Определение уровней магнитного поля в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто-, и декаметрового диапазонов

Российской Федерации

Главный государственный

санитарный врач Российской Федерации

Онищенко Г.Г.

04 ноября 1997 г.

4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

УДК 621.396.67:537.63

1. Разработаны Бузовым А.Л., Романовым В.А., Кольчугиным Ю.П. (Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио Государственного Комитета Российской Федерации по связи и информатизации) и Кубановым В.П., Сподобаевым Ю.М. (Поволжский институт информатики, радиотехники и связи).

Методические указания содержат методику расчетного прогнозирования напряженности магнитного поля излучающих технических средств радиосвязи и радиовещания в кило-, гекто- и декаметровом диапазонах волн, а также методику измерений уровней магнитного поля. Расчетные и экспериментальные исследования, производимые в соответствии с данной методикой, являются необходимыми и достаточными при проведении электромагнитной экспертизы излучающих объектов.

Методические указания распространяются на радиотехнические объекты, которые могут быть укомплектованы как техническими средствами одного частотного диапазона, так и техническими средствами различных частотных диапазонов. Электромагнитные поля технических средств могут отличаться интенсивностью, поляризацией, частотами, зависимостью от параметров почвы и т.д. Методические указания учитывают индивидуальность реальных объектов, проявляющуюся (с точки зрения электромагнитной обстановки) в различии размещения и ориентации отдельных антенн, в несовпадении расписаний смены волн, в неодинаковом наборе технических средств.

В качестве передающих антенн кило- и гектометрового диапазонов методика предполагает использование ненаправленных и направленных (в горизонтальной плоскости) антенн.

К ненаправленным антеннам относятся одиночные антенны-мачты:

- антенна-мачта нижнего питания (АМНП);

- антенна-мачта верхнего питания (АМВП);

- антенна-мачта шунтового питания (АМШП);

- антенна с регулируемым распределением тока (АРРТ, АРРТЗ, АРРТЗ-2/3, АРРТЗ-2/4);

- Г- и Т- образные антенны;

- «Диск»;

- «Наклонный луч» (одиночный и двойной);

- зонтичная антенна-мачта;

- низкие излучатели треугольной или квадратной формы на базе самодополнительных структур.

К направленным передающим антеннам относятся:

- система из двух антенн-мачт - активной и пассивной;

- система из двух активно питаемых антенн-мачт;

- антенная система СВ (2+2);

- антенная система СВ (4+4);

- «Заря».

В качестве передающих антенн декаметрового диапазона используются слабонаправленные и направленные антенны.

К слабонаправленным антеннам декаметрового диапазона относятся:

- произвольно ориентированные линейные симметричные вибраторы (антенны ВГДШ, вертикальные и наклонные симметричные вибраторы);

- антенны на основе симметричных вибраторов (антенны УГД, ВГДШ 2У, ВГДШП РА, АТЗИ);

- вертикальные несимметричные вибраторы.

В горизонтальной плоскости эти антенны имеют либо слабонаправленную, либо круговую характеристику направленности.

К направленным антеннам декаметрового диапазона относятся:

- синфазные антенны различных типов (СГД РН, СГД РА, СГД РАД, СГДП РА, многоэлементная АТЗИ);

- ромбические антенны (РГ, РГД);

- логопериодические антенны (ЛПН, ЛПВ, ЛПВ2).

Синфазные антенны типа СГД используются в разных режимах работы: с поворотом диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, с синфазным и противофазным, а также линейным фазированием групп вибраторов.

Структура электромагнитного поля вблизи антенн кило-, гекто- и декаметрового диапазонов исключительно сложна и зависит от множества факторов: типа антенн, рабочих частот, уровня излучаемой мощности, поляризации излучаемого поля, электрофизических параметров почвы, рельефа местности, растительного покрова, характера и степени застройки, взаимного влияния антенн.

Учесть все эти факторы при расчетном прогнозировании и измерениях уровней напряженности поля не представляется возможным, поэтому при расчетах принимается окружающая объект поверхность гладкой, без затеняющих и переизлучающих предметов.

