4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение плотности потока энергии
электромагнитного поля в местах
размещения радиосредств, работающих
в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц

Методические указания
МУК 4.3.1167-02

Минздрав России

Москва 2002

1. Разработаны сотрудниками Самарского отраслевого научно-исследовательского института радио Министерства Российской Федерации по связи и информатизации (Бузовым А. Л., Кольчугиным Ю. И., Кубановым В. П., Романовым В. А., Сподобаевым Ю. М., Филипповым Д. В., Юдиным В. В.).

2. Представлены Минсвязи России письмом от 20.04.01 № НТУ-1/237. Одобрены комиссией по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при Минздраве России.

3. Утверждены и введены в действие Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 7 октября 2002 года.

4. Введены взамен методических указаний «Определение плотности потока излучения электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 700 МГц - 300 ГГц. МУК 4.3.680-97».

Редакторы Барабанова Т. Л., Максакова Е. В.

Технический редактор Ломанова Е. В.

СОДЕРЖАНИЕ

УТВЕРЖДАЮ

Главный государственный

санитарный врач Российской

Федерации - Первый заместитель

Министра здравоохранения

Российской Федерации

Г. Г. Онищенко

7 октября 2002 г.

МУ 4.3.1167-02

Дата введения: с момента

утверждения

4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение плотности потока энергии электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц

Область применения

Методические указания содержат изложение методики мониторинга окружающей среды вблизи антенн радиосредств, работающих в различных участках диапазона частот 300 МГц-300 ГГц, по электромагнитному фактору. Являются государственным методическим документом для определения санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки, а также для прогнозирования уровней электромагнитного поля при выборе мест размещения радиосредств.

Предназначены специалистам органов и учреждений санитарно-эпидемиологической службы, проектных организаций, операторам связи.

Документ введен взамен МУК 4.3.680-97. Отличается от прежнего документа тем, что распространяется на более широкий класс антенн, содержит рекомендации по учету решетчатой структуры антенного рефлектора, влияния земли и крыши на величину плотности потока энергии в расчетной точке.

Не распространяется на радиосредства базовых станций систем подвижной связи и станций телевизионного вещания.

1. Радиосредства

На частотах выше 300 МГц работают различные радиосредства: радиорелейные системы передачи прямой видимости (РРСП ПВ), тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРРСП), спутниковые системы передачи (ССП), радиолокационные станции (РЛС).

Передающая часть любого радиосредства имеет антенну - устройство преобразования энергии, вырабатываемой радиопередатчиком, в энергию свободно распространяющихся радиоволн. Наиболее распространенными на практике являются апертурные антенны - вырезки из параболоида вращения (с круглой, квадратной, прямоугольной апертурой), рупорно-параболические антенны, перископические антенные системы, а также вибраторные антенны. Реже (в качестве самостоятельных) применяются рупорные антенны, антенны в виде вырезки из параболического цилиндра. Каждая антенна имеет характерные элементы, определяющие конструкцию. Для антенн, построенных на основе вырезки из параболоида вращения, это рефлектор (зеркало с соответствующей формой апертуры) и облучатель, расположенный, как правило, в фокусе параболоида. Рупорно-параболическая антенна - это единая конструкция в виде двух совмещенных элементов: рупора и несимметричной вырезки из параболоида вращения Перископическая антенная система имеет три основных элемента: первичный облучатель (как правило, рупорный), нижнее зеркало и верхнее зеркало. Рупорная антенна состоит из отрезка волновода постоянного сечения и собственно рупора, представляющего собой волновод с плавно увеличивающимся сечением. Антенна типа параболический цилиндр - это апертурная антенна с рефлектором в виде параболического цилиндра и линейным источником возбуждения. Антенны вибраторной конструкции - это совокупность активных и пассивных излучателей.

Основными данными, необходимыми для расчета электромагнитной обстановки вблизи радиосредства, являются: мощность передатчика, рабочая частота (длина волны), КНД антенны, пространственное положение и геометрические размеры излучающих элементов.

2. Расчет плотности потока энергии вблизи параболических антенн с круглой апертурой

Общие положения. Значение плотности потока энергии (ППЭ) апертурной антенны в произвольной точке пространства (в рамках энергетического подхода к решению задачи) определяется по формуле:

П_Σ = П_а + П_обл + П_диф + П_пр, где                                          (2.1)

П_а - апертурная составляющая;

П_обл - составляющая, определяемая излучением облучателя;

П_диф - составляющая, обусловленная токами, протекающими вблизи кромки зеркала (дифракционными токами);

П_пр - составляющая, возникающая в результате прохождения энергии сквозь основное зеркало антенны, если оно имеет решетчатую структуру.

Все пространство вблизи антенны условно делится на ряд характерных областей, которые ввиду симметрии показаны на рис. 2.1 только в секторе углов 0 £ θ £ π.

Рис. 2.1. Области анализа ППЭ.

Значение ППЭ в области I определяется апертурной составляющей П_а и составляющей облучателя П_обл.

В области II - заднем полупространстве антенны - ППЭ определяется составляющей П_диф. Если зеркало выполнено в виде решетчатой структуры, то к дифракционному полю добавится поле, прошедшее в область II сквозь ячейки решетки - составляющая П_пр.

В области III необходимо учитывать составляющие П_обл и П_диф. Область III в заднем полупространстве существует только для длиннофокусных антенн, когда ψ £ π/2.

В области IV ППЭ определяется в основном составляющими П_обл и П_диф, но следует учитывать и П_а (особенно вблизи границы раздела областей I и IV).

Область V является областью конструкции антенны и находится внутри гипотетического цилиндра с площадью основания, равной площади апертуры и высотой 2...4 диаметра апертуры (эту область иногда называют областью прожекторного луча).

