Разработка методов анализа и системы автоматизированного прогнозирования в окружающей среде электромагнитных полей технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения Сподобаев, Юрий Михайлович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Сподобаев, Юрий Михайлович. Разработка методов анализа и системы автоматизированного прогнозирования в окружающей среде электромагнитных полей технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения : автореферат дис. ... доктора технических наук : 01.04.01.- Москва, 1994.- 34 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность проблемы

Целенаправленное использование электромагнитной энергии в мых различных областях человеческой деятельности привело к то-, что к существующему природному электромагнитному полю доба-лось электромагнитное поле искусственного происхождения. Его овень в ряде случаев значительно превышает уровень природного ектромагнитного поля. Являясь биологически активным фактором, ектромагнитное поле искусственного происхождения оказывает благоприятное воздействие на окружающую среду. В связи с этим зрела и требует решения проблема защиты окружающей среды и че-века от вредного влияния электромагнитного излучения. Зта облема, традиционно являясь санитарно-гигиенической, в настоя-э время стала частью общеэкологической проблемы и проблемы элогии в частности.

Основным источником электромагнитного излучения в окружаю-о среду являются технические средства объектов радиосвязи, ра-эвещания и телевидения. В зонах действия этих средств оказыва-2я не только производственный персонал, но и население, прожи-ощее на территории, примыкающей к излучающему объекту, а также зличные живые объекты окружающей нас среды. Предотвращение ео-эжного вредного действия антропогенных электромагнитных полей излучений на все перечисленные выше объекты и является цент-юьной задачей электромагнитной экологии.

На путях решения этой интегральной задачи, необходимо реше-з целого ряда подзадач, важнейшими из которых являются: Нормирование, т.е. определение на осноеє клини--физиологических и биофизических данных необходимого перечня алогически активных параметров электромагнитного поля и уста-зление их предельно допустимых уровней.

Прогнозирование (расчет) электромагнитной обс-юъки вокруг излучающих объектов.

Инструментальный контроль электролитной обстановки.

Защита- система мероприятий, направленная на предотвра-ше или снижение до минимума воздействия электромагнитных іей.

Особая актуальность решения всех этих подзадач определяв устойчивой тенденцией количественного увеличения техничес средств радиосвязи,радиовещания,телевидения и увеличения их к ностных характеристик.

Общее решение этих задач рассматривается в рамках двух новных научных направлений:

медико-биологического, связанного с изучением и нормировав воздействующего фактора на окружающую среду;

физико-технического, целью которого является ИССЛЄДОВс электромагнитных полей вблизи излучающих объектов.

Начиная с 1979 года, второе из указанных выше направлень является направлением работ автора диссертационной работы, кс рое он последовательно развивал в Поволжском институте инфор тики, радиотехники и связи (бывшем Куйбышевском электротехник ком институте связи). Указанные исследования выполнялись в ее ветствии с Постановлением СМ СССР и Госкомитета по науке и і нике СССР N 393/666 от 3.10.34г., входили в планы важнейших и ОКР по Министерству связи и в координационный план НИР ву страны в области охраны окружающей среды и рационального испс зования природных ресурсов (утв. 28.12.82г.).

Цель работы и задачи исследовани

Цель работы - разработка методов теоретического анаї электромагнитных полей, создаваемых в окружающей среде техник кими средствами радиосвязи, радиовещания и телевидения, создг на их основе системы автоматизированного прогнозирования эле ромагнитной обстановки вблизи излучающих объектов и использе ние разработанных методов и системы для повышения эффективне санитарной электромагнитной экспертизы.

Б работе решались следующие задачи: 1. Разработка основ теории анализа электромагнитных полей b6j технических средств радиосвязи и радиовещания в диапазонах ь ких, средних и высоких частот (НЧ.СЧ и ВЧ)-, в рамках которых гут быть получены математические модели излучения основных тенных систем этого диапазона и проведены исследования струга и количественных характеристик ближних электромагнитных по; как фактора загрязнения окружающей среды.

Разработка способов и методов расчета электромагнитных полей вблизи технических средств радиовещания и телевидения в диапазоне очень бысоких и ультрависоких частот СОБЧ и УВЧ), осноеу которых могут составить обоснованные допущения в конструкции антенных систем, позволяющие унифицировать развитые методы для различных излучателей.
Выявление и обоснование возможности создания излучающих систем радиосвязи, радиовещания и телевидения с улучшенными экологическими характеристиками и классификация.излучающих систем по степени экологической опасности.
Разработка принципов построения, структуры и программного обеспечения системы автоматизированного прогнозирования электромагнитной обстановки (САПР ЭО) вблизи технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения, позволяющей проводить и повысить эффективность электромагнитной экспертизы окружающей среды іля проектируемых, строящихся, реконструируемых и эксплуатируемых излучающих объектов.

Результатом решения перечисленных выше задач должно явиться создание методологической основы построения системы защиты окружающей среды от электромагнитных полей технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения, которая должна позволить :формулировать задачи и определить направления соответствующих :анитарно-эпидемиологических и медико-биологических исследова-[ий, работ в области метрологии электромагнитных полей, градост-оительстве, проектировании антенно-фидеркых устройств. Б рамках той методологии должны быть разработаны практические рекомендацій для эксплуатационных, санитарно-эпидемиологических служб и шитетов по охране природы.

