книги из ГПНТБ / Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека

эксплуатации необходим лишь регулярный контроль за сохранением безопасных уровней поля после проведения работ, связанных с разборкой или разрегулированием излучающей аппаратуры во время регламентных или настроечных работ, после смены ламп и т. п. Наиболь­ шую и постоянную опасность представляют облучение основным лепестком и ближними (в пределах 20 ... 40° относительно электрической оси антенны) боковыми ле­ пестками, и только в некоторых случаях опасность пред­ ставляют поля «дальних» боковых лепестков, переливы энергии облучателя за зеркало и т. д.

4.1. КРАТКАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ РАДИОПРОГНОЗА

Наиболее точные сведения об облучаемости терри­ тории в зоне действия уже функционирующих РЛС и, таким образом, о необходимости и нужной степени эф­ фективности защиты от их вредного воздействия могут дать инструментальные методы определения ППМ. Однако при вводе новых станций, опасные зоны которых занимают очень большие площади — десятки и сотни квадратных километров — ряд задач защиты необходи­ мо решать еще до ввода станций в строй.

Таким образом, необходимы эффективные методы рас­ чета поля на основании общих параметров станции еще до построения действующего образца РТС, т. е. на этапе проектирования.

При оценке полей уже действующих РТС имеет смысл использовать расчетные методы в следующих слу­ чаях:

1) при ограниченном времени работы станции на из­ лучение;

2)при небольшом объеме экспериментальных дан­ ных, не позволяющем представить полную картину облу­ чаемости, тем более при всех допустимых режимах ра­ боты станции;

3)при невозможности полностью использовать имею­ щиеся экспериментальные данные из-за значительных изменений в конструкции РЛС.

В§ 2.1 мы видели, что для оценки биологической

опасности необходимы по крайней мере два параметра поля: интенсивность и время воздействия. Интенсив­ ность поля в произвольной точке наблюдения зависит от целого ряда факторов и прежде всего от параметров

90

излучателя (антенны РТС, мощности излучения и дли­ ны волны), от степени влияния трассы, а также от рас­ пределения поля вблизи точки наблюдения, т. е. от мест­ ных предметов. Удобнее всего разделить эти факторы на две группы: первая — зависит от параметров излуча­ теля и определяет интенсивность поля в точке свободно­ го пространства, совпадающей геометрически с точкой наблюдения; вторая — от условий распространения на трассе и распределения вблизи земли, она учитывается с помощью поправочных коэффициентов к интенсивно­ сти поля в свободном пространстве.

Учет трассы и местных предметов с той точностью,

в виду, что при измерениях влияние отдельных параме­ тров станции и трассы оказывается учтенным автомати­ чески; между тем, учет влияния местных радиоотражаю­

в весьма ограниченном количестве точек, и поэтому глу­ боко нерегулярные интерференционные эффекты, возни­ кающие вблизи нескольких или даже двух радиоотра­ жающих поверхностей, зачастую не позволяют быть уве­ ренными в точности общей оценки поля на основании нескольких измерений, проведенных в произвольных точках.

Расчетный путь определения энергетических параме­ тров облучения в отличие от инструментального являет­ ся более простым, но из-за сильного влияния многих различных трудноучитываемых факторов точность рас­ чета в каждой отдельной точке оказывается сравнитель­ но невысокой. И все же возможность получения значи­ тельного объема информации при расчете позволяет бо­ лее полно представить всю картину облучаемости. В не­ обходимых случаях (до включения станции на излуче­ ние и при отсутствии результатов измерений) расчетные методы могут служить основанием для разработки пред­ варительных мер защиты, организации режима, труда, планирования работы служб контроля и т. п. Расчетные методы являются первой фазой системы последователь­ ного контроля радиобезопасности (СПКР), которая

(проведенная в полном объеме) состоит из четырех эта­

91

пов: 1) расчет поля в свободном пространстве (обычно проводится задолго до выбора места расположения стан­ ции на местности*); 2) учет условий распространения поля на конкретной местности; 3) уточнение данных уче­ та местности путем измерения поля на местности чув­ ствительными приемниками при работе построенной антенны от маломощного генератора; 4) измерение ППМ в реальных условиях при номинальной мощности пере­ датчика.

Достаточно строгие методы расчета уровня поля — апертурный и токовый — позволяют с большой точно­ стью оценить уровень поля, если точно заданы исходные данные. Однако создать на их основе простые инженер­ ные методики практически невозможно из-за следующих недостатков этих методов:

—значительного количества исходных данных, необ­ ходимых для расчета,

—сложности математического аппарата,

—низкой реальной точности расчета вследствие трудности в естественных условиях удовлетворить тре­

бования, предъявленные к точности всех задаваемых исходных данных.