Используемые допущения:

· амплитудное распределение поля по апертуре задается в виде «параболы на пьедестале»:

 где                                      (2.2)

r - текущее значения координаты на диаметре апертуры, 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 (по мощности 0,1);

· апертура имеет затенение, характеризуемое коэффициентом затенения d_T / d = 0,1 (d_T - диаметр «теневого диска», d - диаметр апертуры).

Расчет плотности потока энергии в области I. Плотность потока энергии в расчетной точке М (рис. 2.2) представляется в виде двух составляющих:

П_Σ = П_а + П_обл, где

П_а - апертурная составляющая ППЭ (рис. 2.2а);

П_обл - составляющая ППЭ, определяемая непосредственно излучением облучателя (рис. 2.2, б).

В предположении осевой симметрии характеристик направленности апертуры и облучателя составляющие ППЭ имеют вид:

                             (2.3)

 где                            (2.4)

Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;

D₀ - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне (величина безразмерная);

B² (R) - функция, учитывающая зависимость КНД от расстояния;

F² (θ, R) - нормированная характеристика направленности антенны по мощности;

(θ, R) - сферические координаты расчетной точки;

D_обл - КНД облучателя в направлении максимального излучения;

F²_обл (γ) - нормированная характеристика направленности облучателя по мощности (угол γ = 180° - θ).

Рис. 2.2. К расчету апертурной составляющей ППЭ (а) и составляющей ППЭ облучателя (б).

Электрические параметры апертуры - характеристика направленности и КНД - являются функциями расстояния R, а те же параметры облучателя не зависят от R - считается, что расчетная точка по отношению к облучателю всегда находится в дальней зоне.

Вводятся переменные: и - обобщенная угловая координата, х - относительное расстояние:

u = (πd sin θ) / λ,                                                        (2.5)

х = R / R_гp, где                                                         (2.6)

d - диаметр апертуры, м;

λ - длина волны, м;

R_гр = 2d² / λ - граничное расстояние, начиная с которого можно считать, что расчетная точка находится в дальней зоне.

С учетом введения обобщенных координат выражение (2.3) принимает вид:

                               (2.7)

Перевод размерности ППЭ Вт/м² в мкВт/см² осуществляется в (2.7) умножением на 100.

Переход от абсолютных значений величины ППЭ к относительным (децибелам относительно 1 мкВт/см²) осуществляется по формуле:

 где             (2.8)

В(х) - функция, учитывающая изменение КНД в зависимости от относительного расстояния;

F(u, x) - нормированная характеристика направленности апертуры в обобщенных координатах и, х.

С учетом принятых допущений выражение (2.4) при переходе к относительным значениям (децибелам относительно 1 мкВт/см²) приводится к виду:

, где                                (2.9)

Аналитическое выражение функции В(х)/х для круглой апертуры с амплитудным распределением типа (2.2) имеет вид:

 где                      (2.10)

 b₁ = 1 + α² + 2b²₀c², b₂ = α² + b²₀c², c = 1 - α

В области х < 0,105 функция (2.10) сильно осциллирующая, а в области х > 0,105 - изменяется монотонно. Осциллирующую часть функции следует заменить огибающей ее максимумов.

На рис. П1.1 (приложение 1) приведена функция . В области x > 1 функция .

На рис. 2.3 показана круглая апертура с центральным затенением (затенение моделируется отсутствием элементов Гюйгенса в центре апертуры - светлый круг). Поле в точке М является суперпозицией полей элементов Гюйгенса dS, расположенных на поверхности раскрыва (апертуре).

Рис. 2.3. К расчету функции F(u, x).

Напряженность электрического поля, создаваемая в расчетной точке М всей совокупностью элементов Гюйгенса, находящихся в апертуре, определяется следующей формулой:

 где                                                 (2.11)

                                (2.12)

                                               (2.13)

В (2.12) геометрические параметры θ_s, φ_s, r_s являются функциями θ и R.

Нормированная характеристика направленности апертуры имеет вид:

                                                (2.14)

В терминах координат u, x направленные свойства апертуры характеризуются функцией F(u, x). Процесс расчета каждой функции F(u, x) требует значительных вычислительных затрат, которые быстро растут с увеличением отношения d/λ. Функции F(u, x) сильно осциллирующие, поэтому в практических расчетах ППЭ следует использовать их гарантированные огибающие. Для удобства практических расчетов гарантированные огибающие табулированы (приложение 1, таблицы 1.1 и 1.2). При значениях х > 1, что соответствует дальней зоне, необходимо пользоваться огибающими для x = 1.

Значение КНД облучателя рассчитывается по формуле:

 где                                      (2.15)

 для γ ≤ ψ₀                       (2.16)

F_обл (γ) = 0,316 для ψ₀ < γ ≤ π

· характеристика направленности облучателя, реализующая амплитудное распределение вида (2.2) и обеспечивающая уровень 0,316 вне сектора углов перехвата энергии зеркалом (ψ₀ £ γ ≤ π).

Термин «облучатель» следует понимать, как собственно облучатель в однозеркальной антенне, так и систему «облучатель - вспомогательное зеркало» в двухзеркальной антенне.

График зависимости D = 10 lg D_обл, как функции аргумента ψ₀ для усредненной модели антенн приведен на рис. П1.2 (приложение 1).

Постановку задачи при расчете ППЭ в области I вблизи антенны с круглой апертурой иллюстрирует рис. 2.4, на котором центр апертуры - это О, а его высота над землей - Н_А. Угол α характеризует отклонение направления максимального излучения от плоскости горизонта. Ось Y системы координат XYZ совмещена с проекцией направления максимального излучения на плоскость XOY. Горизонтальная плоскость, на которой определяется ППЭ, находится на высоте Н_Т над землей. Расчетная точка задается либо через координаты ρ_M (расстояние до точки М вдоль поверхности земли) и φ_M, либо через у и х.

