 de görülen tüm güç yoğunluğu toplamı 1.5W dır. Bu veriler dahilinde sistemlerin kurulmadan önceki güç yoğunlukları belirlenmiştir. Amerikada alınan karar da bant genişliğine göre belirlenen yönetmeliklere uyması ve yayması gereken güç oranları belirlenmiştir. ( Tablo-2) Minimum Güç Maksimum Beam Genişliği Yönetmelik Band (GHz) 34dBi 3.5 o 101.115 (c) 10.55-10.68 36dBi 2.7 o 101.115 (c) 3.7-4.2 101.115 (c) 5.925-6.425 6.525-6.875 10.55-10.68 10.63-10.68 10.7-11.7 17.70-18.82 38dBi 2:2 o 74.536(c) 17.7-19.7 74.641(a)(1) 17.7-19.7 78.105(a)(1) 17.7-19.7 101.115(c) 18.92-19.70 21.2-23.6 Above 31.3 78.105(a)(1) 38.6-40.0 Tablo-2 Türkiyede BTK tarafından 11.09.2012 tarihinde Resmi Gazetede yayınlanan yönetmelikte geniş bant veri iletimi sistemlerinin sınırları Tablo-3 de gösterilmiştir. 3
a Frekans Bandı 2400-2483.5 MHz Maksimum Çıkış Gücü ve ya Güç Yoğunluğu Limiti 100 mw Referans Standart TS EN 300328 Açıklamalar FHSS modülasyon tekniği haricindeki geniş band modülasyonlarda maksimum güç yoğunluğu 10mW/MHz dir b 5150-5350 MHz c 5470-5725 MHz ç 17.1-17.3 GHz d 57-66 GHz 200mW 10mW / MHz 1W 50mW / MHz 100mW 40dBm 13dBm / MHz TS EN 301893 TS EN 302576 Hava alanlarının pisti merkez olmak üzere 1 km mesafe dışındaki kapalı alanlarda kullanılabilir. Sadece bina içi ve benzeri kapalı alanlarda kullanılacaktır. Bina içi ve dışı alanlarda kullanılabilir. Açık alanlarda sabit olarak kullanılmayacaktır. Tablo-3 Tablo-3 de görülen değerlere göre Türkiye de kurulacak olan baz istasyonlarının frekans bandına göre güç yoğunlukları verilmiştir. Bu değerler Resmi Gazetede yayınlanı Tüm GSM şirketlerinin uyması gerekmektedir. 2.2 Özgür Soğurma Oranı ( Specific Absorption Rate, SAR) Hesaplanması Baz istasyonlarının güç yoğunlukları ve frekansları dışında Specific Absorption Rate ( Özgül Soğurma Oranı) belirlenmiştir. Özgül soğurma oranı kısaca tanımlandığında bedenin elektromanyetik alan altanda maruz kaldığı soğrulan enerji miktarıdır. SAR değerinin hesaplanması aşağıdaki formülle hesaplanmaktadır. E= Vücut dokusunda bulunan elektrik alan şiddeti ( V/m ) σ = Vücut dokusu iletkenliği ( S/m ) p= Vücut dokusu yoğunluğu ( kg/m 3 ) C= Vücut dokusu özgül ısı kapasitesi ( J/kg o C ) 4
dt/dt= Vücut doku sıcaklığının zamana göre değişimi ( o C/s ) J = Vücutta ışınım sonucu oluşan akım yoğunluğu ( A/m 2 ) Formüldede görüldüğü üzere vücut dokusunun maruz kaldığı elektrik alan şiddeti önemlidir. Elektrik alan şiddetinin yüksek olması dahilinde SAR değerininde büyük olmaktadır. Ayrıca vücut doku sıcaklığının zamana göre değişimide etkilidir. Elektromanyetik alan şiddetinin altında geçirilen sürenin uzun olması bu değeride etkilemektedir. SAR değernin yüksek olması durumunda biyolojik etkiler oluşmaktadır. Bunlar; 1- Soğurma 2- Sinir Sistemi Üzerindeki Etkileri 3- Hücre Zarı Kanalları 4- Moleküler Seviyedeki Etkiler olarak 4 e ayrılmıştır. 2.2.1 Soğurma Elektromanyetik alan şiddeti altında kalan vücudun 1 C 0 artması için 1W/kg SAR değerine ihtiyaç vardır. SAR değernin vücut sıcaklığına etkisi biyolojik olarak bazı etkilere sebep olabilmektedir. Ayrıca maymunlar üzerinde yapılan deneyde 2.4GHz frekansa maruz bırakılmıştır. Deney sonucunda maymunların kornea tahribatı gözlemlenmiştir. Uzun süre maruz kalınan elektromanyetik alan şiddetinde maymunlarda görülen kornea tahribatı insanlar üzerinde de aynı etkiyi göstereceği görülmektedir. Son olarak her ülkeye göre değişmekte olan SAR değeri belirlenmektedir. 