Некоторым исключением из общего правила является сейчас интенсивно разрабатываемая «физическая теория дифракции», однако далеко не всегда результаты, полу­ чаемые на основании этой теории, находят применение в практике радиопрогноза по крайней мере из-за труд­ ности представления результатов в форме, удобной для использования. Таким образом, оказалось необходимым искать новые принципы, пригодные для создания обоб­ щенной инженерной методики расчета поля.

Одним из них явился так называемый «ретроспектив­ ный принцип», который заключается в использовании для расчета всей картины поля данных о диаграмме направленности в дальней зоне, как известно, доста­ точно точно рассчитываемой на основании известных общих параметров антенны и некоторых выявленных общих принципов формирования поля, позволяющих до­ статочно просто определить значение интенсивности поля вблизи антенны.

* Известные попытки разработки методов расчета внутреннего поля паразитных •излучении, проникающих через неплотности в экра­ нах шкафов с СВЧ аппаратурой, фидеров и т. п., пока оказывались безуспешными.

92

При разработке нового метода расчета, названного ретроспек­ тивным (P -метод), было использовано несколько предпосылок.

Основной из них является допущение о достаточности расчета поля по огибающим максимумов осевого поля и боковых лепестков, т. е. исключая расчет поля между максимумами поля; правомочность расчета по огибающим можно объяснить тем, что для определения биологической вредности имеет смысл учитывать только худший случай из возможных (в практических пределах стабильности задан­ ной ситуации). Дело в том, что минимумы диаграммы поля, тем более в дальней зоне, как правило, относительно узки и нерегулярны (из-за влияния различного рода дестабилизирующих факторов: тем­ пературных деформаций антенного полотна и т. п.), поэтому при воздействии на реальную антенну ветровых, температурных нагру­ зок, уровень поля в точке, находящейся вблизи минимума диаграм­ мы, является величиной существенно нестабильной. Тем более неце­ лесообразно рассчитывать на минимумы поля при определении опас­ ности в зоне действия полей антенн с перемещающимися диаграм­

где действительно появляется явно выраженная полоса размытия между максимумами.

Вторым важным допущением является общее смягчение требова­ ний к точности расчета, которое оправдывается рядом объективных факторов биологического и физического характера, также позволяю­ щих существенно упростить задачу разработки метода расчета (см.

также п. 2.1.1):

1. Значительная количественная и качественная неоднородность распределения реальных СВЧ полей в пределах единиц или даже долей единиц размера человеческого тела, особенно при облучении внутренним и боковым антенным полем.

2. Малая вероятность относительно длительной неподвижности поля и биообъекта; резкая зависимость эффективности облучения от ракурса освещения (в сантиметровом и дециметровом диапазонах).

3. Большая зависимость эффективности облучения от физиоло­ гического состояния организма, состояния поверхности тела и его диэлектрических свойств.

4. Невозможность дифференцировать биоэффекты при малых (порядка единиц децибел) различиях в интенсивностях облучения; предельно допустимые нормы облучаемости в СССР, кстати, в на­ стоящее время установлены с дискретностью 10 дБ.

Кроме того, эффективность воздействия поля сильно зависит от

Ретроспективный метод обеспечивает такую точность. При этом он позволяет в значительной степени упро­ стить расчет интенсивности, сделать его наглядным и удобным в инженерном отношении, упростить процесс пользования расчетными данными, подойти к разработ­ ке инженерных методов расчета времени и скважности

93

воздействия. Именно при использовании P -метода уда­ лось разработать и внедрить оптимальную форму обоб­ щения результатов расчета в виде специальных графи­ ков, названных нами вертикальной и горизонтальной диаграммами излучения (ВДИ и ГДИ).

Наиболее типичными оказываются случаи, когда рас­ четная точка находится ниже или выше, а не сбоку из­ лучателя. Поэтому в дальнейшем будут рассматривать­ ся методы построения и правила использования только вертикальных диаграмм излучения. ВДИ представляет собой семейство линий равных ППМ, нанесенных в ко­ ординатах расстояние — высота. Такое представление расчетных данных, как мы увидим ниже (§ 5.1), позво­ ляет до минимума упростить их использование в прак­ тике радиопрогноза и защиты. Отметим также, что нет принципиальной разницы ни в построении, ни в исполь­ зовании вертикальной и горизонтальной диаграмм излу­ чения, а для антенн с осевой симметрией они вообще полностью совпадают, поэтому ниже речь будет идти только о ВДИ.

