Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время во многих регионах России наблюдается большой интерес к современным системам подвижной радиосвязи, которые позволяют оперативно, находясь в любом месте зоны охвата системы, устанавливать связь с другими подвижными абонентами, с абонентами телефонной сети общего пользования, выходить на междугородную и международную сети. Наиболее перспективными в этом направлении являются системы сотовой подвижной связи (ССПС), значительно опережающие по темпам развития другие виды телекоммуникаций.
Бурное развитие ССПС сопряжено с расширением контингента и резким увеличением числа лиц, подвергаемых воздействию электромагнитных полей (ЭМП) антенн ССПС. В связи с этим резко возросла актуальность проблемы электромагнитной безопасности ССПС, требующей решения комплекса задач, включая вопросы нормирования, мониторинга и защиты от ЭМП.
Важность и актуальность указанной проблемы подтверждается Решениями Комитета по экологии Государственной думы РФ от 23.03.95 и Межведомственной комиссии по экологической безопасности Совета Безопасности РФ № 2-2 от 20.02.96, а также соответствующим Планом мероприятий, принятым Министерством связи РФ.
Особенно актуальна проблема безопасности для подвижных станций - автомобильных станций и ручных радиотелефонов, т.к. в этих случаях пользователь находится в непосредственной близости от передающей антенны. Решение указанной проблемы в свою очередь требует создания соответствующих методик расчета и измерения ЭМП, учитывающих сложную пространственную геометрию излучающих структур.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая задача разработки методик расчета и измерений ЭМП вблизи антенн радиосредств сотовой подвижной связи.
Состояние вопроса. Вопросами расчета ЭМП применительно к проблеме электромагнитной безопасности занимался ряд авторов.
В работах Б.А. Минина рассмотрены общие принципы методов расчета ЭМП ближних и дальних зон апертурных антенн, а в трудах Ю.М. Сподобаева рассмотрены ближние поля конкретных типов антенн декаметрового диапазона. Однако, эти методы оказываются малопригодными для антенн ССПС. В работах В.А. Романова анализируется поле в ближней и дальней зонах передающих антенн телевидения при ряде допущений для ближней зоны, существенно снижающих возможности применения соответствующих методик для расчета ближних полей антенн ССПС.
Достаточно перспективным в данном случае представляется подход, основанный на решении электродинамической задачи метода-
ми интегральных уравнений (Г.З. Айзенберг, Л.Г. Брауде, R. Mittra, G.A.Thiele и др.), в частности, разработанные применительно к подобным задачам эффективные численные методы электродинамического анализа антенн в тонкопроволочном приближении (А.В. Рунов, Н.В. Калашников, В.Э. Яскевич, В.В. Юдин и др.).
Вопросы измерения ЭМП рассмотрены в ряде работ. Принципы, методы и аппаратура измерений ЭМП биологически опасных уровней ЭМП диапазона СВЧ (Б.А. Минин) для ССПС применимы лишь частично. В работах В.А. Романова подробно рассмотрены вопросы измерений ЭМП, но лишь для зоны излучения. Более перспективна методика инструментального контроля уровней ЭМП декаметрового диапазона (Ю.М. Сподобаев), предполагающая измерение в ближней зоне антенн трех ортогональных составляющих напряженности электрического поля.
Следует отметить также опубликованные (К. Fujimoto, J.R. James и др.) результаты исследований (в т.ч. экспериментальных) ЭМП ССПС, как материал для сопоставления с результатами диссертационной работы.
Цель работы и задачи исследований
Цель работы - разработка методик и алгоритмов расчета электромагнитных полей вблизи антенн ССПС на основе моделей, учитывающих сложную пространственную конфигурацию излучающих структур; разработка методик измерения ЭМП; исследование полей вблизи антенн; разработка принципов нормирования и предельно допустимых уровней ЭМП.
Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:
разработка методики и алгоритма расчета ЭМП вблизи антенн базовых станций;
разработка электродинамических моделей антенн подвижных станций;
разработка методики и алгоритма расчета ЭМП вблизи антенн подвижных станций;
разработка методик измерений ЭМП вблизи антенн базовых и подвижных станций;
исследование ЭМП вблизи антенн базовых и подвижных станций;
разработка принципов нормирования и предельно допустимых уровней ЭМП, создаваемых средствами ССПС.
Методы исследований: аналитический аппарат электродинамики; методы решения внешних электродинамических задач на основе интегральных уравнений; численные методы решения интегральных уравнений; методы структурного проектирования и конструирования программ для ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработана методика расчета электромагнитных полей
вблизи антенн подвижных станций ССПС, включая разработку и обос
нование трехмерных тонкопроволочных электродинамических моделей
и алгоритм расчета на основе численного решения скаляризованного
уравнения Харрингтона.
-
Предложен энергетический критерий оценки уровней ближних полей, учитывающий реактивное поле вблизи антенн подвижных станций.
-
Разработаны методики измерений ближних полей антенн подвижных станций, включая разработку принципов построения и реализацию малогабаритных измерительных антенн с минимальной зоной возмущения первичного поля.
-
Проведены исследования электромагнитных полей вблизи антенн ССПС, в результате которых впервые получены распределения полей в условиях реальных размещений вышеупомянутых антенн.
-
Разработан программный комплекс оценки электромагнитной обстановки вблизи антенн базовых станций, позволяющий провести их оптимизацию по критерию экологической безопасности.
Практическая ценность и внедрение полученных результатов
Разработанные методики, алгоритмы и программный комплекс позволяют проводить экологическую и санитарную экспертизу излучающих технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов по электромагнитному фактору.
Результаты исследований и анализа ближних полей позволяют оптимизировать ориентацию излучающих элементов портативных радиотелефонов относительно корпуса по критерию электромагнитной безопасности.
На основании предложенных подходов к процессам нормирования обоснованы предельно допустимые уровни электромагнитных полей, создаваемых системами сотовой связи.
Материалы исследований внедрены в Государственные нормативные и методические документы:
1. "Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромаг
нитных излучений, создаваемых системами сотовой связи. Гигиенические
нормативы" ГН 2.1.8/2.2.4.019-94. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1994.
-
"Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)". СанПиН 2.2.4/2.1.8.0-96. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1996.
-
"Определение уровней электромагнитного поля в местах размещения передающих средств и объектов сухопутной подвижной радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов". Методические указания. МУК 4.3.046-96. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1996.
Кроме того, разработан ряд санитарных паспортов (по электромагнитному фактору) базовых станций ССПС.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Российской
научно-технической конференции профессорско-преподавательского и
инженерно-технического состава Поволжского института информати
ки, радиотехники и связи в 1996 и 1998 г., 1-ом Международном кон
грессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и
медицине" (Санкт-Петербург, 1997 г.), 1-ой научно-технической
конференции "Проблемы элект-ромагнитной экологии и охрана окружающей среды" (Ульяновск, 1997 г.).
Результаты диссертационной работы положены в основу перечисленных выше нормативных и методических документов, утвержденных Госсанэпиднадзором России, на которые получены положительные отзывы, в частности, Управления Государственного надзора за связью по Самарской области Госсвязьнадзора РФ (г. Самара), Государственного предприятия Самарский областной радиотелевизионный передающий центр (г. Самара), Московского научно-исследовательского института радио (г. Москва).
Диссертационная работа рассматривалась на заседаниях научно-технических советов Самарского отраслевого НИИ радио, расширенном заседании кафедры средств радиосвязи и антенн Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики.
Публикации
Результаты диссертационной работы нашли отражение в 18 публикациях: главах и параграфах трех монографий, пяти статьях в научных журналах и сборниках, депонированной рукописи, тезисах докладов трех научных конференций и Международного конгресса, вошли составной частью в четыре нормативно-методических документа. Кроме того, к печати в научно-технический журнал принята еще одна статья.
Объем и структура работы