Научная новизна

аботы определяется: разработкой основ теоретического анализа электромагнитной обс-ановки вблизи излучающих систем радиосвязи и радиовещания в НЧ, 'і и БЧ диапазонах, базирующихся на решении задач излучения эле-энтарных электрических вибраторов, находящихся вблизи поверх-зсти с конечными электрофизическими параметрами, сочетающих в эбе строгость и полноту решения соответствующих дифракционных

- б -

задач с возможностью распространения их на сложные излучэюшл системы;

разработкой методов анализа ближних полей и санитарных зон из лучающих систем различного ы-ша, базирующихся на широком исполь гоьании современной вычислительной техники и обеспечивающи быстрое и эффективное решение задач электромагнитной экологии проблем электромагнитной совместимости;

проведением исследований детальной структуры ближних поле различных излучающих систем, в результате которых установлен новые особенности изменения структуры и количественных характе ристик полей, а также определены реальная конфигурация и размер санитарных зон типовых излучающих объектов;

обоснованием возможности создания излучающих систем с улучшен ными экологическими характеристиками и проведением классификащ этих систем по степени их экологической опасности;

разработкой принципов построения, структуры, методического программного обеспечения автоматизированных средств аналш электромагнитных полей излучающих систем; созданием законченнс системы автоматизированного прогнозирования электромагнита обстановки (САПР ЭО) вблизи технических средств радиосвязи, р; диовещания и телевидения, позволяющей эффективно проводи' электромагнитную экспертизу излучающих систем в интересах защи человека и окружающей природной среды от вредного действия а тропогенных электромагнитных излучений.

Бея совокупность перечисленных выше результатов диссертац онной работы выносится на защиту б качестве теоретического обещания и практического решения важной научной и народнохозя ственной задачи прогнозирования и контроля электромагнитной об тановки, создаваемой в окружающей среде радиотелевизионными си гемами.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Основная часть материалов исследований, проведенных авт ром, вошли составной частью в Государственные межведомствен нормативные и методические документы, изданные и подготовлена к изданию. Так, например, результаты общего анализа электроне нитной обстановки вблизи технических средств радиосвязи, раді

вещания и телевидения легли в основу рекомендаций и были учтены при составлении "Временных санитарных норм и правил защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами" (ВСН N 2963-84) и "Санитарных норм дифференцированных по частоте предельно допустимых уровней для населения электромагнитного поля (064 диапазона волн), создаваемого телевизионными станциями" (ЄН N 4262-87).

На основе разработанных методов анализа полей вблизи излу-іателей подготовлены и введены в действие "Методические указания ю определению уровней электромагнитного поля, границ санитар-га- защитной зоны и зоны ограничения застройки в местах размеще-іия средств телевидения и ЧМ радиовещания" (СН N 3860-85). В 1том году в Министерстве связи России уже утверждены "Методичес-ще указания по определению уровней электромагнитного поля, гра-[иц санитарно-защитной зоны и зоны ограничения застройки в мес-^рах размещения средстЕ радиовещания и радиосвязи кило- и гекто-іетрового диапазонов", которые подготовлены при активном участии иссертанта и которые в настоящее время на предмет окончательно-о утверждения рассматриваются в медицинских организациях.

Разработанная автором как средство анализа электромагнитных олей в окружающей среде система автоматизированного прогнозиро-ания электромагнитной обстановки (САПР ЭО) уже принята в экс-луатацию в головных по электромагнитной экологии научных, про-ктных, медицинских и учебных организациях (Самарском отраслевом ИИ Радио, Государственном специализированном проектном институ-е, Республиканском научном гигиеническом центре Украины и По-олжском институте информатики, радиотехники и связи).

Ориентация на строгие решения соответствующих электродина-лческих задач значительно расширила возможности разработанной їории и обеспечила решение ряда актуальных задач ь смежных об-істях исследований. К ним ОТНОСЯТСЯ:

оценка взрыьопожароопасности материалов при воздействии элект-эмагнитных полей.

диагностика и проверка работоспособности антенных систем по ;зультатам измерений ближних полей,

нормирование, анализ и измерение полей шумоподобных сигналов, анализ электромагнитной совместимости,

анализ электромагнитных полей внутри замкнутых объемов и вбли-: переизлучающих конструкций,

- создание излучающих систем с улучшенными экологическими хара: теристиками.

По некоторым из этих проблем автором уже ПрОБОДЯТСЛ ИССЛі дования, а другие включены в перспективные технические предлож ния.

В Поволжском институте информатики, радиотехники и связи учебный процесс введена новая дисциплина "Электромагнитная эк< логия" (лекции, практические и лабораторные занятииj, основу к торой составляют теоретические работы и методическая документ, ция, подготовленная автором.

Комиссией Европейского Союза в 1993 г. проведена эксперта научной, методической'и технической базы ПИИРС. -По результат, этой экспертизы рекомендовано на базе института организовать финансировать Международный учебный центр, одним из основи профилей работы которого будет электромагнитная экология.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывалис обсуздались и были одобрены на Республиканских научно-техниче ких конференциях по электромагнитной совместимости (Винн ца,1987,1991), на проблемных комиссиях Академии Медицинских на СССР "Научные основы гигиены окружающей среды" (Симферопод 1937; Москва, 1990), на Всесоюзном совещании руководящих рабе никое и ьедущих специалистов отрасли "Связь"(С.-Петербург,1991 на XI Международной конференции по гиромагнитной электронике электродинамике (Алушта, 1992), на Всероссийской научно-практ ческой конференции "Экология городов" (Самара, 1993), на меж; народном симпозиуме "Гигиена физических факторов окружающей производственной среды" (Киев, 1993), на Международной конфере оди по биологической электромагнитной совместимости (США, ФЛ0[ да, 1993), на регулярных совещаниях представителей заинтерес ванных организаций по подготовке межведомственных нормативных методических документов в Министерстве связи, Госстрое, Ресгл ликакском экологическом центре Украины (1933-1992), а также конференциях и научных семинарах в Поволжском институте инфор! тики, радиотехнике и связи (1973-1994).

