Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка базовых электродинамических моделей для исследования структуры электромагнитного поля антенн НЧ,СЧ и ВЧ диапазонов 22
1.1. Состояние вопроса и постановка задачи 22
1.2. Электродинамические модели структуры поля элементарных электрических излучателей, расположенных над ровной подстилающей поверхностью с конечной проводимостью 24
1.2.1. Методика анализа структуры поля горизонтального излучателя 24
1.2.2. Методика анализа структуры поля вертикального излучателя 30
1.2.3. Анализ результатов 32
1.3. Электродинамический анализ элементарных электрических излучателей, расположенных над неровной идеально проводящей поверхностью 37
1.3.1. Общие соображения 37
1.3.2. Интегральные уравнения относительно тока на экране (вертикальный излучатель) 38
1.3.3. Интегральные уравнения относительно тока на экране (горизонтальный излучатель) 46
1.4. Электродинамический анализ элементарных электрических излучателей, расположенных над неровной подстилающей поверхностью с конечной проводимостью 49
1.4.1. Общие соображения 49
1.4.2. Интегральные уравнения относительно тока на экране с конечной проводимостью в случае вертикального ЭЭИ 50
1.4.3. Интегральные уравнения относительно тока на экране с конечной проводимостью в случае горизонтального ЭЭИ 55
1.5. Общий подход к численному решению интегральных уравнений 57
1.6. Результаты некоторых расчетов 61
2. Исследование электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов 72
2.1. Вводные замечания и формулировка задачи 72
2.2. Нормируемые поля антенн НЧ и СЧ диапазонов 77
2.2.1. Формализованное представление нормируемых полей 77
2.2.2. Результаты анализа электромагнитной обстановки вблизи типовых антенн НЧ и СЧ диапазонов 85
2.3. Нормируемые поля антенн ВЧ диапазона 86
2.3.1. Формализованное представление нормируемых полей слабонаправленных антенн 86
2.3.2. Формализованное представление нормируемых полей многовибраторных антенн 89
2.3.3. Формализованное представление нормируемых полей ромбических антенн 94
2.3.4. Результаты анализа электромагнитной обстановки вблизи типовых антенн ВЧ диапазона 97
2.4. Электромагнитные поля вблизи фидеров. 110
3. Влияние подстилающей поверхности на формирование направленных свойств антенн ВЧ диапазона 118
3.1. Постановка задачи 118
3.2. Антенны ВЧ диапазона, расположенные на неограниченных наклонных площадках 121
3.2.1. Предполье антенн 121
3.2.2. Характеристики подстилающей поверхности и ориентации полотна антенны 125
3.3. Базовые модели для исследования направленных свойств антенн с учетом подстилающей поверхности кусочно-ломаного профиля 130
3.3.1. Вводные замечания 130
3.3.2. Элементарный электрический излучатель в клиновидной области (произвольная ориентация) 133
3.3.3. Элементарный электрический излучатель над площадкой с наклонной ступенькой 145
3.3.4. Обоснование выбора направления дальнейших исследований 148
3.4. Направленные свойства некоторых антенн с учетом влияния неровностей подстилающей поверхности 153
3.5. Базовая модель для исследования направленных свойств некоторых типов антенн с учетом влияния неровностей подстилающей поверхности с конечной проводимостью 169
4. Разработка базовых моделей для исследования плотности потока энергии вблизи апертурных антенн 176
4.1. Обзор методов исследования распределения поля вблизи апертурных антенн 176
4.2. Разработка электродинамической модели для анализа электромагнитной обстановки вблизи зеркальных осесимметричных антенн 180
4.2.1. Компонентная структуризация плотности потокаэнергии 180
4.2.2. Апертурное излучение 182
4.2.3. Прямое излучение облучателя 189
4.2.4. Дифракционное излучение 192
4.2.5. Излучение просачивания 198
4.2.6. Особенности реализации модели в различных областях (секторах) окружающего пространства 202
4.3. Электродинамическая модель для анализа электромагнитной обстановки вблизи зеркальных антенн с прямоугольной (квадратной) апертурой 207
4.3.1. Гарантированные огибающие диаграмм направленности 207
4.3.2. Апертурное излучение 218
4.3.3. Прямое излучение облучателя 220
4.4. Влияние подстилающей поверхности на электромагнитную обстановку вблизи апертурных антенн 221
4.5. Выводы 225
5. Электромагнитная обстановка вблизи излучающих технических средств спутниковой и радиорелейной связи 227
5.1. Анализ электромагнитной обстановки вблизи технических средств, оснащенных осесимметричными антеннами 227
5.2. Анализ электромагнитной обстановки вблизи технических средств, оснащенных неосесимметричными антеннами 237
5.3. Выводы 244
Заключение 246
Список литературы 250
Приложение.
