автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Разработка методик расчета, измерений и исследование электромагнитных полей вблизи антенн сотовой подвижной связи

! •

На правах рукописи

Кольчугин Юрий Иванович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА, ИЗМЕРЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЖКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВБЛИЗИ АНТЕНН СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1998

Работа выполнена в Самарском отраслевом научно-исследовательском институте радио.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Сподобаев Ю.М. Официальные оппоненты:

-доктор физико-математических наук, профессор Неганов В.А.

- кандидат технических наук, доцент Соболев В.А.

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт Радио

Защита состоится « У» ¿¿У*0/ч*Я- 1998 г. в на за-

седании диссертационного Совета К 118.10.01 в Поволжской академии телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

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

Автореферат разослан «_ » ¡Л* 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессо

^О.Н. Маслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во многих регионах России наблюдается большой интерес к современным системам подвижной радиосвязи, которые позволяют оперативно, находясь в любом месте зоны охвата системы, устанавливать связь с другими подвижными абонентами, с абонентами телефонной сети общего пользования, выходить на междугородную и международную сети. Наиболее перспективными в этом направлении являются системы сотовой подвижной связи (ССПС), значительно опережающие по темпам развития другие виды телекоммуникаций.

Бурное развитие ССПС сопряжено с расширением контингента и резким увеличением числа лиц, подвергаемых воздействию электромагнитных полей (ЭМП) антенн ССПС. В связи с этим резко возросла актуальность проблемы электромагнитной безопасности ССПС, требующей решения комплекса задач, включая вопросы нормирования, мониторинга и защиты от ЭМП.

Важность и актуальность указанной проблемы подтверждается Решениями Комитета по экологии Государственной думы РФ от 23.03.95 и Межведомственной комиссии по экологической безопасности Совета Безопасности РФ № 2-2 от 20.02.96, а также соответствующим Планом мероприятий, принятым Министерством связи РФ.

Особенно актуальна проблема безопасности для подвижных станций - автомобильных станций и ручных радиотелефонов, т.к. в этих случаях пользователь находится в непосредственной близости от передающей антенны. Решение указанной проблемы в свою очередь требует создания соответствующих методик расчета и измерения ЭМП, учитывающих сложную пространственную геометрию излучающих структур.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая задача разработки методик расчета и измерений ЭМП вблизи антенн радиосредств сотовой подвижной связи.

Состояние вопроса. Вопросами расчета ЭМП применительно к проблеме электромагнитной безопасности занимался ряд авторов.

В работах Б.А. Минина рассмотрены общие принципы методов расчета ЭМП ближних и дальних зон апертурных антенн, а в трудах Ю.М. Сподобаева рассмотрены ближние поля конкретных типов антенн декаметрового диапазона. Однако, эти методы оказываются малопригодными для антенн ССПС. В работах В.А. Романова анализируется поле в ближней и дальней зонах передающих антенн телевидения при ряде допущений для ближней зоны, существенно снижающих возможности применения соответствующих методик для расчета ближних полей антенн ССПС.

Достаточно перспективным в данном случае представляется подход, основанный на решении электродинамической задачи метода-

ми интегральных уравнений (Г.З. Айзенберг, Л.Г. Брауде, R. Mittra, G.A.Thiele и др.), в частности, разработанные применительно к подобным задачам эффективные численные методы электродинамического анализа антенн в тонкопроволочном приближении (A.B. Рунов, Н.В. Калашников, В.Э. Яскевич, В.В. Юдин и др.).

Вопросы измерения ЭМП рассмотрены в ряде работ. Принципы, методы и аппаратура измерений ЭМП биологически опасных уровней ЭМП диапазона СВЧ (Б.А. Минин) для ССПС применимы лишь частично. В работах В.А. Романова подробно рассмотрены вопросы измерений ЭМП, но лишь для зоны излучения. Более перспективна методика инструментального контроля уровней ЭМП декаметрового диапазона (Ю.М. Сподобаев). предполагающая измерение в ближней зоне антенн трех ортогональных составляющих напряженности электрического поля.