Рис. 2.4. Постановка задачи.

Заданными параметрами считаются: Р - мощность передатчика радиосредства, Вт; λ - длина волны, м; d - диаметр апертуры, м; D₀ - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне; 2ψ₀ - угол раскрыва антенны (угол перехвата энергии облучателя зеркалом).

В области I порядок расчета следующий:

1. Вычисляется расстояние от центра апертуры до расчетной точки М:

                                                (2.17)

2. Рассчитывается угол между направлением максимального излучения и направлением линии «центр апертуры - расчетная точка M»:

θ_M = arc cos {[ρ_M cos φ cos α - (H_A - H_T) sin α] / R_M}                 (2.18)

3. Определяется граничное расстояние R_гp:

R_гр = 2d² / λ                                                            (2.19)

4. Вычисляются параметры u, x по формулам:

u = (πd sin θ) / λ и x = R / R_гр                                                                    (2.20)

5. Находится значение функции , дБ (по огибающей).

6. Вычисляется значение функции 20 lg F(u, x), дБ (по огибающей).

7. По формуле (2.8) рассчитывается значение составляющей П_а:

, дБ                      (2.21)

8. Определяется:

D_обл, дБ = 10 lg D_обл,                                                      (2.22)

9. По формуле (2.9) находится значение составляющей П_обл:

, дБ, где                                (2.23)

10. Значение суммарной ППЭ рассчитывается по формуле:

 мкВт/см²                                       (2.24)

Методика и порядок расчета имеют ограничение по минимальному удалению расчетной точки от центра апертуры - R_min ≥ d/2, что соответствует значению х ≥ , где .

Расчет ППЭ для относительных расстояний х <  выполняется с помощью интерполяции. Для этого сначала по формуле (2.21) вычисляется П() - величина ППЭ при х = . Далее определяется П_s - усредненная величина ППЭ на апертуре по формуле:

П_s = 10 lg [400 P / (πd² 0,65)] ≈ 10 lg [200 P / d²], дБ                      (2.25)

При этом интерполяционная формула имеет вид:

 мкВт/см²                               (2.26)

Повторяя операции, предусмотренные порядком расчета ППЭ, последовательно для различных точек выбранного азимута φ = const определяется характер изменения ППЭ вдоль данного азимута, а также отыскивается точка, где значение ППЭ равно предельно допустимому уровню. Совокупность подобных точек на других азимутальных линиях, проведенных, например, через 1°, определяет границу соответствующей санитарной зоны в области I.

Расчет плотности потока энергии в области II. В области II поле обусловлено дифракцией электромагнитных волн на кромке параболического зеркала. Однако область II имеет три характерных подобласти (рис. 2.5), которые образуются после проведения двух касательных (1 и 2) в точках А и Б. Из подобласти II-а видна вся кромка антенны, из подобласти II-б видна часть кромки, из подобласти II-в кромка вообще не видна.

Исходными данными для расчета являются следующие параметры радиосредства: мощность излучения Р, Вт; длина волны λ, м; диаметр антенны d, м; половина угла раскрыва зеркала ψ₀; коэффициент использования поверхности зеркала k_un; α - уровень напряженности электрического поля на кромке зеркала. Постановка задачи иллюстрируется на рис. 2.6.

Рис. 2.5. К расчету ППЭ в области II.

Сферические составляющие напряженности электрического поля в подобласти II-а имеют вид:

                                            (2.27)

Последовательность расчетов при использовании метода геометрической теории дифракции (ГТД) следующая:

1. Определяется ряд вспомогательных величин:

φ₁ = φ₀ + ψ₀ + θ;

η_1,2 = π - (φ₁φ₀);

sign η_1,2 (sign η = 1, если η ≥ 1, sign η = -1, если η < 1);

Рис. 2.6. К расчету ППЭ методом ГТД.

2. Вычисляются функции:

                                         (2.28)

3. Вычисляются специальные функции - интегралы Френеля:

                                 (2.29)

в которых

                                     (2.30)

 - косинус интеграла Френеля,

 - синус интеграла Френеля.                        (2.31)

4. Рассчитываются коэффициенты дифракции:

D₁ = m₃ (Ф₁m₁ - Ф₂m₂); D₂ = m₃ (Ф₁m₁ + Ф₂m₂)                          (2.32)

5. Рассчитываются некоторые функции, определяющие дифракцию первичного поля облучателя на кромке зеркала:

       (2.33)

В этих выражениях r_n - расстояние от произвольного элемента кромки ds до расчетной точки:

 где                                  (2.34)

r - расстояние от центра апертуры до расчетной точки (рис. 2.6).

6. Определяется усредненное значение ППЭ в центре апертуры:

 мкВт/см²                                                (2.35)

7. Определяется значение напряженности поля в центре апертуры:

 В/м                                                   (2.36)

8. Рассчитываются сферические компоненты дифракционного поля Е_θ, Eφ по формулам:

                                       (2.37)

где α = 0,316 уровень поля на ребре кромки.

9. Определяются составляющие ППЭ, обусловленные дифракционными компонентами поля E_θ, E_φ, по формулам:

 мкВт/см²;  мкВт/см²                        (2.38)

10. Если требуется найти декартовые составляющие дифракционного поля, то следует воспользоваться следующими формулами:

Е_Х = E_θ cos θ cos φ - Е_φ sin φ;

Е_Y = E_θ cos θ sin φ + Е_φ cos φ;

Е_Z = -E_θ sin θ                                                         (2.39)

В секторе углов, принадлежащих подобласти II-б, значения сферических компонент дифракционного поля определяется одной «светящейся» точкой (точка А на рис. 2.5) по формулам:

               (2.40)

               (2.41)

В этих формулах: E₀, определяется в соответствии с (2.36), α = 0,316, коэффициенты дифракции рассчитываются по формулам (2.28)...(2.32).

