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MEDIDAS DE RADIAÇÃO MEDIDAS DE RADIAÇÃO MEDIDAS DE RADIAÇÃO MEDIDAS DE RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA EM ELETROMAGNÉTICA EM ELETROMAGNÉTICA EM ELETROMAGNÉTICA EM

ESTAÇÕES TERRENAS DE ESTAÇÕES TERRENAS DE ESTAÇÕES TERRENAS DE ESTAÇÕES TERRENAS DE COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITECOMUNICAÇÕES VIA SATÉLITECOMUNICAÇÕES VIA SATÉLITECOMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE

11 de setembro de 2010

Medidas de Radiação em Estações Terrenas - Patrocínio SINDISAT Página 2 de 23

1. Sumário Executivo

As estações terrenas de redes de comunicações do serviço fixo via satélite utilizam antenas parabólicas (ou equivalentes) para a recepção ou transmissão de sinais de microondas via satélite.

Tais antenas são altamente diretivas, de elevado ganho, apontadas para satélites em órbita geoestacionária a 36.000km da superfície terrestre. Assim, os feixes de transmissão apontam

SEMPRE para o alto, não podendo sofrer nenhum tipo de obstrução.

Este fato garante que nenhuma construção, residência ou qualquer local de acesso ao público em geral, jamais sofrerá efeitos de emissão direta de uma antena de estação terrena.

Para corroborar os estudos teóricos que demonstram serem muito pequenos os níveis de radiação eletromagnética próximo a antenas de estações do serviço fixo por satélite, várias medidas foram efetuadas em antenas de diversos tamanhos e potência de transmissão, buscando-se escolher as mais representativas e os piores casos.

Como esperado, os resultados obtidos demonstram que os níveis são muito abaixo dos limites de

densidade de potência, para radiofreqüências entre 9 kHz e 300 GHz, definidos na Resolução 303 da Anatel, de 2 de julho de 2002.

2. Escolha das Estações a Serem Pesquisadas

A potência de transmissão do sistema de radiação de uma estação terrena está associada ao conjunto antena/amplificador de potência. Para definir quais conjuntos que deveriam ser

avaliados no âmbito deste trabalho, foi pesquisado o universo de antenas/amplificadores empregados pelas redes satélite operadas pela Embratel no Brasil, cerca de 30.000 estações. Tal população pode ser considerada como fiel representação do universo de estações no Brasil.

A tabela 1 sumaria as conclusões desta pesquisa para a banda Ku e a tabela 2 faz o mesmo com ralação à banda C.

Tabela 1: Estatística dos conjuntos antena/amplificador na banda Ku

Bda Diâmetro

(m) Pot HPA

(W) # de E/Ts % da Bda Ku

% antena sobre total bda Ku

1 10585 42,227% 0,96

2 1596 6,367% 48,594%

1 109 0,435%

2 9604 38,313% 1,2

4 2510 10,013%

48,761%

2 647 2,581% 1,8

4 15 0,060% 2,641%

Ku

2,4 4 1 0,004% 0,004%


Tabela 2: Estatística dos conjuntos antena/amplificador na banda C

Bda Diâmetro (m) Pot HPA (W) # de E/Ts % da Bda C % antena sobre total

bda C

2 3706 82,046% 1,8

5 346 7,660% 89,706%

2 2 0,044%

5 82 1,815%

10 6 0,133%

20 16 0,354%

40 7 0,155%

60 3 0,066%

125 1 0,022%

2,4

200 1 0,022%

2,612%

2 2 0,044%

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%

3,6

400 1 0,022%

6,642%

8 10 0,221% 4

10 12 0,266% 0,487%

40 2 0,044%

50 1 0,022%

60 5 0,111%

75 1 0,022%

100 1 0,022%

125 1 0,022%

170 1 0,022%

4,5

200 1 0,022%

0,288%

2 2 0,044%

10 1 0,022%

100 1 0,022%

170 1 0,022%

6

400 2 0,044%

0,155%

100 1 0,022% 7

125 1 0,022% 0,044%

7,6 150 2 0,044% 0,044%

C

10 50 1 0,022% 0,022%


A observação das tabelas 1 e 2 permitem concluir que os conjuntos destacados em amarelo representam os conjuntos mais representativos em termos de potencial de radiação eletromagnética.

