"ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В МЕСТАХ РАЗМЕЩЕНИЯ РАДИОСРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 700 МГЦ - 30 ГГЦ. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. МУК 4.3.043-96" (утв. Главным Государственным санитарным врачом РФ 02.02.96)

УТВЕРЖДАЮ
Председатель Государственного
комитета санитарно -
эпидемиологического надзора
Российской Федерации,
Главный Государственный
санитарный врач
Российской Федерации
Е.Н.БЕЛЯЕВ
2 февраля 1996 года

Дата введения -
с момента утверждения

1. Разработаны сотрудниками Самарского отраслевого научно - исследовательского института радио Министерства связи Российской Федерации ( Бузовым А.Л., Романовым В.А.) и Поволжского института информатики, радиотехники и связи ( Кубановым В.П., Сподобаевым Ю.М.).

2. Утверждены и введены в действие Председателем Госкомсанэпиднадзора России - Главным Государственным санитарным врачом Российской Федерации 2 февраля 1996 г.

3. Представлены Министерством связи России (N 6109 от 23.11.1995).

4. Введены впервые.

1. Область применения

Методические указания составлены в помощь инженерам органов и учреждений санитарно - эпидемиологической службы, инженерно - техническим работникам, проектным организациям средств связи с целью обеспечения предупредительного санитарного надзора за источниками излучения технических средств радиорелейных систем прямой видимости (РРСП ПВ), тропосферных радиорелейных систем (ТРРСП) и спутниковых систем (ССП) радиовещания, телевидения и радиосвязи диапазона частот 700 МГц - 30 ГГц, определения границ санитарно - защитных зон и зон ограничения застройки, а также для прогнозирования уровней электромагнитного поля (ЭМП) при выборе мест размещения этих средств.

2. Сущность метода

Названные системы предназначены для передачи различных сообщений и работают, как правило, в непрерывном режиме. Конструкции антенн довольно разнообразные, но практически все они относятся к классу апертурных. Все апертурные антенны имеют многолепестковые диаграммы направленности (ДН), что определяет сложную структуру электромагнитного поля (ЭМП) вблизи радиотехнических объектов (РТО).

Методика расчетного прогнозирования электромагнитных полей вблизи технических средств радиорелейных и спутниковых систем передачи базируется на строгих решениях соответствующих электродинамических задач. Основные положения методики и расчетные формулы приведены в разделе 4.

Методические указания содержат методику расчетного прогнозирования плотности потока мощности электромагнитного поля излучающих технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения в диапазоне частот 700 МГц - 30 ГГц, а также методику измерений уровней электромагнитного поля.

3. Краткая характеристика источников излучения

3.1. Некоторые частотные и энергетические характеристики типового оборудования, а также геометрические и электрические параметры антенн РРСП ПВ приведены в табл. 3.1.

3.2. В табл. 3.1 использованы общепринятые обозначения антенн: РПА - рупорно - параболическая антенна; АДЭ - антенна двухзеркальная с эллиптическим переизлучателем (число после аббревиатуры - диаметр апертуры в метрах); ПАС - перископическая антенная система; ПА - параболическая антенна.

3.3. Антенну РПА можно рассматривать как квадратную апертуру с размерами 2,7 x 2,7 кв. м.

Антенна АДЭ имеет несколько модификаций, отличающихся диаметром и углом раскрыва основного зеркала: АДЭ-5, АДЭ-3,5 и АДЭ-2,5.

У основной модификации ПАС апертуру верхнего зеркала можно считать кругом с диаметром 3,9 м.

3.4. Некоторые частотные и энергетические характеристики типового оборудования, а также геометрические и электрические параметры антенн ТРРСП приведены в табл. 3.2.

3.5. Некоторые частотные и энергетические характеристики типового оборудования земных станций ССП, а также геометрические и электрические параметры их антенн приведены в табл. 3.3.