Следует отметить также опубликованные (К. Fujimoto, J.R. James и др.) результаты исследований (в т.ч. экспериментальных) ЭМП ССПС, как материал для сопоставления с результатами диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследований

Цель работы - разработка методик и алгоритмов расчета электромагнитных полей вблизи антенн ССПС на основе моделей, учитывающих сложную пространственную конфигурацию излучающих структур; разработка методик измерения ЭМП; исследование полей вблизи антенн; разработка принципов нормирования и предельно допустимых уровней ЭМП.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

- разработка методики и алгоритма расчета ЭМП вблизи антенн базовых станций;

- разработка электродинамических моделей антенн подвижных станций;

- разработка методики и алгоритма расчета ЭМП вблизи антенн подвижных станций;

- разработка методик измерений ЭМП вблизи антенн базовых и подвижных станций;

- исследование ЭМП вблизи антенн базовых и подвижных станций;

- разработка принципов нормирования и предельно допустимых уровней ЭМП, создаваемых средствами ССПС.

Методы исследований: аналитический аппарат электродинамики; методы решения внешних электродинамических задач на основе интегральных уравнений; численные методы решения интегральных уравнений; методы структурного проектирования и конструирования программ для ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана методика расчета электромагнитных полей вблизи антенн подвижных станций ССПС, включая разработку и обоснование трехмерных тонкопроволочных электродинамических моделей и алгоритм расчета на основе численного решения скаляризованного уравнения Харрингтона.

2. Предложен энергетический критерий оценки уровней ближних полей, учитывающий реактивное поле вблизи антенн подвижных станций.

3. Разработаны методики измерений ближних полей антенн подвижных станций, включая разработку принципов построения и реализацию малогабаритных измерительных антенн с минимальной зоной возмущения первичного поля.

4. Проведены исследования электромагнитных полей вблизи антенн ССПС, в результате которых впервые получены распределения полей в условиях реальных размещений вышеупомянутых антенн.

5. Разработан программный комплекс оценки электромагнитной обстановки вблизи антенн базовых станций, позволяющий провести их оптимизацию по критерию экологической безопасности.

Практическая ценность и внедрение полученных результатов

Разработанные методики, алгоритмы и программный комплекс позволяют проводить экологическую и санитарную экспертизу излучающих технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов по электромагнитному фактору.

Результаты исследований и анализа ближних полей позволяют оптимизировать ориентацию излучающих элементов портативных радиотелефонов относительно корпуса по критерию электромагнитной безопасности.

На основании предложенных подходов к процессам нормирования обоснованы предельно допустимые уровни электромагнитных полей, создаваемых системами сотовой связи.

Материалы исследований внедрены в Государственные нормативные и методические документы:

1. "Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой связи. Гигиенические нормативы" ГН 2.1.8/2.2.4.019-94. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1994.

2. "Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)". СанПиН 2.2.4/2.1.8.0-96. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1996.

3. "Определение уровней электромагнитного поля в местах размещения передающих средств и объектов сухопутной подвижной радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов". Методические указания. МУК 4.3.046-96. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1996.

Кроме того, разработан ряд санитарных паспортов (по электромагнитному фактору) базовых станций ССПС.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава Поволжского института информатики, радиотехники и связи в 1996 и 1998 г., 1-ом Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург, 1997 г.), 1-ой научно-технической конференции "Проблемы электромагнитной экологии и охрана окружающей среды" (Ульяновск, 1997 г.).

Результаты диссертационной работы положены в основу перечисленных выше нормативных и методических документов, утвержденных Госсанэпиднадзором России, на которые получены положительные отзывы, в частности, Управления Государственного надзора за связью по Самарской области Госсвязьнадзора РФ (г. Самара), Государственного предприятия Самарский областной радиотелевизионный передающий центр (г. Самара), Московского научно-исследовательского института радио (г. Москва).

Диссертационная работа рассматривалась на заседаниях научно-технических советов Самарского отраслевого НИИ радио, расширенном заседании кафедры средств радиосвязи и антенн Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики.