Isto porque, no caso de conjuntos de antena/amplificador com mesma potência de amplificador, o conjunto com a antena de menor diâmetro será sempre um pior caso (esta antena terá um feixe de emissão mais aberto do que a antena de maior diâmetro, aumentando o potencial de radiação eletromagnética no seu entorno).

Vale frisar que as antenas de maior diâmetro (superiores a 3,6m) são inerentemente menos suscetíveis a emitirem radiação em suas proximidades, pois são montadas cobre estruturas elevadas em relação ao solo, como indicado na figura 1.

Figura 1- Distância típica da borda de uma antena ao solo

Assim, no pior caso, assumindo antena sem pedestal (no solo, A=0) e ângulo de apontamento

mínimo de 30o (os satélites que operam no Brasil têm ângulos de elevação geralmente maiores), a distância da borda da antena ao solo será:

• Antena de 3,6 m de diâmetro: 0,94 m • Antena de 4,5 m de diâmetro: 2,05 m • Antena de 6,0 m de diâmetro: 2,90 m

Portanto, um plano de medidas restrito aos sistemas apresentados na tabela 3 será mais do que suficiente para demonstrar na prática os resultados teóricos obtidos anteriormente.


Tabela 3: Plano de medidas em campo

Banda Conjunto

Antena/Amplificador Motivo

% de antenas sobre total da

Bda

% de antenas sobre total

Geral

0,96m / 1W Maior ocorrência

0,96m / 4W Pior caso 48,59 41,17

1,2m / 2W Maior ocorrência Ku 1,2m / 4W Pior caso

48,76 41,32


1,8m / 5W Pior caso 89,71 13,7


2,4m / 200W Pior caso 2,61 0,4


C

3,6m / 400W Pior caso 6,64 1,0

TOTAIS: Ku: 97,53%;

C: 98,96% 97,59%

Ou seja, medidas efetuadas em tais conjuntos antena/amplificador representarão as condições existentes em 97,6% das estações terrenas instaladas, sendo 97,5% das estações em banda Ku e

98,9% daquelas em banda C.

3. Equipamentos Utilizados nas Medidas

Foram empregados os seguintes equipamentos para realização das medidas, 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 os equipamentos de teste estão com calibração atualizada e os equipamentos de comunicações (BUC e modem) são certificados/homologados pela ANATEL.


4. Limites de Exposição Aplicáveis

Os limites para exposição ocupacional e da população em geral à CEMRF, na faixa de 9 kHz a 300 GHz, de acordo com as Tabela I e II do Art. 5o do Cap. II, Título II de [1], são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 – Limites para exposição

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

A partir dos dados de calibração das cornetas utilizadas e levando em conta que as medidas

foram feitas nas freqüências de 14,25 GHz na banda Ku e 6,1 GHz na banda C, os limites acima se traduzem nos seguintes níveis máximos a serem medidos:

• Para a banda C: 19,02 dBm • Para a banda Ku: 12,14 dBm

A tabela 5 apresenta os cálculos que levam aos limites acima.

Tabela 5 – Limites a serem medidos

Banda Parâmetro

C Ku Unidade Comentários

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

0,080 0,016 W (Aef*L303)/10Lc/10 VALOR Max medido

19,02 12,14 dBm 10*log(Aef*L303)-Lc+30


5. Medidas e Resultados

As medidas foram realizadas em dois locais na cidade do Rio de Janeiro:

o Na estação de Guaratiba da StarOne, aonde os seguintes conjuntos foram avaliados: antena de 0,96cm e BUCs de 1 e 4W na banda KU, antena de 1,2m e 1,8m, ambas com BUC de 4W e na banda Ku e uma antena de 1,8m de diâmetro na banda C com BUC de 5W;

o No teleporto da Globosat, aonde foram pesquisadas as emissões em torno de duas antenas de 7,3m e uma de 4,9m, todas alimentadas por SSPAs de 400W.

A escolha deste local se deveu às seguintes razões:

• 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.

5.1 Resultados obtidos na Estação de Guaratiba da StarOne

NA BANDA Ku:

i) Antena de 0,96m offset; BUC Ku de 1W: A antena foi apontada para o sul (para evitar interferência em algum satélite) e instalado um BUC de 1W (figura 2)

Figura 2 : Antena de 0,96m Ku inicialmente apontada para o sul

A corneta foi colocada na frente da antena (pior caso), a qual foi mantida com ângulo de elevação

de 250 (figura 3).