- Электродинамические модели структуры поля элементарных электрических излучателей, расположенных над ровной подстилающей поверхностью с конечной проводимостью
- Нормируемые поля антенн НЧ и СЧ диапазонов
- Антенны ВЧ диапазона, расположенные на неограниченных наклонных площадках
- Разработка электродинамической модели для анализа электромагнитной обстановки вблизи зеркальных осесимметричных антенн
Введение к работе
Широкая распространенность и особенно временная динамика роста неионизирующего электромагнитного излучения (ЭМИ) заставляет признать данный компонент общего электромагнитного фона агрессивным фактором по отношению к многомиллионному контингенту людей и не только тех, кто эксплуатирует излучающие технические средства, но и проживающих или работающих вблизи них. Суть проблемы состоит в том, что наряду с использованием электромагнитных полей в целях технического прогресса, к сожалению, обнаружено их неблагоприятное воздействие на окружающую среду и, в том числе, на человека [9-22, 156-158]. В экологии сформировалось новое направление -электромагнитная экология с рядом специфических проблем: биофизических, медико-биологических и технических. С точки зрения экологии электромагнитное поле - это один из видов энергетического загрязнения среды. Наиболее интенсивными и распространенными источниками такого загрязнения являются радиотехнические объекты телекоммуникаций: передающие станции наземной и спутниковой радиосвязи, радиовещания, телевидения, базовые станций сетей подвижной связи [23-25]. Источниками электромагнитного загрязнения, строго говоря, являются не сами объекты, а их излучающие элементы, прежде всего, антенны. В существенно меньшей степени таковыми являются открытые фидерные тракты.
В России существует и функционирует крупнейшая в мире сеть передающих радиоцентров, работающих в различных диапазонах частот [128, 129, 173] . До начала 90-х годов расстояния между излучающими объектами и территорией населенных пунктов, отведенной под жилые кварталы, общественные здания, парки, бульвары и т.п., (так называемой селитебной территорией) в большинстве случае было значительными. В
настоящее время они неуклонно сокращаются ввиду интенсивной загородной застройки в условиях дефицита земли, что создает для радиоцентров очевидную проблему обеспечения электромагнитной безопасности населения. Проблема усугубляется результатами медико-биологических исследований, которые показали, что длительное и интенсивное воздействие электромагнитного поля на организм человека приводит к устойчивым нарушениям и заболеваниям. Долгое время результаты подобных исследований не придавались гласности, однако демократизация общества, в определенной степени, это устранила.
Одной из составляющих системы защиты человека от электромагнитных полей является их нормирование - установление предельно допустимых уровней воздействующего фактора (напряженности электрического или магнитного поля, плотности потока энергии). При оценке воздействия электромагнитных полей на организм человека долгое время наблюдалось столкновение двух точек зрения. Первая из них принадлежала врачам-гигиенистам, которые, заботясь о здоровье человека, старались дать абсолютно нереальные предельно допустимые уровни нормируемых параметров электромагнитного поля, не задумываясь об экономических и технических возможностях их реализации. Вторая точка зрения отстаивалась инженерами, эксплуатирующими технические средства, руководителями радиотехнических объектов и ведомств, которые вопреки мнению врачей готовы были не иметь вообще никаких нормативов и проповедовали абсолютную безвредность всего и вся.
Разумный компромисс обеспечивается разработкой научно-обоснованных нормативов, что является медико-биологической проблемой электромагнитной экологии. Однако создание сколь угодно объективных нормативов еще не является решением всей проблемы электромагнитной безопасности. Практическая реализация федерально-
го закона «Об охране окружающей природной среды» в отрасли связи осуществляется путем внедрения отраслевой системы обеспечения электромагнитной безопасности [26,27]. Одним из фрагментов такой системы является научная база методов и методик оценки нормируемых параметров электромагнитного поля вблизи объектов радиочастотного излучения, другими словами, база электромагнитного мониторинга, как разновидность экологического мониторинга. Уместно заметить, что экологический мониторинг и его научное обеспечение являются одним из средств государственной экологической политики.
До начала 90-х годов эта база была очень бедной, поэтому её создание и внедрение стало теоретико-методологической проблемой. На сегодняшний день ситуация коренным образом изменилась, поскольку в течение последнего десятилетия разработаны и введены в действие документы, определяющие расчет и измерение:
уровней напряженности электрического поля вблизи антенн НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов [28];
уровней напряженности магнитного поля вблизи антенн НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов [29];
уровней напряженности электрического поля в местах размещения средств телевидения и ЧМ радиовещания [30];
уровней напряженности электрического поля вблизи объектов сухопутной подвижной радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов [31];
плотности потока энергии в местах размещения радиосредств, работающих в диапазонах СВЧ и КВЧ [32];
уровней напряжений, наведенных электромагнитными полями мощных источников радиоизлучений на проводящие элементы зданий, сооружений [33];
Часть этих документов [28, 29, 32] подготовлена на основе материалов научных исследований автора настоящей работы.
Каждый из перечисленных документов имеет солидную теоретическую и методологическую основу и состоит из двух частей. Первая часть регламентирует процедуру расчетной оценки нормируемых параметров, а вторая - процедуру инструментального контроля. Создание каждого документа является сложным и долговременным процессом - требуется определиться с его методологией, создать соответствующую математическую модель и алгоритм её реализации на ЭВМ, определиться с методами и средствами инструментального контроля и, наконец, сравнить результаты расчетов с результатами инструментального контроля. Если учесть, что такой документ проходит серию согласований в различных ведомствах и инстанциях, то не трудно представить какой длинный путь он проходит с момента его подготовки до выхода в свет.
По мере накопления новых научных результатов в области исследования методов анализа электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств, исследования медико-биологических последствий воздействия радиоизлучения на живые организмы, содержательная сторона государственных методических документов претерпевает изменения, что находит отражение в их новых редакциях.
