автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации для целей электромагнитной безопасности

На правах рукописи

Вишняков Михаил Григорьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВБЛИЗИ АНТЕНН ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2002

Работа выполнена на Федеральном Государственном унитарном предприятии Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио (ФГУП СОНИИР) Министерства Российской Федерации по связи и информатизации.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Бузов А.Л.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Сподобаев Ю.М.

- кандидат технических наук, доцент Соболев В.А.

Ведущее предприятие - Государственный специализированный проектный институт радио и телевидения (ГСПИ РТВ), г. Москва.

Защита диссертации состоится 27 апреля 2002 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 219.003.02 в Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу: г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим выслать по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, 23, ПГАТИ.

С диссертацией соискателя можно ознакомиться в библиотеке Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики.

Автореферат разослан "_"_2002 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.003.02 ,

доктор технических наук, профессор Николаев Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и состояние вопроса.

Современный этап развития сферы телекоммуникационных услуг характеризуется появлением на рынке телекоммуникаций все большего числа предложений по разработке, проектированию и внедрению цифровых систем передачи информации (ЦСПИ). Это в равной степени относится как к радиосвязи, так и к радиовещанию и телевидению.

Основными достоинствами применения цифровых сигналов для целей передачи информации корреспондентам являются следующие:

- применение оптимального (помехоустойчивого) кодирования позволяет передавать полезный сигнал с минимумом искажений;

- использование цифровых сигналов позволяет в одном канале (при его достаточной широкополосности) передавать сигналы, несущие различную информацию;

- в цифровых системах за счет большей помехозащищенности удается в одном радиоканале организовать большее число абонентских каналов, по сравнению с аналоговыми системами передачи.

Одним из существенных моментов при проектировании систем, излучающих электромагнитные поля, и в частности при проектировании цифровых систем передачи является анализ электромагнитной обстановки вблизи мест размещения передающих антенн. При этом, поскольку антенна (антенная система) обладает определенными дисперсионными свойствами, а цифровой сигнал - относительной широкополосностью, анализ электромагнитной обстановки в монохроматическом приближении в некоторых практически важных случаях уже не даст адекватного представления о реальной картине распределений уровня поля, что может отрицательно сказаться на обеспечении электромагнитной безопасности указанных систем.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки новых подходов и методик расчетного прогнозирования и инструментального контроля уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации для целей электромагнитной безопасности.

Проблемы электромагнитного мониторинга излучающих технических средств стали актуальными, начиная с середины 70-х годов прошлого века. Исследованиям в этой области были посвящены, в частности, работы Шередько Е.Ю. Сподобаева Ю.М., Кубанова В.П., Бузова А.Л., Казанского Л. С. и др.

В этих работах предложены и обоснованы основные подходы к расчетному прогнозированию электромагнитной обстановки вблизи широкого класса передающих антенн, в том числе и вблизи антенн цифровых систем передачи информации (антенны пейджинговой связи, цифровых радиорелейных станций и т.д.).

Основные результаты этих работ, подтвержденные многочисленными экспериментальными исследованиями, в настоящее время нашли отражение в виде действующих нормативных (СанПиН) и методических (МУК) документов, утвержденных государственными органами санитарно-эпидемиологического надзора.

Расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки вблизи мест размещения передающих антенн телевидения, ЧМ радиовещания и сотовой связи в диапазоне до 300 МГц, согласно действующим документам, предполагает расчет напряженности электрического поля по известной (или рассчитанной в тонкопроволочном приближении) диаграмме направленности (ДН) антенны. Пересчет напряженности электрического поля в ППЭ для технических средств диапазона УВЧ осуществляется через волновое сопротивление свободного пространства. Однако такой подход оправдан и дает адекватную информацию о распределении уровней ЭМП лишь в том случае, когда точка наблюдения находится в дальней зоне. Как показали практические исследования, проведенные многими специалистами, указанная методика дает ощутимую погрешность при перемещении точки наблюдения в ближнюю зону.

Методика расчетного прогнозирования ЭМП вблизи технических средств, работающих в диапазоне 700 МГц - 300 ГГц и оснащенных апер-турными антеннами, базируется на концепции усредненной модели антенны. Основой метода анализа уровней ППЭ вблизи таких антенн является математический аппарат геометрической теории дифракции (ГТД).

В настоящее время на рассмотрении в органах государственного санитарно-эпидемиологического надзора находится методический документ, в котором предлагается с целью уточнения существующих методик расчета для ряда технических средств, работающих в диапазоне 300 МГц - 300 ГГц, использовать более строгие математические модели антенн с учетом реальных особенностей их размещения (например, антенны на крышах зданий). Однако, последний не распространяется на радиосредства базовых станций систем подвижной связи и станций телевизионного вещания.

Все рассмотренные выше методики ориентированы на расчет электромагнитной обстановки вблизи некоторого технического средства в монохроматическом приближении. Реально же спектр цифрового сигнала имеет сложный характер в рабочей полосе частот. Примером тому могут служить сигналы в системах подвижной связи с временным и кодовым разделением каналов. При этом, если сигнал достаточно широкополосный, то в силу дисперсионных свойств антенны реальные уровни электромагнитного поля могут существенно отличаться от определенных в одночастотном приближении. Этот фактор пока не нашел отражения в действующих в настоящее время нормативно-методических документах.

Вопросам измерения ЭМП посвящены, в частности, работы Романова В.А. и Кольчугина Ю.И. В них рассмотрены средства измерений, определены основные технические требования к ним, приведены методики измерений на рабочих местах для обслуживающего персонала и для населения. Методики измерений ЭМП легли в основу соответствующих методических указаний (МУК). Измерения во всех случаях проводятся на одной частоте (например, на частоте несущей передатчика) с учетом спектра аналогового сигнала, но без учета основных особенностей цифровых сигналов.

В связи с нарастающими темпами развития цифровых систем передачи, очевидно, что введение в эксплуатацию новых передающих средств, использующих современные цифровые технологии и относительно широкополосные сигналы, диктует необходимость совершенствования методик расчета и измерения уровней ЭМП в рамках проблемы электромагнитной безопасности. В частности, учет особенностей спектра цифровых сигналов при проектировании и эксплуатации антенн позволит осуществить выбор оптимальных с этой точки зрения технических решений и качественно повысить уровень контроля электромагнитной обстановки.

Цель работы - разработка методик расчета и измерения уровней электромагнитных полей с учетом спектральных характеристик излучаемого сигнала, исследование уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи с учетом спектральных характеристик, формы сигнала и конструктивных особенностей излучающих структур, разработка предложений по корректировке нормативно-методической документации в области обеспечения электромагнитной безопасности.

Программа исследований

1. Разработка методики расчёта уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

2. Разработка модификаций расчетной методики для антенн технических средств с частотным, временным и кодовым уплотнением каналов.

3. Разработка вычислительных алгоритмов и программная реализация методики расчёта уровней ЭМП.

4. Проведение теоретических исследований электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем радиосвязи с подвижными объектами, антенн систем цифрового телевидения и антенн радиосетей передачи данных ЕШегпе!

5. Разработка методики измерений электромагнитных полей вблизи цифровых систем передачи информации.

6. Проведение экспериментальных исследований электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

7. Разработка предложений по обеспечению электромагнитной безопасности цифровых систем передачи информации и их гигиенической оценке, включая предложения по корректировке нормативной и методической документации.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, физическое моделирование, аналитический аппарат электродинамики, численные методы расчета и анализа, математический аппарат теории интегральных уравнений, натурные испытания. Значительная часть результатов работы получена с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных на компьютере на языке Visual Fortran и в среде "Matlab".

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена электродинамическая модель антенны, учитывающая ее дисперсионные свойства. Получена новая модификация интегрального уравнения в пространственно-частотной области относительно функции спектральной плотности тока с учетом линейного преобразования спектра во входной цепи антенны.

