Base station antenna`s electromagnetic field distribution in the room

Abstract

Yeni teknolojilerin ortaya çıkması ve varolan teknolojilerin hızlı gelişimi sonucu, mobil şebekeye bağlı kullanıcı sayısı her geçen gün artmaktadır. Bazı kaynaklara göre bu sayının önümüzdeki 10 yıl içerisinde toplam popülasyonun yaklaşık %60'ına ulaşması beklenmektedir. Mobil şebekeye bağlı kullanıcı ve ekipman sayısının artması sonucu olarak, oluşacak trafiği karşılayabilmek için yeni baz istasyonları ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Artışın büyüklüğü düşünüldüğünde, oluşacak trafik ile başa çıkabilmek için çeşitli baz istasyonları sayısında ciddi bir artışa ihtiyaç duyulacaktır. Baz istasyonlarının ise insan sağlığı için etkileri henüz tam olarak bilinememektedir. Baz istasyonu sayısındaki artış beklentisi, radyo şebeke sinyallerinin insan sağlığı üzerindeki etkisine dair tartışmaları da arttırmaktadır. Bu tartışmaları aydınlatmak için bir çok araştırma yapılmaktadır. Tezin amacı, baz istasyonlarından yayılan elekromanyetik alanın insan vücudu ve oda içerisindeki dağılımını analiz etmektir. Bu analizi yapabilmek için, bir oda ve binanın dışında bu odaya doğru servis veren bir baz istasyonu olduğu var sayılmıştır. Analizi derinleştirmek için, malzemelerden yapılmış olduğu varsayılan iki farklı oda ele alınmıştır. Gerçek duruma en yakın sonuçlara erişebilmek için bazı varsayımlarda bulunulması ve elektromanyetik yöntemleri kullanmak gerekmektedir. Bu tezde, gerçek durumlara en yakın sonuçları elde edebilmek için sınır koşulları ve Method of Auxiliary Sources yöntemi kullanılmıştır. Sınır koşulları, Maxwell denklemlerinden elde edilen, sınır durumlarında problemi çözmeyi sağlayarak, elektromanyetik sinyalin bir ortamdan diğerine doğru geçerken olan davranışını belirlemekte kullanılır. Sinyalin geçtiği ortamların iletkenliğine göre formüller farklı şekillerde ifade edilir. Method of Auxiliary Sources yöntemi ise, elektromanyetik dağılımı daha az karmaşık bir yöntem ve daha az bilgisayar kaynağı kullanarak hesaplamayı hedefler. Saçılma yüzeyindeki sınır koşullarının sağlanmasından da faydalanarak, MAS yöntemi iletken yüzeyde elektrik alanın tanjant bileşenlerinin toplamının sıfıra eşit olması prensibini kullanır. Method of Auxiliary Sources yöntemi, yüzeyde N tane ayrık saçılma noktası olduğunu varsayar. Her bir nokta için, sınır koşullarının sağlandığı varsayılır. Temel saçılma alanı özelliği kullanılarak, elektromanyetik alan hesaplanabilir ve saçılma noktaları yüzeyin içince taşınabilir hâle gelir. Bu sayede MAS yönetmi, tıpkı aynadaki sanal nokta gibi, auxiliary yüzey noktalarını varsayar. Sanal ve gerçek noktaların yüzeye olan uzaklığının birbirine yakın olması daha doğru sonuçlar elde etmeyi sağlar. Tezin amacı, bir baz istayonundan yayılan sinyalin bir odadaki elektromanyetik dağılımını bulmaktır. Bu durumu çözümleyebilmek için, çeşitli durumlar ele alınmıştır. Odanın yapıldığı malzeme, odanıın penceresinin boyutu ve sinyalin frekansındaki değişim ayrı ayrı olarak ele alınmıştır. Boş bir oda ve odanın dışında bulunan bir baz istasyonu göz önüne alınarak farklı frekans değerlerinin yayılımı gözlenmiştir. Bu gözlemi yapabilmek için, aynı boyutlarda iki farklı malzemeden inşa edilmiş oda göz önüne alınarak, betonarme malzemeden inşa edilmiş ve yalıtkan bir maddeden inşa edildiği varsayılan odalardaki etkiler kıyaslanmıştır.Bunun yanında insan vücudunu analiz etmek için de bazı varsayımlarda bulunulmuştur. Gerçek bir insan vücudu kemikler, kan, kas gibi birimlerle heterojen bir yapıdadır. Her bir vücut biriminin özgül soğurma hızı farklıdır. Hesaplamaları kolaylaştırmak adına, homojen yapıda bir insan vücudu kullanıldığı varsayılmıştır. Bu homojen yapının hangi birimden var olduğuna karar vermek için vücudun çeşitli birimlerinin özgül soğuma hızları araştırılmıştır. Kullanılan referans kaynaklar göstermiştir ki, kemik, kas ve kan dokuları ele alındığında, kas dokusunun özgül soğurma hızı ortalama bir değerdedir. Bu nedenle, tez çalışmasında kullanılan insan vücudunun tamamen kas dokusundan oluşan homojen bir yapıda olduğu varsayılmıştır. Bu sayede hesaplamalar ve varsayımlar kolaylaşmıştır. Araştırma için oluşturulan tüm koşullar, fortran yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir. Varsayımlar ve sabit değerler tutularak, değişen koşullar uygulanarak her bir durum için ilgili sonuçlar elde edilmiştir. İlk durumda, yalıtkan bir malzeden yapıldığı varsayılan bir odaya 100 metre uzakta 10 metre yüksekte bulunan bir kaynağın 300MHz frekans değeri ile servis verdiği varsayılmıştır. Bu durumda kaynaktan gelen sinyalllerin odanın içerisinde yayılıp, kolayca geçip gidebildiği gözlenmiştir. İkinci durumda ise, yine yalıtkan bir malzemeden yapıldığı varsayılan odaya, 100 metre uzakta ve 10 metre yüksekte bulunan kaynağın 450MHz frekans değeri ile servis verdiği durum incelenmiştir. Bu durumda da, kaynaktan gelen sinyallerin pencere çevresinde yoğunlaşmış olsa da odanın içerisinde yayılabildiği gözlenmiştir. Üçüncü durumda, kaynağın konumunun siyalin yayılma yönüne etkisini gözlemek adına, aynı odaya aynı uzaklıktaki kaynağın yine 450MHz frekans değeri ile, bu kez farklı olarak 30 metre yükseklikteki bir konumdan servis verdiği varsayılmıştır. Kaynaktan gelen sinyallerin yine odanın içinde yayılabildiği gözlenirken, farklı olarak bir önceki durumda gözlenen dağılımın simetrik olma durumun bozulduğu gözlemlenmiştir. Dördüncü durumda, yalıtkan malzemeden yapılan odaya, 100 metre uzaklıkta ve 10 metre yükseklikten 900MHz frekans ile bir 2G baz istasyonunun servis verdiği durum simüle edilmiştir. Sinyallerin yine odanın içerisinde, pencere önünde yoğun olmak üzere dağılabildiği gözlemlenirken, odanın arkasında kalan kısımda sinyal dağılımı açısından bir gölgeli kısım gözlenmiştir. Yalıtkan oda için oluşturulan simülasyon ortamında son olarak, 900MHz ile servis veren kaynağın konumu tam ters bölgede olacak şekilde değiştirilmiştir. Bu durumda kaynağın odanın penceresi bulunmayan tarafından servis verdiği ele alınmıştır. Odanın içerisinde neredeyse homojen bir dağılım gözlenmiştir. Simülasyon ortamı bu kez betonarme malzemeden yapılan bir odanın kullanıldığı durum varsayılarak değiştirilmiştir. Bu durum için, odanın içinde homojen yapıda bir insan vücudunun var olduğu da varsayılmıştır. Diğer tüm koşullar aynı tutulduğu durumda, 300MHz ile servis veren kaynağın sinyallerinin odanın içinde yayılıp duvarlardan geçip gidemediği gözlenmiştir. Dışarı yayılamayan sinyaller, insan vücudu üzerinde de yoğunlaşmıştır. İkinci bir durum olarak, pencere boyutunda küçültülmesi, oda içerisinde yoğunlaşan sinyalleri azaltmamıştr. Betonarme oda için, tüm koşullar aynı tutularak kaynağın 450MHz frekans ile ya da 900MHz servis verdiği durumlar ele alındığında da, sinyallerin odanın içinde kalıp, duvarlardan geçerek yayılamadığı ve insan vücudu üzerinde yoğunlaştığı gözlemlenmiştir. Sonuçların gösterdiği üzere, eğer odanın yapıldığı malzeme betonarme ise, oda bir rezonatör gibi davranarak sinyalin odanın duvarlarından geçip gitmesini engelleyip, elektromanyetik dalgaların odanın içinde yoğunlaşıp güçlenmesine neden olmuştur. Odanın yalıtkan malzemeden yapıldığı durumda ise, sinyaller duvardan geçip yayılmaya devam edebilmiştir. Farklı frekans değerleri, farklı pencere boyutları ya da oda içerisinde bir insan bulunup bulunmamış olması sonuçları değiştirmemiştir. Gözlenen elektromanyetik dağılımda bazı farklılıklar olsa da, tüm farklı uygulamalar için benzer sonuçlar elde edilerek betonarme malzemeden yapılmış olan odanın rezonatör etkisi gözlenmiştir.