Публикации

Научные результаты диссертации опубликованы в 35 печатных ;Отах, а также в І5 научно-технических отчетах по хоздоговорным лам, микрофильмированных БНТИЦ.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и :и приложений. Обший объем составляет 355 страниц, в том числе I страницы основного текста, 70 рисунков и 4 таблицы. Список :ературы включает 117 наименований.

3 этом разделе обоснована актуальность работы, сформулиро-1Ы ее цели и задачи, основные положения, выносимые на защиту. ;тся обзор современного состояния проблемы .

До 80-х годов работы по электромагнитной экологии для тех-[еских средств отрасли "Сьлзь", являющейся основным "постаыци-I" электромагнитной энергии в окружающую среду, не проводились ;аже сдерживались - сказывался ведомственный подход.

Анализ показал, что публикаций, посвященных вопросам анаїи-электромагнитных полей вблизи радиотелевизионных систем, «тически нет. Б литературе по антенно-фидерным устройствам, :пространению радиоволн, технике безопасности, санитарии и гине лишь констатируется наличие аспектов проблемы электромаг-ной экологии для этих систем, а такие схематично Формулируют-и решаются частные задачи.

Б работах Еедушлх гигиенистов страны электромагнитобиологи-кого направления М.Г.Шандалы, Б.М.Савина, Ю.Д.Думанского под-киьается, что достижение надежной зашиты от воздействия ктромагкитных полей радиочастотного диапазона возможно только основе комплексных инженерно-технических и медико-биологичес-исследований. базирующихся на реально существующих ьзаимо-злх "фактор-окружающая среда".

Из наиболее близких к рассматриваемой проблеме следует о метить работы, б которых реализован комплексный подход, напр мер, работы Б.А.Минина. Однако б них рассматривается нормиров ние, биологическое действие и методы расчета электромагниты: полей, а также вопросы обеспечения безопасности людей в СБЧ ди пазоне. Отличие частотного диапазона и резкие различия конетру ции антенн, условий распространения электромагнитных полей позволяют обобщить методы исследований на другие диапазоны НЧ.СЧ.БЧ.

На всех этапах развития антенной техники имел место интер к вопросам определения электромагнитных полей в непосредственн близости от излучающих элементов. Этот интерес определялся с о, ной-стороны задачами теории распространения радиоволн, а с др гой - задачами анализа антенн, например, монография Лаврова Г. и Князева А.С, основное внимание в которой уделено метода».', ра чета приземных и подземных антенн.

Значительный вклад ь теорию электромагнитных полей линейн вибраторов, расположенных над плоской однородной земной повер ностью, бнєсли работы Тартаковского Л.С. Однако результаты эт исследований недостаточны для обобщений на случаи сложных анте и неприменимы для математического моделирования с использовали ЭВМ.

Ряд частных задач решено в рамках проблемы электромагниты совместимости. Это задачи определения полей конкретных икдустр алькых источников помех. Примером могут служить работы Черномо дика Д.А. Отдельные элементы метода, использованные в этих раб тах, могут быть реализованы для достижения поставленных в ди сертационной работе целей.

Весьма обстоятельно задача излучения элементарных вибрат ров рассмотрена в работах Крылова Г.Н., результаты которых мог быть обобщены на случаи сложных излучателей.

Общим для всех теоретических работ является подход к анал зу полей излучающих систем с учетом реальных электрофизическ параметров почбы. За основу берутся известные иктегральн представления потенциальных функций элементарных диполей. Дал с учетом возможных для конкретны/; задач допущений потенциальн функции приводятся к виду, позволяющему определить составляют поля. Такой подход к задачам теории распространения радиовол где рассматривается поле в дальней зоне, практически привел

- и -

счерпывающим результатам. Менее изучены поля б ближней и проме-уточной зонах, представляющих особый интерес для электромагнит-ой экологии.

1. СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ, РАДИОВЕЩАНИЯ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Б этом разделе на основе многочисленных литературных данных азных авторов, включая работы соискателя, анализируется приня-ая к настоящему времени система защиты окружающей среды от лектромагнитных излучений средств радиосвязи, радиовещания и елевидения, в основе которой, по мнению автора, целесообразно ыделять: санитарно-гигиеническое и природоохранное нормирование лектромагнитных полей и излучений, расчетное прогнозирование аспределений излучений вокруг нормируемых объектов, инструмен-альный контроль за уровнями излучений от реально действующих истем и защиту биологических объектов от излучений повышенных нтенсивностей. При этом подробно анализируются имеющиеся подхо-ы к реализации каждого из указанных этапов и для ряда этапов втором выбираются оптимальные пути их реализации, разработка оторых и явилась целью диссертационной работы.

Описание работ автора выполненных на этих направлениях яв-яется содержанием остальных разделов диссертации.

Этот раздел посвящен изложению работ автора направленных на азработку перспективных методов теоретического анализа в окру-ающей среде ближних электромагнитных полей радиотелевизионных злучающих систем.