Переход к декартовым составляющим дифракционного поля осуществляется по формулам (2.39), а к сферическим компонентам ППЭ по формулам (2.38).

В секторе углов подобласти II-в следует принять, что П_диф = 0.

Расчет плотности потока энергии в области III. Если зеркало антенны длиннофокусное (ψ < 90°), то в области III ППЭ имеет две составляющие. Одна определяется излучением облучателя, другая - дифракцией на части кромки:

П_Σ = П_обл + П_диф                                                       (2.42)

Составляющая П_обл, определяется по формуле (2.23) с последующим переходом к мкВт/см², а составляющая П_диф также, как для подобласти II-б.

В случае короткофокусной антенны (ψ < 90°) в области III ППЭ имеет составляющие П_диф и П_а. Составляющая П_диф рассчитывается так же, как для подобласти II-а - по формулам (2.28)...(2.38).

Расчет плотности потока энергии в области IV. В области IV ППЭ определяется в основном составляющими П_обл и П_диф, поэтому значение ППЭ в этой области формально определяется по формуле (2.42) с добавлением составляющей П_а. При этом дифракционная составляющая поля определяется так же, как это сделано в подобласти II-а - по формулам (2.28)...(2.38).

Расчет плотности потока энергии в области V. В этой области ППЭ следует определять следующим образом:

П_Σ = П_обл + П_диф

При этом составляющая П_а рассчитывается по формулам (2.25) и (2.26), после того как предварительно геометрически определена граница раздела между областями IV и V (значение ) на выбранном азимутальном направлении.

Алгоритм определения областей и подобластей для расчетной точки и примеры расчета ППЭ приведены в приложении 2 - рис. П1.3 и П1.4.

Примеры расчета ППЭ вблизи параболических антенн с круглой апертурой приведены в приложении 2.

3. Расчет плотности потока энергии вблизи параболических антенн с квадратной и прямоугольной апертурой

Квадратная апертура. При анализе квадратной апертуры (рис. 3.1) используются допущения:

- распределение амплитуды поля в одной из главных плоскостей - «косинус на пьедестале»:

 где                                       (3.1)

а - сторона квадрата, τ - текущее значение координаты апертуры в одной из главных плоскостей;

· облучатель и антенна имеют характеристики направленности с осевой симметрией относительно направлений их максимального излучения;

· значение характеристики направленности облучателя вне сектора углов перехвата энергии основным зеркалом равно 0,316 (по напряженности поля).

Рис. 3.1. Квадратная апертура.

Общая расчетная формула для определения значения ППЭ имеет вид (2.1). Физический смысл отдельных составляющих прежний. Составляющие П_а и П_обл в децибелах относительно 1 мкВт/см² будут иметь вид:

, дБ                         (3.2)

, дБ, где                                (3.3)

Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;

λ - длина волны, м;

а - сторона квадрата (апертуры антенны), м;

D₀ - КНД антенны в направлении максимального излучения в волновой зоне;

В(х) - функция, учитывающая изменение КНД квадратной апертуры в зависимости от относительного расстояния;

F(u ,x) - нормированная ХН квадратной апертуры в координатах и, х;

θ, R - сферические координаты расчетной точки;

и = (πa sin θ) / λ - обобщенная координата угла;

х = R / R_гр - относительное расстояние;

R_гр = 2а² / λ - граничное расстояние.

D_обл - КНД облучателя в направлении максимального излучения (величина безразмерная). График зависимости D_обл,дБ = 10 lg D_обл как функции аргумента ψ₀ для усредненной модели антенн приведен на рис. П1.2 (приложение 1).

Вычисление функции F(u, x) сводится к расчету характеристики направленности линейного синфазного источника (рис. 3.2) с распределением амплитуды тока, совпадающем с распределением амплитуды поля вида (3.1).

Рис. 3.2. К расчету характеристики направленности.

Значение напряженности поля в расчетной точке определяется выражением:

 где                                              (3.4)

                               (3.5)

В (3.5) f(τ) определяется распределением поля, а геометрические параметры υ, r являются функциями θ, R.

Нормированная характеристика направленности апертуры имеет вид:

                                                (3.6)

В терминах обобщенных координат (и, х) направленные свойства апертуры будут характеризоваться функцией F(u, x).

Функции F(u, x) сильно осциллирующие, поэтому в практических расчетах ППЭ следует использовать их гарантированные огибающие. Для удобства практических расчетов гарантированные огибающие табулированы (приложение 3, таблицы 3.1 и 3.2). При значениях х > 1, что соответствует дальней зоне, необходимо пользоваться огибающими для х = 1.

Аналитическое выражение функции В(х)/х для квадратной апертуры с амплитудным распределением типа «косинуса на пьедестале» имеет вид:

  (3.7)

где                               (3.8)

 - косинус интеграла Френеля,                   (3.9)

 - синус интеграла Френеля.                   (3.10)

В области х ≤ 1 функция (3.7) осциллирующая, а в области х > 0,15 - изменяется монотонно. При расчете ППЭ осциллирующую часть функции следует заменить огибающей ее максимумов.

На рис. П3.1 (приложение 1) приведена функция 20 lg (B(x) / x). В области х > 1 функция 20 lg (B(x) / x) = -20 lg x.

Порядок расчета ППЭ в переднем полупространстве не отличается от приведенного для круглой апертуры.

Для расчета ППЭ в области заднего полупространства вводится понятие эквивалентной круглой апертуры. Диаметр эквивалентной апертуры определяется из условия равенства площадей квадратной и круглой апертур:

                                                      (3.11)

Угол раскрыва эквивалентной апертуры определяется по формуле:

 где                                             (3.12)

f - фокусное расстояние зеркала.