В расчетном прогнозировании магнитное поле определяется для конкретных значений электрофизических параметров почвы - диэлектрической проницаемости  и проводимости . В реальных условиях поле вблизи антенн зависит от локальных значений параметров почвы, которые могут изменяться в широких пределах.

Если антенны излучающего объекта не располагаются на почвах с какими-то преимущественными параметрами, например, песок, болотистая почва, мерзлота и т.п., то прогнозирование следует проводить на наихудшие случаи. Для антенн, излучающих в дальнюю зону поле преимущественно горизонтальной поляризации, - это сухая почва (е = 3, s = 0,001 См/м), а для антенн, излучающих в дальнюю зону поле преимущественно вертикальной поляризации, - это сырая почва (е = 20, s = 0,1 См/м). При расчетах полей в пределах заземления антенн кило- и гектометрового диапазонов параметры подстилающей поверхности следует принимать е = 1, s = 10000 См/м.
3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
Особенностью электромагнитного прогнозирования в кило-, гекто- и декаметровом диапазонах является то, что поле необходимо определять на расстояниях, соизмеримых с геометрическими размерами антенн и длиной волны. Границы санитарно-защитной зоны и зоны ограничений застройки могут попадать как в ближнюю и промежуточную зоны излучения антенн, так и в дальнюю зону. Кроме того, в этих диапазонах характеристики излучения и структура полей вблизи антенн во многом зависят от электрофизических свойств земной поверхности. Учесть эти факторы возможно только в рамках строгих решений соответствующих электродинамических задач.

Антенны, создающие в волновой зоне поля преимущественно одной поляризации (горизонтальной или вертикальной), в ближней зоне создают поля других поляризаций, причем их уровни соизмеримы, а иногда и превышают уровни основной поляризации.

Теоретические исследования показали, что из-за сложной зависимости поля от параметров невозможно получить простые соотношения либо универсальные кривые. Для практического осуществления электромагнитного прогнозирования необходимо знание реального поведения каждой составляющей на различных расстояниях и высотах наблюдений, описать которые можно только в рамках строгих решений.

Поле сложных антенн определяется интегрированием полей соответствующих элементарных электрических вибраторов по линейным размерам этих антенн. При этом решается ряд специфических задач теории антенн, позволяющих более точно рассчитывать ближние поля (учет взаимного влияния элементов антенн и реальных распределений токов по излучателям).

Ниже приводятся основные исходные формулы, используемые для определения напряженности магнитного поля элементарных электрических вибраторов и некоторых перечисленных выше типов антенн.
3.1. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВИБРАТОРОВ
Основу разработанных методов расчета магнитных полей вблизи антенн кило-, гекто- и декаметрового диапазонов составляют строгие решения задач излучения элементарных вибраторов, расположенных над полупроводящей поверхностью.

Комплексные составляющие магнитного поля и вертикального элементарного электрического вибратора, расположенного в цилиндрической системе координат вдоль оси Z (ось Z перпендикулярна поверхности раздела и точка z = 0 лежит на поверхности раздела), рассчитываются по формулам:

р = iIl/ - комплексная амплитуда дипольного момента;

I - ток, возбуждающий вибратор;

l - длина вибратора;

i - мнимая единица;

 - круговая частота;

k₁ - 2 / ;

r, R₁, R₂ - геометрические параметры задачи, выражающиеся формулами:

h - высота подвеса вибратора;

Комплексные составляющие поля , , горизонтального элементарного электрического вибратора, расположенного в декартовой системе координат в плоскости XOZ ( ось Z перпендикулярна поверхности раздела, а плоскость XOY совпадает с поверхностью раздела), рассчитываются по формулам:

h_xx = - (h_rf + h_fr) cos sin;

h_yx = - h_rf sin² + h_fr cos²;

h_zx = - h_sf sin, где

h_rf = ia_s + ib_s - 2`U<sup>v</sup> (1/) + 2`U^v() + 2`I^v(1/),

h_fr = - ia_s + ib_s - 2`U<sup>v</sup> (1/) + 2`U^v() + 2I^v(),

h_sf = - ia_r + ib_r - 2iU^v(1/).

Входящие в эти выражения параметры рассчитываются следующим образом:

I () = у (z, r),

U () = r (i - 1/k₁R₁) у (z, r) / R₁.