Излучающие элементы системы радиосвязи и радиовещания в НЧ, 'І и БЧ диапазонах размещаются вблизи поверхности земли или не-хредственно на ней. Земля активно участвует б процессе форми-эвания структуры электромагнитных полей как в дальней, так и яижней зонах. При анализе структуры полей в этих диапазонах осматривается система излучатель-земля. Электромагнитная энер-

- !? -

гил распространяется е виде поверхностны/ (земных) волн. } корректного нормирования, инструментального контроля и ззли необходимо знание характеристик земных волн в непосредствен! близости от излучателей, т.е. б ближней и «ромежуТОЧНОЙ 30! излучения.

Задача возбуждения элементарным электрическим вибратор границы раздела двух сред является классической в теории дифр; ции. Получение строгого решения для случ&ї земной поверхности произвольными характеристиками в виде, приемлемом для матема¹; ческого моделирования с использованием ЭВМ, затруднено. К нас: ящему Бремени разными авторами получен ряд решений этой задачі различной степенью приближения, позволяющих рассчитать пс вблизи вибраторов. Получение ноеых решений, анализ и оценка т решностей - самостоятельная научная проблема радиофизики.

Задача представляемых исследований состояла в разрабо: технически доступны?; и корректных мєтодое численного аналі ближних полей вокруг сложных излучающих систем в широких mm валах изменения радиальных расстояний, диапазонов длин boj электрофизических параметров поверхности раздела. Эти вопрс целесообразно было решать на базе обобщения известных решеї соответствующих электродинамических задач для злементарі электрических вибраторов. Однако решение для элементарных эле! рических вибраторов необходимо было получить б виде удобном только для анализа структуры полей вблизи этих излучателей, не в форме обеспечивающей возможность использования его для аналі полей сложных излучающих систем.

Так, например, при использовании допущения о хорошей про]

димости земной поверхности, т.е. при ІкгДіІ > і, где кі и к;

волновые числа для воздуха и почвы соответственно, нами получ:

решения для всех составляющих электрического поля горизонталь]

го элементарного электрического вибратора в виде:

-;ikiRi -3kiRu

Е_х = М [ Еі* є + (Е2^Х + Ез^х + Е₄^Х) є ] ,

-JkiRi „ „ -jkiRc

и_у = М [ Ei^v є + (Е₂^У + Е₃^У) є ] ,

E_z = М [ Еі-^ є + (E₂^Z + Ез" + Е₄") є ] ,

где М = jSOkildl - дипольный момент (І - ток на вибраторе, длина вибратора);

Rx и r?2 - расстояния от точки наблюдения до вибратора и его зеркального отображения соответственно.

Полученные в таком виде решения позволяют дать им наглядную изическую трактовку. Б каждую составляющую входят слагаемые, арактеризующие поле элементарного электрического вибратора в вободном пространстве - Ei, и слагаемые, определяющие поле зер-ального отображения этого вибратора - Ег. Вид этих слагаемых эвпадает с известными частными решениями. Кроме того, в каждой оставляющей присутствуют добавки - это слагаемые Ез и Е4, учитывающие конечную проводимость поверхности границы раздела. Точ-ый вид всех слагаемых приведен в тексте диссертации.

К аналогичному виду в диссертации приведено одно из извест-ях строгих решений для вертикального элементарного электричес-эго вибратора.

Достаточно общий вид решения позволяет использовать его для аализа многочисленных частных случаев. К ним относится определение характеристик поля при идеально проводящей поверхности аздела, в волновой зоне, для характерных направлений и т.д. Не-эторые частные математические задачи, решение которых важно для иектромагнитной экологии, рассматриваются в том же подразделе.

Далее в этом разделе описываются разработанные автором ме-эды анализа ближних полей излучающих систем НЧ, СЧ и ВЧ диапа-jhob для трех групп: слабонаправленных, многовибраторных и ром-таеских . Некоторые виды таких излучающих систем изображены на

-ІС.1.

Поле линейных слабонаправленных излучателей определяется на ізе общего решения задачи излучения элементарных электрических ібраторов следующим образом:

Е - J Еэ Kt) dt .

іе 1 - длина излучающей системы, Еэ - поле элементарного элект-іческого вибратора, Кх) - функция распределения тока вдоль издателя .

Одним из важных вопросов является выбор закона распределе-ія тока 1(т). Автором разработан способ расчета и проведен )авнительный анализ ближних полей линейных вибраторов при сину-щальном и уточненном распределениях тока с учетом реальных юйств земной поверхности. Результаты этого анализа приведены в іздєлє S диссертации.

сгд

_А

ґ-Y

РТД

—-Х

Т" оіразнал

— Г

Т/_и

Антенна CB(s*2)

_{і Г} _і

з І ¹ Л

лпв

_/Т

-*-Y

АТЗИ 2

Рис. і. Некоторые излучающие системы НЧ.СЧ и ВЧ диапазонов

Б работах автора разработан единый метод анализа многовиб-

іторньїх систем по ближним полям, поскольку поле излучения ре-

ітки, состоящей из N излучавших элементов, е общем случае опре-

;ляется суммой полей этих элементов с учетом амплитудных, фазо-

IX и поляризационных соотношений:

N Е = Е Ец ехр (Як) . к=1

;е амплитуда поля Ек и фаза fk каждого излучателя вычисляется с ієтом реальных параметров подстилающей поверхности.