2. Разработаны методика и алгоритм расчета уровней ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала, на основе решения полученной новой модификации интегрального уравнения в пространственно-частотной области.

3. Разработана методика измерений уровней ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации, адаптированная к особенностям конкретных классов цифровых систем с учетом спектральных и временных характеристик излучаемого сигнала.

4. Впервые получены результаты исследования ЭМП вблизи антенн различных цифровых систем передачи информации с учетом особенностей спектра излучаемого сигнала.

Достоверность полученных расчетных данных обусловлена использованием при решении модельных задач достаточно строгих методов электродинамики и соответствием полученных при этом результатов результатам экспериментальных исследований, проведённых на реальных объектах.

Практическая значимость.

1. Обоснованные в диссертационной работе подходы, модели и разработанная методика обеспечивают повышение точности вычислений уровней ЭМП для целей электромагнитной безопасности вблизи широкого класса проволочных диапазонных антенн цифровых систем передачи информации, как ныне действующих, так и перспективных. Методика доведена до расчетных алгоритмов и программных реализаций.

2. Полученные результаты исследований позволяют, с учетом спектральных характеристик сигналов цифровых систем передачи информации, уточнять размеры и конфигурации санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки вблизи излучающих объектов при их санитарной паспортизации, а также размещение излучающих средств при строительстве и реконструкции объектов цифровой радиосвязи с учетом факторов электромагнитной безопасности.

3. Разработанные методики и полученные результаты исследования уровней ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации могут быть использованы при гигиенической оценке оборудования и аттестации рабочих мест по электромагнитному фактору.

4. Предложения по корректировке нормативной и методической документации могут быть использованы при актуализации действующих и разработке перспективных документов Госсанэпидслужбы России по контролю электромагнитных полей и системы сертификации «Связь» при гигиенической оценке стационарных и носимых цифровых средств радиосвязи, радиовещания и телевидения.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использовались в НИР «Стандарт» по проблемам электромагнитной экологии в отрасли «Связь», выпол-

ненной СОНИИР по заказу НТУ Минсвязи России. Результаты использованы при проведении расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки вблизи антенн цифровых систем передачи информации ЦРР-1, где учет вида спектра передаваемого сигнала позволил получить более точную информацию о распределении уровней электромагнитного поля.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы использованы при выполнении комплекса работ, связанных с подготовкой рабочих материалов по корректировке существующей нормативно-методической документации, как по методам контроля, так и для целей сертификации оборудования в отрасли «Связь».

Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.

Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты работы докладывались на IX Российской научно-технической конференции ПГАТИ (Самара, 2002), на двух семинарах МНТОРЭС им. А.С. Попова «Новое в телевидении и радиовещании» (Великие Луки, 2000 и Пушкинские Горы, 2001), на трех семинарах-совещаниях «Состояние и перспективы развития средств телевизионного и звукового вещания» (г. Адлер, 1999, г. Анапа, 2000, г. Сочи 2001 г). Материалы диссертационных исследований опубликованы в 7 статьях в периодических научных изданиях, 6 публикациях в виде тезисов докладов.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 135 страниц машинописного текста, 80 страниц рисунков и таблиц. Список литературы содержит 105 наименований.

На защиту выносятся:

1. Электродинамическая модель антенны, учитывающая ее дисперсионные свойства, и полученная на ее основе новая модификация интегрального уравнения в пространственно-частотной области относительно функции спектральной плотности тока с учетом линейного преобразования спектра во входной цепи антенны.

2. Методика и алгоритм расчета уровней ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала.

3. Методика измерений уровней ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации, адаптированная к особенностям конкретных классов цифровых систем с учетом спектральных и временных характеристик излучаемого сигнала.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований распределения электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Раздел 1 посвящен разработке методики расчёта уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

Обоснованы особенности анализа электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала. Рассмотрены основные варианты характеристик спектральной плотности сигналов для различных цифровых систем передачи информации, включая системы цифрового телевидения, цифрового радиовещания, передачи данных и подвижной радиосвязи при различных способах уплотнения каналов.

Проведенная оценка, с учетом спектральных характеристик сигналов и известных дисперсионных свойств антенн, подтвердила обоснован-

ность предположения о необходимости учета ширины и вида спектра сигнала при расчете уровней электромагнитных полей вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Предложена электродинамическая модель антенны, учитывающая ее дисперсионные свойства.

Для антенн, излучающая структура которых может быть смоделирована системой электрически тонких проводников получена новая модификация интегрального уравнения в пространственно-частотной области относительно функции спектральной плотности тока с учетом линейного преобразования спектра во входной цепи антенны:

-и (ш )у Рк (/) зк / ак =

к= _ (1)

= у Рк(IГ ( 1 + гр (ю) ак ехр{-гР(ш )^(1-1(е)к )2 + ак}(/',ш)

= У 2ак I )2 + а2

+ г Г [шц0(1,1' Ш Г, ш )1 (/>) + (ше0)-1 ,

где и(ш) - функция спектральной плотности ЭДС; К - число активных вибраторов; 31, 32, ... 3К - коэффициенты, описывающие амплитудно-фазовое распределение возбуждения активных вибраторов; 2к - внутренний импеданс источника в к-м зазоре; ак - длина к-го зазора; ак - радиус к-го активного вибратора; Ь - криволинейный контур, образованный осями всех проводников; I, Г - криволинейные координаты, отсчитываемые вдоль Ь; 1, 1' - соответствующие орты; 0(1, 1',ш) = ехр{-1в(т)Я(1,1')}/{4пЯ(1,1')} -функция Грина; Р(ю) - волновое число; 1(е)к - средняя точка к-го зазора; Ь(г)к - прямолинейный контур - часть контура Ь на участке к-го активного вибратора, построенный таким образом, что точка 1(е)к находится в его центре, и что влиянием на магнитное поле тока за его пределами можно пренебречь; Рк(1) = 1, если 1, I еЬ(е)к , и Рк(1) = 0, если I г Ь(е)к; Ь(е)к - участок контура Ь, соответствующий к-му зазору.

На основе полученного уравнения разработана методика расчета уровней электромагнитных полей вблизи проволочных антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала. Методика включает решение выведенного интегрального уравнения в частотно-пространственной области на основе дискретизации полосы частот и решения соответствующих уравнений в комплексных амплитудах для каждого частотного сегмента, а также процедуры усреднения по сегментам для получения энергетически эквивалентных монохроматических полей. Обоснованы варианты процедур усреднения для систем с частотным, временным и кодовым уплотнением каналов.

Анализ ближних полей апертурных антенн предложено выполнять, используя основные теоретические результаты метода геометрической теории дифракции, используя при этом алгоритмы дискретизации частотной области, полученные для различных режимов уплотнения.

Проведена оценка степени влияния широкополосности сигнала на уровни напряженности поля. Оценка выполнялась на основе определения уклонений уровня поля и ДН по всем направлениям, а также в локальных областях - в направлениях боковых лепестков ДН.

В результате установлены значения ширины рабочей полосы частот, при превышении которых необходим учет спектральной характеристики сигнала, и определены параметры дискретизации полосы частот. Показано, что уклонения значений напряженности в монохроматическом приближении от рассчитанных с учетом спектральной характеристики существенным образом зависят от широкополосности сигнала и от особенностей локальной области пространства, в которой рассчитывается напряженность (главный лепесток, боковой лепесток и т.д.), и слабо зависят от метода уплотнения.

В качестве примера, иллюстрирующего частотную зависимость излучающих свойств антенн, на рис.1 приведены ДН в горизонтальной плоскости антенной решетки телевизионного вещания в диапазоне УВЧ, имеющей 4 панельных излучателя в этаже, на средней и нижней частотах канала.