Для вычисления функции ослабления, в которую входит интеграл вероятности от комплексного аргумента, используются сходящиеся и асимптотические разложения.

Для |S| < 12

Для |S|  12 при Im  0

при Im < 0

где

Напряженность магнитного поля (эффективное значение) в любой точке пространства вокруг рассматриваемых антенн, расположенных над земной поверхностью с реальными электрофизическими параметрами, в декартовой системе координат имеет три составляющие Н_х, Н_у и H_z и определяется как .

Составляющие Н_х, Н_у и Н_z рассчитываются интегрированием полей горизонтальных элементарных электрических вибраторов по длине плеч вибраторных антенн с учетом функции распределения тока.

Для антенн ВГДШ 2У и АТЗИ составляющие магнитного поля определяются суммированием соответствующих составляющих линейных симметричных вибраторов.

Для антенн ВГДШП РА составляющие поля определяются как от отдельного линейного симметричного вибратора с учетом рефлектора. Данное упрощение оправдывает себя, так как дает малую погрешность результатов. Влияние рефлектора учитывается введением расчета поля от зеркальных изображений излучающих элементов.
3.3. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ СЛАБОНАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН, СОЗДАЮЩИХ

ПОЛЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
К слабонаправленным антеннам, создающим поля преимущественно вертикальной поляризации, относятся антенны в виде вертикальных симметричных и несимметричных вибраторов в декаметровом диапазоне и одиночные антенны-мачты (АМНП, АМВП, АМШП, АРРТ и так далее) в кило- и гектометровом диапазонах.

Напряженность магнитного поля (эффективное значение) в любой точке пространства вокруг линейного вертикального вибратора, расположенного над земной поверхностью с реальными электрофизическими параметрами, в цилиндрической системе координат имеет одну составляющую Н_.

Составляющая Н_ рассчитывается интегрированием поля вертикальных элементарных электрических вибраторов по длине антенны с учетом функции распределения тока.
3.4. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ МНОГОВИБРАТОРНЫХ АНТЕНН

ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Многовибраторные антенны в декаметровом диапазоне представлены тремя основными типами синфазных антенн СГД РА, СГД РН и СГД РАД, а также логопериодическими антеннами ЛПН, ЛПН2, ЛПВ и другими.

Антенна СГД РА имеет апериодический рефлектор, который выполняется в виде горизонтальной сетки проводов. Рефлекторы антенн СГД РН и СГД РАД выполняются в виде полотна, идентичного полотну антенны. В антенне СГД РН рефлектор настраиваемый пассивный, а в антенне СГД РАД - активный. Синфазные антенны СГДП выполняются на плоскостных вибраторах. Расчет электрических полей для всех типов синфазных антенн проводится по одной и той же методике.

Напряженность магнитного поля (эффективное значение) в любой точке пространства вокруг многовибраторных антенн, расположенных над земной поверхностью с реальными электрофизическими параметрами, в декартовой системе координат имеет три составляющие Н_х, Н_у , H_z и определяется как
.
Составляющие Н_х, Н_у и H_z определяются суммированием соответствующих отдельных линейных симметричных вибраторов, из которых состоит многовибраторная антенна.

Так, например, для синфазной антенны составляющие имеют вид:

Составляющие электрического поля линейных симметричных вибраторов определяются по методике, приведенной в разделе 2. При этом в расчетах для отдельных вибраторов, входящих в многовибраторные антенны, изменяются только их координаты относительно выбранной точки наблюдения. Ток в отдельных вибраторах антенны определяется одним из известных методов анализа решеток излучателей - методом наведенных ЭДС либо методом интегральных уравнений. Режимы работы многовибраторных антенн в расчетах обеспечиваются соответствующей фазировкой токов вибраторов или групп вибраторов.

Напряженность магнитного поля (эффективное значение) в любой точке пространства вокруг ромбической антенны, расположенной над земной поверхностью с реальными электрофизическими параметрами в декартовой системе координат имеет три составляющие Н_х, Н_у и H_z и определяется как

 = /2- ( - половина тупого угла ромба).

