ЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОТОВЫХ ТЕЛЕФОНОВ

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды и экологии человека, конкретней - к системам защиты человека от высокочастотного электромагнитного излучения. Устройство может быть использовано для защиты организма человека от вредного воздействия электромагнитного излучения мобильного телефона, а также бытовой, промышленной и научной аппаратуры, работающей в высокочастотной области излучения.
Уровень техники
На сегодняшний день имеются ряд различных устройств предназначенных для защиты от вредного воздействия излучения сотового телефона на организм человека.
Среди них можно отметить весьма своеобразные решения. К ним можно отнести использование заземленной маски фехтовальщика (Пат. РФ №2381042, 2010) или кепки, изготовленной с использованием материалов экранирующих голову от электромагнитного излучения (US 2005/0108811 A1, 2005), путем размещения их на голове говорящего по сотовому телефону. Хотя данные решения и обеспечивают высокий уровень защиты от излучения во время разговоров, их недостатки очевидны. Они неудобны при использовании, снижается мобильность говорящего, обеспечивают защиту лишь головы человека и никак не помогают в случае, если телефон находится вблизи других частей тела.
Известны устройства, предназначенные для защиты организма человека от высокочастотного воздействия излучающих элементов сотовых телефонов.
В патенте US 6711387 используется чехлов для мобильного телефона, у которого элементы, находящиеся между антенной сотового телефона и головой человека, изготавливаются из экранирующих материалов.
Недостатками этого типа устройств являются громоздкость, излишний вес, неудобства в использовании и ухудшение связи в случаи малого количества близлежащих базовых станций.
В сотовых телефонах с защитными устройствами по патентам US 5336896, 5940039 помимо защитного чехла телефона предлагается использовать специальную антенную конструкцию, чтобы сместить излучение и прием сигнала сотового телефона в сторону от головы пользователя и избежать ухудшения связи.
Основными недостатками этого типа устройств являются плохая эргономичность и неудобство пользования представленной антенной конструкцией, что имеет решающее значение в тенденциях современного развития электроники, стремящейся к миниатюризации и мобильности. Также подобная антенная конструкция может нести опасность для находящихся радом людей.
Разработка, описанная в патенте US 5367309, представляет собой защитный экран, закрывающий антенну мобильного телефона со стороны головы.
Недостатками подобных устройств является заметное снижения качества связи, что приводит к повышению потребляемой сотовым телефоном мощности, требуемой на поддержания необходимого уровня сигнала. В результате значительно снижается время работы устройства от батареи и мобильность пользователя.
Известны конструкции (US 5787340) для защиты от излучения мобильного телефона в виде дополнительного экрана, крепящегося к сотовому телефону между антенной и головой человека.
Недостатками известных устройств являются сложность конструкции крепления экрана. Подобные устройства действуют лишь во время разговора и никак не защищают человека, когда телефон находится в режиме ожидания. При этом увеличивается вес и снижается мобильность устройства. Кроме того, подобные типы устройств применимы далеко не ко всем классам современных сотовых телефонов, и в ряде случаев ухудшают качество связи.
Известны устройства для защиты организма человека от высокочастотного электромагнитного излучения мобильного телефона, состоящие из элементов корпуса сотового телефона, обращенных к телу человека, изготовленных из металлизированных материалов (US 5150282) и материалов, содержащих ферромагнитные порошки (RU 2237376).
Недостатками устройств первого типа является влияние элементов корпуса на приемно-передающие характеристики сотового телефона за счет переотражения излучения от экранирующих поверхностей. В ряде случаев углы экранов могут выполнять функцию усиливающих антенн, увеличивая облучение отдельных участков тела человека или приводить к перебоям в связи при малом числе вышек сотовой связи, т.к. сигнал может быть экранирован в зависимости от расположения телефона.