Основу содержательной части государственных методических документов составляют математические модели электромагнитной обстановки (пространственного распределения значений нормируемых параметров) вблизи радиотехнических объектов. В дальнейшем такие модели будем называть электродинамическими, поскольку они базируются на решениях соответствующих электродинамических задач. Конечная цель разработки модели - создание аналитического алгоритма, позволяющего реализовать численное моделирование структуры электромагнитного поля источников излучения, распределенных в пространстве. Исследование структуры поля без преувеличения можно счи-
тать ключом к решению проблем обеспечения электромагнитной безопасности. Если говорить о структуре поля, определяющей параметры антенн, как функциональных элементов радиосистем передачи, то она давно и всесторонне изучена [1-8]. Однако повышенная энергетика поля в области пространства, примыкающего к излучающему объекту, заставляет обратить самое пристальное внимание на моделирование структуры поля в непосредственной близости от него.
Достоверность результатов расчета, обеспечиваемая электродинамической моделью, определяется степенью детализации конструкций антенн, заложенной в модель, а также учетом реалий окружающей обстановки, в частности, вида подстилающей поверхности, которая, в общем случае, оказывает влияние на структуру электромагнитного поля, как в дальней зоне, так и в ближней.
Влияние ровной горизонтальной подстилающей поверхности на структуру электромагнитного поля типовых антенн в дальней зоне всесторонне исследовано [1-8], чего нельзя сказать о ближней зоне.
Учет влияния неровностей подстилающей поверхности повышает уровень адекватности модели реальной ситуации и представляет несомненный интерес не только для исследования структуры вблизи излучающего объекта (задачи электромагнитной безопасности), но и для уточнения параметров, характеризующих направленные свойства антенн в дальней зоне. Дело в том, что в соответствии с ведомственными нормами проектирования [35] общее отклонение реального рельефа антенного поля от горизонтальной поверхности не должно превышать 5%. Кроме того, перед антенной в направлении излучения (приема) не допускаются экранирующие препятствия, верхние границы которых видны из центра проекции антенны в плане под углом, превышающем 25% угла места максимума излучения (приема) главного лепестка диаграммы
направленности в вертикальной плоскости на любой частоте её рабочего диапазона.
Подобрать и отвести под антенное поле столь ровную площадку сложно - очевиден интерес к таким территориям со стороны других отраслей (сельское хозяйство, промышленно строительство, авиация и т.п.).
При размещении, технико-экономическом обосновании рабочих проектов, проектировании, строительстве, реконструкции, вводе в эксплуатацию радиотехнических объектов должны выполняться, помимо прочих, мероприятия по охране природы, рациональному использованию природных, в том числе земельных, ресурсов. Приведение заведомо непригодных площадок к норме, определенной в [35], требует вертикальной планировки, которая сопряжена не только с огромными капитальными затратами, но и с неизбежным вторжением в природную среду. Вертикальная планировка для всего животного и растительного мира в пределах антенного поля означает экологическую катастрофу.
Возможность использования для строительства радиоцентров ВЧ диапазона площадок, не соответствующих по причине их неровности действующим нормам проектирования, требует тщательного исследования и соответствующего научного обоснования. Трудность вопроса связана, в частности, с тем, что подлежащие исследованию условия чрезвычайно разнообразны.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научная проблема исследования структуры электромагнитного поля излучателей в диапазонах радиочастот, как вблизи объектов излучения (задачи электромагнитной безопасности), так и дальней зоне (задачи формирования направленных свойств антенн).
Методологическую и теоретическую основу исследований в части разработки электродинамических моделей электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств радиочастотного
диапазона составляют научные труды отечественных и зарубежных авторов в ряде научных областей: распространения радиоволн (влияние вида подстилающей поверхности), антенн (практические конструкции), электродинамики (решение внешних дифракционных задач).
Всех ученых, внесших достойный вклад в теорию и практику развития названных областей исследования, перечислить невозможно -ниже названы только авторы, чьи научные достижения во многом предопределили результаты, полученные в диссертации.
Это, прежде всего: Sommerfeld A., Weyl Н, Долуханов М.П., Файнберг Е.Л., Фок В.А. (распространение радиоволн с учетом подстилающей поверхности); Крылов Г.Н., Лавров Г.А. (излучение элементарных вибраторов вблизи поверхности с реальными электрофизическими параметрами); Айзенберг Г.З., Кузнецов В.Д., Белоусов СП., (практические конструкции антенн НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов); Hansen R.C., Ямпольский В.Г., Фрадин А.З., Фролов О.П. (теория и практика апертурных антенн); Keller J.B., Kouyoumjian R.G., Pathak P.G., Кинбер Б.Е. (геометрическая теория дифракции); Гринберг Г.А., Васильев Е.Н., Пименов Ю.В., (дифракция электромагнитных волн на металлических телах различной формы).
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими достижениями.
Первые электродинамические модели структуры поля вблизи реальных антенн НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов приведены в работах Ше-редько Е.Ю. и Сподобаева Ю.М., относящихся к началу 80-х годов. В основу этих моделей были положены результаты, полученные Лавровым Г.А, Князевым А.С. и Черномырдиком Д.А. [36, 37]. Эти модели позволяли найти пространственное распределение составляющих напряженности электрического поля — распределение составляющих магнитного поля не исследовалось.
В последующем модели были существенно уточнены Сподобае-вым Ю.М. и автором настоящей работы [38]. Теоретической базой для уточнения стали научные результаты Крылова Г.Н. [39-41], который исследовал структуру поля элементарных излучателей, находящихся вблизи ровной подстилающей поверхности с конечной проводимостью.
Структура электромагнитного поля вблизи реальных излучателей УВЧ и ОВЧ диапазонов подробно исследована в работах Бузова А.Л., Романова В.А. и Юдина В.В. В основу разработанных ими электродинамических моделей положено решение интегральных уравнений Поклингтона и Харрингтона [24, 42, 43].