Além disso, vale frisar que a corneta for girada em elevação e azimute, bem como sobre seu eixo central (ajuste de polarização), buscando-se maximizar o sinal obtido. ESTE PROCEDIMENTO FOI REALIZADO EM TODOS OS CASOS MEDIDOS.

Fig. 3 ângulo de elevação = 250

Os resultados mostram aderência aos cálculos teóricos, pois os níveis medidas foram sempre muito inferiores ao limite de 12, 14 dBm:

o – 20 dBm a 2,35m do centro do refletor da antena (figuras 4 e 5); o – 4,9 dBm a 1,55 m do centro do refletor da antena (figura 6); o + 4,7 dBm com corneta praticamente no feixe de iluminação da antena e a 0,98m

do centro do refletor da antena (figura 7).

Fig. 4 Corneta Ku utilizada para medir potência irradiada na frente da antena


Fig 5: Setup de medidas

Fig. 6: medindo distância da corneta ao centro do refletor (1,55m)


Fig. 7 – Corneta bem próxima da antena (98 cm do refletor)

ii) Antena de 0,96m de diâmetro/ BUC Ku de 4W

O BUC de 1W foi retirado e instalado o BUC de 4W (figura 8).

Fig. 8: BUC de 4W utilizado nas medidas de radiação da antena Ku de 0,96cm

Medidas foram então implementadas nas mesmas condições do caso anterior (figura 9)


Fig. 9: A mesma antena de 0,96cm na banda Ku, agora com o BUC de 4W

Novamente os resultados obtidos estão alinhados com os cálculos teóricos e nenhum nível próximo aos limites máximos de potência definidos no item 4 foram atingidos:

o – 16,8 dBm a 2,35m do centro do refletor da antena; o 0,4 dBm a 1,55 m do centro do refletor da antena; o + 11,2 dBm com corneta praticamente no feixe de iluminação da antena e a 0,98m

do centro do refletor da antena.

iii) Antena de 1,2m de diâmetro / BUC Ku de 4W A figura 10 mostra o setup de medidas da radiação a frente da antena de 1,2m e BUC de 4W na banda Ku. Não foi necessário utilizar o modem, pois o conjunto estava operacional. .

Fig. 10: Medidas no conjunto antena Ku 1,2m / BUC 4W


Como o conjunto estava em operação, foi simulado um ângulo de elevação da antena inferior a 300 elevando-se a corneta de teste a uma altura de 2,5 a 3m do solo, como mostra a figura 11.

Fig. 11: Simulando ângulo de elevação baixo

Além disso, foram realizadas medidas com a corneta a várias distâncias do centro do refletor, bem como medidas ao lado do refletor e a 20cm afastado da borda do mesmo, como indicam as

figuras 12 (a), (b), (c) e (d).

(a) (b)


( c) (d)

Fig. 12: Medidas a 1,3m do centro do refletor da antena e simulando ângulo de elevação inferior a 30o (a); no centro do feixe acima do alimentador (b), ao lado da borda do refletor (c); a 20 cm da borda (d)

Os resultados obtidos foram:

o -13 dBm a 1,3m do centro do refletor da antena e simulando baixo ângulo de elevação (<30o);

o + 7 dBm no centro do feixe acima do alimentador;

o + 7 dBm ao lado da borda da antena; o – 15 dBm a 20 cm da borda da antena.

Antena de 1,8m de diâmetro / BUC Ku de 4W Como este conjunto antena/BUC também estava em operação, todas as medidas foram realizadas simulando ângulo de elevação médio inferior a 300 através da colocação da corneta próximo ao centro do feixe principal da antena, como mostram as figuras 13 e 14 a seguir.

Fig.13: Corneta elevada (e ajustada à polarização do alimentador) para simular baixos ângulos de

elevação


Fig. 14: Corneta Ku elevada na frente do conjunto antena 1,8m/BUC 4W

Esta simulação prosseguiu com a variação da posição da corneta Ku em relação ao refletor da antena, como indicado na figura 15.