Публикации

Результаты диссертационной работы нашли отражение в 18 публикациях: главах и параграфах трех монографий, пяти статьях в научных журналах и сборниках, депонированной рукописи, тезисах докладов трех научных конференций и Международного конгресса, вошли составной частью в четыре нормативно-методических документа. Кроме того, к печати в научно-технический журнал принята еще одна статья.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основной части, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 221 е., в том числе 135 с. текста, 61 с. рисунков и таблиц, библиографию из 102 наименований на 10 е., три приложения на 15 с.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика расчета электромагнитных полей вблизи антенн подвижных станций ССПС, включая разработку и обоснование трехмерных тонкопроволочных электродинамических моделей и алгоритм расчета на основе численного решения скаляризованного уравнения Харрингтона.

2. Результаты исследования ближних полей антенн подвижных станций и их оценка для целей электромагнитной безопасности по энергетическому критерию, учитывающему реактивную составляющую поля.

3. Методика измерений ближних полей антенн подвижных станций, особенностью которой является разработка малогабаритных антенн с минимальной зоной возмущения первичного поля.

4. Алгоритм и программный комплекс расчета ЭМП вблизи базовых станций ССПС.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы электромагнитной безопасности эксплуатации передающих радиосредств ССПС, антенны которых являются источниками излучения ЭМП, неблагоприятно влияющего на здоровье человека. Представлен обзор литературы по методам расчета и измерения ЭМП, их исследованию, нормированию. Рассмотрены цели предпринимаемых исследований, объект и предмет исследований, методы исследований и структура работы.

Первая глава посвящена разработке моделей антенн и ЭМП радиостанций ССПС. Рассмотрены особенности электродинамического моделирования антенн: дана краткая характеристика ССПС, отмечены особенности условий облучения ЭМП вблизи антенн ССПС, заключающиеся в том, что для облучаемого человека базовые станции создают поле дальней зоны, а подвижные станции - поле ближней зоны. При этом в ближней зоне наблюдается резкое возрастание напряженно-стей электрического и магнитного полей за счет увеличения вклада квазистационарных компонент, изменяющихся как 1/г2 и 1/г3. Рассмотрены типы применяемых в ССПС антенн. Для базовых станций - это колли-неарныс, панельные, типа "волновой канал" и др. Для автомобильных станций - это, в основном штыревые антенны различной длины. Для ручных радиотелефонов - это антенны малых размеров, обеспечивающие удобство их эксплуатации: диполь "стаканного" типа, спиральная, четвертьволновый штырь, комбинированная спирально-дипольная. Разработаны модели антенн ССПС. Для базовых станций - это антенная решетка, состоящая из излучателей с известными характеристиками направленности (ХН); для автомобильных станций, антенны которых обычно размещаются на плоских поверхностях - это штырь на идеально проводящей металлической поверхности; для ручных радиотелефонов - это штырь с противовесом в виде коллинеарной пластины или малого нормально ориентированного к штырю диска, моделирующие корпус радиотелефона. Последняя модель характеризуется вытеснением тока с поверхности противовеса к точке питания в реальном радиотелефоне.

Проведены выбор и обоснование метода расчета ЭМП вблизи антенн ССПС. Для базовых станций выбран метод определения напряженности поля на основе двухлучевой модели. Для подвижных станций в условиях поля ближней зоны необходим более строгий подход, основанный на решении внешней электродинамической задачи. Функция

распределения поверхностного тока на системе "вибратор + противовес" находится методом интегро-дифференциалыюго уравнения, имеющего смысл граничного условия для электрического поля на поверхности металла, который считается идеально проводящим.

Для решения задачи излучения вибратора, находящегося на плоской идеально проводящей поверхности, применен известный подход, основанный на аппроксимации сплошных поверхностей проволочными сетками и нахождении токов в проводниках в приближении тонкого провода. Переход от сплошной поверхности к проволочной сетке для плоской прямоугольной пластины схематично показан на рис.1, а).

Поскольку в рамках тонкопроволочного приближения рассматривается не поверхностный, а линейный ток, поверхностная плотность тока как векторная функция двух переменных заменяется скалярной функцией одной переменной 1(Г) - функцией распределения осевого тока вдоль проводов, определенной на контуре V, представляющем собой совокупность осей всех проводников, включая вибратор. Контур V схематично показан на рис.1, б) (с целью наглядности вибратор и проводники, ориентированные вдоль разных сторон прямоугольника, на рисунке условно показаны разнесенными в пространстве), Г - координата, отсчитываемая вдоль контура V таким образом, что при монотонном увеличении значения Г соответствующая точка пробегает поочередно все проводники сетки и вибратора (рис.1, б)).