Прямоугольная апертура. Прямоугольная апертура со сторонами a и b показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Прямоугольная апертура.

Расчетная формула для апертурной составляющей ППЭ имеет вид:

              (3.13)

                        (3.14)

Функции F(u,x), входящие в (3.13), вычисляются в соответствии с (3.4)...(3.6) с учетом перехода к обобщенным координатам и и x, а функции В(х)/х - по формуле (3.7) при х = х₁ и х = х₂, соответственно.

Расчет составляющей ППЭ от облучателя выполняется по формуле (3.3). КНД облучателя следует рассчитывать по формуле:

 где                                                (3.15)

D₁ и D₂ определяются по формулам (2.15) и (2.16) с учетом различных значений угла ψ₀ в главных плоскостях.

Диаметр эквивалентной круглой апертуры, необходимый для расчета дифракционной составляющей ППЭ, определяется из условия равенства площадей прямоугольной и круглой апертур:

                                                        (3.16)

Угол раскрыва эквивалентной круглой апертуры определяется по формуле (3.12).

Примеры расчета ППЭ вблизи параболических антенн с квадратной и прямоугольной апертурами приведены в приложении 3.

4. Расчет плотности потока энергии вблизи антенн типа параболический цилиндр и рупорных антенн

Антенна типа параболический цилиндр. Антенна имеет прямоугольную апертуру (рис. 4.1). Распределение амплитуды поля вдоль сторон апертуры в главных плоскостях XOZ и ZOY равномерное. Методика расчета ППЭ соответствует случаю прямоугольной апертуры при f(τ) = const. Огибающие F(u, x) для случая f(τ) = const отличаются от аналогичных кривых, соответствующих распределению (3.1) не существенно (единицы дБ). Поэтому в практических расчетах можно использовать данные, приведенные в табл. П3.1 и табл. П3.2.

Значение КНД облучателя рассчитывается по формуле:

 где                        (4.1)

L - длина облучателя;

 - интегральный синус.

В области заднего полупространства расчет ППЭ следует вести по формуле (3.3), приняв D_обл = D₀.

Рис. 4.1. Антенна типа параболический цилиндр.

Пирамидальный рупор. Пирамидальные (рис. 4.2) и конические (рис. 4.3) рупорные антенны имеют апертуры с неравномерным и несинфазным возбуждением. Линейные размеры апертур обычно измеряются единицами, реже десятками длин воли Расчетные точки, находящиеся на расстоянии нескольких метров от таких антенн, относятся к дальней (волновой) зоне.

Плотность потока энергии в переднем полупространстве вблизи таких антенн рассчитывается по формуле:

 где                                          (4.2)

Р - мощность, изучаемая антенной, Вт;

F(θ, φ) - характеристика направленности рупора;

D_p - КНД рупора.

Рис. 4.2. К расчету ППЭ вблизи пирамидального рупора.

Для пирамидального рупора в расчетах следует принять:

 где                                              (4.3)

сомножители - это нормированные характеристики направленности рупорной антенны в E и H плоскостях.

Для расчета характеристики направленности в плоскости Е (φ = 0) сначала вычисляется функция:

 где             (4.4)

                           (4.5)

L, b - геометрические параметры рупора в Е плоскости;

C(w₁), C(w₂) - косинусы интеграла Френеля

S(w₁), S(w₂) - синусы интеграла Френеля

Нормированная характеристика направленности имеет вид:

                                                         (4.6)

Для расчета характеристики направленности в плоскости Н  сначала вычисляется функция:

 где                    (4.7)

   (4.8)

L, а - геометрические параметры рупора в Н плоскости;

С(v₁), С(v₂), С(v₃), С(v₄) - косинусы интеграла Френеля;

S(v₁), S(v₂), S(v₃), S(v₄) - синусы интеграла Френеля.

Нормированная характеристика направленности имеет вид:

                                                        (4.9)

Значение КНД пирамидальной рупорной антенны рассчитывается по формуле:

 где        (4.10)

            (4.11)

С(u₁), С(u₂), С(u₃) - косинусы интеграла Френеля;

S(u₁), S(u₂), S(u₃) - синусы интеграла Френеля.

Конический рупор. Для конического рупора функция F(θ, φ) рассчитывается следующим образом. Сначала для заданного угла φ вычисляется ненормированная характеристика направленности:

f(θ) = q₁ [U₁(2γ,δ) + iU₂(2γ,δ)] + q₂J₀(δ) + q₃J₁(δ), где                        (4.12)

          (4.13)

                       (4.14)

                   (4.15)

 δ = kr sinθ,                                     (4.16)

 - функция Ломмеля 1-го порядка; (4.17)

J_m (l + 2n, δ) - функция Бесселя порядка т = 1 + 2п аргумента δ;

 - функция Ломмеля 2-го порядка;    (4.18)

J_m (2 + 2n, δ) - функция Бесселя порядка т = 2 + 2п аргумента δ;

c₁ = -0,37, c₂ = -0,845, c₃ = 0,215 - коэффициенты, соответствующие волне возбуждения H₁₁ (при равномерном возбуждении апертуры с₁ = с₂ = с₃ = 0);

J₀(δ), J₁(δ) - функции Бесселя соответственно нулевого и первого порядка.

Сходимость рядов обеспечивается при п = 40.

Нормированная характеристика направленности имеет вид:

                                                     (4.19)

Значение КНД конической рупорной антенны рассчитывается по формуле:

                                                           (4.20)

В области заднего полупространства расчет ППЭ выполняется по формуле:

                                                            (4.21)

Рис. 4.3. К расчету ППЭ вблизи конического рупора.

Примеры расчетов ППЭ вблизи антенн типа параболический цилиндр, пирамидального и конического рупора приведены в приложении 4.