3.6. Антенны РРСП ПВ, ТРРСП и ССП по принципу действия рассматриваются как излучающие отверстия (апертуры) круглой или квадратной формы. Площадь апертуры существенно превышает квадрат длины волны излучаемого ЭМП.

Таблица 3.1

Характеристика типового оборудования РРСП ПВ

Таблица 3.2

Характеристика типового оборудования ТРРСП

Примечание. В таблице 3.2 использовано обозначение: НПА - несимметричная параболическая антенна.

Таблица 3.3

Характеристика типового оборудования ССП

3.7. Данные, приведенные в табл. 3.1 - 3.3, не следует считать исчерпывающими и неизменными. Излагаемая ниже методика оценки ППМ позволяет легко справиться с задачей, если даже речь будет идти об апертурной антенне иной конструкции.

4. Методика расчета ППМ апертурных антенн

4.1. Плотность потока мощности, создаваемая апертурной антенной в расчетной точке (рис. 1), определяется по формуле:

П = Па + Побл, Вт/кв. м, (4.1)

где:

Па - апертурная составляющая ППМ (рис. 2);

Побл - составляющая ППМ, определяемая непосредственно излучением облучателя (рис. 3).

4.2. В предположении осевой симметрии ХН облучателя и антенны ППМ не зависит от координаты . При этом составляющие Па и Побл записываются в виде:

где:

Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;

Dо - КНДантенны в направлении максимального излучения в волновой зоне (величина безразмерная);

В (R)(2)- функция, учитывающая изменение КНД по мере перехода расчетной точки из ближней зоны в волновую (величина безразмерная);

F(2) (,R) - нормированная ХН антенны по мощности (величина безразмерная);

Dобл -КНД облучателя в направлении его максимального излучения (величина безразмерная);

Fобл(2) () - нормированная ХНоблучателя по мощности (величина безразмерная);

, R - сферические координаты расчетной точки.

Существенно отметить, что КНД и ХН апертуры являются функциями расстояния R, а эти же параметры облучателя не зависят от R, т.к. расчетная точка по отношению к облучателю всегда находится в волновой зоне.

4.3. Закон распределения амплитуды поля по апертуре принят в виде:

- для круглой апертуры

f(r) = + (1 - ) [1 - (2r / d)(2) ]; (4.4)

- для квадратной апертуры

f() = + (1 - ) cos ( / a); (4.5)

где:

= 0,316;

r - текущее значение координаты на диаметре апертуры;

- текущее значение координаты вдоль любой стороны квадрата;

a - сторона квадрата.

4.4. Вне углов сектора перехвата энергии облучателя зеркалом функция Fобл () считается неизменной и равной 0,316.

Следовательно, в этом случае Fобл(2) () = 0,1.

С учетом этого формула (4.3) записывается в таком виде:

4.5. Методика расчета ХН антенны предполагает использование переменных u и x, которые записываются в виде:

u = ( d sin ) / - для круглой апертуры,

u = ( a sin ) / - для квадратной апертуры, (4.7)

x = R / Rгр, (4.8)

где: d - диаметр апертуры, м;

- длина волны, м;

Rгр = 2d(2) / - для круглой апертуры; (4.9)

Rгр = 2a(2) / - для квадратной апертуры. (4.10)

Переменные u и x принято называть обобщенными координатами. Величину x часто называют относительным расстоянием.

4.6. С учетом введения обобщенных координат u и x формула (4.2) приводится к виду:

4.7. Перевод размерности ППМ Вт/кв. м в мкВт/кв. см осуществляется умножением выражений (4.6) и (4.11) на 100.

4.8. Переход от абсолютных значений размерности ППМ к относительным (децибелам относительно 1 мкВт/кв. см) позволяет записать выражения (4.6) и (4.11) в виде:

где:

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

F(u, x) - нормирования ХН в координатах u, x.

Прочие величины, входящие в (4.12) и (4.13), определены выше.