Аналогичным образом функция распределения полного поля заменяется скалярной функцией, определенной на контуре Ь (с координатой /), представляющем собой контур V, перенесенный на поверхность проводников так, что кратчайшее расстояние между точкой источника на V и точкой наблюдения на Ь всюду не меньше радиуса провода. В основной системе координат конкретным значениям Г и I соответствуют радиус-векторы V' и V. Вводятся единичные векторы 1' и 1, касательные к Ь' (в точке Г) и Ь (в точке I), а также вспомогательная координата г, отсчитываемая вдоль прямой, соединяющей точки V' и V

а) проволочная сетка

б) контур

Рис.1

(положительное направление - от v' к v), и орт этой вспомогательной оси координат 1г = (v - v')/1 v - v'j. При этом трехмерное векторное ин-тегро-дифференциальное уравнение Харрингтона преобразуется в одномерное скалярное уравнение:

Ео(/> = J{(jco^)(l,l') G(/,/') I(f) + (jtosa)-' (1 ,U)[dG(//)/dr]fdI(/')/df]}df, (1)

L'

где Eo(0 - функция распределения стороннего поля;

G(//) = exp(-jpr)/(47ir) - функция Грина.

Для решения ИУ применен метод моментов при кусочно-синусоидальном базисе разложения искомой токовой функции. В тех случаях, когда рассматриваемые модели антенн обладают симметрией (зеркальной или поворотной), электродинамическая задача решалась только для одной симметричной части с учетом влияния остальных частей.

Сторонний источник моделировался сосредоточенным источником тока в точке подключения вибратора к противовесу. Вибратор всегда подключался к узлу сетки (рис.2). При этом вводился сегмент с заданным током I,,, (входной ток), одно плечо которого расположено на оси вибратора, а другое описывается системой токов в плоскости противовеса.

Рис.2

В рамках разработки электродинамических моделей подвижных станций на основе численного эксперимента определены вид весовых функций, а также дискрет сетки и число сегментов, достаточные для достижения заданной точности приближенного решения ИУ. В качестве весовых рассматривались кусочно-синусоидальные (метод Галеркина) и дельта-функции (метод сшивания в точках). Точность оценивалась по

сходимости значения напряженности электрического поля в точках наблюдения. В качестве дополнительного контролируемого параметра определялось распределение тангенциального поля на поверхности противовеса. Мера неустойчивости решения ИУ по числу сегментов Пи дискрету сетки определялась максимумом отношения разности между напряженностью поля на ¡-ой итерации и значением, к которому асимптотически стремится решение, к этому асимптотическому значению. Точность выполнения граничного условия (на поверхности противовеса) оценивалась по функциям, имеющим смысл котангенса угла между вектором электрического поля и плоскостью противовеса. Результаты проведенных исследований показали для всех моделей сходимость решения ИУ по числу сегментов и дискрету сетки с удовлетворительным выполнением граничного условия. Метод Галеркина не дал существенных преимуществ, но потребовал больших затрат машинного времени. Поэтому окончательно в качестве весовых были выбраны дельта-функции.

Проведенные исследования позволили построить электродинамические модели АС и РТ. Сегменты в моделях располагаются так, что их центры и крайние точки совпадают с узлами сетки. При зеркальной симметрии из модели исключаются сегменты, пересекающие плоскость симметрии. Противовес в виде круглого диска описывается одним радиальным проводом.

Проведено моделирование ближнего поля ПС. При этом рассмотрено влияние дискрета сетки на точность расчета ближнего поля по найденным токам в проволочной сетке. Увеличение густоты сетки приводит к резкому увеличению затрат машинных ресурсов на этапе решения электродинамической задачи. Автором предложено при расчете поля заменить проводники сетки тонкими полосками. На основании проведенных исследований был выбран кусочно-линейный базис разложения токовой функции поперек полосок и определен соответствующий дискрет для численного интегрирования.