Магнитное поле провода, обтекаемого бегущей волной тока, определяется интегрированием полей горизонтальных элементарных электрических вибраторов по длине провода с учетом функции распределения тока.
3.6. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ МНОГОВИБРАТОРНЫХ АНТЕННЫХ

СИСТЕМ КИЛО- И ГЕКТОМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ
К многовибраторным антеннам кило- и гектометровых диапазонов относятся системы из двух антенн-мачт, антенные системы СВ (2+2), СВ (4+4) и другие. Основой для построения этих систем являются антенны-мачты с нижним, верхним или шунтовым питанием, представляющие собой вертикальные несимметричные вибраторы.

Напряженность магнитного поля (эффективное значение) в любой точке пространства вокруг многовибраторной антенной системы, расположенной над земной поверхностью с реальными электрофизическими параметрами, в цилиндрической системе координат имеет одну составляющую Н_.

Составляющая Н_ определяется суммированием соответствующих составляющих от каждой мачты, из которых состоят антенные системы:

где - составляющие магнитного поля от каждой мачты,

N - количество антенн-мачт в системе.

Н_ определяются по методике, приведенной в разделе 1. При этом в расчетах для отдельных вибраторов, входящих в систему, изменяются только их координаты относительно выбранной точки наблюдения.

Режим работы многовибраторных антенных систем, а именно, переключение направлений максимального излучения, обеспечиваются выделением активных и пассивных вибраторов, а также необходимой фазировкой питания при расчетах распределений токов по отдельным вибраторам.

Распределение токов по элементам антенн определяется либо известными методами анализа многовибраторных систем, либо задается таким как на соответствующих одиночных мачтах, из которых состоит многовибраторная антенна.
3.7. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ Г- И Т-ОБРАЗНЫХ АНТЕНН
Г- и Т-образные антенны состоят из вертикальной и горизонтальной излучающих частей.

Напряженность магнитного поля (эффективное значение) в любой точке пространства вокруг этих антенн, расположенных над земной поверхностью с реальными электрофизическими параметрами, в декартовой системе координат имеет три составляющие Н_х, Н_у, Н_z и определяется как

Составляющие магнитного поля горизонтальной и вертикальной излучающих частей антенн определяются по методикам, приведенным в разделах 1 и 2 соответственно.

Распределение тока на вертикальной части Г- и Т-образных антенн совпадает с распределением на вертикальных симметричных вибраторах нижнего питания с емкостной нагрузкой. Распределение тока на горизонтальной части аналогично распределению на линейном симметричном вибраторе с синфазным питанием плеч.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ РАСЧЕТА
Для проверки правильности функционирования алгоритмов и программного обеспечения, построенных на основе настоящих методических указаний, ниже приведены результаты расчетов по контрольным вариантам входящих в САПР ЭО типов антенн.

Реализации алгоритмов могут иметь некоторые непринципиальные отличия. Это относится, например, к точности численного интегрирования, выбору методов решения систем уравнений и методов определения сопротивлений излучения, уточнению распределений токов и так далее. Следует иметь ввиду, что такие отличия могут привести к несовпадению расчетов по контрольным вариантам на 10...20%.

Антенны располагаются либо в декартовой, либо в цилиндрической системах координат. Оси Z обеих систем перпендикулярны поверхности раздела.

Для антенн, расположенных в декартовой системе координат, в контрольных вариантах расчетов приводятся модули всех составляющих поля е_х, Е_у, E_z, Н_х, Н_у, H_z, а также суммарная составляющая напряженности электрического поля и модуль составляющей Е_, который определяет характеристику направленности антенн, излучающих в дальнюю зону поля горизонтальной поляризации.

Для антенн, расположенных в цилиндрической системе координат, приводятся модули всех составляющих поля E_r, E_z, Н_ и суммарная составляющая напряженности электрического поля вида

Ориентация антенн определяется установочным азимутом - направлением, от которого отсчитывается азимутальный угол.

Расчетные данные для каждой антенны приведены по всем составляющим на расстоянии 100 м (для системы из 2-х антенн-мачт, СВ (2+2), СВ (4+4), ЛПН и ЛПН2 - 300 м) и высоте 2 м над земной поверхностью в направлении 10° от установочного азимута антенн для сухой почвы ( = 3,  = 0,001 См/м).