Для определения структуры поля вблизи апертурных антенн СВЧ и КВЧ диапазонов сформировалось два принципиально различных подхода.
Первый подход заключается в определении структуры поля для каждой детерминированной антенны (конкретная схема антенны, конкретные конструктивные решения и размеры и т.п.) [100, 107, 108].
Второй подход - нахождение некой общей закономерности в характеристиках распределения поля вблизи антенны (работы Фролова О.П. [46, 47]). Конечный результат для этой ситуации подобен тому, как это сделано для огибающей излучения антенн земных станций спутниковых систем передачи в дальней зоне [103].
Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки. Первый подход обеспечивает получение конкретных результатов для детерминированных антенных систем, но является заведомо сложным, поскольку в каждом конкретном случае необходимо решать весьма не тривиальную внешнюю задачу дифракции. Второй подход связан с получением системы очень простых формул, которые предлагается использовать для априорной оценки распределения поля вблизи апертурных антенн. Однако эти формулы не учитывают излучения первичного
облучателя, дающего существенный вклад в формирование уровня излучения, а также влияния подстилающей поверхности.
Вопросы разработки методов и средств обнаружения и контроля опасных уровней электроэнергии промышленной частоты подробно исследованы Колечицким Е.С., Рубцовой Н.Б.
Исключительную важность имеют научные достижения гигиенической и технических наук по исследованию биологической активности электромагнитных излучений в диапазоне радиочастот - Думан-ский Ю.Д., Шандала М.Г., Савин Б.М., Пальцев Ю.П., Григорьев Ю.Г., Никитина В.Н., Кузнецов А.Н. [9 - 15].
Задача учета влияния простых реализаций рельефа на направленные свойства отдельных антенн решалась в работах Поттера А., Фрииза М., Попова А.Н., а также Шередько Е.Ю. [48 - 50], относящихся к концу 60-х годов. В частности, в работах Шередько Е.Ю. исследовалось влияние на направленные свойства профессиональных антенн ВЧ диапазона подстилающей поверхности в виде неограниченных продольных и поперечных склонов.
В последующие годы в совместных работах автора диссертации и Шередько Е.Ю. были исследованы более сложные реализации подстилающей поверхности - ограниченные склоны и подъемы, наклонные ступеньки [51, 52]. Однако во всех этих исследованиях подстилающая поверхность с конечной проводимостью не рассматривалась.
Целью исследования является обобщение теории излучения на проблему электродинамического моделирования структуры электромагнитного поля вблизи антенн радиочастотного диапазона, в первую очередь, в интересах обеспечения электромагнитной безопасности, во вторую - для принятия рациональных решений по размещения некоторых антенн.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
Разработка основ теории анализа структуры электромагнитных полей вблизи антенн РІЧ, СЧ и ВЧ диапазона с учетом электрофизических параметров почвы и неровностей подстилающей поверхности.
Разработка методов расчета плотности потока энергии вблизи апертурных излучателей с учетом влияния подстилающей поверхности (земля, крыша) в диапазонах СВЧ и КВЧ, основу которых могут составить обоснованные допущения, принятые в усредненной модели антенны.
Исследование зависимости параметров, характеризующих электромагнитную безопасность антенн - санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки основных модификаций профессиональных антенн НЧ, СЧ, ВЧ, СВЧ и КВЧ диапазона, от параметров системы (излучаемая мощность, частота) и вида подстилающей поверхности.
Исследование влияния некоторых характерных форм подстилающей поверхности на параметры антенн диапазона ВЧ, а также изучение возможности повышения эффективности типовых антенн путем использования профиля подстилающей поверхности.
Перечисленные задачи решались автором в процессе выполнения ряда НИР в Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (ПГАТИ) по заданию Минсвязи России, в рамках реализации программы «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий», которая выполнялась вузами отрасли по заказу Минсвязи России с 1993 по 2001 г., а также совместных НИР ПГАТИ и Самарского отраслевого научно-исследовательского института радио.
Научная новизна работы определяется: - развитием теории анализа электромагнитной обстановки вблизи излучающих систем радиосвязи и радиовещания в диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ диапазонов с учетом влияния вида подстилающей поверхности,
базирующейся на решении соответствующих электродинамических задач;
новым подходом к анализу электромагнитной обстановки вблизи технических средств СВЧ и КВЧ диапазонов, оснащенных апертурними антеннами, основанным на компонентной структуризации плотности потока энергии;
результатами исследований реальной конфигурации и размеров сани-тарно-защитных зон и зон ограничения застройки типовых излучающих объектов в зависимости от технических параметров системы (тип антенны, излучаемая мощность, частота) и вида подстилающей поверхности;
получением новых численные данных, характеризующих направленные свойства антенн ВЧ диапазона, позволяющих обосновать целесообразность использования отдельных особенностей подстилающей поверхности для повышения эффективности антенн ВЧ диапазона.
Практическая значимость работы сводится к следующему:
1. Результаты диссертационных исследований составили научную
основу серии действующих государственных нормативных документов,
определяющих методологию электромагнитного мониторинга окру
жающей среды вблизи объектов радиочастотного излучения. В свою
очередь, эти документы являются надежной базой для создаваемой
системы электромагнитной безопасности отрасли связи.
2. Электродинамические модели, разработанные в диссертации,
вошли в состав сертифицированного программного комплекса анализа
электромагнитной обстановки (ПК АЭМО), который разработан в Са
марском отраслевом научно-исследовательском института радио и ЗАО
«Средневолжская межрегиональная ассоциация радиотелефонной свя
зи». Он позволяет быстро и эффективно осуществлять паспортизацию
излучающих объектов радиочастотного диапазона по критерию электромагнитной безопасности.