2.2.2 Sinir Sistemi Üzerindeki Etkileri Sinir sistemi üzerindeki etkileri incelendiğinde araştırmacıların varmış olduğu kesin bir sonuç bulunmaktadır. Yapılan çalışmalara göre; Radyasyon ışımasının modülasyon türüne göre hangi tarz etkilerin olduğu belirlenememiştir. Yapılan çalışmalardaki deneysel çalışmalar arasındaki fark bilinmemektedir. Bilinen etkilerin sınıflandırılması mümkün olmamaktadır. Bu sebeplere bağlı olarak kesin bir sonuça varılamamaktadır. Mikrodalga antenlerin yapılan çalışmalara sayesinde halen bir etkisi bulunmamaktadır. Örneğin ; baş ağrısı, uykusuzluk, duygusal dengesizlik, yorgunluk gibi belirtilerin kesinleşmiş bir çalışma bulunmamaktadır. 2.2.3 Hücre Zarı Kanalları Hücre zarı kanallarından geçen ion akı miktarı önemlidir. Bu miktarın önemli olmasının sebebi hücreler arası iletişimin elektromanyetik dalgalarla olmasıdır. 5
İletişim sağlanırken ion akı miktarının yüksek ya da düşük olması hücreler arası iletişimi bozmaktadır. Ayrıca iyonların konsantrasyon düzeyininde bu akı miktarına bağlıdır. 2.2.4 Moleküler Seviyedeki Etkiler Haberleşme sektöründe ve mobil telefonlarda kullanılan elektromanyetik dalgaların yapılan araştırmalarda bir etkisi bulunmamaktadır. Bu dalgaların kansere yakanlanma riskide bulunmamaktadır. 3. Method Yapılan literatür araştırmaları sayesinde SAR değerinin önemli olduğu görülmektedir. Bu değeri hesaplamak için MATLAB programı kullanılanılmıştır. Vucut dokusunun yoğunluğu, iletkenliği, ısı kapasitesi değerleri bulunan literatürdeki verilerden yararlanılmıştır. Literatürdeki verilere dayanarak 2MHz den 10MHz e kadar vücut dokusu iletkenliği değerleri bulunmuştur. Bu değerler Tablo-4 de görülmektedir. Doku Vücut Dokusu İletkenliği 2MHz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz Kas 0.55 0.59 0.62 0.63 0.64 Göz Akı 0.69 0.76 0.8 0.82 0.83 Deri 0.04 0.11 0.2 0.25 0.29 Retina 0.69 0.76 0.8 0.82 0.83 Tablo-4 Tablo-4 de verilen vücut dokusu iletkenliği kaslara göre olan verilerin SAR ile olan ilşikisi incelenmiştir. Bu değerler matlab kodunda incelenip grafikler elde edilecektir. Bu sayede vücut dokusunun iletkenliği artıkça frekans artacaktır. Ayrıca formüle göre SAR değerninde artışı gözlemlenmesi gerekmektedir. Matlab üzerinde yapılan çalışmalara göre grafikler elde edilmiştir. Bu çalışmalar sırasıyla; 1. SAR ve Vücut Dokusu İletkenliği Arasındaki İlişki 2. SAR ve Vücut Dokusundaki Elektirik Alan Şiddeti Arasındaki İlişki 3. SAR ve Vücut Dokusu Yoğunluğu Arasındaki İlişki gözlemlenmiştir. Matlab kodu Resim-3 deki gibi yazılmıştır. 6
Resim-3 Kodu kısaca anlatacak olduğumuzda SAR değerinin hesaplanması için formül belirlenmiştir. Belirlenen formülü kod şekilinde yazıldığında Resim-3 deki gibidir. Koda göre SAR değerlerinin ilişkileri incelenmiştir. İlk grafiğimiz SAR ve Vücut Dokusu İletkenliği Arasındaki İlişki görülmektedir. Grafiğe göre vücut dokusunun iletkenliği arttığında SAR değeride arttığı görülmektedir. Bu grafiğe göre iki değer arasında tam doğru orantılı olmasada eksponansiyel bir ilişki vardır. 3.5 x 108 SAR ve Vucut Dokusu İletkenliği Arasındaki İlişki 3 2.5 SAR 2 1.5 1 0.5 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 Vucut Dokusu İletkenliği Grafik-1 7