Недостатками устройств второго типа является влияние элементов, содержащих ферромагнитный порошок, на работу передатчика и приемника мобильного телефона из-за их непосредственной близости к антенне телефона. При этом ослабляется уровень сигнала и ухудшается качество связи, что приводит к более быстрой разрядке элементов питания. Использование подобных устройств возможно только в тех моделях, где применение ферромагнитного порошка предусмотрено технологией изготовления корпусов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной разработке является защитный экран по пат.RU №76505 U1, содержащий поглотитель электромагнитных волн, отражающую подложку (металлическую основу экрана) и тонкий слой защитно-декоративного покрытия. Слой поглотителя изготовлен из резиновой смеси, наполненной порошком карбонильного железа, обработанного в атритторах тонкого мокрого помола до среднего размера частиц 0,5÷3,0 мкм, при содержании карбонильного железа до 80 мас.%
Недостатком известного устройства является: значительная толщина экрана и неопределенность состава резиновой смеси, свойства которой зависят от режима обработки железа в атритторах. Эффективность защиты в длинноволновом диапазоне радиочастот (850÷950 МГц) низкая. Вызывает сомнение прочность соединения металлической фольги и резиновой смеси. При содержании железа порядка 80 мас.% увеличивается ломкость материала, снижаются его гибкость и механическая прочность. Карбонильное железо и другие металлы обладают большей плотностью, чем традиционные ферритовые соединения, что негативно сказывается на массе защитного экрана.
В основу создания настоящей полезной модели положена задача получения защитного экрана, обеспечивающего повышенные защитные свойства без использования в конструкции металлических элементов.
Поставленная задача решена следующим образом.
Защитный экран для снижения уровня микроволнового излучения сотовых телефонов представляет собой тонкую плоскую многослойную пластину, включающую поглотитель электромагнитных волн, отражатель электромагнитных волн и внешнее защитно-декоративное покрытие.
Поглотитель выполнен из композитного материала на основе связующего вещества, которое содержит смесь тонкодисперсных порошков микроволновых ферритов и углеродных наноструктур в массовом соотношении приблизительно 9:1. Массовое количество наполнителя (смеси порошков) составляет около половины массы композитного материала. В качестве отражающего слоя использован неметаллический материал на основе связующего вещества, содержащего углеродные наноструктуры в количестве 10÷15 мас.%. Слои склеены клеящим веществом. Суммарная толщина слоев составляет 2,5 мм или менее, слои подобраны таким образом, что отражение излучения от экрана не превышает 12% в диапазоне частот 1,8÷1,9 ГГц и не превышает 8% в диапазоне частот 850÷950 МГц. В качестве порошка микроволновых ферритов может быть использован порошок гексаферрита с размером частиц 1÷5 мкм. В качестве связующего могут быть использованы полимерные вещества, например, полиметилметакрилат, полимерная краска, силикон, эпоксидная смола, резина в зависимости от условий эксплуатации защитного экрана,
Предложение поясняется схемами.
На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая использование устройства.
На фиг.2 изображена схема возможного конструктивного исполнения устройства.
Цифрами обозначены: 1 - защитный экран; 2 - футляр; 3 - излучающее устройство, например, мобильный телефон; 4 - согласующий слой, на основе связующего, например, полимерного композита (48-52 мас.%), с микроволновыми ферритами (44-46 мас.%) и углеродными наноструктурами (4-6 мас.%),; 5 - неметаллический слой на основе связующего с высокой концентрацией углеродных наноструктур (10-15%), активно взаимодействующий с излучением; 6 - внешнее декоративное покрытие из тонкой пленки или ткани.
Устройство работает следующим образом.
Защитный экран располагается между телефоном и телом человека. При этом тонкий неметаллический слой располагается ближе к телу человека, а более толстый согласующий слой - ближе к сотовому телефону. Основное ослабление излучения в композиционном материале обеспечивает сочетание проводящих наноуглеродных структур и микроволновых ферритов, например, ультрадисперсного порошка гексаферрита, взаимодействующих с электромагнитными полями СВЧ-диапазона. Выбор концентрации компонентов активной фазы первого слоя обеспечивает согласование со свободным пространством и снижение общего уровня отраженного излучения от второго слоя. Причем на частотах от 100 МГц до 2 ГГц ослабление происходит в основном за счет поглощения, а на более высоких частотах влияет и отражение, рассеивающее электромагнитное излучение в окружающее пространство. При этом у углеродных наноструктур плотность значительно ниже, чем у карбонильного железа, как в прототипе, или других металлов, чем достигается снижение весовых характеристик устройства.