Установленные в работе качественные и количественные закономерности влияния некоторых характерных форм рельефа на параметры антенн ВЧ диапазона способствуют принятию обоснованных технико-экономических решений по выбору типа и варианта исполнения антенн, по их рациональному размещению в конкретных условиях проектируемого объекта, по рациональному использованию земельных ресурсов. Эти результаты успешно применяются проектными организациями, в частности, Государственным специализированным институтом радио и телевидения.
Результаты исследований нашли отражение в учебных пособиях, рекомендованных к использованию в учебном процессе учебно-методическим объединением по образованию в области телекоммуникаций.
Основные положения и результаты работы докладывались на научных конференциях: республиканской научно-технической конференции «Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости» (Винница, 1991); 1-ой Поволжской научно-технической конференции «НИР и высокие технологии двойного применения» (Самара, 1995); областной научно-технической конференции к 100-летию радио (Самара, 1995); Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава Поволжского института информатики, радиотехники и связи (Самара, 1996); 2-ой международной конференции "Спутниковая связь" (Москва, 1996); 1-ой международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (Тула, 1997); IX международной школе-семинаре «Электродинамика и техника СВЧ» (Самара, 1997); 1-ой научно-технической конференции «Проблемы электромагнитной эко-
логии и охрана окружающей среды». (Ульяновск, 1997); 2-ой международной конференции "Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования. Нормирование ЭМП: философия, критерии и гармонизация" (Москва, 1999); международном конгрессе национальной ассоциации телерадиовещателей «Прогресс технологий телерадиовещания» (Москва, 1999); VI военной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования 29 испытательного полигона Министерства обороны РФ (Ульяновск, 2001); V-IX Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (Самара, 1998-2002).
По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ: 1 монография (в соавторстве); 2 раздела в монографии (в соавторстве); 3 государственных нормативных документа; 13 научных статей; 23 публикации в форме научных докладов и тезисов; 5 учебных пособий (в соавторстве), в том числе одно компьютеризированное (зарегистрированная программа для ЭВМ);
Монография и разделы в монографии, одно учебное пособие опубликованы издательством «Радио и связь» соответственно в 1998, 2000 и 2002 годах. Официальные издания государственной системы санитарно-эпидемиологического нормирования Российской Федерации - методические указания - изданы центром санэпиднормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России в 1996, 1997 и 2002 годах. Статьи в журналах «Радиотехника», «Известия высших учебных заведений» Радиоэлектроника, «Труды НИИР», «Электросвязь», «Антенны»; сборниках трудов «Рассеяние электромагнитных волн: Межвузовский тематический сборник» (Таганрог, Таганрогский радиотехнический институт), «Информатика, радиотехника и
связь» (Самара, Поволжская государственная, академия телекоммуникаций и информатики), опубликованы в период 1975 - 2003 годов.
В числе информационных источников диссертации использованы научные источники в виде: данных и сведений из монографий, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, учебных пособий; официальные документы в виде: законов, законодательных актов, документов органов законодательной и исполнительной власти, отраслевых нормативных документов, материалов Internet.
На защиту выносятся:
Обобщение теории излучения антенн на проблему анализа электромагнитной обстановки вблизи излучающих систем радиосвязи и радиовещания НЧ, СЧ, ВЧ диапазонов.
Новый подход к анализу электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств СВЧ и КВЧ диапазонов, основанный на компонентной структуризации плотности потока энергии.
3. Результаты исследования параметров, характеризующих электромагнитную безопасность антенн - санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки основных модификаций антенн НЧ, СЧ, ВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонов, в зависимости от параметров системы (излучаемая мощность, частота) и вида подстилающей поверхности.
4. Методика учета влияния типичных неровностей подстилающей поверхности на направленные свойства антенн ВЧ диапазона и обоснование возможности повышения их эффективности за счет использования особенностей рельефа.
Все перечисленные выше результаты диссертационной работы выносятся на защиту в качестве совокупности научно обоснованных теоретико-методологических решений, внедрение которых вносит значи-
тельный вклад в повышение электромагнитной безопасности населения страны и развитие сети телекоммуникаций.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложения.
Электродинамические модели структуры поля элементарных электрических излучателей, расположенных над ровной подстилающей поверхностью с конечной проводимостью
Задача об излучении ЭЭИ, расположенного над средой с конечной проводимостью, относится к числу классических во многих приложениях электродинамики, в том числе теории антенн и распространения радиоволн [20]. Учет конечной проводимости земли возможен различными методами, среди которых широко применяется метод решения задачи с использованием граничных условий типа поверхностного импеданса.
Применение граничных условий типа поверхностного импеданса позволяет не рассматривать электромагнитное поле в нижней среде (почве), а учесть его приближенно путем введения постоянной 8, называемой поверхностным импедансом. Вопрос о выборе величины S, подробно исследован [62] и можно считать эту величину известной. В случае однородной почвы обычно полагают, чтогде є - относительная диэлектрическая проницаемость почвы, и удельная электрическая проводимость почвы, Л - длина волны.
Импедансный метод предполагает, что на поверхности раздела сред выполняется граничное условие: где значок г означает, что условие (1.2) связывает только составляющие векторов, касательные к поверхности раздела.