The evolution in the telecommunications technology creates new discussion about human health and affect of other factros on the effect of radio network frequencies. By the appearance of new technologies in radio network, number connected users and as a result, number of base statitons increased with different type of base stations. The crowded radio network elements induce discussion about effect of the radio network signals to human body in different cases. To enlight these kind of discussions, there are lots of researches are ongoing. To find close results to real cases, there are some assumptions needs to be done. During the thesis, boundary conditions and Method of Auxiliary Sources are used to obtain closest results to the real cases. Method of auxiliary sources use mirror points close to the surface of the area to find the closest value of incident and reflected signals with the help of boundary condition satisfaction in scattering surfaces. The aim of the thesis is to find the electromagnetic distribution of a signal radiated from a base station in a room. To handle the case, there are several use cases considered. Material of the room building and change on the frequency of the signal cases are handled separately. There are two type of rooms are considered and for each frequency, distribution on the room simulated. An empty room and a base station outside the room are considered to find the distribution of electromagnetic signals inside the room. To be able to observe the comparison, two different building materials, one of them ferro-concrete and one of them dielectric building, are considered. For the room built by each material, there are three different frequency considered as source frequency; 300 Mhz, 450 MHz and 900 MHz. In the end, results are showed that room behaves like a resonator if built by a ferro-concrete material. If dielectric material is used on building of the room, signal could penerate trough the walls regardless which frequency is used.