Рис.1

ППЭ, мкВт/см2

Раздел 2 посвящен исследованию электромагнитных полей вблизи антенн различных типов цифровых систем передачи информации.

Осуществлена программная реализация разработанной автором методики расчета ЭМП вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Разработаны и реализованы в виде программных модулей вычислительные алгоритмы для проволочных и апертурных антенн, включающие процедуры:

- дискретизации (сегментации) полосы частот, занятой спектром сигнала, аппроксимации функции спектральной плотности, перехода к системе энергетически эквивалентных монохроматических режимов возбуждения;

- электродинамического анализа и отыскания в заданных точках наблюдения монохроматических полей для каждого эквивалентного монохроматического режима;

- отыскания энергетически эквивалентных монохроматических полей неопределенной поляризации в заданных точках наблюдения.

На базе разработанных алгоритмов и программ проведен расчет уровней электромагнитных полей, создаваемых антеннами цифровых систем передачи информации: систем персонального радиовызова, систем радиосвязи с подвижными объектами (сотовой связи), систем цифрового телевидения стандарта DVB-T, системы радиосетей передачи данных Ethernet.

Проведено сравнение результатов, полученных на основе разработанной автором методики, с аналогичными результатами расчетов по ранее применявшимся методикам, не учитывающим вида спектра сигналов.

Установлено, что учет спектральной характеристики цифровых сигналов обеспечивает уточнение расчетных значений уровней ЭМП, причем величина поправки по напряженности поля, вблизи рассмотренных типов антенн, а также в зоне излучения сильно разраженных антенных решеток составляет до ±10%.

В качестве примера на рис. 2 приведена зависимость ППЭ вблизи антенны цифрового вещательного телевидения, рассчитанная по разработанной методике (сплошная линия) и по известным методикам (штриховая линия), а на рис.3 - распределение напряженности элек-

//

// /

Ч

/к // f

// 7

У/ /у

/

40 50

Рис.2

R, м 100

\

Л

\ ^

40 50 60 70 80 90 100 109 1 19 129 139 149 159 169 179 189 199 Г'

0 10 20

Рис.3

трического поля вблизи антенны базовой станции системы сотовой связи стандарта GSM.

В разделе 3 отражены результаты разработки методики измерений и экспериментальных исследований электромагнитных полей вблизи цифровых

систем передачи информации.

На основе проведенного анализа методов и инструментальной базы измерений электромагнитных полей, применительно к задаче учета спектральных характеристик сигналов ЦСПИ, уточнена классификация измерительных приборов по измеряемым параметрам (напряженность поля и ППЭ), полосе пропускания (широкополосные и селективные), функциональному назначению (измерители напряженности поля, измерители плотности потока энергии и анализаторы спектра) и характеру измеряемого поля (ближняя или дальняя зона).

Разработана методика измерений электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ с учетом ширины спектра и формы передаваемого сигнала, основанная на измерении широкополосными измерителями напряженности поля и ППЭ, селективными вольтметрами (измерительными приёмниками) и анализаторами спектра.

Обоснована процедура измерений путем разбиения полосы сигнала на узкополосные участки. Для различных типов приборов, в зависимости от спектральной характеристики сигнала, разработаны рекомендации по выбору ширины участков и способу усреднения результатов измерений.

Проведенные экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ показали хорошее совпадение с результатами расчетов. В качестве примера на рис.3 точками нанесены экспериментальные значения эквивалентной напряженности электрического поля (измерения проводились с помощью селективного микровольтметра SMV 8).

Раздел 4 посвящен разработке предложений по обеспечению электромагнитной безопасности цифровых систем передачи информации.

Обоснована целесообразность корректировки нормативно-методической документации по обеспечению электромагнитной безопасности.

Разработаны предложения по корректировке нормативной документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ.

Обоснована целесообразность оценки ЭМП, создаваемых АФУ ЦСПИ, излучение которых носит прерывистый характер, по методике, предусмотренной для случая импульсно-модулированных колебаний.

Разработаны предложения по корректировке методической документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ, предполагающие использование разработанных автором методик расчета и измерения уровней ЭМП вблизи передающих антенн ЦСПИ с учетом особенностей спектра излучаемых сигналов.

Обоснованы предложения по использованию разработанных методик для целей сертификации оборудования в Системе сертификации «Связь», в частности, в типовых программах и методиках испытаний при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой и носимой радиопередающей продукции.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

Разработана методика расчёта уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации. Рассмотрены основные варианты характеристик спектральной плотности сигналов для различных цифровых систем передачи информации, включая системы цифрового телевидения, цифрового радиовещания, передачи данных и подвижной радиосвязи при различных способах уплотнения каналов.

Обоснована необходимость учета ширины и вида спектра сигнала при расчете уровней электромагнитных полей вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Получена новая модификация интегро-дифференциального уравнения в частотно-пространственной области относительно функций спектральных плотностей тока и стороннего поля с учетом линейного преобразования спектра во входной цепи антенны.

Разработана методика расчета уровней электромагнитных полей вблизи проволочных антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала, включающая решение полученного интегро-дифференциального уравнения в частотно-пространственной области и процедуры усреднения напряженности поля по частотным сегментам. Обоснованы варианты процедур усреднения для систем с частотным, временным и кодовым уплотнением каналов.

Проведена оценка степени влияния широкополосности сигнала на уровни напряженности поля.

Разработаны и реализованы в виде программных модулей вычислительные алгоритмы для проволочных и апертурных антенн ЦСПИ.

На базе разработанных алгоритмов и программ проведен расчет уровней электромагнитных полей, создаваемых антеннами цифровых систем передачи информации.

Проведено сравнение результатов, полученных на основе разработанной автором методики, с аналогичными результатами расчетов, полученных по ранее применявшимся методикам, не учитывающим особенностей спектра сигналов ЦСПИ. Установлено, что учет спектральных характеристик цифровых сигналов обеспечивает существенное уточнение расчетных значений уровней ЭМП.

Разработана методика измерений электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ с учетом ширины спектра и формы передаваемого сигнала, основанная на измерении широкополосными измерителями напряженности поля и ППЭ, селективными вольтметрами (измерительными приёмниками) и анализаторами спектра. Обоснована процедура измерений путем разбиения полосы сигнала на узкополосные участки. Разработаны рекомендации по выбору ширины участков и способу усреднения результатов измерений.

Проведенные экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ показали хорошее совпадение с результатами расчетов.

Разработаны предложения по корректировке нормативной и методической документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ с учетом особенностей спектра излучаемых сигналов.

Обоснованы предложения по использованию разработанных методик при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой и носимой радиопередающей продукции.

В Приложении 1 приведены результаты расчета уровней ЭМП вблизи передающих антенн различных цифровых систем передачи информации.

В Приложении 2 приведены проекты типовых программ и методик сертификационных испытаний при гигиенической оценке стационарных и носимых средств связи, радиовещания и телевидения.

В Приложении 3 помещены акты внедрения результатов диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Вишняков М.Г., Обухович В.Г. Из опыта сертификации передатчиков для радиовещания, телевидения и MMDS // Состояние и перспективы развития средств телевизионного и звукового вещания в новых условиях: Тезисы докл. семинара-совещания (г. Адлер, 1999). - М.: Гостелеком РФ, УНЦ «Содействие», 1999. - С.42-44.

2. Вишняков М.Г., Малыгин В.Б., Обухович В.Г. Оборудование цифровых сетей распределения программ телевизионного и звукового вещания // Состояние и перспективы развития средств телевизионного и звукового вещания в новых условиях: Тезисы докл. семинара-совещания (г. Анапа, 2000). - М.: Минсвязи России, УНЦ «Содействие», 2000. - С.73-76.