Grafik-1 de görüldüğü üzere iki değer arasındaki ilişki görülmektedir. Vucut dokusunun iletkenliği bireyden bireye değiştiğinden dolayı ortalama bir değer görülmektedir. Vücut dokusunun iletkenliği yüksek olan bireylerin elektromanyetik dalgaları soğurma oranı daha yüksektir. SAR ve Vücut Dokusundaki Elektirik Alan Şiddeti Arasındaki İlişki incelendiği zaman grafiğimiz aynı şekilde olmaktadır. Bu grafiğe göre iki değer arasında tam doğru orantılı olmasada eksponansiyel bir ilişki vardır. Grafik-2 de bu ilişki görülmektedir. 3.5 x 108 SAR ve Vucut Dokusundaki Elektrik Alan Şiddeti Arasındaki İlişki 3 2.5 SAR 2 1.5 1 0.5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vucut Dokusundaki Elektrik Alan Şiddeti Grafik-2 SAR ve Vücut Dokusu Yoğunluğu Arasındaki İlişki incelendiğinde iki değer arasında doğru orantılı olmasada eksponansiyel bir ilişki vardır. Grafik-3 de bu ilişki görülmektedir. 3.5 x 108 SAR ve Vucut Dokusu Yoğunluğu Arasındaki İlişki 3 2.5 SAR 2 1.5 1 0.5 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Vucut Dokusu Yoğunluğu Arasındaki İlişki Grafik-3 8
Grafiklerdede görüldiği üzere SAR oranı 3 farklı gözlem kullanılarak hesaplanılmıştır. Buna göre SAR miktarı insan üzerindeki vucut dokusu yoğunluğu ve iletkenliği fazla etkili olduğu söylenememektedir. Mikrodalga antenlerinden yayılan elektromanyetik dalganın frekans bu noktada çök önemlidir. Yayılan elektromanyetik dalganın frekansı ne kadar yüksek olursa SAR oranıda doğru orantılı olarak artmaktadır. Bu sebepten dolayı GSM şirketlerinin SAR oranınıda hesaba katarak, antenlerin yaydığı elektromanyetik dalgaların frekansına dikkat etmek zorunludurlar. Uluslar arası standartlara göre SAR oranı 2W/kg olmalıdır. Bu oranda Türkiye için geçerlidir. 4.Sonuç Method kısmında ve yapılan araştırmalara göre SAR oranın önemli olduğu görülmektedir. SAR oranın düşük olması için ilk önce GSM şirketlerinin antenlerinin yaymış olduğu elektromanyetik alanlarının frekansının düşük olmasıdır. Diğer faktörler antene olan uzaklıktır. Antenlere olan uzaklığın fazla olması elektromanyetik alandan etkilenme oranın düşük olacaktır. Ayrıca anten altında geçirilen zaman ne kadar kısa olursa etkilenme oranıda okdar düşük olmaktadır. GSM şirketlerinin bunları göz önünde bulundurarak anten konumlandırmasını bunlara göre yapmalıdır. 5.Referanslar [1] Melih Aksoy, Selin Donma, Esra Karataş, Elif Sungur, Zeki Sönmez, Cep Telefonu ve Baz İstasyonlarının İnsan Sağlığı, Özelliklede Üreme Sağlığı Üzerine Etkileri [2] Yard. Doç. Dr. Aktül Kavas, Elektromanyetik Kirlilik ve Standartlar [3] Doç.Dr. Hasan A. AMCA, Dr. Mustafa İlkan, Mobil Telefonlar ve Baz İstasyonları Tarafından Yayılan Mikrodalga Sinyallerin İnsan Sağlığı Üzerine Etkileri [4] Vinit Singh, Student Member, IEEE, Amit Qusba, Arup Roy, Richard A. Castro, Kelly McClure, Member, IEEE,Rongching Dai, Member, IEEE, Robert J. Greenberg, Member, IEEE, James D. Weiland, Senior Member, IEEE,Mark S. Humayun, Member, IEEE, and Gianluca Lazzi, Fellow, IEEE,2009, Specific Absorption Rate and Current Densities in the Human Eye and Head Induced by the Telemetry Link of an Epiretinal Prosthesis IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 57, NO. 10 [5] Exposure to high frequency electromagnetic fields, biological effects and health consequences (100 khz-300 GHz), ICNIRP 16/2009 [6] ICNIRP GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME VARYINGELECTRIC, MAGNETIC AND ELECTROMAGNETICFIELDS (UP TO 300 GHZ), HEALTH PHYSICS 74 (4):494 522; 1998 [7] Before the Federal Communications Commission Washington, D.C. 20554, January 17, 1997 9