РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ РАДИОТЕЛЕФОН
RADIOBIOLOGICALLY SAFE MOBILE CORDLESS TELEPHONE

Изобретение относится к области мобильной радиотелефонной связи, а именно к абонентским терминалам связи, таким как мобильный радиотелефон, смартфон и т.д.
Далее в тексте абонентский терминал любого типа, содержащий функцию телефонного разговора, будет именоваться как мобильный радиотелефон или МРТ.
2
Приемопередающая малогабаритная антенна, с помощью которой осуществляется радиосвязь абонента с базовой станцией (БС), обычно размещается внутри корпуса МРТ. Эта антенна, которая может быть штыревой, спиральной или микрополосковой, формирует круговую диаграмму направленности (ДН) в горизонтальной плоскости и секторную (около 80-90°) - в вертикальной плоскости. При вертикальном расположении МРТ, приложенного к уху, максимум ДН встроенной антенны находится в горизонтальной плоскости и проходит через ушную раковину и головной мозг. По российским нормам плотность потока энергии не должна превышать предельно допустимый уровень, который составляет 100 мкВт/см на расстоянии 25 см от телефонного аппарата (см. Гигиенические нормативы ГН 2.1.8/2.2.4.019-94 «Временные допустимые уровни воздействия (ВДУ) электромагнитного излучения» [1]).
2
2
В непосредственной же близости к аппарату уровень излучения существенно больше. Критерием безопасности МРТ за рубежом является величина удельной поглощенной энергии излучения (SAR - Specific absorption rate) в тканях человека, равная в США 0,8 Вт/кг (с 2001 года). Следует заметить, что в России санитарные нормы для МРТ гораздо жестче, чем на Западе. Западные нормы не учитывают особенностей нетепловых волновых биологических эффектов. Измерить SAR очень сложно, и до сих пор нет единой методики ее определения. Поэтому аппараты МРТ, поступающие в Россию из-за рубежа, как правило, не удовлетворяют российской норме (100 мкВт/см). Большой уровень излучения вблизи МРТ налагает жесткое ограничение на время его нахождения вблизи живой ткани. Суточная энергетическая нагрузка при использовании МРТ не должна превышать 200 мкВт·ч/см (см. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи» [2]). Поэтому по рекомендациям Центра электромагнитной безопасности при институте биофизики РАН разовый разговор по МРТ, когда он приложен к уху, не должен превышать 2-3 минуты, после чего нужно делать паузу не менее 15 минут. Общее время разговора по МРТ для взрослого человека не должно составлять более одного часа в сутки (см. Григорьев О.А. Радиобиологическая оценка воздействия электромагнитного поля подвижной сотовой связи на здоровье населения и управления рисками. Автореферат диссертации ученой степени доктора биологических наук. Москва, 2012 [3]). Детям и подросткам до 18 лет использование МРТ ограничено: разговор должен осуществляться с использованием наушников и быть коротким по времени. Беременные женщины должны во всех случаях размещать МРТ на расстоянии не менее 0,75 м от тела [2, 3]. Следует заметить, что опасность электромагнитного излучения (ЭМИ) проявляется при работе МРТ только в режиме передачи, поскольку когда абонент говорит, включается передатчик МРТ. В режиме приема (абонент слушает) передатчик выключается, а принимаемые от БС сигналы по уровням очень малы и не опасны.
В данный момент в мире проведено достаточное количество исследований, подтверждающих, что излучение МРТ приводит к астенизации, повышенной раздражительности, утомляемости абонента, а хроническое - ежедневное, на протяжении длительного времени, - воздействие излучения МРТ на живой организм ослабляет иммунную систему, стимулирует изменения в клетках, вызывает нарушения генного порядка, способствует появлению больных клеток и даже опухолей. В 2009 году решением Международного агентства по изучению рака Всемирной организации здравоохранения излучение МРТ классифицировано как канцерогенное класса 2B.
Существующие конструкции МРТ не обеспечивают радиобиологическую безопасность для человека. ЭМИ МРТ относится к опасным для здоровья факторам. Воздействие ЭМИ происходит в неконтролируемых условиях, без ограничения по продолжительности, времени и периодичности использования.