3. Бузов А.Л., Вишняков М.Г., Кольчугин Ю.И., Малыгин В.Б. Прогнозирование и измерения уровней электромагнитной энергии вблизи технических средств цифрового телевидения // Новое в телерадиовещании и радиосвязи: Тезисы докл. научн.-практич. семинаров (Великие Луки, 2000 и Пушкинские Горы, 2001). - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2001. - С.48-49.

4. Бузов А.Л., Вишняков М.Г., Малыгин В.Б. Контроль электромагнитных излучений радиопередатчиков шумоподобных сигналов радиосетей Ethernet // Радиотехника (журнал в журнале). - 2001. - №9. - С.79-80

5. Бузов А.Л., Вишняков М.Г., Малыгин В.Б. Особенности сертификационных испытаний оборудования кабельного телевидения и цифрового звукового вещания // Современные технологии в эфирном и проводном звуковом вещании, переход на цифровое вещание: Тезисы докл. семинара (г. Сочи, 2-5 октября 2001 г.) - М.: Минсвязи России, УНЦ «Содействие»,

2001. - С.32-35.

6. Бузов А.Л., Вишняков М.Г., Малыгин В.Б. К вопросу нормирования санитарно защитных зон цифровых вещательных радиостанций // Современные технологии в эфирном и проводном звуковом вещании, переход на цифровое вещание: Тезисы докл. семинара (г. Сочи, 2-5 октября 2001 г.) - М.: Минсвязи России, УНЦ «Содействие», 2001. - С.76-77.

7. Вишняков М.Г. Учет вида передаваемого сигнала в задачах исследования ближних полей антенн // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - 2001. - №3 (31). - С.64-71.

8. Вишняков М.Г. Метод интегрального уравнения в частотно-пространственной области для исследования полей передающих средств систем связи с различными способами уплотнения каналов // Радиотехника (журнал в журнале). - 2001. - №11. - С.94-96.

9. Антипова С.Е., Вишняков М.Г., Юдин В.В. Особенности расчетного прогнозирования и инструментального контроля электромагнитных полей вблизи излучающих средств цифровых систем связи // Радиотехника (журнал в журнале). - 2001. - №11. - С.97-99.

10. Вишняков М. Г. Расчет ближнего поля вибраторных антенн и антенных решеток с учетом спектра передаваемого сигнала. // Антенны -

2002. - №1(56). - С.53-58.

11. Вишняков М. Г. Экспериментальные исследования уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.// IX Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Тезисы докл. (г. Самара, 2002). - Самара, ПГАТИ, 2002. - C. 103.

12. Вишняков М.Г. Разработка методики измерений электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации. // IX Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: Тезисы докл. (г. Самара, 2002). -Самара, ПГАТИ, 2002. - С. 104.

13. Вишняков М. Г. Измерения уровней электромагнитных полей, создаваемых цифровыми системами передачи информации. // Метрология и измерительная техника в связи. - №1. - 2002. - С.38-39.

Подписано в печать__2002 г.

Формат 60х84/16. Печать оперативная. Бумага офсетная. Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ №

Типография ООО "ИНСОМА-ПРЕСС", 443011, г. Самара, ул. Советской Армии, 217

ВВЕДЕНИЕ.

1. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА УРОВНЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВБЛИЗИ АНТЕНН ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

1.1. Особенности анализа электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации с учётом спектральной характеристики сигнала.

1.2. Вывод модифицированного интегро-дифференциального уравнения в пространственно-частотной области, учитывающего дисперсионные свойства антенны.

1.3. Разработка методики расчета уровней электромагнитных полей.

1.3.1. Методика расчета для технических средств с частотным уплотнением каналов.

1.3.2. Методика расчета для технических средств с временным и кодовым уплотнением каналов.

1.3.3. Оценка степени влияния ширины спектра сигнала в локальных областях.

Выводы к разделу 1.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВБЛИЗИ АНТЕНН ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

2.1. Разработка вычислительных алгоритмов и программная реализация методики расчета уровней электромагнитных полей.

2.2. Исследование электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем радиосвязи с подвижными объектами.

2.2.1. Исследование полей вблизи различных вибраторных антенн базовых станций систем персонального радиовызова.

2.2.2. Исследование полей вблизи различных вибраторных антенн базовых станций систем сотовой связи.

2.2.3. Исследование полей, создаваемых носимыми абонентскими станциями систем сотовой связи.

2.3. Исследование электромагнитных полей вблизи антенн систем цифрового телевизионного вещания.

2.3.1. Анализ антенн цифрового телевизионного вещания.

2.3.2. Исследование полей вблизи антенн цифрового телевизионного вещания.

2.4. Исследование электромагнитных полей вблизи антенн радиосетей передачи данных Ethernet.

2.4.1. Принципы построения антенн радиосетей передачи данных Ethernet.

2.4.2. Исследование электромагнитных полей вблизи вибраторных антенн радиосетей Ethernet.

2.4.3. Исследование электромагнитных полей вблизи апертурных антенн радиосетей Ethernet.

Выводы к разделу 2.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВБЛИЗИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

3.1. Анализ методов и классификация инструментальной базы измерений электромагнитных полей.

3.2. Разработка методики измерений электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

3.3. Экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации и результаты сравнения с расчетными данными.

Выводы к разделу 3.

4. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

4.1. Анализ нормативно-методической документации по контролю электромагнитных полей.

4.2. Разработка предложений по корректировке нормативно-методической документации для целей электромагнитной безопасности цифровых систем передачи информации.

4.3. Использование разработанных методик для целей сертификации оборудования в Системе сертификации «Связь».

Выводы к разделу 4.

Современный этап развития сферы телекоммуникационных услуг характеризуется появлением на рынке телекоммуникаций все большего числа предложений по разработке, проектированию и внедрению цифровых систем передачи информации (ЦСПИ). Это в равной степени относится как к радиосвязи, так и к радиовещанию и телевидению.

Основными достоинствами применения цифровых сигналов для целей передачи информации корреспондентам являются следующие:

- применение оптимального (помехоустойчивого) кодирования позволяет передавать полезный сигнал с минимумом искажений, что приводит, например, в системах цифрового телевидения к повышению качества изображения [29, 39, 40];

- использование цифровых сигналов позволяет в одном канале передавать сигналы, несущие различную информацию (например, в одном цифровом потоке можно передавать несколько телевизионных каналов и организовать передачу высокоскоростных потоков данных), применяя для этих целей различные методы их компрессии и мультиплексирования;

- в цифровых системах за счет большей помехозащищенности цифрового канала удается в одном радиоканале организовать большее, по сравнению с аналоговыми системами передачи, число абонентских каналов [29, 33, 34].

Одним из существенных моментов при проектировании любых систем, излучающих электромагнитные поля, и, в частности, при проектировании цифровых систем передачи является анализ электромагнитной обстановки вблизи мест размещения передающих антенн. При этом, поскольку антенна (антенная система) обладает определенными дисперсионными свойствами, а цифровой сигнал является относительно широкополосным, анализ электромагнитной обстановки в монохроматическом приближении, как предписывают принятые в настоящее время методики, в некоторых практически важных случаях уже не даст адекватного представления о реальной картине распределений уровня поля, создаваемого передающими антеннами ЦСПИ.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки новых подходов и методик расчетного прогнозирования и инструментального контроля уровней электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ для целей обеспечения электромагнитной безопасности.

Состояние вопроса.

Проблемы электромагнитного мониторинга излучающих технических средств стали актуальными, начиная с середины 70-х годов прошлого века. Исследованиям в этой области было посвящено много работ. Фундаментальными в этой области научных исследований стали работы отечественных авторов: Шередько Е.Ю. Сподобаева Ю.М., Кубанова В.П., Бузова А.Л., Маслова О.Н., Романова В.А. и др. [10 - 15, 61, 79].