В качестве примера б этом разделе диссертации подробно опивается метод расчета ближних полей синфазных антенных решеток : диапазона, состоящих из линейных симметричных вибраторов, ко-чество которых в типовых антеннах может быть от і до 64. Из-стным фактором, который в значительной мере может повлиять на руктуру поля в ближней зоне синфазных антенных решеток, явля-ся неравномерность и несикфазность возбуждения элементов излу-юшей системы, как следствие конечных размеров и взаимного бли-ия элементов. Результаты соответствующих исследований ближних лей синфазных антенн с учетом взаимного влияния элементов при-дены в разделе 3.

При разработке методов расчета полей вблизи ромбических издателей традиционно применен принцип суперпозиции полей от-льных элементов. При этом поле двойной ромбической антенны оп-зедялось суммой полей одиночных ромбических антенн, которые, в эю очередь, представлялись совокупностью полей ее элементов -эводов, обтекаемых бегущей волной тока. Сочетание этого прин-іа с приведенным выше решением для горизонтального элементарно электрического вибратора позволило автору разработать спо-; расчета и провести исследования полей вблизи ромбических из-іателей, результаты которых приведены в следующем разделе дис-этации.

Для анализа полей вблизи технических средств телевидения и I ЧМ радиовещания автором разработаны два новых метода, ориен-юьанные на использование интерференционных соотношений, в коме внесены изменения, связанные со спецификой решаемой зада-

Первый из них, более точный, учитывает зависимость характе-:тик направленности и коэффициента усиления антенн от расстоя-

ний, на которых необходимо их знание. Этот метод рекомендоь для расстояний R < Rn = 2а²/Х , где а - максимальный размер а тениы. X - средняя рабочая длина волны. Исходное соотношение д этого случая имеет вид:

Е = /ЗО Р 0№)-і(Д,Ф^)-кфДї ,

где Е - эффективное значение напряженности поля, Р - излученн мощность, D(R) - коэффициент направленного действия антенны направлении максимального излучения для расстояния R , f(Д,

Второй метод более прост, его применение оправдано п R > Ro и он основан на замене характеристики направленное f(A,q>,R), имеющей ярко выраженный интерференционный характе; огибающей функцией.

Таким образом, в результате выполнения мною работ, разої ранных в данном разделе диссертации:

1. Получены решения задач излучения элементарных электр! ческих вибраторов, находящихся Еблизи поверхности раздела с к нечными электрофизическими параметрами. Эти решения сочетают себе строгость решения соответствующих дифракционных оадач с ші рокими возможностями анализа структуры полей и распространен] на сложные излучатели. Решения включают в себя частные случ; размещения вибраторов, зон определения поля, параметров повер; ности раздела.

. На основе решений задач излучения элементарных электр! ческих вибраторов разработаны методы анализа ближних полей изл'_; чателей НЧ, СЧ и БЧ диапазонов, применяемых для радиосвязи и pi диовещания.

3. На основе отражательной трактовки с применением обоенс ванных приближений разработан метод анализа электромагните обстановки вблизи технических средств радиовещания и тєлєбид* ния. Метод охватывает практически весь парк излучателей, прим^ няемых для этих целей.

В данном разделе диссертации изложены результаты расчетных исследований ближних полей излучающих технических средств различных частотных диапазонов, полученные при использовании методов и способов, разработанных автором и рассмотренных во втором разделе.

Исследования проводились для слабонаправленных, многовибраторных, ромбических излучателей и направляющих систем по трем направлениям. Во-первых, исследовалось влияние различных факторов на структуру и количественные характеристики полей вблизи излучателей. Во-вторых, с практической направленностью исследовались санитарно-защитные зоны и зоны ограничений застройки. В-третьих, проводился анализ изменения направленных свойств излучателей при переходе из ближней зоны в волновую. Результаты расчетных исследований по уровням отдельных составляющих поля сравнивались с известными частными решениями и распределениями поля, принятыми МККР для волновой зоны.

С помошью разработанного автором метода расчета ближних полей в сочетании с методом интегральных уравнений, позволяющим более точно определять закон распределения тока на вибраторах, рассчитывались сравнительные зависимости полей вблизи линейного симметричного вибратора для различных законов распределения тока, в результате чего установлено, что учет реального распределения позволяет уточнить структуру поля только в приземном слое и только в направлениях близких к осевым при 1/А > 0,3. В качестве иллюстрашіи исследований по вибраторным излучателям на рис.2 показана зависимость санитарно-защитных зон типовой вибраторной антенны от длины волны для заданной мощности излучения и от излучаемой мощности при размещении вибратора над сухой почвой, а на рис.3 - зоны ограничения застройки для этой антенны в различных направлениях.

Далее в этом разделе приводятся результаты исследований ближних полей синфазных антенн, проведенных по представленным в разделе " методам. Эти исследования, кроме.расчетов полей и санитарных зон, включали анализ влияния на ближние поля изменения амплитудно-фазового распределения возбуждающих токов за счет взаимного влияния элементов решетки без уточнения законов расп-

34*

66*

78*

Z-U /80 /JO 80 40 О 40 80 /20 fSO t,u
41* 30* 18* 8* О* в* /8* JO* *Г

90*

66*

78'

SO*

\/** /*

66'

It*

1,U ISO /10 80 40 0 40 80 /20 /SO t,J/

Рис. 2. Санитарно-защитные зоны типовой вибраторной антенны

/60

/20

гоо і,и

-10 6*0.1 Слг/лг

Рис. 3. Зоны ограничения застройки типовой вибраторной антенны в различных направлениях

ределения тока относительно синусоидального. Исследования проводились на двух- и четырехэтажных антеннах. Установлено, что это явление ь большей степени проявляется для многовибраторных антенн в длинноволновой части рабочего диапазона длин волн и должно быть учтено при электромагнитном прогнозировании для целей электромагнитной экологии.