Для описания ближнего поля автором предложено вместо векторных комплексных функций использовать напряженности линейно поляризованных электрического и магнитного полей, эквивалентных реальному ближнему полю с точки зрения средней за период энергии. Графически эти функции удобно изображать посредством линий уровня на контрольных плоскостях. Семейство таких кривых на контрольной плоскости представляет собой диаграмму линий уровня.

Для оценки электромагнитной безопасности антенн в диапазоне частот ССПС нормируется плотность потока энергии (ППЭ) плоской волны. В ближнем поле с этой точки зрения возникает необходимость введения энергетической характеристики, имеющей смысл ППЭ. Поскольку при воздействии на биологический объект направление переноса энергии не имеет значения, в качестве такой характеристики предло-

жено использовать усредненное по времени за период и по заданной поверхности мгновенное значение модуля вектора Пойнтинга:

Т

P3=l/(SsT)J J | (n , n(s,t» | dt ds , (2)

S о

где Ss - площадь поверхности S; Т = 2п/о - период колебаний; п - орт нормали к поверхности S.

Введенная характеристика устанавливает энергетическую эквивалентность ближнего поля полю плоской волны (дальняя зона) с ППЭ, равной Р3, благодаря чему обеспечивается возможность оценки ближнего поля с точки зрения действующих санитарно-гигиенических норм.

Показано, что в случае электрически малой площадки S интеграл по времени в (2) может быть вычислен в замкнутой форме:

Рэ = (2/ti) F sin [ Arccos(C/F)] + С [ 1 - 2Arccos (С / F) / п ] . (3)

где для случая ориентации площадки нормально к оси абсцисс:

С = | |Еу| |Н,| cos(ey - hz) - |Ег| |НУ| cos(ez - hy) | / 2 ,

F = [(|Ey||Hz|)2 + (|Ez||Hy|)2 - 2|Ey||Ezj|Hz||Hv|cos(ey-ez + hz -hy)]1« / 2 .

Усреднение модуля вектора Пойнтинга по времени иллюстрируется рис.3.

At

Рис.3.

Для общего случая, когда заданная поверхность 8 имеет произвольные размеры:

в - радиус-вектор точки на Б.

Вторая глава посвящена исследованиям ЭМП вблизи антенн ССПС. Разработаны методики расчета ЭМП, базирующиеся на изложенных в первой главе методах и принципах. Методика расчета ЭМП для БС предполагает определение напряженности поля по формуле:

где Р - мощность на входе ангенно-фидерного тракта; в - коэффициент усиления антенны; П3фт = По-Пт - коэффициент потерь в антенно-фидерном тракте; По - потери на отражение; Пт - КПД фидера; И - расстояние от геометрического центра антенны до точки наблюдения (наклонная дальность); Рв(&) - нормированная ХН антенны в вертикальной плоскости; Рв(0, <р) - нормированная ХН антенны в горизонтальной плоскости; 0, <р - угловые координаты точки наблюдения; Кф = 1,15 ... 1,3 - среднестатистический интерференционный множитель, учитывающий влияние отражающих поверхностей в условиях городской застройки. Дальнейший пересчет напряженности в плотность потока энергии осуществляется по формуле ППЭ = Е2/120л. В основу методики положена двухлучевая модель распространения радиоволн в пространстве с учетом среднестатистического распределения ЭМП в условиях городской застройки.

В целях облегчения расчета ЭМП изложенная методика реализована в программном комплексе "Система автоматизированного прогнозирования электромагнитной обстановки в районе размещения базовой станции (САПР).

Методика расчета ЭМП для подвижных станций предполагает выполнение в три этапа: 1) нахождение функции распределения тока при заданной величине входного тока вибратора; 2) расчет основных параметров антенны - ХН, КНД, излучаемой мощности; 3) расчет ха-

Рэ = Б*-1 | [ 2 Р(8) бш С^) /к + С(ь) (1 - 2(2 (в) М] сЬ5 , (4)

где

Е = ^30 Р С 1Ъ|,Ж2' Кф Щ0) Е<Ф) ,

рактеристик поля вблизи подвижных станций - диаграмм линий уровня эквивалентной напряженности поля, ППЭ. При этом расчет ХН, КНД и излучаемой мощности осуществляется на основе представления сегментов элементарными вибраторами. Для автомобильных станций линии уровня строятся в областях, определяемых высотой человека и минимальным расстоянием, на которое он может приблизиться к автомобилю. ППЭ для автомобильных станций определяется на контуре вокруг автомобиля, отнесенного на это минимальное расстояние, путем усреднения по аппликате, изменяющейся от поверхности земли до высоты человека. ППЭ для радиотелефона определяется путем усреднения по двум перпендикулярным площадкам, имитирующим голову пользователя.