В этих работах предложены и обоснованы основные подходы к расчетному прогнозированию электромагнитной обстановки вблизи широкого класса передающих антенн, в том числе и вблизи антенн ЦСПИ (антенны пейджинго-вой связи, цифровых радиорелейных станций и т.д.).

Основные результаты этих работ, подтвержденные многочисленными экспериментальными исследованиями, в настоящее время нашли отражение в виде нормативно-методических документов, утвержденных государственными органами санитарно-эпидемиологического надзора.

Применительно к тематике настоящей диссертации, основным нормативным документом являются санитарные правила и нормы «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона» [95]. Указанные СанПиН определяют и устанавливают предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия на людей электромагнитных излучений радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) от 30 кГц до 300 ГГц и основные санитарно-гигиенические требования к разработке, изготовлению, приобретению и использованию источников ЭМИ РЧ в процессе работы, обучения, быта и отдыха людей.

Методическая база в рассматриваемой области представлена тремя документами, имеющими статус методических указаний по контролю, содержащих методики расчета уровней электромагнитных полей (ЭМП) для диапазона ОВЧ [63], либо плотности потока энергии (ППЭ) для диапазонов УВЧ и СВЧ [64, 65], а также методики инструментального контроля.

В диапазонах ОВЧ и УВЧ конструкции передающих антенн таковы, что позволяют при электродинамическом анализе использовать проволочные модели. В связи с этим в основу метода расчета ЭМП положено интегральное уравнение, записанное в тонкопроволочном приближении, в котором искомой функцией является ток, текущий по проводникам антенны.

В качестве метода численного решения таких уравнений предлагается использовать метод моментов [27, 54, 55] и его различные модификации (метод коллокации, метод Галеркина). В рамках этих методов проводники, составляющие конструкцию антенны, разбиваются на электрически короткие участки (сегменты). В пределах каждого сегмента ток представляется произведением неизвестного коэффициента на некоторую базисную функцию. В результате решения уравнения определяются неизвестные коэффициенты разложения токовой функции, которые совместно с базисными функциями позволяют восстановить распределение тока по элементам конструкции антенны.

Расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки, согласно нормативным документам [63, 64], подразумевает определение электрической составляющей ЭМП, исходя из интерференционной формулы.

В данную формулу мультипликативно входят диаграммы направленности (ДН) антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Иными словами, напряженность электрического поля прямо пропорциональна произведению этих ДН. Сами ДН предлагается определять по найденному распределению тока.

Однако такой подход оправдан и дает адекватную информацию о распределении уровней ЭМП лишь в том случае, когда точка наблюдения находится в дальней зоне, что в принципе справедливо, поскольку в большинстве своем антенны диапазонов ОВЧ и УВЧ размещают на достаточно большой высоте от земли (телевизионные башни, высотные сооружения).

В соответствии с упомянутым допущением, пересчет электрической составляющей ЭМП в ППЭ для технических средств диапазона УВЧ осуществляется через волновое сопротивление свободного пространства.

Как показали практические исследования, проведенные многими специалистами, указанная методика дает ощутимую погрешность (50 и более процентов) при перемещении точки наблюдения из дальней в ближнюю зону, где преобладает реактивная составляющая энергии.

Методика расчетного прогнозирования ЭМП вблизи технических средств, работающих в диапазоне 700 МГц - 300ГГц и оснащенных апертур-ными антеннами, изложенна в [58]. Она базируется на концепции усредненной модели антенны: распределение в раскрыве круглой апертуры - «парабола на пьедестале», в раскрыве квадратной антенны - «косинус на пьедестале». Основой метода анализа уровней ППЭ вблизи таких антенн является математический аппарат геометрической теории дифракции (ГТД) [7, 72, 79]. Все пространство вблизи антенны делится на три характерные области: область главных и ближних боковых лепестков, область заднего полупространства и область дифракционного поля. Результирующая величина ППЭ в произвольной точке пространства находится в виде алгебраической суммы четырех составляющих:

- апертурной составляющей;

- составляющей, определяемой излучением облучателя;

- составляющей, обусловленной токами, протекающими по кромке зеркала;

- составляющей, возникающей в результате прохождения энергии сквозь основное зеркало антенны, если оно имеет решетчатую структуру.

В настоящее время на рассмотрении в органах государственного санитарно-эпидемиологического надзора находится методический документ, в котором предлагается с целью уточнения существующих методик расчета для ряда технических средств использовать более строгие математические модели антенн с учетом реальных особенностей их размещения (например, антенны на крышах зданий). Однако последний не распространяется на радиосредства базовых станций систем подвижной связи и станций телевизионного вещания.

Все рассмотренные выше методики ориентированы на расчет электромагнитной обстановки вблизи некоторого технического средства в монохроматическом приближении, т.е. в предположении, что вся мощность излучается антенной на одной частоте в пределах рабочей полосы. Реально же спектр цифрового сигнала далек от монохроматической модели и характеризуется достаточно сложным характером спектральной кривой (огибающей спектральных составляющих) в рабочей полосе частот. Примером тому могут служить сигналы в системах подвижной связи с временным и кодовым разделением каналов. При этом, в силу дисперсионных свойств антенны, реальные уровни электромагнитного поля могут существенно отличаться от определенных в одночастотном приближении. Этот фактор пока не нашел отражения в действующих в настоящее время нормативно-методических документах. С учетом этого назрела необходимость в проведении серьезных исследований электромагнитных полей, создаваемых техническими средствами ЦСПИ различного назначения, которые позволят повысить качество системы электромагнитного мониторинга в целом.

Общие принципы, методы измерений и измерительная аппаратура для оценки биологически опасных уровней ЭМП СВЧ приведены в [62]. Однако, изложенные в [62] принципы для ЭМП частотных диапазонов, рассматриваемых в рамках диссертационного исследования, применимы лишь частично.

Для телевизионных станций вопрос измерения ЭМП изложен в работах Романова В.А. и Кольчугина Ю.И. В них рассмотрены средства измерений, определены основные технические требования к ним и приведены методики измерений на рабочих местах для обслуживающего персонала и для населения. Методика измерений ЭМП для населения легла в основу методического документа [63].

Необходимо отметить тот факт, что измерения, вне зависимости от того, для какой категории населения они осуществляются, проводятся на одной частоте (например, на частоте несущей передатчика), т.е. без учета основных особенностей цифровых сигналов (относительно широкой полосы частот, формы огибающей спектра и характера временной зависимости сигнала).

В связи с нарастающими темпами развития цифровых систем передачи, очевидно, что введение в эксплуатацию новых передающих средств, использующих современные цифровые технологии и относительно широкополосные сигналы, диктует необходимость совершенствования методик расчета и измерения уровней ЭМП в рамках проблемы электромагнитной безопасности. В частности, учет особенностей спектра сигналов при проектировании и эксплуатации антенн позволит осуществить выбор оптимальных с этой точки зрения технических решений и качественно повысить уровень контроля электромагнитной обстановки.

Цель работы - разработка методик расчета и измерения уровней электромагнитных полей с учетом спектральных характеристик излучаемого сигнала, исследование уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи с учетом спектральных характеристик сигнала и конструктивных особенностей излучающих структур, разработка предложений по корректировке нормативно-методической документации в области обеспечения электромагнитной безопасности.

Программа исследований

Выводы к разделу 4

Обоснована целесообразность при разработке предложений по корректировке нормативных и методических документов в области электромагнитной безопасности в части, касающейся оборудования цифровых систем подвижной радиосвязи, руководствоваться требованиями проекта СанПиН «Ориентировочные безопасные уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых системами сухопутной подвижной радиосвязи», разработанного взамен ГН 2.1.8/2.2.4.019-94 и находящегося в данный момент на утверждении в Департаменте Госсанэпиднадзора Минздрава России.

Разработаны предложения по корректировке нормативной документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ.