Fig 15: Variando a distância da corneta ao centro do refletor da antena de 1,8m

Os resultados variaram de -13 a -7 dBm, este último valor obtido com a corneta a 1,5m do centro do refletor da antena e a cerca de 3m do solo, simulando ângulo de elevação da antena abaixo de 30o.


NA BANDA C:

iv) Antena de 1,8m de diâmetro / BUC C de 5W

Esta antena não está operacional, portanto foi desapontada do arco orbital (sua elevação foi bastante diminuída) e diversas medidas realizadas, em frente à antena e próximo ao refletor principal, apontando a corneta para o alimentador.

A figura 16 mostra o conjunto antena offset de 1,8m de diâmetro e BUC de 5W.

As figuras 17 e 18 indicam, respectivamente, como foram realizadas as medidas na frente e na

lateral da antena.

Fig. 17: Medidas frontais, na direção de máxima radiação

Fig. 16: Antena offset de 1,8m e BUC de 5W na banda C, não operacional.


Fig. 18: Medidas laterais, na direção do alimentador e na mesma polarização

Resultados:

o Medidas laterais: pior caso (corneta junto à lateral do refletor, na menos distância ao centro da semiparábola): + 15 dBm;

o Medidas frontais: simulando cerca de 250 de elevação, com corneta a 2m de altura e a 2m do centro do feixe: - 5 dBm. Quando a corneta é aproximada do refletor, o nível medido cai, provavelmente devido a interação da corneta com o feixe emitido pela

antena.

5.2 Resultados Obtidos no Teleporto da Globosat

A figura 19 mostra o parque de antenas no teto do prédio no teleporto da Globosat.

As antenas transmissoras são as antenas B8 (7,3m de diâmetro, apontada para o satélite NSS 806), B9 (7,3m de diâmetro, apontada para o satélite SO C1) e B5, de 4,9m de diâmetro, apontada para o SO C2).

Todas operam na banda C.


Fig. 19: Antenas no Teleporto da Globosat

Os resultados das medidas nas antenas transmissoras são apresentados a seguir.

i) Antena de 4,9 m:

Esta antena está apontada para o satélite C2 em 70oW, com ângulo de elevação de 49,7o e transmite uma portadora com EIRP de 67 dBW.

Foram efetuadas diversas medidas no entorno da antena, sendo as únicas representativas aquelas realizadas na frente da mesma, com elevação máxima da corneta, para simular um ângulo de elevação menor (da ordem de 30o).

A movimentação da corneta para distâncias mais próximas do refletor mostram níveis de potência medida menores, o mesmo se dando afastando-a para os lados.

As figuras 20 e 21 mostram estas condições e os resultados mais significativos registrados.


Fig. 20: (a) Corneta a 2,8m da borda antena de 4,9m de diâmetro (b) Nível medido

Fig. 21: (a) Corneta a 1,8m da borda antena de 4,9m de diâmetro (b) Nível medido

Assim, nas condições da antena de 4,9m, o nível mais elevado medido foi de 1,67 dBm


ii) Antena de 7,3m de diâmetro, apontada para o satélite NSS 806:

Esta antena transmite uma portadora com EIRP de 69 dBW, com ângulo de elevação de 63o.

Como no caso anterior, procurou-se movimentar a corneta para encontrar o nível máximo de medida.

Não foram registrados níveis relevantes em nenhum caso, sendo o nível máximo obtido da ordem de -16 dBm, a uma distância de 3,5m da projeção do refletor no solo, como indicado nas figuras 22 e 23.

Fig. 22: (a) Corneta na posição de nível máximo medido (b) nível medido

Fig. 23: Apontamento da Corneta na direção da antena de 7,3m apontada para o NSS-806


iii) Antena de 7,3m de diâmetro, apontada para o satélite C1:

Esta antena transmite quatro portadora, todas com EIRP da ordem de 69 dBW, com ângulo de elevação de 53,7o.

Assim como no caso anterior, procurou-se movimentar a corneta para encontrar o nível máximo de medida.

Novamente não foram registrados níveis relevantes em nenhum caso, sendo o nível máximo obtido da ordem de –13,4 dBm, a uma distância de 3 m da projeção do refletor no solo, como indicado na figura 24.