5. Расчет плотности потока энергии вблизи рупорно-параболической и перископической антенн

Конструкция типовой рупорно-параболической антенны (РПА) схематично представлена на рис. 5.1. Апертуру можно считать квадратной с размером 2,7 × 2,7 м². Методика расчета ППЭ в переднем полупространстве (Y > 0) соответствует приведенной в разделе 3 для квадратной апертуры с распределением амплитуды поля (3.1) - «косинус на пьедестале». Составляющая П_а рассчитывается по формуле (3.2), составляющая П_о6л - по формуле (3.3). При этом угол раскрыва рупора 2ψ₀ = 35°. Учитывая, что РПА обладает хорошим защитным действием (уровень бокового излучения исключительно низок: почти во всем секторе углов он не превосходит -60...-70 дБ), дифракционную доставляющую и составляющую П_о6л при расчете ППЭ в области заднего полупространства (Y < 0) не учитывать.

Рис. 5.1. Рупорно-параболическая антенна.

Перископические антенные системы (ПАС) обычно строятся по трехэлементной схеме (рис. 5.2) - первичный рупорный облучатель, нижнее зеркало и верхнее зеркало. Диаметр верхнего зеркала 3,9 м, нижнего 3,2 м. Диаметры апертур с учетом наклонного положения зеркал следует брать равными 0,7 реальных диаметров зеркал.

В общем случае значение ППЭ в произвольной точке пространства M определяется тремя составляющими, каждая из которых соответствует одной из трех антенн - Al, A2, A3 (рис. 5.3).

Антенна А1 рупорная. Её вклад в значение ППЭ определяется в соответствии с методикой, изложенной в разделе 4. Антенны А2 и A3 имеют круглые апертуры. Их вклад в значение ППЭ определяется апертурными составляющими, которые рассчитываются по формуле (2.8).

Вблизи поверхности земли значение ППЭ определяется в основном антенной А1 - облучателем, поэтому вклад апертурных составляющих верхнего и нижнего зеркала можно не учитывать.

Рис. 5.2. Перископическая антенная система.

В области Y < 0 следует ограничиться только составляющей от антенны А1, то есть не учитывать составляющие ППЭ, обусловленные дифракцией электромагнитных волн на зеркалах.

Рис. 5.3. К расчету ППЭ вблизи ПАС.

Примеры расчета ППЭ вблизи антенн РПА и ПАС приведены в приложении 5.

6. Учет влияния решетчатой структуры рефлектора

Решетчатая структура рефлектора создает повышенный (по сравнению с зеркалом из сплошного листа) уровень ППЭ в области заднего полупространства антенны. При облучении рефлектора электромагнитной энергией происходит ее отражение (полезный эффект, связанный с формированием диаграммы направленности антенны) и частичное прохождение в область заднего полупространства (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Прохождение энергии через зеркало.

Значение составляющей П_пр в точке М, находящейся в области заднего полупространства, определяется по формуле:

 Вт/м², где                             (6.1)

Т - коэффициент прохождения волны через решетчатую структуру (по полю);

Р - мощность излучения облучателя, Вт;

D_обл - коэффициент направленного действия облучателя (величина безразмерная);

F_обл(γ) - характеристика направленности облучателя (величина безразмерная);

R - расстояние от фазового центра облучателя до расчетной точки М, м.

Угловая зависимость коэффициента прохождения не учитывается. Значение T определяется для случая нормального падения плоской волны на безграничную плоскую решетчатую структуру.

Характеристика направленности облучателя в области углов 0 < γ ≤ ψ₀ имеет вид:

                           (6.2)

Значение КНД облучателя рассчитывается по формуле (2.15).

Для случая выполнения рефлектора (зеркала) из сетки линейных проводников (рис. 6.2) формула для расчета коэффициента прохождения по полю имеет вид:

, где                             (6.3)

H⁽²⁾₀ (nkd), Н⁽²⁾₀ (kρ) - цилиндрические функции Бесселя 3-го рода (функции Ганкеля), k - волновое число для свободного пространства, d - расстояние между проводами, ρ - радиус проводов в сетке.

Рис. 6.2. Падение плоской волны на проволочную сетку.

Функции Бесселя рассчитываются по формулам:

                                             (6.4)

            (6.5)

Ряд, стоящий в правой части (6.5), сходится достаточно быстро (можно ограничиться десятью членами).

В случае выполнения отражательного зеркала в виде поверхности со щелями (рис. 6.3а) при длине щелей, отвечающих условию (t > λ), считать, что полоски и щели имеют безграничную длину (рис. 6.3б).

Для практически важного случая d < (0,4...0,5)λ, формула расчета коэффициента прохождения имеет вид:

                                                  (6.6)

Рис. 6.3. К расчету коэффициента прохождения через поверхность со щелями.

Для поверхности с круглыми отверстиями (рис. 6.4) и расстоянии между центрами отверстий d < (0,3...0,4)λ формула для расчета коэффициента прохождения имеет вид:

 где                                              (6.7)

d - расстояние между щелями, D - диаметр щели, t - толщина отражающей поверхности.

В тех случаях, когда геометрические параметры решетчатой структуры не позволяют рассчитать коэффициент прохождения или структура решетки существенно отличается от рассмотренных, следует брать Т = 0,01...0,02.

Рис. 6.4. К расчету коэффициента прохождения через поверхность с отверстиями.

Пример расчета ППЭ с учетом решетчатой структуры рефлектора приведен в приложении 6.

7. Расчет плотности потока энергии вблизи вибраторных антенн

Расчет ППЭ вблизи вибраторных антенн осуществляется по формуле:

 мкВт/см², где                                   (7.1)

 и  - векторы напряженности электрического (В/м) и магнитного, (А/м) полей, соответственно (символом «×» здесь и далее обозначается векторное произведение).