Обоснована необходимость проведения оценки ЭМП, создаваемых АФУ ЦСПИ с временным уплотнением каналов (технология TDMA), а также других ЦСПИ излучение которых носит прерывистый характер, как в случае импульс-но-модулированных колебаний согласно СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, по средней за период следования импульса мощности источника ЭМИ РЧ. Показано, что коэффициент в расчетном соотношении при этом определяется количеством временных посылок TDMA-кадра или отношением общего времени контроля ЭМП к сумме интервалов времени передачи радиооборудования ЦСПИ.

Разработаны предложения по корректировке методической документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ, предполагающие использование разработанных автором методик расчета и измерения уровней ЭМП вблизи передающих антенн ЦСПИ с учетом особенностей спектра излучаемых сигналов.

Обоснованы предложения по использованию разработанных методик для целей сертификации оборудования в Системе сертификации «Связь», в частности, в типовых программах и методиках испытаний при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой и носимой радиопередающей продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы получены следующие основные научные и прикладные результаты.

Разработана методика расчёта уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

Обоснованы особенности анализа электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики сигнала. Рассмотрены основные варианты характеристик спектральной плотности сигналов для различных цифровых систем передачи информации, включая системы цифрового телевидения, цифрового радиовещания, передачи данных и подвижной радиосвязи при различных способах уплотнения каналов.

Проведенная оценка, с учетом частотных и спектральных характеристик сигналов и известных дисперсионных свойств антенн, подтвердила обоснованность предположения о необходимости учета ширины и вида спектра сигнала при расчете уровней электромагнитных полей вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Получена новая модификация интегро-дифференциального уравнения в частотно-пространственной области относительно функции спектральной плотности тока с учетом линейного преобразования спектра во входной цепи антенны.

На основе полученного уравнения разработана методика расчета уровней электромагнитных полей вблизи проволочных антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала, включающая решение выведенного интегро-дифференциального уравнения в частотно-пространственной области и процедуры усреднения напряженности поля.

Обоснованы варианты процедур усреднения значений напряженности поля для систем с частотным, временным и кодовым уплотнением каналов.

Проведена оценка степени влияния ширины спектра сигнала на уровни напряженности поля. Установлены значения ширины рабочей полосы частот, при превышении которых необходим учет вида спектра сигнала. Показано, что уклонения значений напряженности в монохроматическом приближении от рассчитанных с учетом спектральной характеристики существенным образом зависят от ширины спектра сигнала и от особенностей локальной области пространства, в которой рассчитывается напряженность (главный лепесток, боковой лепесток и т.д.) и слабо зависят от метода уплотнения.

Проведены исследования ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

Осуществлена программная реализация разработанной автором методики расчета ЭМП вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Разработаны и реализованы в виде программных модулей вычислительные алгоритмы для проволочных и апертурных антенн, включающие процедуры:

- дискретизации (сегментации) полосы частот, занятой спектром сигнала, аппроксимации функции спектральной плотности, перехода к системе энергетически эквивалентных монохроматических режимов возбуждения;

- электродинамического анализа и отыскания в заданных точках наблюдения монохроматических полей для каждого эквивалентного монохроматического режима;

- отыскания энергетически эквивалентных монохроматических полей неопределенной поляризации в заданных точках наблюдения.

На базе разработанных алгоритмов и программ проведен расчет уровней электромагнитных полей, создаваемых антеннами цифровых систем передачи информации: систем персонального радиовызова, систем радиосвязи с подвижными объектами (сотовой связи), систем цифрового телевидения стандарта DVB-T, системы радиосетей передачи данных Ethernet.

Проведено сравнение результатов, полученных на основе разработанной автором методики, с аналогичными результатами расчетов по ранее применявшимся методикам, не учитывающим спектральных характеристик сигналов.

Установлено, что учет ширины и вида спектра цифровых сигналов обеспечивает уточнение расчетных значений уровней ЭМП, причем величина поправки по напряженности поля, вблизи рассмотренных типов антенн, а также в зоне излучения сильно разраженных антенных решеток составляет до ±10%.

Разработана методика измерений и проведены экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи цифровых систем передачи информации.

На основе проведенного анализа методов и инструментальной базы измерений электромагнитных полей, применительно к задаче учета спектральных характеристик сигналов ЦСПИ, уточнена классификация измерительных приборов по измеряемым параметрам (напряженность поля и ППЭ), полосе пропускания (широкополосные и селективные), функциональному назначению (измерители напряженности поля, измерители плотности потока энергии и анализаторы спектра) и характеру измеряемого поля (ближняя или дальняя зона).

Разработана методика измерений электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ с учетом ширины спектра и вида передаваемого сигнала, основанная на измерении широкополосными измерителями напряженности поля и ППЭ, селективными вольтметрами (измерительными приёмниками) и анализаторами спектра.

Обоснована процедура измерений путем разбиения полосы сигнала на узкополосные участки. Для различных типов приборов, в зависимости от спектральной характеристики сигнала, разработаны рекомендации по выбору ширины участков и способу усреднения результатов измерений.

Проведенные экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ показали хорошее совпадение с результатами расчетов.

Разработаны предложения по обеспечению электромагнитной безопасности цифровых систем передачи информации.

Обоснована целесообразность при разработке предложений по корректировке нормативных и методических документов в области электромагнитной безопасности в части, касающейся оборудования цифровых систем подвижной радиосвязи, руководствоваться требованиями проекта СанПиН «Ориентировочные безопасные уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых системами сухопутной подвижной радиосвязи», разработанного взамен ГН 2.1.8/2.2.4.019-94 и находящегося в данный момент на утверждении в Департаменте Госсанэпиднадзора Минздрава России.

Разработаны предложения по корректировке нормативной документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ.

Обоснована необходимость проведения оценки ЭМП, создаваемых АФУ ЦСПИ с временным уплотнением каналов (технология TDMA), а также других ЦСПИ излучение которых носит прерывистый характер, как в случае импульс-но-модулированных колебаний согласно СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, по средней за период следования импульса мощности источника ЭМИ РЧ. Показано, что коэффициент в расчетном соотношении при этом определяется количеством временных посылок TDMA-кадра или отношением общего времени контроля ЭМП к сумме интервалов времени передачи радиооборудования ЦСПИ.

Разработаны предложения по корректировке методической документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ, предполагающие использование разработанных автором методик расчета и измерения уровней ЭМП вблизи передающих антенн ЦСПИ с учетом особенностей спектра излучаемых сигналов.

Обоснованы предложения по использованию разработанных методик для целей сертификации оборудования в Системе сертификации «Связь», в частности, в типовых программах и методиках испытаний при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой и носимой радиопередающей продукции.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении комплекса работ, связанных с подготовкой рабочих материалов по корректировке существующей нормативно-методической документации в отрасли «Связь», при проведении расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки вблизи антенн цифровых систем передачи информации ЦРР-1 и внедрены в учебный процесс Поволжской Государственной Академии Телекоммуникаций и Информатики.

Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.

1. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ / Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч1. М.: Связь, 1977. - 384 с.

2. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной связи / А. Л. Бузов, Л.С. Казанский, В. А. Романов, Ю.М. Сподобаев; Под ред. А. Л. Бузова. М.: Радио и связь, 1997. - 150 с.: ил.

3. Антенно-фидерные устройства: технологическое оборудование и экологическая безопасность / А.Л. Бузов, Л.С. Казанский, А.Д. Красильников, и др.; Под ред. А.Л. Бузова. М.: Радио и связь, 1998. - 221 с.

4. Антенно-фидерные устройства / Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев. М.: Радио и связь, 1989. - 352 с., ил.

5. Антипова С.Е., Бузов А.Л. и др. Под ред. Бузова А.Л. Электромагнитная безопасность и функционирование отрасли «Связь».- М.: Радио и связь, 2000.