Защитный экран 1 (фиг.1) для снижения уровня микроволнового излучения сотовых телефонов располагается в кармане одежды или в футляре 2, между мобильным телефоном 3 и телом человека. Слой 4 толщиной приблизительно 2 мм, состоящий из композиционного материала на основе ультрадисперсных порошков микроволновых ферритов, углеродных наноструктур и полимерного связующего (фиг.2), скрепляется клеящим веществом с тонким неметаллическим слоем 5, активно взаимодействующим с электромагнитным излучением. Слой 5 состоит из композита с добавкой углеродных наноструктур. Согласование отражающих и поглощающих свойств слоев достигается подбором толщины слоев. Совместно оба слоя материала образуют активную область защитного экрана, коэффициент отражения от которой составляет 0,08-0,12 на частотах сотовой связи (850÷950 МГц и 1,8÷1,9 ГГц). Это позволяет исключить влияние на экранируемый объект переотраженных от экрана волн и резонансных явлений, следовательно, приемно-передающие характеристики мобильного телефона остаются неизменными. Внешняя поверхность экрана покрывается тонкой декоративной пленкой или тканью 6 (фиг.2), обеспечивающей защиту активных слоев от внешних воздействий и улучшающей внешний вид.
Пример осуществления. Защитный экран представляет собой тонкую плоскую пластину, состоящую из нескольких слоев. Основное ослабление излучения в защитном экране обеспечивается неметаллическим слоем 5 толщиной 0,4 мм, содержащим углеродные наноструктуры в количестве 10÷15 мас.% (фиг.2), поскольку такой композиционный материал характеризуется высокими значениями коэффициентов отражения и поглощения излучения. Слой 4 толщиной 2 мм выполнен на основе связующего агента (50 мас.%), в который введена смесь ультрадисперсного порошка гексаферритов (45 мас.%) и углеродных наноструктур (5 мас.%). Слой 4 обеспечивает согласование и снижение общего уровня отраженного излучения. Это позволяет исключить влияние переотраженных волн от экрана и резонансных явлений, которые способны привести к резкому возрастанию мощности излучения, во-первых, неблагоприятно воздействующего на организм человека, во-вторых, влияющего на характеристики приемно-передающих элементов мобильного телефона. В качестве связующего применен полиметилметакрилат. Плотность применяемых микроволновых углеродных наноструктур ниже, чем у карбонильного железа или других металлов, что приводит к меньшей массе заявленного защитного экрана по сравнению с прототипом при одинаковых размерных параметрах. В устройстве может быть применен порошок микроволновых ферритов с размером частиц 1÷5 мкм, который существенно дешевле, чем порошок железа карбонильного, предварительно обработанного в атритторах, со средним размером частиц 0,5÷3,0 мкм.
Защитный экран для снижения уровня микроволнового излучения сотовых телефонов может применяться как вкладыш в карман или в футляр для сотового телефона. Экран позволяет существенно снизить уровень проходящего через него электромагнитного излучения на частотах сотовой связи.
Измерения коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения защитного экрана производилось волноводным методом, с использованием коаксиальной измерительной ячейки. Экспериментально полученные результаты приведены в таблице.
Таблица.
Основные электрофизические характеристики защитного экрана
Наименование параметра
Величина
Коэффициент прохождения T на частоте f
Т, %
400 МГц
61,7
900 МГц
50,7
1800 МГц
44,6
2400 МГц
35,4
3500 МГц
28,7
Коэффициент отражения R на частоте f
R, %
400 МГц
3,8
900 МГц
8,0
1800 МГц
10,6
2400 МГц
21,1
3500 МГц
25,1
Коэффициент поглощения А на частоте f
A, %
400 МГц
34,5
900 МГц
41,3
1800 МГц
44,8
2400 МГц
43,5
3500 МГц
46,2
Из таблицы видно, что коэффициент прохождения Т уменьшается с частотой. При этом коэффициент поглощения А остается практически неизменным, а коэффициент отражения R увеличивается. Отражение излучения от экрана составляет менее 12% (у прототипа 5%) в диапазоне частот 1,8÷1,9 ГГц и не более 8% в диапазоне частот 850÷950 МГц (у прототипа 35%, что может сказаться на качестве связи) при общей толщине экрана d=2,5 мм (у прототипа d>2,5 мм). Ослабление излучения защитным экраном в используемом интервале частот составляет 50÷65% (у прототипа 20÷80%).
Устройство эффективно в режимах поиска базовой станции, ожидания, вызова, а также разговора с использованием гарнитуры.
Техническим результатом является уменьшение массы экрана и снижение уровня микроволнового излучения сотовых телефонов без использования в конструкции металлических элементов.