Из уровня техники известны устройства МРТ с проводной и беспроводной головной гарнитурой. Гарнитура - это комплект наушников и микрофона, подсоединяемый к корпусу МРТ, предназначенный для приема/передачи низкочастотного информационного сигнала. В гарнитуре отсутствуют высокочастотные излучения, и поэтому ее применение является эффективным средством для защиты головы (мозга, глаз и т.д.) человека от воздействия ЭМИ. Но эти технические решения (режим hands-free, технология bluetooth), создающие определенный комфорт при использовании, делающие свободными руки и устраняющие опасность непосредственного воздействия на мозг и глаза, полностью не решают проблему электромагнитной безопасности для человека. При использовании гарнитуры источник ЭМИ, а именно корпус МРТ, находится чаще всего около пользователя (в кармане, в сумочке и т.д.) и оказывает воздействие на органы человека. Следует также заметить, что в этих случаях корпус МРТ, как правило, находится в неоптимальных условиях (по высоте размещения и по положению), и поэтому эффективность встроенной в него антенны существенно снижается, что ухудшает радиосвязь с БС.
При использовании беспроводной технологии bluetooth полностью безопасным МРТ становится только в автомобиле или домашних условиях, когда телефонный аппарат, осуществляющий связь с БС, может быть размещен на некотором удалении от человека. Связь с БС осуществляется через внутреннюю антенну МРТ. Связь же абонента с МРТ происходит по дополнительному радиоканалу на других частотах (2,40-2,48 ГГц). Этот радиоканал считается безвредным, т.к. работает на малых уровнях излучения, и его действие ограничено дальностью до 10 м.
В настоящее время известно множество различных устройств МРТ, объявленных безопасными. В частности, для снижения воздействия ЭМИ на пользователя предлагается вводить в корпус МРТ защитные экраны, поглотители, дополнительные антенны и т.д. Однако все данные способы имеют общий недостаток. В ближнюю зону излучения антенны, встроенной в корпус МРТ, вторгаются посторонние проводящие или полупроводящие тела. Эти тела становятся частью единой электродинамической антенной системы и оказывают влияние на характеристики излучения антенны. Вторичные поля от посторонних тел, складываясь с полем антенны, изменяют исходную ДН, формируя в ней провалы и максимумы излучения. Причем максимумы в сторону головного мозга могут оказаться даже больше, чем при отсутствии посторонних тел.
В частности, в патенте RU 2150771 (опубликован 10.06.2000; МПК H01Q 1/24) предложен электромагнитный экран, который при поднесении МРТ к уху оказывается между антенной и абонентом. Торцы экрана выполнены из электропроводящего материала с большим удельным сопротивлением, чем в центральной части экрана. Утверждается, что такой экран приводит к уменьшению излучения в направлении максимума ДН антенны и сохранению качества приема сигнала от БС. Действительно, экран может изменить форму ДН так, что в направлении головного мозга может формироваться провал. Однако, как правило, МРТ являются широкополосными, т.е. работающими в нескольких стандартах (GSM 900/1800, WCDMA-2100 и т.д.), и сохранить такой провал во всех частотных диапазонах невозможно.
В патенте RU 2138133 (опубликован 20.09.1999; МПК H04Q 7/32) воздействие ЭМИ на голову уменьшается (в 100 раз) за счет увеличения расстояния (в 10 раз) от антенны МРТ до наиболее чувствительной части головы человека - нижней заушной части мозга и верхней части шеи. Достигается это тем, что антенна МРТ снабжена шарнирным соединением с корпусом и может при радиосвязи откидываться на угол до 180°.
Известна конструкция МРТ, в котором ослабление ЭМИ в сторону абонента достигается тем, что в той части корпуса МРТ, где находится антенна, устанавливается рефлектор из тонкой титановой пластины, закрепляемый на корпусе с помощью скользящего стержня. В центральной части рефлектора размещен динамик, связанный со схемой МРТ гибким кабелем. В сложенном состоянии рефлектор не выходит за габариты корпуса.