Формула (4.12) справедлива как для круглой апертуры, так и для квадратной. В случае ее применения для квадратной апертуры в знаменателе первого слагаемого параметр d (диаметр) заменяется на a (сторона квадрата).

4.9. Функция 20 lg [В(x) / x] в области x < 0,2 является осциллирующей. При x > 0,2 она изменяется монотонно. В силу специфики задачи оценки ЭМО осциллирующая часть функции заменяется огибающей ее максимумов. На рис. 4 и рис. 5 приведена эта функция соответственно для антенн с круглой и квадратной апертурами. В области x > 1

20 lg [В(x) / x] = -20 lg x.

4.10. Функция F(u, x) сильно осциллирующая. Графики гарантированных огибающих ХН антенн с круглой апертурой для фиксированных значений x приведены на рис. 6 и рис. 7. По оси ординат отложены значения FдБ = F(u, x), дБ.

Аналогичные кривые для антенн с квадратной апертурой приведены на рис. 8 и рис. 9.

4.11. Функция F(u, x) рассчитывалась апертурным методом - численным интегрированием полей элементарных излучателей (элементов Гюйгенса), расположенных по всей апертуре. В случае круглой апертуры учитывалось затенение апертуры облучателем. Учет затенения осуществлялся исключением интегрирования полей элементов Гюйгенса, расположенных в центре апертуры внутри круга с диаметром dт. В методике принято, что коэффициент затенения dт/d = 0,1 (dт - диаметр "теневого диска", d - диаметр апертуры).

4.12. Графики гарантированной огибающей для различных x, приведенные на рис. 6 - 9, являются универсальными, т.е. они справедливы для апертур любых размеров при условии, что линейные размеры антенны существенно превышают длину волны.

4.13. Величина Dобл, дБ = 10 lg Dобл определяется ХН облучателя. По выбранному закону распределения поля по апертуре (4.4) или (4.5), используя геометрические характеристики зеркала d и о, можно записать аналитическое выражение Fобл() в секторе углов перехвата энергии зеркалом. Вне этого сектора Fобл() = const = 0,316. График зависимости Dобл( о) приведен на рис. 10.

4.14. Термины "облучатель", "ХН облучателя", "КНД облучателя" в методике применяется как собственно к облучателю в однозеркальных ПА, так и к системе "облучатель - вспомогательное зеркало" в двухзеркальных антеннах.

4.15. Ограничение по минимальному удалению расчетной точки от центра апертуры определяется относительным расстоянием x = 0,005.

4.16. Ограничение по сектору углов, в котором методика дает возможность расчета ППМ, определяется о:

- при о > 90 град. сектор составляет от 0 град. до +/- 90 град.;

- при о < 90 град. сектор составляет от 0 град. до +/- (180 град. - о).

Вне этих секторов в рассматриваемых задачах ППМ считается пренебрежимо малой.

4.17. Дифракционные явления на кромках зеркала и вспомогательных конструкциях антенны не учитываются.

4.18. Расчет суммарной ППМ осуществляется по формуле:

П = 10(Па, дБ / 10 ) + 10(Побл, дБ / 10) ,(4.14)

где: Па, дБ и Побл, дБ вычисляются по формулам (4.12) и (4.13).

4.19. При расчетах ЭМО вблизи радиотехнических объектов, в составе которых несколько антенн, в выбранных точках рассчитывается ППМ от каждой антенны, а полная ППМ находится суммированием ППМ, создаваемых отдельными антеннами.

5. Порядок расчета ППМ в произвольной точке горизонтальной плоскости

5.1. Постановка задачи иллюстрируется рис. 11. Центр апертуры - 0, его высота над землей - На. Угол характеризует отклонение направления максимального излучения от плоскости горизонта. Ось Z системы координат XYZ совмещается с проекцией направления максимального излучения на плоскость YOZ. Горизонтальная плоскость, на которой определяется ППМ, находится на высоте Нт над землей. Расчетная точка задается либо через координаты м (расстояние до точки М вдоль поверхности земли) и м (азимут), либо через y и z.