Пусть антенное поле является ровной поверхностью с конкретными значениями электрофизических параметров почвы: ёа - комплексной диэлектрической проницаемости, jua = ju0 - магнитной проницаемости и а удельной проводимости. Горизонтальный ЭЭИ ориентирован вдоль оси X декартовой системы координат, а ось Z перпендикулярна поверхности раздела XOY - рис. 1.1.ЭЭИ (1.3) (1.4)
Вектор Герца, соответствующий элементарному электрическому излучателю с ориентацией по оси X над землей, имеет две составляющих П и flz. Для построения вектора Герца в случае конечной проводимости почвы требуется найти решение системы уравнений:П =0,уя [39], можно записать: П = (1.6) Здесь зависимость от времени имеет вид е ш и использованы следующие обозначения: 2жк = — = co 0ju0 - волновое число для свободного пространстваЯ(со = 2irf- круговая частота, Q,ju0- диэлектрическая и магнитная постоянные);P = i— - комплексная амплитуда дипольного момента (I - амплитуда сотока, возбуждающего излучатель, - длина излучателя);і?, - расстояние от центра излучателя до расчетной точки; "і ЛН г-Я,)
Величина U(S) выражаются через хорошо известную в теории распространения радиоволн функцию ослабления y(z, г) [7,70]
После построения вектора Герца векторы электрического и магнитного полей определяются при помощи операций дифференцирования. В общем случае в произвольной точке пространства ЭЭИ, ориентированный вдоль оси X, будет создавать три составляющих вектора напряженности электрического поля Егх,Ег,Е[ и три составляющих вектора напряженности магнитногополя нгхнгун{;
Вектор Герца, соответствующий элементарному электрическому излучателю с ориентацией по оси У над землей (рис. 1.2), имеет одну составляющую П2. Для её определения в случае конечной проводимости почвы требуется найти решение уравнения:
Векторы электрического и магнитного полей определяются при помощи операций дифференцирования. Совместим с декартовой системой цилиндрическую систему координат г, q , z. В общем случае в произвольной точке цилиндрической системы координат структуру поля будут определять две составляющих вектора напряженности электрического поля (Д8, Ё ) и одна составляющая вектора напряженности магнитного поля Нв. Комплексные амплитуды составляющих вектора Ё в цилиндрической системе координат имеют вид:Все остальные величины, входящие в (1.60) - (1.62), определены выше (см.раздел 1.2.1).
Нормируемые поля антенн НЧ и СЧ диапазонов
При решении задач электромагнитного прогнозирования антенны СЧ и НЧ диапазона можно считать тонкопроволочными структурами, что позволяет каждый излучающий вибратор или провод представить совокупностью множества элементарных электрических излучателей (ЭЭИ). Соответственно уровень и структура электромагнитного поля в произвольной точке пространства будет определяться суперпозицией полей всех ЭЭИ.
В разделе 1.2 приведены аналитические выражения для составляющих ЭМП вертикального ЭЭИ, ориентированного параллельно оси Z (рис. 1.2). Считая у = r,z, левую часть любой цилиндрической составляющей напряженности электрического поля (1.60) и (1.61) можно записать в виде Ев.
Поля несимметричных вибраторов - антенн-мачт определяются интегрированием составляющих Ев по их длине учетом распределения токов.Для антенн типа АМНП, АМШП, АМВП и АРРТ (рис. 2.1) цилиндрическая компонента в обобщенном представлении имеет вид:где индекс AM в обозначении составляющей напряженности поля в левой части указывает на связь с типом антенны (в данном случае AM - антенна-мачта), dt - элемент длины антенны, расположенный на вертикальной оси мачты, / - высота антенны-мачты.
Выражение (2.1) в сочетании с формулами для расчетаЕв представляетсобой обобщенную математическую модель излучения антенн-мачт. Практическое применение модели (2.1) предполагает, что предварительно решен вопрос о законе распределения тока по антенне. Существует много методов расчета распределения тока по длине вибраторных антенн [5,6], однако для задач электромагнитной безопасности можно ограничится предположением о синусоидальном законе распределения тока. Следует заметить, что основные фундаментальные исследования по теории вибраторных антенн были выполнены именно в предположении о синусоидальном характере распределения тока. Анализ, выполненный в [68] показал, что учет распределения тока, полученного методом интегральных уравнений, не приводит к существенным изменениям в результатах оценки ближних полей вибраторных антенн.
Амплитуда тока /, текущего по вибратору, в пучности его распределения при известной мощности радиопередатчика Р, кпд антенны rja и фидера г}ф,сопротивлении излучения антенны Rs, определяется по формуле:
Основная трудность нахождения амплитуды тока заключается в определении сопротивления излучения антенны с учетом реальных параметров почвы. Анализ влияния реальной почвы на сопротивление излучения линейных проводов дан в [69]. Многолетняя инженерная и эксплуатационная практика показала, что для расчета сопротивления излучения антенн СЧ и НЧ диапазонов вполне приемлемо допущение об идеальной проводимости почвы. Этим допущением всегда пользуются и при решении задач электромагнитной экспертизы излучающих объектов (в части определения Rz).
Использованные предпосылки (идеальная проводимость почвы и синусоидальное распределение тока) сводят задачу нахождения сопротивления излучения антенны-мачты и амплитуды тока в ней к хорошо изученной задаче о несимметричном вибраторе над идеально проводящей поверхностью. Заметим, что принятое допущение идеальной проводимости почвы распространяется только на задачу расчета сопротивления излучения антенны и амплитуды тока. Напряженность электрического поля рассчитывается с учетом реальных параметров.