Исследования ЭМП антенн базовых станций проводились для стандарта N141-450. По разработанной методике с помощью программного комплекса (САПР) были рассчитаны ХН антенн, которые показали хорошее совпадение с приведенными в литературе данными, что подтвердило правильность и достоверность разработанной методики расчета. Были исследованы ЭМП и получены конкретные данные для нескольких типовых антенн базовых станций в зависимости от дальности и высоты точки наблюдения.

Исследование ЭМП антенн АС проводилось для трех типов моделей: штырь с круглым, с одним прямоугольным и несколькими прямоугольными (крыша, капот, багажник) противовесами. Расчеты показали преимущество третьей модели. Для нее были исследованы различные варианты расположения вибратора на крыше и построены соответствующие диаграммы уровня, показывающие увеличение напряженности поля и ППЭ в направлении смещения вибратора к какому либо краю и уменьшение в противоположном (рис.4). Помимо указанных параметров были рассчитаны ХН антенн, расположенных на различных частях автомобиля (рис.5). Результаты расчетов хорошо согласуются с результатами зарубежных авторов.

О'

1 -20 В/и 2- 15 В/м 3 - 10 В/м 4- 5 В/и,

5 м

Рис.4

Рис.5

При исследовании полей радиотелефонов рассматривались три модели: 1) модель вибратора с плоским противовесом; 2) модель вибратора с противовесом в виде прямоугольной призмы; 3) модель вибратора на малом круглом диске. При этом рассчитывалась эквивалентная напряженность электрического поля Е3. Расчеты показали хорошее совпадение результатов для первой и второй моделей, поэтому дальнейшему исследованию подверглись только первая и третья модели. Исследования показали, что распределения уровней поля по характеру близки к распределению поля вблизи симметричного вибратора с небольшим отклонением, характеризующимся увеличением размеров нижнего плеча вибратора (противовес) для первой модели и большим отклонением, характеризуемым незначительными токами на противовесе из-за малых размеров диска, для третьей модели. Диаграммы уровня (рис.6) показали хорошее совпадение с аналогичными результатами, полученными путем измерений малым зондом зарубежными авторами. Расчеты ППЭ для двух моделей радиотелефонов мощностью 2 Вт не показали превышения предельно допустимых уровней ППЭ в их близи (рис.7 сплошные линии).

о°

Рис.6 Рис.7

Третья глава посвящена разработке критериев оценки и анализу уровней ЭМП вблизи антенн ССПС для их безопасного использования. Для определения степени опасности полученных в предыдущей главе значений полей необходимо: обосновать критерий оценки ЭМП; провести нормирование параметров, выбранных в качестве критерия оценки. Нормирование с точки зрения проблем электромагнитной безопасности-это установление ПДУ воздействующего фактора, т.е. ЭМП.

К разрабатываемым принципам нормирования ЭМП следует отнести следующие: определение категорий лиц, подвергающихся электромагнитному облучению; выбор нормируемого параметра ЭМП; вы-

бор способа нормирования. При решении вопросов категоризации облучаемых, помимо лиц профессиональных групп и населения, автором впервые предложена такая группа, как пользователи радиотелефонов. В качестве нормируемого параметра выбрана ППЭ, а в качестве способа нормирования - дозный подход. При обосновании ПДУ ЭМП ССПС были использованы вышеприведенные принципы и определены ПДУ. Для профессиональной группы - это энергетическая экспозиция, опре-деяяемая произведением ППЭ на время облучения, для населения - это ПДУ ППЭ круглосуточного облучения (10 мкВт/см2), для пользователей значение ПДУ составляет 100 мкВт/см2. Сравнительный анализ нормативов ЭМП разных стран показал, что на данный момент нормативы нашей страны являются более жесткими.