Заданными считаются:

Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;

- длина волны, м;

d или а - диаметр или сторона квадрата апертуры, м;

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

2 о - угол раскрыва антенны.

Если какие-либо из перечисленных параметров для реальной антенны неизвестны, их, как правило, можно рассчитать, используя соответствующую литературу по антенно - фидерным устройствам.

5.2. Порядок расчета следующий:

5.2.1. Вычисляется расстояние "центр апертуры - точка наблюдения":

5.2.2. Вычисляется угол между направлением максимального излучения и направлением линии "центр апертуры - точка М":

м = arccos {[ м cos cos - (На - Нт)sin ] / Rм} (5.2)

5.2.3. По формулам (4.9) или (4.10) определяется граничное расстояние Rгр.

5.2.4. Определяются параметры Uм и Хм по формулам (4.7) и (4.8) соответственно.

5.2.5. По графикам рис. 4 и рис. 5 находится значение функции 20 lg [В(Хм) / Хм] в дБ.

5.2.6. По графикам рис. 6 - 9 находится значение F(Uм, Хм) в дБ.

5.2.7. Применение формулы (4.12) позволяет получить значение ППМ антенны Па в дБ.

5.2.8. По графику рис. 4.10 определяется значение Dобл в дБ.

5.2.9. Применение формулы (4.13) позволяет получить значение ППМ облучателя Побл в дБ.

5.2.10. Суммарное значение ППМ рассчитывается по формуле (4.14).

5.2.11. Повторяя операции по п.п. 5.2.1 - 5.2.10 последовательно для различных точек выбранного азимута ( м = const), можно определить, во-первых, как меняется ППМ вдоль соответствующего азимута, а во-вторых, найти ту точку, где ППМ равна ПДУ. Если подобные точки найти на других азимутальных линиях, проведенных, например, через 10 град., то геометрическое место таких точек будет границей соответствующей санитарной зоны (СЗЗ или ЗОЗ).

6. Примеры расчета

6.1. Постановка задачи.

Техническое средство - оборудование РРСП ПВ "Радуга-4" на оконечной радиорелейной станции. Работают три радиоствола. Используется антенна АДЭ-5 с углом раскрыва зеркала 2 о = 210 град. Антенна находится на высоте 50 м.

Сравнить ППМ в точках М1 и М2 с ПДУ ППМ. Точка М1 расположена в направлении на соседнюю станцию, ее высота над поверхностью земли - 2 м, а удаление от основания мачты - 100 м. Точка М2 расположена на оси мачты на высоте 30 м. Постановка задачи иллюстрируется рис. 12.

6.2. Порядок решения.

6.2.1. По табл. 3.1 определяются:

- суммарная мощность, излучаемая антенной, Р = 3 x 4 = 12 Вт (работают 3 ствола, КПД АФТ считается равным 1);

- длина волны ср = 0,082 м;

- диаметр антенны d = 5 м;

КНД антенны АДЭ-5 Dо, дБ = 43,5 дБ.

6.2.2. Расчет ППМ выполняется сначала в точке М1, затем в точке М2.

Расчет ППМ в точке М1

6.2.3. Находится расстояние Rм - "центр апертуры - точка М1" и угол м:

м = arccos {[ м cos cos - (На - Нт) sin ] / Rм}.

При = 0 и = 0:

м = arccos м / Rм = arccos 100 / 111 = 25,7 град.

6.2.4. Находится граничное расстояние Rгр:

Rгр = 2 d(2) / = 2 x 5(2) / 0,082 = 610 м.

6.2.5. Определяются координаты x и u:

x = Rм / Rгр = 111 / 610 = 0,182,

u = ( d sin м) / = ( x 5 x sin 25,7 град.) / 0,082 = 83.

6.2.6. По графикам рис. 6 определяется функция

20 lg F(u, x) = -55 дБ.