Отдельные составляющие Е вертикального ЭЭИ (см. раздел 1.2.2) несинфазны, что объясняется комплексным характером поверхностного импе данса почвы. Это же можно сказать и о составляющих, которые определяютполе рассматриваемых антенн Ем. В рамках задач электромагнитного прогнозирования целесообразно рассматривать худший случай - случай синфаз ности всех составляющих, когда уровень суммарного поля будет максимальным. Суммарное значение напряженности электрического поля в произволь И ной точке можно записать в виде
В конструкции Г- и Т- образных антенн наряду с вертикальной частью есть и горизонтальная. Обобщенную математическую модель излучения Г - и Т - образных антенн удобно строить на основе выражений (1.19) - (1.21) для горизонтального элементарного электрического вибратора (Егх ,ЕГ,Е!2) и(1.61), (1.69), (1.70) для вертикального - (Евх,Еву). Декартовые составляющие,созданные в произвольной точке пространства вертикальным и горизонтальным проводом антенны, можно записать в обобщенном виде (при yt = x,y,zгде й?г,и dr2 элементы длины вертикального и горизонтального провода, совпадающие с их осями, h - длина вертикального провода, / - длина горизонтального провода.
Распределение тока на вертикальной части Г - и Т - образных антенн совпадает с распределением на вертикальных несимметричных вибраторах нижнего питания с емкостной нагрузкой. Распределение тока на горизон тальной части аналогично распределению на линейном симметричном вибраторе с синфазным питанием плеч.Декартовые составляющие поля Г - и Т - образных антенн Е"Аможнозаписать в виде:
Суммарное значение напряженности поля при условии синфазного сложения составляющих:
Для антенных систем (антенна с рефлектором, СВ 2+2, СВ 4+4 - рис. 2.1) составляющие напряженности электрического поля определяются суммированием соответствующих компонент, создаваемых каждым элементом (мачтой). Любая цилиндрическая составляющая поля антенной системы может быть представлена в обобщенном виде:
Антенны ВЧ диапазона, расположенные на неограниченных наклонных площадках
Подстилающая поверхность антенного поля, примыкающая непосредст венно к антенне, является источником вторичного излучения. Участок поверхности, который оказывает наиболее существенное влияние на рабочую часть главного лепестка пространственной характеристики, принято называть предпольем антенны.
Исследование влияния подстилающей поверхности антенного поля требует знания размеров предполья. В [81] показано, что для ненаправленных в горизонтальной плоскости антенн, предполье есть круг радиуса /. Центр круга совмещен с фазовым центром антенны в плане (рис. 3.1, а). Для направленных в горизонтальной плоскости антенн, в частности синфазных, предполье 122 образуется прямоугольником с двумя примыкающими к нему секторами (рис. 3.1, б). Стороны прямоугольника / и Р+ЗНср., где Р — ширина полотна антенны в плане, Нср. — средняя высота подвеса антенны над подстилающей поверхностью, / — продольная протяженность предполья. Секторы образованы радиусами / и углами ф, , где ф — граница рабочей части главного лепесткахарактеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости.Фазовый центр синфазных антенн совмещается с серединой стороны прямоугольника Р+ЗНср,, совпадающей с проекцией полотна антенны на подстилающую поверхность. Продольная протяженность предполья / определяется условиемНср — средняя высота подвеса полотна антенны над подстилающей поверхностью в пределах границ предполья.
В соответствии с правилом определения границ предполья, условие (3.1) должно выполняться для всех азимутов в границах рабочей части главного лепестка характеристики направленности, с учетом возможного управления направленностью излучения в горизонтальной плоскости на всех волнах рабочего диапазона антенны.
Условие (3.1) предполагает сформированность лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости, то есть совпадение максимальных лучей при ограниченных и неограниченных площадках. При этом расхождение коэффициентов усиления в направлениях максимального излучения играницы нижнего ската главного лепестка для ограниченных и неограниченных площадок составляет не более 1,5-2 дБ.меньшую продольную протяженность предполья, чем это следует из общепринятой отражательной трактовки. Теоретические и экспериментальные исследования [82] подтверждают, что часть первой зоны Френеля, находящаяся за точкой отражения луча, дает очень маленький вклад в переизлученное поле.
Вычисленные в соответствии с приведенными соображениями значения продольной протяженности предполья для основных типов антенн ВЧ диапазона приведены в табл. 3.1 и табл. 3.2.
Наклоны предполья относительно плоскости горизонта приводят к изменению направленных свойств антенны. Степень такого изменения определяется характером и величиной наклонов, а также типом антенны и вариантом ее исполнения. Характер наклона предполья определяется относительно главного азимута. Основные результаты исследования влияния наклонного идеально проводящего предполья на направленные свойства типовых антенн изложены в работах автора [81,82].
Следуя [81], будем различать поперечные склоны, продольные склоны (подъемы), смешанные склоны. Поперечный склон представляет собой плавное изменение высотных отметок рельефа вдоль нормали (оси у) к главному азимуту (ось х на рис. 3.2,а). Поперечный склон условимся считать правым, если р 0 и левым, если р 0. Положительному поперечному склону соответствует отсчет угла от плоскости горизонта против часовой стрелки, при направлении главного азимута на читателя.