Анализ ЭМО вблизи антенн ССПС показал, что на БС работают несколько передатчиков (источников ЭМП). Поэтому необходимо учитывать суммарное воздействие ЭМП, которое определяется по критерию безопасности:

N

КБ = ^ (ППЭ,/ППЭпду) , (5)

¡=1

где ППЭ| - ППЭ, создаваемая 1-тым источником ЭМП; ППЭпду -предельно допустимый уровень ППЭ для ССПС; N - количество источников ЭМП. Проведенный анализ электромагнитной обстановки показал удовлетворение критерию безопасности для типовых базовых станций на различных высотах, за исключением высот подвеса антенн.

В целях электромагнитной безопасности радиотелефонов проведены исследования, показавшие возможность уменьшения интенсивности излучения в направлении головы пользователя при наклоне антенны в противоположную сторону (рис.7 пунктирные линии).

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования ЭМП вблизи антенн ССПС с целью подтверждения методик расчета и результатов, полученных расчетным путем. Для этого была разработана методика измерений ЭМП ПС, основанная на применении селективных микровольтметров (измерительных приемников) и специальных малогабаритных измерительных антенн и базирующаяся на следующих принципах: 1) минимизация взаимного влияния измерительной антенны и антенн объектов ССПС; 2) минимизация сторонних возмущающих факторов, определяющих электромагнитную обстановку в непосредственной близости от антенн объектов ССПС; 3) измерение напряженности электрического и магнитного поля; 4) измерение трех взаимноорто-гональных составляющих напряженностей электрического и магнитного полей. Были определены размеры и конструктивные особенности вышеуказанных антенн,

В рамках главы представлены результаты экспериментальных исследований ЭМП, показавшие удовлетворительное совпадение с расчетными данными. Для типовых базовых станций не наблюдается превышение действующих предельно допустимых уровней. Для подвижных станций с реально применяемыми мощностями 8 Вт и 2 Вт соответственно не наблюдается превышение предельно допустимых уровней ЭМП. Следует учесть, что для АС и РТ по стандарту GSM и D-AMPS (цифровая ССПС) сигнал носит импульсный характер. Поэтому среднее значение интенсивности поля не будет превышать ПДУ и доя больших мощностей станций.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, приведены сведения о внедрении результатов.

В приложении 1 приведены основные положения и алгоритм программного комплекса автоматизированного прогнозирования электромагнитной обстановки вблизи базовых станций.

Приложение 2 содержит результаты расчета зон возмущения измерительных антенн.

В приложении 3 представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующим:

1. Разработаны методики, алгоритмы и программный комплекс расчета полей вблизи антенн станций сотовой подвижной связи, включая разработку и обоснование электродинамических моделей, дающие возможность проводить экологическую, санитарно-гигиеническую экспертизу излучающих технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов по фактору электромагнитного поля.

2. Для оценки уровней электромагнитного поля впервые введен энергетический критерий, учитывающий реактивный характер поля вблизи антенн подвижных станций и соответствующий нормируемым параметрам.

3. На основании предложенных подходов к нормированию обоснованы предельно допустимые уровни электромагнитных полей, создаваемых системами сотовой связи.

4. Проведены исследования электромагнитных полей вблизи антенн систем сотовой подвижной связи, в результате которых впервые получены распределения полей в условиях реальных размещений вышеупомянутых антенн.

5. Разработаны методики измерений ближних полей антенн подвижных станций, включая разработку принципов построения и реализацию малогабаритных измерительных антенн, минимизирующих зону возмущения первичного поля, дающие возможность экспериментальной оценки электромагнитной обстановки вблизи этих станций.

Список публикаций

1. 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. - 7 с.

2. Определение уровней электромагнитного поля в местах размещения средств телевидения и ЧМ-радиовещания. Методические указания. МУК 4.3.045-96. / Кольчугин Ю.И. и др. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1996,- 15 с.

3. Определение уровней электромагнитного поля в местах размещения передающих средств и объектов сухопутной подвижной радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов. Методические указания. МУК 4.3.046-96. / Кольчугин Ю.И. и др. -М.: Госсанэпиднадзор России, 1996. - 8 с.