Кроме того, в этом разделе представлены результаты исследования полей вблизи излучающих средств, отличающихся по конструкции и режимам работы от вибраторных, - это ромбические антенны и направляющие системы. Исследования ближних полей для этих технических средств проведены автором по различным влияющим факторам, з том числе, б зависимости от положения точки наблюдения, параметров земной поверхности, режимов работы и конструктивных особенностей. На примере этих антенн показана универсальность разработанных автором методов расчета с точки зрения применимости их к тому разнообразию излучающих систем, которое используется в настоящее время в технике радиосвязи, радиовешания и телевидения. Таким образом, з результате исследований установлен ряд важных, имеющих практическое значение закономерностей и зависимостей изменения структуры и количественных характеристик ближчих полей, санитарных зон и эксплуатационных параметров излучателей в ближней зоне. Суть их сводится к следующему: из-за сложной зависимости поля от различных факторов невозмож-га получить универсальные зависимости; для практического электромагнитного прогнозирования необходимо знать реальное поведение лждой составляющей; уровни вертикальной составляющей Е₂ вблизи антенн, излучающих дальнюю зону поле преимущественно горизонтальной поляризации, горизонтальной составляющей Е_г вблизи антенн, излучающих в альнюю зону поле преимущественно .вертикальной поляризации,со-змеримы, а в некоторых случаях превышают уровни основной излу-аемой в дальнюю зону составляющей;

конфигурация и размеры санитарных зон различных излучателей в рачительной степени зависят от длины волны, мощности излучения, ^раметров подстилающей поверхности и т.д.

Следует отметить, что количественные закономерности измене-га составляющих поля, санитарных зон и вон ограничения от длины хяны, мощности, типа почвы и т.д. представлены в диссертации їширньїм графическим материалом. Материалы расчетов, приведенные

ь разделе, не могут быть обобщены для всех практически возможны электромагнитных ситуаций и являются иллюстрационными. Одна ко, разработанные математические модели позволяют получить рас четный материал по различным излучателям для множества влилющи Факторов как с исследовательской, так и с практической целью.

Б данном разделе реферируются работы автора по различи техническим решениям, разработанным на оснобє его теоретическої анализа и исследований, и направленным на нормализацию злектрс магнитной обстановки Еблизи излучающих объектов.

Предварительно отметим, что разработанная автором теор] анализа ближних полей и санитарных зон излучателей, основали, на строгих решениях соответствующих электродинамических зада связывает с одной стороны конструктивные параметры излучающ элементов, а с другой стороны-поле и санитарные зоны. Естестве но, что это дает возможность, во-первых, сравнительного анади различных излучателей и антенных систем, во-вторыл, оптимизаи конструкции излучателей по критериям электромагнитной эколог и. в-третьи;-:, разработки рекомендаций по нормализации электр магнитной обстановки вблизи излучающих технических средстБ.

В качестве примера б этом разделе приведены характерные р зулътаты сравнительного анализа по степени экологической опг нести излучателей технических средств, имеющих близкие техниче кие характеристики и используемые для одних и тех же целей,. именно, для внутриобластных радиосвязи и радиовещания б ЕЧ ді пагоне. К подобного рода излучателям относятся: БГД - вибра: горизонтальный диапазонный, УГД - вибратор уголковый гориз; тальный диапазонный, АТЗИ - антенна туркикетнал зенитного из. чекил. При этом сравнительная экологическая опасность оцени лась по размерам санитарных зон, которые создают излучатели одинаковых условиях эксплуатации. Расчетными исследованиями, полненными по разработанным автором методам, показано, что в ком и том же диапазоне волн при равенстве излучаемых мощносте одинаковых условиях размещения антенна АТЗИ имеет менее прс жекные санитарные зоны, т.е. она обладает Солее высокой эколс ческой чистотой ( рис.4 ). Это позволяет рекомендовать акте

. 24,0»

180*

угя

лти

_f^r^y

₊

_{+ I -f}

. 4. Сравнение санитарно-защитных зон антенн ВГД, УГД и АТЗИ

АТЗИ там, где требуется обеспечить повышенную защищенность окру жающей среды от электромагнитных полей.

При отсутствии вычислительной техники сравнительный анали излучателей по степени экологической опасности мояет быть выпол нен с помошью разработанных автором санитарных паспортов, преде тавляюших собой таблично-текстовый и графический материал, в ко тором приводятся распределение поля по Есем составляющим и сани тарные зоны е широких пределах изменения различных параметров длин волн, типов земной поверхности, разновидностей конструкції излучателей и т.д.