Вычислению векторов напряженности электрического и магнитного полей предшествует решение электродинамической задачи о нахождении функции распределения тока (токовой функции) в проводниках антенны при заданном возбуждении.

Данная задача решается в приближении тонкого провода с использованием интегрального уравнения Харрингтона. При этом используется метод коллокации (метод сшивания в точках) при кусочно-синусоидальном базисе разложения токовой функции. Антенна представляется системой цилиндрических проводников, радиус которых не превышает 0,02λ. Проводники разбиваются определенным образом на короткие отрезки (сегменты), длина которых не превышает 0,1λ. Соседние сегменты (на одном проводнике) частично перекрываются: начало некоторого данного сегмента совпадает с центром предыдущего, конец - с центром последующего.

Интегральное уравнение Харрингтона имеет вид:

, где           (7.2)

E₀(l) - стороннее поле;

L - контур, последовательно проходящий по осям всех проводников - вдоль данного контура отсчитываются криволинейные координаты l и l’ (см. рис. 7.1);

ω - круговая частота;

μ₀ - магнитная постоянная;

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

 и  - единичные векторы, тангенциальные к проводникам в точках l и l’;

 - функция Грина;

 - расстояние между точками, соответствующими значениям l и l’;

 и  - радиус-векторы точек l и l’, соответственно;

a(l) - радиус проводника в точке l;

I(l’) - искомая токовая функция.

Рис. 7.1. К решению интегрального уравнения.

Искомая токовая функция I(l’) при выбранном базисе разложения определяется как линейная комбинация:

, где                                                    (7.3)

М - число базисных функций, равное числу сегментов;

I_m - коэффициент при m-ой базисной функции;

В_m(l’) - m-ая кусочно-синусоидальная базисная функция.

Представление токовой функции в виде (7.3) сводит интегральное уравнение (7.2) к системе М линейных алгебраических уравнений относительно I_m:

, где                                               (7.4)

k = 1, 2,...M,

N - число входов (активных вибраторов) антенны;

I_(вх)i - заданные входные токи.

Коэффициенты системы (7.4) рассчитываются по формуле:

 где  (7.5)

l_k и l_m - средние точки соответственно т-го и k-го сегментов;

L_m - половина длины т-го сегмента;

R₁, R₀ и R₂ - расстояния до средней точки k-го сегмента соответственно от начальной, средней и конечной точек m-го сегмента;

,  - координаты средней точки k-го сегмента в цилиндрической системе, связанной с т-м сегментом;

 - ρ-орт в цилиндрической системе, связанной с т-м сегментом;

 и  - радиус-векторы средних точек k-го и m-го сегментов, соответственно.

Первые М сегментов вводятся собственно на проводниках антенны. Сегменты с номерами, превышающими M, вводятся в областях зазоров активных вибраторов, к которым подводятся питающие напряжения (токи). Соответствующие им коэффициенты Z_k,M+i, обусловливающие неоднородность системы (7.4), также рассчитываются по формуле (7.5).

Найденные коэффициенты I_m, будучи подставленными в (7.3), совместно с базисными функциями восстанавливают функцию, аппроксимирующую распределение тока по проводникам.

Векторы напряженности электрического и магнитного полей в заданной точке наблюдения с радиус-вектором  рассчитываются по формулам:

, , где                                               (7.6)

 и  - векторы напряженности соответственно электрического и магнитного полей, создаваемые в точке наблюдения k-м сегментом (включая сегменты в зазорах активных вибраторов).

Векторы  и  рассчитываются по формулам:

                 (7.7)

 где                     (7.8)

R₁, R₀ и R₂ - расстояния между точкой наблюдения и соответственно начальной, средней и конечной точками m-го сегмента;

,  - координаты точки наблюдения  в цилиндрической системе, связанной с т-м сегментом;

 - φ-орт в цилиндрической системе, связанной с т-м сегментом.

При т > М в формулах (7.7) и (7.8) в качестве коэффициентов I_m, берутся соответствующие заданные входные токи: I_m = I_(вх)m-N, т > N.

Пример расчета ППЭ вблизи вибраторной антенны приведен в приложении 7.

8. Учет влияния подстилающей поверхности (земли, крыши)

Учет влияния плоской безграничной поверхности сводится к применению двухлучевой модели (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Двухлучевая модель распространения радиоволн.

В точке В плотность потока энергии рассчитывается по формуле:

П = П₁ (θ₁, φ₁, r₁) + П₂ (θ₂, φ₂, r₂), где                                      (8.1)

П₁ (θ₁, φ₁, r₁) - ППЭ, создаваемая прямой волной (луч АВ);

П₂ (θ₂, φ₂, r₂) - ППЭ, создаваемая волной, распространяющейся по траектории АСВ;

                                       (8.2)

                                                      (8.3)

                                                      (8.4)

Обе составляющие рассчитываются по методике, соответствующей свободному пространству.

Для учета влияния горизонтальной идеально проводящей плоскости конечных размеров выделяется три области, соответствующие приближению геометрической оптики (рис. 8.2):

I - область прямых лучей, II - область интерференции прямых и отраженных лучей, III - область тени, в которой предполагается отсутствие поля.

Рис. 8.2. Деление пространства на области.

Исходными данными для учета конечных размеров крыши вдоль азимута φ (рис. 8.3) являются: координаты фазового центра Ф{0, 0, z_Ф}, координаты расчетной точки М{x_M, y_M, z_m}, координаты углов крыши А{х_A, у_A, z_a}, В{х_B, у_B, z_B].