Fig. 24: (a) Posição da corneta na condição de nível máximo

(b) Nível medido


6. Resumo dos Resultados dos Testes Efetuados

O resultado das medidas efetuadas é resumido na tabela 6:

Tabela 6: Resumo dos resultados das medidas efetuadas

Bda Antena/BUC

(m/W) Limite (dBm)

Medida (dBm)

Margem (dB)

Condições

-20,0 32,1 A 2,35m do centro do refletor da antena

-4,9 17,0 A 1,55 m do centro do refletor da antena 0,96/1 12,14

4,7 7,4 Corneta praticamente no feixe de iluminação da antena e a 0,98m do centro do refletor da antena

-16,8 28,9 A 2,35m do centro do refletor da antena

0,4 11,7 A 1,55 m do centro do refletor da antena 0,96/4 12,14

11,2 0,9 Corneta praticamente no feixe de iluminação da antena e a 0,98m do centro do refletor da antena

-13,0 25,1 A 1,3m do centro do refletor da antena e simulando ângulo de elevação < 30o

7,0 5,1 No centro do feixe acima do alimentador

7,0 5,1 Ao lado da borda da antena

1,2/4 12,14

-15,0 27,1 A 20 cm da borda da antena

-13,0 25,4 A cerca de 2,5m do centro do refletor da antena

Ku

1,8/4 12,4 -7,0 19,4

A 1,5m do centro do refletor da antena e a cerca de 3m do solo, simulando ângulo de elevação < 30o

15,0 4,0 Corneta junto à lateral do refletor, na menos distância ao centro da semiparábola

1,8/5 19,02

-5,0 24,0 Simulando ângulo de elevação < 30o, 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.

C

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.

Os resultados obtidos mostram cabalmente que a radiação emitida pelos conjuntos pesquisados está sempre muito abaixo dos valores máximos permitidos.

As estações de menor porte medidas em Guaratiba representam – como se pode inferir das tabelas 1 a 3 – praticamente 100% das antenas na banda Ku e 89,7% das antenas na banda C. Todas juntas representam ainda 98,43% do total de 30.000 estações terrenas pesquisadas.


Portanto, tais sistemas irradiantes podem ser considerados como os que seriam mais perniciosos quanto à emissão de radiação não ionizando, levando em conta que:

• Quanto maior o diâmetro da antena, maior é sua diretividade;

• Como explicitado na figura 1, as antenas maiores têm seus refletores elevados em relação ao solo, minimizando eventual radiação na direção do solo a sua frente;

• Nenhuma radiação significativa foi encontrada próximo às antenas de maior porte no Teleporto da Globosat;

• As antenas de maior porte são invariavelmente instaladas em locais restritos, não aberto ao público em geral.

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, em função de:

o Elevada diretividade das antenas envolvidas;

o Necessidade de se manter um afastamento mínimo entre elas para permitir eventual

movimentação para apontamento para outros satélites;

o Antenas instaladas em um mesmo local não podem ser obstruídas por nenhuma outra.

A confirmação prática desta afirmativa foi obtida na estação da StarOne em Guaratiba. Como mostrado na figura 25, utilizando uma corneta na banda C e depois outra na banda Ku, movimentamos o set de medida ao longo do passeio em frente ao campo de antenas da estação, não sendo possível medir nada (nível no analisador ficou sempre no patamar de ruído, mesmo abrindo o filtro de entrada).

Figura 25: Tentativa de medir radiação combinada


7. Conclusões e Considerações finais

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:

i. Emprego de antenas de elevada diretividade e ganho;

ii. Antenas apontando para o céu, com ângulos de elevação usualmente altos, na sua grande maioria superior a 300, o que diminui significativamente os níveis de emissão de radiação no solo, aumentando assim as margens em relação aos limites definidos na Res. 303;

iii. Não pode haver obstrução na visada para o satélite, o que significa não haver nenhuma possibilidade de radiação na direção de construções ou habitações;

iv. 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. Isto é particularmente aplicável no caso das antenas de maior porte, com diâmetros de 3.6m e acima,

Os estudos teóricos, nos quais os piores casos foram avaliados, mostram que – em TODOS os casos e hipóteses avaliados - níveis de emissão da ordem de grandeza dos limites estabelecidos na Res. 303 só são obtidos muito próximos à borda das antenas emissoras. Este fato é

corroborado pelas medidas práticas efetuadas nas estações mais representativas do conjunto instalado no Brasil.

Tais considerações justificam, portanto, 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 às 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.

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