Известна конструкция МРТ фирмы Murata Manufacturing Co. Ltd (Япония) с двумя антеннами и экраном. Для ослабления излучения одной из антенн в сторону головы в корпусе МРТ установлен экран. Вторая антенна, смонтированная на корпусе МРТ, предназначена только для приема.
Наиболее близким к заявленному устройству по конструкции является устройство, описанное в заявке на патент US 20120315854 (опубликована 13.12.2012; МПК H04B 7/00). Устройство включает основной корпус МРТ и гарнитуру. В корпусе размещены микропроцессор, радиочастотный блок, низкочастотный блок и гарнитурный вход. Гарнитура состоит из соединителя, наушников и внешней антенны. Задачей данного устройства является улучшение приема слабых сигналов от БС, что достигается за счет использования более эффективной внешней антенны, размещаемой в гарнитуре. Несмотря на близость известной конструкции к заявляемому устройству, она не предназначена для решения проблемы радиобиологической безопасности. Кроме того, эта конструкция не является практичной, поскольку предполагает постоянное подключение гарнитуры, т.к. связь с БС поддерживается только через антенну гарнитуры.
Задачей заявленного изобретения является создание радиобиологически безопасного для человека и практичного в использовании МРТ.
Технический результат изобретения заключается в устранении воздействия опасного электромагнитного излучения на пользователя при одновременном расширении функциональных возможностей устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что радиобиологически безопасное устройство связи содержит мобильный радиотелефон (МРТ) с внутренней антенной и головную гарнитуру с внешней антенной, при этом МРТ содержит переключатель для подключения к связи с базовой станцией одной из упомянутых антенн, а внешняя антенна выполнена с возможностью соединения с МРТ посредством коаксиального или оптического кабеля.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частных вариантах реализации изобретения за счет того, что:
- в устройстве использован оптический кабель, соединяющий внешнюю антенну и МРТ через внешние аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи,
- гарнитура включает оголовье, при этом упомянутая внешняя антенна встроена в оголовье,
- оголовье снабжено вставкой из радиопрозрачного диэлектрического материала, охватывающей упомянутую внешнюю антенну,
- в качестве радиопрозрачного диэлектрического материала использован вспененный полистирол,
- в качестве внешней антенны использована штыревая или дипольная антенна.
Заявленное устройство, также как и наиболее близкий аналог, включает связанную с МРТ гарнитуру, снабженную внешней антенной для связи с БС. Однако в заявляемой конструкции данная особенность используется для обеспечения радиобиологической безопасности, поскольку внешняя антенна может быть изготовлена с такой формой ДН, которая позволяет надежно поддерживать радиосвязь с БС при отсутствии излучения в сторону головы. При этом в отличие от аналога сохраняется внутренняя антенна, а в корпус МРТ встраивается переключатель, позволяющий для связи с БС делать выбор - включать внутреннюю или внешнюю антенну, что расширяет функциональные возможности устройства.
Заявленное устройство поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана схема заявленного устройства;
на фиг.2 показана диаграмма направленности штыревой или дипольной антенн, которые могут быть применены в заявленном устройстве.
Заявленное устройство включает мобильный радиотелефон (МРТ) (1), снабженный внутренней антенной (2), головную гарнитуру (3) с внешней антенной (4) и установленный в корпусе МРТ переключатель (8), позволяющий для связи с БС подключать внутреннюю (2) или внешнюю антенны (4). Внешняя антенна соединена с МРТ (1) посредством коаксиального или оптического кабеля (5).
МРТ (1) представляет собой стандартный МРТ, в конструкцию которого встроен аппаратный переключатель (8) для работы с антеннами (2) или (4). Конструкция данного переключателя (8) опционально может обеспечивать автоматическое переключение устройства на работу с внешней антенной (4) при подключении к МРТ (1) гарнитуры (3) и переключение на работу с внутренней антенной (2) при отключении гарнитуры (3) (по аналогии с тем, как осуществляется автоматическое переключение звука на гарнитуру при ее подключении в стандартных МРТ).
Головная гарнитура предпочтительно включает оголовник (9), наушники и микрофон (на чертежах не показаны). При этом внешняя антенна (4) встроена в оголовник (9) и при одевании гарнитуры на голову ориентирована вертикально.