Важность экологических характеристик излучающих систем пос тавило новую техническую задачу в теории антенн, которую авто сформулировал как разработку излучателей с улучшенными экологи ческими характеристиками, заключающуюся б оптимизации конструк ции излучателей по критериям электромагнитной экологии. В это разделе диссертации возможность такой оптимизашіи показана н примере вибраторных излучателей с длиной плеча 1 и еысотой под веса Н. Выбор конкретного размера или конструктивного элемент антенной системы производиться с учетом как требований обеспече ния необходимых параметров направленности в дальней зоне, так требования минимизации санитарных зон. Выполнение этих требова ний встречает определенные трудности, связанные с тем. что обыч но антенные системы НЧ, СЧ и особенно ВЧ диапазонов работают широком непрерывном интервале частот. Обойти эти трудности авте предлагает представлением частотной зависимости результатов рас чета коэффициента направленного действия и размеров санитарнь зон в виде линий постоянного уровня е картографической системе по осям которой откладываются нормированные относительно длин еолны Л координаты 1/Х и Н/Л. Процесс оптимизации заключается подборе наклона прямой, зависящего от отношения конструктивнь параметров 1/Н, при котором обеспечивается заданный козффицие* направленного действия при минимальных размерах санитарных sot

Далее в этом разделе приводятся рекомендации по нормализг ции электромагнитной обстановки вблизи типовых телевизионнь центров. Рекомендации базируются на теоретических и экспериме> тарных исследованиях, проведенных разработанными автором мете дами. Суть рекомендаций состоит в изменении конструкции антенне системы СВЧ ЧМ вещания, которое позволяет уменьшить напряжеі ность поля вблизи телецентра до уровней ниже нормативны;";.

Обобщением работ данного раздела являются схема моделирования излучающих технических средств с улучшенными экологическими характе ристиками.

Б этом разделе диссертации анализируются работы автора, посвященные созданию системы автоматизированного прогнозирования электромагнитной обстановки - САПР ЭО, в основу которой положена идея аьтора о едином автоматизированном комплексе, обеспечивающем анализ электромагнитной обстановки вблизи любых технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения для целей электромагнитной экологии.

Объединение отдельных методик расчета ближних полей различных излучателей в рамках единой методики позволило автору получить математическую модель реального телецентра или радиоцентра, которая в сочетании с рядом других вспомогательных алгоритмов дала возможность создать САПР ЭО (рис.5). Основа САПР ЭО - это подсистемы расчета полей радиоцентров и телецентров, которые состоят из базовых моделей и моделей типовых антенн. Базовые модели представляют собой строгие решения соответствующих электродинамических задач, а модели типовых антенн получены из базовых путем однократного либо многократного применения принципа суперпозиции. Конкретизация объекта производится заданием исходных данных, которые описывают геометрию излучающего объекта, условия размещения, временные параметры работы и т.д. Все это дополняется подсистемой учета взаимного влияния. Яля построения границ санитарных зон вводится информационная подсистема нормативных данных.

В настоящее Еремя разработаны законченные версии САПР ЭО. позволяющие проьодить электромагкитную экспертизу излучающих объектов радиосвязи, радиовещания и телевидения.

Система решает деє основные задачи: расчет полей вблизи излучающих систем, применяемых на радиоцентрах и телецентрах, построение границ санитарных зон излучающих объектов. Однако ориентация на адекватные математические модели значительно расширила возможности системы. Анализ взаимного влияния, расчет параметров излучателей, оптимизация их размещения - эти и другие

g/Годсистеліа исходных данных

Ситуационный план
обыктэ и описание
излучателей

Рао~очее расписание

Система анализа электромагнитной oScmanoBitu

Подсистема нор мат иВных данных

Подстилающая поёерхность

Лгнтеннн иВЧиУВЧ диапазонов

і. ЯГанельние

УголкоВые
Яіїурникетние

Нить тока

еІЇодсистеліа расчета полей радио иентроб

ДГодсистеиэ расчета полей телеиентроВ

Лнгпеяны ИЧ и СЧ диапазонов

s. „ / *'

S „2+2"

г. ,'f'i' /. ...

і. ЛМИП

ч. ЛРРт

Лгнтенни ВЧ диапазонов і. В 2 Я s. Hufpamop» 2. У2» 7. АТ$и J.P3A г.. Луч" і. С2» 9. „Заря" S. /2J5B 10. .. .

"^Е

вертикальный элемент, электр. Вибратор

Система излучателей

Горизонтальный

Элемент, электр.

Bufpimop

Подсистема учета Взаимного Влияния

<*/vem. Взаимного Влияния

СоіїстБен. и Взаимные сопротиВл.

излучения

I I

го

ЯаЗоБые модели

Рис.-5... Структурная схема методического обеспечения

РЛІТО СіП

практически важные и исследовательские задачи можно решать с помощью разработанной САПР ЭО.

Методическое обеспечение САПР ЭО состоит из алгоритмов и методик, разработанных в рамках настоящей работы. Программное обеспечение создано для работы в операционных системах M3-D0S и ІБМ/370. Все подпрограммы написаны на алгоритмическом языке "іортран-77". Главные управляющие программы адаптированы к оболочке, транслированной в среде "Turbo С" версия 2.0. Оболочка САПР ЭО дает возможность пользователю в диалоговом режиме выполнять ебод исходных данных, их редактирование , просматривать и выводить па печать результаты расчетов и.т.д.

В подсистеме расчета полей радиоцентров имеется возможность электромагнитного прогнозирования для двадцати пяти типов антенн: БГДШ, УГД, СГД РН, СТЛ РА, РГ, РГД, АТЗИ, провода, обтекаемого бегущей волной тока, произвольно ориентированных линейных симметричных и несимметричных вибраторов, антенных систем СВ(1+1), CBCS+2), СБ(4+4), различных разновидностей антенн-мачт, логопериодических антенн и т.д. Расчет полей всех антенн проводится с учетом реальных свойств поверхности раздела.