Продольным будем называть склон, образованный плавным уменьшением высотных отметок рельефа в направлении главного азимута (ось х на рис. 3.2,6). Величина продольного склона характеризуется углом а. Продольный склон с возрастающими высотными отметками рельефа классифицируется как подъем. Для его отличия от склона с уменьшающимися высотными отметками рельефа подъему приписывается отрицательный знак (-а). Совместное выполнение условий а О, ± /? или а 0, ± (3 определяет смешанный(комбинированный) соответственно склон или подъем.Критерием неограниченности склона является выполнение неравенствгде: L — продольная протяженность склона рельефа;/ — продольная протяженность предполья;В — поперечная протяженность склона;Ь — поперечная протяженность предполья. Условимся различать два целесообразных вида ориентации. Первый вид ориентации соответствует случаю, когда предполье имеет произвольный по своему характеру и величине наклон относительно плоскости горизонта, а полотно антенны сохраняет свое обычное расположение относительно поверхности предполья. Если антенна ромбическая или бегущей волны, то ее полотно ориентируется параллельно поверхности предполья (рис. 3.3,а). Если антенна синфазная, то ее полотно ориентируется нормально к поверхности предполья (рис. 3.3,6). Такую ориентацию назовем согласованной. Второй вид ориентации имеет место, когда предполье наклонено относительно плоскости горизонта, а антенна сохраняет свою обычную ориентацию, но относительно плоскости горизонта. Если антенна ромбическая или бегущей волны, то ее полотно ориентируется параллельно плоскости горизонта (рис. 3.3,в). Если антенна синфазная, то ее полотно ориентируется нормально к
Разработка электродинамической модели для анализа электромагнитной обстановки вблизи зеркальных осесимметричных антенн
В соответствии с санитарными нормами и правилами [149, 150] для электромагнитного излучения радиочастот выше 300 МГц контролируемым параметром является значение плотности потока энергии (ППЭ).
Ставится задача разработки и исследования математической модели для расчета пространственного распределения значений (ППЭ) вблизи апер-турных антенн. Модель должна быть физически обоснованной, ориентированной на алгоритмизацию и получение численных данных с помощью ПЭВМ, обеспечивать точность определения значений ППЭ, достаточную для практики прогнозирования электромагнитной обстановки вблизи радиотехнических объектов в интересах защиты населения и производственного персонала от электромагнитных излучений. Физическая обоснованность предполагает учет всех основных причин возбуждения электромагнитного поля апертурной антенной:апертурное поле;прямое поле облучателя (переливное поле);дифракционные составляющие поля;составляющая поля, обусловленная просачиванием части энергии сквозь несплошной рефлектор зеркала.
Такая структуризация поля полностью соответствует современным научным воззрениям и должна обеспечить высокую точность определения суммарной ППЭ апертурной антенны в произвольной точке пространства.
Заданными параметрами считаются: Р - мощность передатчика радиосредства, Вт; X - длина волны, м\ d - диаметр апертуры, м; DQ - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне; 2у/0 - уголраскрыва антенны (угол перехвата энергии облучателя зеркалом).
Плотность потока энергии, как известно из электродинамики, отождествляется с вектором Пойнтинга - П. В задачах обеспечения электромагнитной безопасности обычно интересуются абсолютной величиной ППЭ, т.е. модулем вектора Пойнтинга. Поэтому, говоря о ППЭ, будем считать, что речь идет о его модуле, который обозначим как П.
Допустим, что каждая из перечисленных выше составляющих электромагнитного поля независимо приводит к образованию соответствующей составляющей ППЭ. В этом случае можно говорить об апертурной составляющей ППЭ - Иа, составляющей прямого поля облучателя - Т1обл, дифракционной составляющей - Т1диф и составляющей, просочившейся сквозь несплошной рефлектор - П .Очевидно, что значение ППЭ в произвольной точке пространства удовлетворяет условию
Учитывая специфику задач обеспечения электромагнитной безопасности, для решения которых и разрабатывается настоящая модель, можно знак неравенства опустить. В этом случае оценка предельно допустимогоуровня ППЭ П = \0-мкВт/ 2 будет более жесткой, т.е. пессимистической,но обоснованной стремлением обеспечить некоторый «нормативный запас».
Для создания математической модели необходимо задать распределение амплитуды поля по апертуре и определиться с боковым излучением облучателя. Пусть имеют место следующие допущения:- амплитудное распределение поля по апертуре задается в виде «параболы на пьедестале» с уровнем возбуждения в направлении кромки - 10 дБ: где: г - текущее значения координаты на диаметре апертуры, d - диаметр апертуры;- апертура имеет затенение - 10% по диаметру (коэффициент затенения dT/d = ОД, где dT- диаметр «теневого диска», d - диаметр апертуры);- облучатель и антенна имеют характеристики направленности с осевой симметрией относительно направлений их максимального излучения;- характеристика направленности облучателя вне сектора углов перехвата энергии основным зеркалом считается неизменной и равной 0,316 по напряженности поля (боковое излучение облучателя на уровне -10 дБ от максимума).
Рассмотренная усредненная модель антенны впервые предложена автором диссертации в [104]. Она достаточно хорошо описывает характеристики излучения реальных осесимметричных зеркальных антенн радиосредств [46, 47, 108, НО, 128-130]. Практические конструкции антенн имеют много решений, позволяющих существенно снизить уровень бокового излучения. Понятно, что «конструктивные хитрости» предложенной моделью не учитываются, а результат расчета ППЭ в области бокового излучения будет несколько завышенным, что можно допустить, руководствуясь, как уже указывалось выше, стремлением обеспечить «нормативный запас».
Исходя из общих физических предпосылок и учитывая осевую симметрию характеристики направленности апертуры, определенную моделью, можно записатьгде: Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;DQ - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне (величина безразмерная);В2(Я) - функция, учитывающая зависимость КНД от расстояния;