4. Кольчугин Ю.И. Электромагнитная экология систем подвижной связи. Тезисы доклада// Российская научно-техническая конференция, ПИИРС, Самара, 1996. - с. 126-127

5. Кольчугин Ю.И. Метод измерений ближних электромагнитных полей, создаваемых мобильными станциями систем подвижной радиосвязи. Тезисы доклада. // Российская научно-техническая конференция, ПИИРС, Самара, 1996.- с. 128-129

6. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона рМИ РЧ). Санитарные правила и нормы. СанПиН2.2.4/2.1.8.055-96. -М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996. - 28 с.

7. Вузов A.JI., Кольчугин Ю.И., Ю.П.Пальцев. Экологические аспекты электромагнитного излучения мобильных станций систем подвижной связи. // Медицина труда и промышленная экология, № 9, 1996, с.17-19.

8. Кольчугин Ю.И. К вопросу гигиенического нормирования электромагнитного излучения диапазона частот 300-3000 мегагерц. II Медицина труда и промышленная экология, № 9, 1996. - с.20-23

9. Кольчугин Ю.И. Методика измерений уровней электромагнитного поля вблизи антенн на селитебной территории. Методика измерений уровней электромагнитного поля на рабочих местах персонала технических средств НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов. / В книге - Казанский

Л.С., Романов В.А. Антенно-фидерные устройства декаметрового диапазона и электромагнитная экология. - М.: Радио и связь, 1996. - с. 182185,202-204,212-214

10. Кольчугин Ю.И. Система защиты окружающей среды и человека от воздействия электромагнитных полей. // Электросвязь, № 1, 1997. - с.15-17

11. Романов В.А., Вузов A.JL, Кольчугин Ю.И. Особенности воздействия на живой организм электромагнитного излучения мобильных станций сотовых систем подвижной радиосвязи. Тезисы доклада //

1-ый Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». - С-Петербург, 1997, с.215.

12. Кольчугин Ю.И., Бузов А.Л. Вопросы экологической безопасности эксплуатации передающих телерадиоцентров и центральных станций подвижной связи. / В книге - Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. - М.: Радио и связь, 1997. - с.240-268

13. Кольчугин Ю.И., Бузов А.Л. Экологические аспекты эксплуатации антенно-фидерных устройств. / В книге - Бузов А.Л. и др. Под ред. Бузова А.Л. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1997. - с. 116-130

14. Бузов А.Л, Кольчугин Ю.И., Никонова К.В., Пальцев Ю.П., Романов В.А. Предельно допустимые уровни электромагнитного изучения радиосредств сотовых систем подвижной связи. // Электросвязь^ 10, -М:, 1997. - с.24-25

15. Бузов А.Л., Кольчугин Ю.И., Кубанов В.П., Романов В.А., Сподобаев Ю.М. Нормативная база электромагнитной экологии. Тезисы доклада. // 1-ая научно-техническая конференция «Проблемы электромагнитной экологии и охрана окружающей среды», УВВИУС, -Ульяновск, 1997.

16. Бузов А.Л., Кольчугин Ю.И., Сподобаев Ю.М., Юдин В.В. Энергетическая характеристика ближнего поля, создаваемого ручными радиотелефонами систем сотовой подвижной связи. // Деп. рук. -М.: № 2112-св97, от 27.11.97. - 11 с.

17. Бузов А.Л., Кольчугин Ю.И. и др. Проволочная апппрокси-мация кузова автомобиля при проектировании автомобильных антенн подвижной радиосвязи и при исследовании их ближних полей. // Сборник трудов Академии телекоммуникаций и информатики. - Вып.З - Самара, 1998.

18. Кольчугин Ю.И. Способ описания ближнего электромагнитного поля антенн подвижных станций систем сотовой подвижной радиосвязи. Тезисы доклада // Российская научно-техническая конференция, ПИИРС, Самара, 1998. - с. 144-145

Кроме того, к печати принята работа:

19. Кольчугин Ю.И. Расчетный метод определения уровней электромагнитного поля, создаваемого базовыми станциями сотовой радиосвязи. -М.: "Электросвязь", 1998.