Последовательность расчета:

1. Вычисляются значения некоторых вспомогательных параметров:

                          (8.5)

2. Определяются координаты точки К (точки пересечения кромки крыши АВ линии Оξ):

· для φ ≠ , 3

                                       (8.6)

· для φ = , 3

x_K = 0, y_K = a_AB                                                  (8.7)

3. Рассчитываются расстояния:

                       (8.8)

4. В соответствии с алгоритмом, приведенном на рис. 8.4, определяется принадлежность точки М к одной из трех областей.

5. Приведенный порядок расчета повторяется для всех выбранных значений φ, соответствующих положению линии Оξ, внутри сектора углов АОВ.

Рис. 8.3. К учету влияния горизонтальной крыши.

Примечание. В приложении 9 приведена информация о рекомендуемом программном обеспечении, включающем в себя расчеты плотности потока энергии по приведенным выше методикам для рассмотренных технических средств.

Рис. 8.4. Алгоритм определения области нахождения точки М.

9. Инструментальный контроль уровней электромагнитных полей радиосредств

9.1. Инструментальный контроль уровней ЭМП проводится с целью определения фактического состояния электромагнитной обстановки в местах расположения излучающих радиосредств.

Измерения проводятся:

· на этапе предупредительного санитарного надзора (при приемке объекта в эксплуатацию);

· на этапах текущего санитарного надзора (при изменении ситуационных планов размещения антенн, технических характеристик или режимов работы объекта;

· после проведения защитных мероприятий, направленных на снижение уровней ЭМП;

· в порядке плановых контрольных измерений (не реже одного раза в год).

9.2. Подготовка к проведению инструментального контроля включает несколько этапов:

· согласование цели, времени и условий проведения измерений с заинтересованными организациями и предприятиями;

· рекогносцировку района проведения измерений (подготовка информации о местности, рельефе, наличии переотражающих поверхностей, выбор трасс и точек измерений);

· подготовку информации об источнике излучения (типы передающих средств, рабочие частоты, режимы и мощности, типы антенн, их параметры и пространственное положение);

· изучение нормативной санитарно-гигиенической документации, относящейся к данному виду технических средств;

· обеспечение измерений дальности до точки измерений;

· подбор и подготовку необходимой измерительной аппаратуры;

· выполнение расчетного прогнозирования;

· определение необходимости использования средств индивидуальной защиты.

9.3. Для инструментального контроля используются измерители плотности потока энергии (ППЭ), к которым предъявляются следующие требования:

· измерительная антенна (зонд, датчик поля) не должна существенно искажать структуру измеряемого поля;

· измерительная антенна (зонд, датчик поля) должна иметь изотропную характеристику направленности;

· кабель, соединяющий антенну с измерительным прибором не должен обладать антенным эффектом;

· частотный диапазон измерительной антенны должен соответствовать диапазону частот измеряемых электромагнитных полей;

· прибор должен обладать достаточной помехозащищенностью для работы в мощных мешающих ЭМП, работать в стационарных и полевых условиях.

9.4. Перечень рекомендуемых измерительных приборов приведен в таблице приложения.

9.5. Выбор трасс (маршрутов) измерений.

9.5.1. Число трасс определяется рельефом прилегающей местности и целью измерений. При установлении границ СЗЗ выбирается несколько трасс, определяемых по конфигурации теоретических границ СЗЗ и прилегающей селитебной зоны. При текущем санитарном надзоре, когда характеристики объекта и условия его эксплуатации остаются неизменными, измерения могут проводиться по одной характерной трассе или по границе СЗЗ.

9.5.2. При выборе трасс учитывается характер прилегающей местности (рельеф, растительный покров, застройка и пр.), в соответствии с которым район, прилегающий к объекту, разбивается на секторы. В каждом секторе выбирается радиальная относительно объекта трасса. К трассе предъявляются требования:

- трасса должна быть открытой, а площадки, на которых намечается поведение измерений, должны иметь прямую видимость на антенну излучающего средства;

- вдоль трассы, в пределах главного лепестка ХН, не должно быть переизлучателей (металлических конструкций и сооружений, линий электропередачи и т.п.) и других затеняющих местных предметов;

- наклон трассы должен быть минимальным по сравнению с наклоном всех возможных трасс в данном секторе;

- трасса должна быть доступной для пешего передвижения или для автотранспорта;

- протяженность трассы определяется на основе расчетного удаления границ СЗЗ и глубины зоны ограничения застройки (в 1,5-2 раза больше);

- точки (площадки) для проведения измерений следует выбирать с интервалом 5-10 м - при удалении до 100 м от излучающей антенны; 10-20 м - при удалении от 100 м до 300 м; 20-50 м - при удалении более 300 м.

9.6. Проведение измерений.

9.6.1. Выбор мест измерений определяется необходимостью по возможности исключить облучение населения в местах его возможного нахождения как в пределах санитарно-защитной зоны и зоны ограничения, так и вне их.

9.6.2. В обязательном порядке обследованию в границах санитарных зон подлежат здания первой линии относительно объекта. В случае превышения предельно допустимого уровня проверке подвергаются строения последующих линий, особенно строения, высота которых превышает высоту строений первой линии.

9.6.3. При измерении уровней ЭМП необходимо ориентировать измерительную антенну (зонд, датчик поля) на излучающую антенну и вращением ее вокруг своей оси добиться максимального значения.

9.6.4. В каждой точке измерений следует находить максимальное значение ППЭ по высоте до 2 метров. При этом следует руководствоваться требованиями п. 9.6.3.

9.6.5. В каждой точке контроля производится три независимых измерения. Результатом является максимальное значение этих измерений.

9.6.6. По результатам измерений составляется протокол, который является неотъемлемой частью санитарного паспорта.

Приложение 1

Справочный материал для расчета ППЭ вблизи параболической антенны с круглой апертурой

1. Функция F(u, x) - круглая апертура, u = 0...100

Таблица П1.1