1/2
Оголовник (9) гарнитуры может содержать вставку (10) из радиопрозрачного диэлектрического материала, охватывающую упомянутую внешнюю антенну (4). Размещение внешней антенны в диэлектрической среде позволяет укоротить длину рабочей волны в ε раз (ε - относительная диэлектрическая проницаемость), уменьшить вертикальный размер антенны и, соответственно, толщину оголовника.
Внешняя антенна может быть соединена с МРТ обычным коаксиальным кабелем толщиной 1/4″ (типа Heliax или Cellflex), передающим сигналы в аналоговом виде, или посредством оптического кабеля, передающего сигналы в цифровом виде. Оптический кабель является более легким, не имеет потерь и позволяет поддерживать связь с БС при меньших мощностях передатчика МРТ. В случае применения оптического кабеля на концах он имеет преобразователи: аналого-цифровой (АЦП) (6) со стороны внешней антенны (4) и цифроаналоговый (ЦАП) (7) со стороны МРТ (1).
Электропитание преобразователей осуществляется от МРТ посредством двухжильного провода питания (11).
Устройство функционирует следующим образом.
В режиме ожидания вызова абоненту нет необходимости ходить с надетой на голову гарнитурой.
Входящая связь может осуществляться традиционным способом с помощью внутренней антенны (2), встроенной в корпус МРТ (1). У абонента появляется возможность выбора: вести разговор, используя внутреннюю антенну (2),  или переключиться на внешнюю антенну (4) гарнитуры. Если разговор ожидается короткий по времени, то одевать наушники с оголовьем может быть и нет необходимости. Если же разговор ожидается длинный или абонентом является та персона, которой не рекомендовано пользоваться МРТ (дети, подростки, беременные женщины или люди, страдающие повышенным страхом по отношению к ЭМИ), то необходимо воспользоваться гарнитурой и переключить работу с внутренней антенны (2) на внешнюю антенну (4).
Исходящая связь (абонент инициирует связь) может осуществляться с использованием только внешней антенны (4). В этом случае абонент одевает на голову гарнитуру (3), подключает ее к MPT (1), переключает работу с внутренней антенны (2) на внешнюю антенну (4) и далее осуществляет обычную процедуру вхождения в связь.
Внешняя антенна (4), в отличие от внутренней антенны (2), не оказывает опасного воздействия на пользователя (см. ДН на фиг.2). К тому же при одинаковых габаритных размерах внешняя антенна (4), в сравнении с внутренней антенной (2), может иметь большую эффективность, поскольку в зоне ее максимального излучения отсутствуют посторонние проводящие или полупроводящие тела (части корпуса МРТ и голова человека). Повышение же эффективности антенны, осуществляющей радиосвязь с БС, дает возможность работать при меньших мощностях передатчика МРТ и, соответственно, снижать энергопотребление от аккумулятора.
Таким образом, предлагаемое устройство решает проблему радиобиологической безопасности МРТ для всех пользователей и, что особенно важно, для детей, подростков и беременных женщин, для которых гигиеническими требованиями предписано ограничение использования стандартными МРТ.
Следует отметить, что режим установления связи (вызов) является самым опасным с точки зрения электромагнитного воздействия. При вызове МРТ излучает максимальный уровень мощности, и только после установления связи этот уровень может уменьшиться на два-три порядка. Уровнем мощности МРТ управляет БС через обмен сигнальной информацией по каналу управления. Обычно устанавливается минимальный уровень мощности, достаточный для уверенной связи. Если БС находится близко, мощность сигнала передатчика МРТ может составлять единицы милливатт. Если МРТ находится на границе зоны покрытия БС, то мощность сигнала передатчика МРТ может быть максимальной и составлять 1 Вт и более.
Практическая реализация предлагаемого устройства не требует каких-либо изменений в стандартах мобильной сотовой связи.
В конструкцию существующего абонентского терминала (радиотелефона, смартфона и т.д.) вводится только пассивный переключатель.
В конструкцию существующей головной гарнитуры, а именно в оголовье, встраивается малогабаритная антенна, и дополнительно вводятся два тонких кабеля для соединения с МРТ.