6.2.7. По графику рис. 4 определяется функция

20 lg [В(x) / x] = 14,5 дБ.

6.2.8. По формуле (4.12) рассчитывается Па:

= 10 lg (12 x 0,082(2) / 5(4)) + 43,5 + 14,5 - 55 + 3 = -32,9 дБ.

6.2.9. По графику рис. 10 определяем

Dобл, дБ = 10 lg Dобл = 5 дБ.

6.2.10. По формуле (4.13) рассчитывается Побл:

Побл = 10 lg (P / 4 (2) Rм ) + 10 lg Dобл + 10 = 10 lg [12 / (4 x 111(2))] + 5 + 10 = -26,1 дБ.2

6.2.11. По формуле (4.14) рассчитывается суммарная ППМ в точке М1:

П = 10(Па, дБ / 10) + 10(Побл, дБ / 10) = 10(-3,29) + 10(-2,61) = 5,13 x 10(-4) + 24,55(-4) x 10 = 0,003 мкВт/кв. см.

Вывод: ППМ в точке М1, существенно меньше ПДУ = 10 мкВт/кв. см.

Расчет ППМ в точке М2

6.2.12. Принимается, что Rм около На - Нт = 50 - 30 = 20 м

м = 90 град.

6.2.13. Определяется

Rгр = 2(2) d / = 2 x(2) 5 / 0,082 = 610 м,

x = Rм / Rгр = 20 / 610 = 0,032,

u = ( d sin м) / = ( x 5 x sin 90 град.) / 0,082 = 191,6.

6.2.14. По графикам рис. 7 определяется функция

20 lg F(u, x) = - 42 дБ.

6.2.15. По графику рис. 4 определяется функция

20 lg [В(x) / x] = 14,5 дБ.

6.2.16. По формуле (4.12) рассчитывается Па:

Па = -38,9 + 43,5 + 14,5 - 42 + 3 = - 19,9 дБ.

6.2.17. По формуле (4.13) рассчитывается Побл с учетом того, что величина Dобл, дБ определена в п. 6.2.9:

Побл = 10 lg [12 / (4 x 20(2))] + 5 + 10 = -11,2 дБ.

6.2.18. По формуле (4.14) рассчитывается суммарная ППМ в точке М2:

П = 10(-1,99) + 10(-1,12) = 0,086 мкВт/кв. см.

Вывод: ППМ в точке М2 существенно меньше ПДУ = 10 мкВт/кв. см.

7. Инструментальный контроль уровней электромагнитных полей технических средств РРСП ПВ, ТРРСП И ССП

При подготовке к проведению измерений проводятся следующие работы:

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

- рекогносцировка района проведения измерений;

- выбор трасс (маршрутов) и площадок измерений, при этом число трасс определяется рельефом местности, прилегающей к объекту, и целью измерений;

- организация связи для обеспечения взаимодействия между персоналом станции и группой измерений;

- обеспечение измерений дальности до точки измерений;

- определение необходимости использования средств индивидуальной защиты;

- подготовка необходимой измерительной аппаратуры.

Список сокращений и обозначений

АДЭ - антенна двухзеркальная с эллиптическим переизлучателем

АФТ - антенно - фидерный тракт

ДН - диаграмма направленности

ЗОЗ - зона ограничения застройки

ИСЗ - искусственный спутник Земли

КНД - коэффициент направленного действия

НПА - несимметричная параболическая антенна

ПА - параболическая антенна

ПАС - перископическая антенная система

ПДУ - предельно допустимый уровень

ППМ - плотность потока мощности

РПА - рупорно - параболическая антенна

РРСП ПВ - радиорелейная система передачи прямой видимости

РТО - радиотехнический объект

СЗЗ - санитарно - защитная зона

ССП - спутниковая система передачи

ТРРСП - тропосферная радиорелейная система передачи

ХН - характеристика направленности

ЭМО - электромагнитная обстановка

ЭМП - электромагнитное поле