6. Антипова С.Е., Вишняков М.Г., Юдин В.В. Особенности расчетного прогнозирования и инструментального контроля электромагнитных полей вблизи излучающих средств цифровых систем связи // Радиотехника (журнал в журнале). 2001. - №11. - С.97-99.

7. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. М.: Связь, 1978.

8. Брауде Л.Г. Использование сетчатых моделей для расчета входных сопротивлений самолетных антенн декаметрового диапазона волн // Труды НИИР. 1989. - №3. - С.79-82.

9. Бродски. Будущее систем беспроводной связи. Сети №4/95.

10. Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. М.: Радио и связь, 1997. - 293 с., ил.

11. Бузов А.Л., Романов В.А. Требования к приборам контроля уровней ЭМИ при их гигиенической оценке.// Метрология и измерительная техника в связи. №6, 1999. С.13-14.

12. Бузов А.Л., Ю.И. Кольчугин, Романов В.А. Юдин В.В. Требования к измерительным антеннам.// Метрология и измерительная техника в связи. №1, 2000. С.19-20.

13. Бузов А.Л., Кольчугин Ю.И. и др. Энергетическая характеристика ближнего поля, создаваемая ручными радиотелефонами систем сотовой подвижной связи. // Деп. Рук. М.: № 2112-св97, от 27.11.97.

14. Бузов А.Л., Вишняков М.Г., Малыгин В.Б. Контроль электромагнитных излучений радиопередатчиков шумоподобных сигналов радиосетей Ethernet // Радиотехника (журнал в журнале). 2001. - №9. - С.79-80

15. Вишняков М.Г. Учет вида передаваемого сигнала в задачах исследования ближних полей антенн // Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. 2001. - №3 (31). - С.64-71.

16. Вишняков М.Г. Метод интегрального уравнения в частотно-пространственной области для исследования полей передающих средств систем связи с различными способами уплотнения каналов // Радиотехника (журнал в журнале). 2001. - №11. - С.94-96.

17. Вишняков М.Г. Расчет ближнего поля вибраторных антенн и антенных решеток с учетом спектра передаваемого сигнала. // Антенны. 2002. -№1(56). - С.53-58.

18. Вишняков М.Г. Измерения уровней электромагнитных полей, создаваемых цифровыми системами передачи информации. // Метрология и измерительная техника в связи. №1. - 2002. - C.38 - 39.

19. Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой связи. Гигиенические нормативы. ГН 2.1.8/2.2.4.019-94. -М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1995.

20. Вычислительные методы в электродинамике: Под ред. Р. Митры. Пер. с англ. / Под. ред. Э.Л. Бурштейна. М.: Мир, 1977. - 487 с.

21. Галицкий А. Беспроводные сети создают новую коммуникационную инфраструктуру. Труды ЕСТ'94, Москва, Экотрендс, 1994.

22. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы. М.: Научно-исследовательский институт радио (НИИР), 2001. - 586 с.: ил.

23. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. М.: Радио и связь, 1990.

24. ГОСТ 12.01.006-84. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля.

25. ГОСТ Р 510070-97. Измерители напряженности электрического поля должны удовлетворять требованиям.

26. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Технологии электронных коммуникаций. Т.67. - 1996.

27. Громаков Ю.А. Сотовые системы подвижной связи. // ТЭК. Т. 48 М.: ЭкоТрендс Ко, 1994.

28. Гугалов К.Г. Транкинговые сети: антенно-фидерные устройства // Вестник связи. №12. - 1997. - С.86-88.

29. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. 3-е изд., перераб. - М.: Наука, 1967. - 368 с.

30. Дручинин С.В. Критерий отсутствия искажений при решении интегрального уравнения электрического поля методом моментов // Радиотехника и электроника. 1995. - №12. - С. 1776-1777.

31. Захаров Е.В., Пименов Ю.В. Численный анализ дифракции радиоволн. М.: Радио и связь, 1982. - 184 с.

32. Зорин М., Писарев Ю., Соловьев П. Беспроводные сети: современное состояние и перспективы. — Connect. Мир связи, 4/99, с. 104-107.

33. Зорин М., Писарев Ю., Соловьев П. Беспроводные мосты на пороге третьего тысячелетия. — КомпьютерПресс, 5/99, с. 182-186.

34. Зорин М., Писарев Ю., Соловьев П. Радиооборудование диапазона 2,4 ГГц: задачи и возможности. — PCWeek/Russian Edition, 20-21/99, с. 18.

35. Зорин М., Писарев Ю., Соловьев П. Высокоскоростные радиомодемы ISM-диапазонов. — Сети и системы связи, 7/99, с. 106-111.

36. Зюко А.Г., Кловский Д. Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

37. Зюко А.Г., Фалько А.И., Панфилов И.П., Банкет В.Л., Иващенко П.В. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. М.: Радио и связь, 1985. 272 с.

38. Инженерные расчеты на ЭВМ: Справочное пособие / Под ред. В. А.

39. Троицкого. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1979. - 288 с.

40. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа, изд. 3-е, М. Л., 1950.

41. Каталог фирмы «Andrew Corporation».48. Каталог фирмы «Kathrein».

42. Каталог фирмы «Rohde&Schwarz».

43. Каталог фирмы «Hewlett Packard».

44. Кольчугин Ю.И. К вопросу гигиенического нормирования электромагнитного излучения диапазона частот 300-3000 мегагерц. // Медицина труда и промышленная экология, №9, 1996.

45. Кольчугин Ю.И. Разработка методик расчета, измерений и исследование электромагнитных полей вблизи антенн сотовой подвижной связи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара. -1998.

46. Корнеева Т. М. Фазированные антенные решетки. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1998, № 5-6, с. 37-40.

47. Корнилов М.В., Калашников Н.В., Рунов А.В. и др. Численный электродинамический анализ произвольных проволочных антенн // Радиотехника. -1989. №7. - С. 82-83.

48. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбенко и др.; Под ред. Г.З. Айзенберга. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 536 с.

49. Кудин В.П., Рубан А.П. Алгоритмизация задач возбуждения проволочных структур // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1986. - №3. - С.22-25.

50. Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа. В 3 т. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988.

51. Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Киев: Изд-во "КВЦ", 2000.

52. Лиштаев О.Б., Лучанинов А.И., Толстова С.В., Шокало В.М. Математическая модель и алгоритм анализа электродинамических характеристик проволочных излучателей сложной геометрии // Радиотехника. -1992. № 1-2. - С. 87-89.

53. Марков Г.Т., Сазонов Д. М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975. 528 с., ил.

54. Маслов О.Н., Шаталов В.Г., Кирюшин Г.В. Проектирование, развитие и электромагнитная безопасность сетей сотовой связи стандарта GSM. М.: Радио и связь, 2000. 148 с.

55. Минин Б. А. СВЧ и безопасность человека. М.: Сов. Радио, 1974.

56. МУК 4.3.045-96. Определение уровней электромагнитного поля в местах размещения передающих средств телевидения и ЧМ-радиовещания: Методические указания. М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпид-надзора России, 1996. - 15 с.

57. МУК 4.3.680-97. Определение плотности потока излучения электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 700 МГц 300 ГГц: Методические указания. - М.: «Интерсэн», 1998. -40 с.

58. Назаров В.Е., Рунов А.В., Подининогин В.Е. Численное решение задач об основных характеристиках и параметрах сложных проволочных антенн // Радиотехника и электроника. Вып.6. минск.: Вышейшая школа, 1976. - С.153-157.

59. Нефедов Е.И., Радциг Ю.Ю., Эминов С.И. Теория интегральных уравнений дифракции электромагнитных волн // ДАН, 1995.-Т.345. -№2. -С.186-187.

60. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. -М.: Наука, 1973. 608 с.

61. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1989. - 544 с.

62. Ориентировочные безопасные уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых носимыми станциями сухопутной подвижной радиосвязи.

63. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника / Пер. с чешск. Под ред. Л.С. Виленчика. М.: Радио и связь, 1990, - 528 с.: ил.

64. Радиорелейные и спутниковые системы передачи / А.С. Немировский, О.С. Данилович, Ю.И. Маримонт и др. Под ред. А.С. Немировского. М.: Радио и связь, 1986.

65. Радциг Ю.Ю., Сочилин А.В., Эминов С.И. Исследование методом моментов интегральных уравнений вибратора с точными и приближенными ядрами // Радиотехника. 1995. - №3. - С. 55-57.

66. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина. М.: Радио и связь, 1998. - 249 с.

67. Рунов А.В. О специализации интегрального уравнения тонкой проволочной антенны произвольной геометрии к некоторым частным случаям // Радиотехника и электроника. Вып. 6. Минск.: Вышейшая школа. 1976. С. 161167.

68. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988. - 432 с.: ил.

69. Слюсар В.И., Заблоцкий М.А. Цифровые антенные решетки в зарубежных системах мобильной связи. Зв'язок, 1999, № 1.

70. Слюсар В.И. Цифровое диаграммообразование базовая технология перспективных систем связи. - Радиоаматор, 1999, № 8.

71. Сподобаев Ю.М., Кубанов В.П. Основы электромагнитной экологии. -М.: Радио и связь. 2000. 240 с.

72. Сподобаев Ю.М., Юдин В.В. Электродинамический анализ линейных решеток параллельных вибраторов // Сборник научных трудов молодых ученных ПИИРС. Самара. - 1996. - С. 49-54.

73. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 720 с.

74. Справочник по радиорелейной связи / Н.Н. Каменский, А.М. Модель, Б.С. Надененко и др.; Под ред. С.В. Бородича. М.: Радио и связь, 1981.

75. Стрэттон Дж. А. Теория электромагнетизма: Пер. с. англ./ под ред. С.М. Рытова. М.; Л.: ГИТТЛ, 1948. - 540 с.

76. С.Е Антипова, О.Б. Гончарук, Ю.И. Кольчугин. Измерительные антенны для оценки электромагнитной обстановки в местах пребывания обслуживающего персонала телекоммуникационных объектов. // Метрология и измерительная техника в связи. 2001. № 3. С.36-37.

77. Техническая электродинамика / Пименов Ю.В., Вольман В.И., Мурав-цов А. Д. Под ред. Ю.В. Пименова: Учеб. пособие для вузов. М.: радио и связь, 2000. - 536 с.: ил.

78. Теория электрической связи / А.Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 1998.

79. Типовая программа-методика испытаний при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой продукции. СОНИИР, Самара, 2000.

80. Типовая программа-методика испытаний при гигиенической оценке носимой радиопередающей продукции. СОНИИР, Самара, 2000.

81. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -Изд. 3-е, исправленное. М.: Наука, 1986. - 288 с.

82. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М.: Гос. изд-во литературы по вопр. связи и радио, 1962.

83. Цифровое телевидение / М.И. Кривошеев, Л.С. Виленчик, И.И. Красносельский и др.; Под ред. М.И. Кривошеева. М.: Связь, 1980. - 264 с.

84. Электродинамические методы анализа проволочных антенн / Бузов А.Л., Сподобаев Ю.М., Филиппов Д.В., Юдин В.В.; Под ред. Юдина В.В. М.: Радио и связь, 2000.

85. Электромагнитная безопасность и функционирование отрасли «Связь» / С.Е. Антипова, А.Л. Бузов, О.В. Бузова и др.; Под ред. А.Л. Бузова -М.: Радио и связь, 200. 77 с.: ил.

86. Электромагнитная экология. Основные понятия и нормативная база / А.Л. Бузов, Ю.М. Сподобаев М.: Радио и связь, 1999. - 78 с.: ил.

87. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1996. - 28 с.

88. Юдин В.В. Разработка и программная реализация эффективных численных методов электродинамического анализа антенн диапазона ОВЧ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара. -1995.

89. Яцкевич В. А., Каршакевич С.Ф. Устойчивость процесса сходимости численного решения в электродинамике // Изв. вузов Радиоэлектроника. -1981. - Т.ХХ1У, №2. - С.66-72.

90. Digital Cellular System DCS (BSC/BTS) System Training Book. Operation and Maintenance Manual SDX-DCS. SAMSUNG Incoparated, 1997.

91. ETS 300 744. Digital Video Broadcasting. Farming structure, coding and modulation for digital Terrestrial television (DVB-T). ETSI, March, 1997.

92. Simon, J. Оmura, R. Scholtz, and К. Levitt, Spread Spectrum Communications Vol. I, II, III, Rockville, MD, Computer Science Press, 1985.

93. Holmes, Coherent Spread Spectrum Systems, New York, NY. Wiley In-terscience, 1982.

94. Torrieri, Principles of Secure Communication Systems/ Boston. Artech house, 1985.

95. Cooper and C.D. McGillem, Modern Communications and Spread Spectrum, New your, McGraw-Hill, 1986.

96. Ziemer and R.L. Peterson, Digital Communications and Spread Spectrum Systems, New York, Macmillan, 1985.

97. Ziemer and R.L. Peterson, Introduction to Digital Communications, New York, Macmillan, 1985.

98. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА УРОВНЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВБЛИЗИ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН РАЗЛИЧНЫХ ЦИФРОВЫХ

99. СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

100. Рисунок П1.6 Распределение в пространстве эквивалентной напряжённости электрического поля 120-ти градусной секторной антенны базовой станции, рассчитанное без учёта наличия подстилающей поверхности.

101. Рисунок П1.7 Распределение в пространстве эквивалентной напряжённости электрического поля 120-ти градусной секторной антенны базовой станции, рассчитанное с учётом наличия подстилающей поверхности.I--in1. E, V/m

102. Рисунок П1.8 Распределение в пространстве эквивалентной напряжённости электрического поля 60-ти градусной секторной антенны базовой станции рассчитанное без учёта наличия подстилающей поверхности.I1."о1. Е, V/m

103. Рисунок П1.9 Распределение в пространстве эквивалентной напряжённости электрического поля 60-ти градусной секторной антенны базовой станции рассчитанное с учётом наличия подстилающей поверхности.

104. Рисунок П1.10 Распределение в пространстве эквивалентной напряжённости электрического поля носимого абонентского терминала сотовой связи

105. Рисунок П1.11 Распределение эквивалентной напряжённости электрического поля от радиокарты Cisco Pci340, в направлении, перпендикулярном системному блоку ПК.

106. ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля. Изм.1.

107. ГОСТ 12.1.002-84 ССБТ. ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах.

108. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 Санитарные правила и нормы. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ).

109. ПДУ 5803-91 Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10 кГц 60 кГц.

110. СанПиН (проект) «Ориентировочные безопасные уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых системами сухопутной подвижной радиосвязи».

111. СанПиН 2.2.4.723-98 Переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях.

112. ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.

113. ГОСТ 12.1.050-86 ССБТ. Шум. Методы измерения шума на рабочих местах.

114. СН 2.2.4/2.1.8-562-96. Шум на рабочих местах.2 ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ

115. Проверка требований по предельно допустимым уровням воздействия неио-низирующих электромагнитных излучений (ЭМИ) и акустических шумов (АШ)21.1 Перечень проверяемых требований и сведения о методах испытаний приведены в табл. П2-2.1. (выбрать нужное)

116. Наименование параметра №№ и п. п. Методика,п. п Гост, СанПиН п. ПМ

117. Требования по ЭМИ в рабочей полосе частот

118. Требования по ЭМИ на частоте 50 ГЦ3 Требования по АШ

119. Проверка основных параметров по неионизирующему электромагнитному излучению и акустическим шумам22.1 Перечень проверяемых параметров и сведения о методах испытаний приведены в табл.2.2.