Радиоцентр НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов в САПР ЭО представляется в виде набора антенн Aj, A2,...,An, причем N < 30 (рис.6). Каждая антенна может быть любой из перечисленных выше типов и определяется набором конструктивных и технических параметров. Телецентр представляется в виде набора антенн ОВЧ и УВЧ диапазонов А-ьАг»...,An. размещаемых на мачте или башне Срис.7). Для каждой антенны задаются конструктивные, технические и установочные параметры. Количество антенн не более 0-ти.

Б любой точке пространства возможен анализ поля, создаваемого комплексом антенн, а также оценка вклада каждой антенны по всем составляющим. Кроме того, имеется возможность построения ;анитарных зон излучающих объектов. Одна из ветвей САПР ЭО обес-іечивает расчет и формирование санитарных паспортов антенн.

САПР ЭО в настоящее время существует в двух версиях:

первая представляет собой пакет прикладных программ, юеспечивающий выпуск экологических материалов в виде таблич-іо-текстовых документов:

вторая имеет сервисную оболочку, обеспечивающую интерак-'иьный- режим работы оператора, и ориентированная на выпуск мате-

Рис. 6. Представление излучающего объекта НЧ, СЧ, и ВЧ диапазонов в САПР ЭО

Рис! 7. Представление излучающего объекта радиовещания и телевидения в САПР ЭО

риалов ь виде карт .электромагнитной обстановки и санитарных зон излучающих объектов.

Такий образом, в настоящее время в результате проведенной автором разработки, любое заинтересованное лицо, имея программную и эксплуатационную документацию САПР ЭО, может провести санитарную электромагнитную экспертизу и сформировать санитарный паспорт излучающего объекта радиосвязи, радиовещания и телевидения, основой которого является схема объекта с нанесенными санитарными зонами і см.. например, рис.сі. на котором приведена такая схема одного из радиоцентров г. Хабаровска ).

Б данном разделе диссертации излагается содержание экспериментальных работ, выполненных по инициативе и при непосредственном участии автора, проведенных с целью ЕериФикации разработанных им методов расчета электромагнитной обстановки вблизи излучавших технических средсть, отладки корректных методик измерения электромагнитных полей в ближней зоне и выработки принципов проведения санитарно-гигиенической зкспертигы и экологического мониторинга.

Б процессе выполнения этой части работы автор участвовал в обследовании нескольких десятков реальных излучающих объектов (неполный перечень этих объектов приведен ь одном из актов внедрения диссертационных материалов). После предварительных расчетов на этих объектах проводились выборочные измерения полей. На зяде объектов (радиоцентры в г.г. Львове. Москве. Самаре) были ;рганпзованы специальные, отличаевшеся значительным объемом экспериментальные исследования с целью выявления степени соответствия реальной электромагнитной обстановки расчетам.

Измерения выполнялись с помощью измерителей электромагнитных полей типа F3M-G ГГЗМ-іі). FSM-3,5, NFM-i. принятыми для из-іерения в санитарно-гигиенической практике, по методике, разработанной при участии автора при подготовке нормативной докумен-ащіи. с необходимыми для корректного решения наших задач модификациями. Таг:, например, при анализе влияния неровностей почвы а результат измерения уровней электромагнитных полей и установ-екия границ санитарных зон проводился замер в равноудаленных от

*Л

о*-

*V:

>г

о р<

Е-1 О .

СИ СО

о V

5 Ж

а р*

» о «» со

⁵² S

Я5*»Я

У / .

со I о

р.

(Я

»*-*-

-С*

_III

cd О

одиночной антенны точках отличающихся по высоте расположения измерительной антенны над поверхностью земли на 1...2...3 м.

В контрольных эксперимента/: измерения проводились как вдоль радиальных осей, расположенных под разными азимутальными углами -: оси антенн, так и вдоль произвольных направлений, пригодных зля измерений в реальных условиях. Бее полученные в указанных заботах данные б виде таблиц, графиков и планов приведены в диссертации і см., например, рис.9, на котором в качестве примера іриведеньї схема и данные полученные нами при обследовании син-разной антенны СГД /4 РН, а также рис.10, на котором приведена :ерия графиков с результатами расчетов и контрольных замеров по-іей этой антенны для одного из направлений ).

Б рамках тех же работ произведен анализ чувствительности )асчетных данных к степени точности задания исходных параметров технических средств.

Б результате проведения всего описанного выше цикла работ юказано:

1. Общие закономерности, характеризующие ближние поля раз-іичкьіх излучателей, полученные теоретически и экспериментально, ;орошо согласуются между собой.

. Для адекватного эксперименту расчета полей учет вертикальной составляющей поля вблизи антенн,- излучающих поле гори-онталькой поляризации, во многих случаях является определяющим. 3. Для сложных, насыщенных техническими средствами излучаю-да объектов НЧ. СЧ, и ВЧ диапазонов, работающих в условиях ольшого числа суточных и сезонных перестроек рабочих частот и вменений схем коммутации технических средств, единственно прак-ически возможным способом интегральной оценки электромагнитной бстановки, создаваемой ими в окружающей среде, может быть рас-ет, проведенный с помощью САПР ЭО, предварительно верифициро-анный в серии контрольных измерений.

В приложения 1... 5 к диссертации включены пере-екь и тексты программных блоков, входящих в САПР 30, основные еню и команды сервисной оболочки, а также копии актов внедрения иссертаиионных материалов.

- зо -

ЗО'

SO'

ЄГД 3/*РЯ f>Pj/

ISO*

too*

Рис. 9. Схема и результаты измерений ближних полей антенны СТД 2/4 РН

В/л

too iso too г,хі

В/а

В/а S

too iso 200 г,и