P-методом можно пользоваться в большинстве прак­ тических случаев. Иногда требуется привлечение более строгих методов, некоторые примеры использования этих методов в практике радиопрогноза будут даны ниже.

Таким образом, интенсивность поля как его основной параметр может быть найдена расчетным и инструмен­ тальным путем. Время облучения для эпизодических и скважность для периодических воздействий пока могут быть определены только расчетным путем, т. е. методами радиопрогноза, хотя использование результатов такого расчета может быть допустимо совместно с данными измерения интенсивности. И только при измерении поля измерителями дозы (дозиметрами) и мощности дозы* скважность и время облучения оказываются учтенными автоматически.

4.2.ОСНОВЫ «ТРАДИЦИОННЫХ» МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПОЛЯ

Из всего разнообразия типов антенн СВЧ мы огра­ ничимся здесь рассмотрением лишь зеркальных антенн, которые широко применяются в технике. Для расчета поля зеркальных антенн наибольшее распространение

* В некоторых ведомствах их называют мозиметрами.

94

получили токовый и апертурный методы. Расчет даль­ него бокового излучения обычно производится методом «краевых волн». Систематическое изложение этих мето­ дов можно найти в соответствующей литературе [см., например, 4, 66, 156], поэтому ниже приводится лишь их краткая характеристика, а основное внимание обра­ щено на области их применения и ознакомление с ре­ зультатами расчетов, которые могут оказаться полезны­ ми на практике при оценке интенсивности облучающего поля.

4.2.1. Общие принципы методов анализа поля антенн.

Строгий анализ электромагнитного поля антенны неиз­ бежно связан с решением уравнений Максвелла. Решения уравнений Максвелла для ряда отдельных условий раз­ мещения источников поля лежат в основе приближенных методов анализа, которые в преобладающем большинстве случаев обеспечивают достаточную для практики точ­

учесть распределение элементарных источников поля по апертуре.

Уже сама конструкция зеркальной антенны (наличие облучателя и отражателя) и механизм излучения пред­ полагают расчет поля в два приема, которые в теории антенн называются соответственно внутренней и внеш­ ней задачами. Внешняя задача заключается в расчете искомого поля по известному распределению источников на некоторой поверхности, ограничивающей антенну, внутренняя — в отыскании распределения источников по­ ля (как результат действия облучателя) внутри некото­ рого объема, ограничивающего антенну, или на ее по­ верхности.

Один из распространенных методов решения внешней задачи заключается в расчете поля излучения антенны по известному распределению токов на освещенной по­ верхности зеркала и носит название токового метода. Хотя в самой основе токового метода лежат строгие ре­ шения уравнений Максвелла для случая распределения токов на замкнутой поверхности, сам метод является приближенным. Приближенность метода определяется главным образом тем, что решение внутренней задачи, т. е. отыскание распределения токов на поверхности зер­ кала, производится методом геометрической оптики при

95

следующих допущениях: а) облучатель считается точеч­ ным; б) отражатель считается расположенным в даль­ ней зоне облучателя; в) плотность поверхностного тока в любой точке освещенной поверхности зеркйла равна току, возбуждаемому на идеально проводящей плоско­ сти; г) на обратной (теневой) стороне зеркала и вспо­ могательных элементах конструкции (тяги и др.) токи не возбуждаются. Рабочие формулы для расчета поля токовым методом могут быть получены лишь для кон­ кретной конструкции антенны. Хорошие примеры прак­ тического применения токового метода для расчета дальнего поля зеркальных антенн содержатся в [102, 150].

Другой метод расчета называется апертурным и за­ ключается в использовании информации о распределении поля в апертуре антенны. Этот метод достаточно прост и нагляден. При расчете поля апертурным методом мож­ но абстрагироваться от реальной конструкции зеркала и решать задачу для определенного типа функций, с по­ мощью которых аппроксимируются реальные амплитуд­

Формула (4.2.1) известна в оптической теории диф­ ракции под названием скалярного интеграла Кирхгофа. Анализ поля зеркальной антенны апертурным методом представляет по существу дифракционную задачу, т. е. задачу определения поля, создаваемого отверстием в не­ прозрачном экране при падении на него электромагнит­ ной волны. Методы решения подобной задачи достаточ­ но хорошо разработаны в теории оптики.

Внутренняя задача (отыскание распределения поля по апертуре) решается так же, как и при токовом мето­ де, т. е. в геометро-оптическом приближении. Вводя поня­ тие функции амплитудно-фазового распределения поля по апертуре, выражение (4.2.1) можно преобразовать

96

к виду [4].

маль к волновому фронту в апертуре. В зависимости от специфики решаемой задачи выражение (4.2.2) можно упростить, введя дополнительные ограничения.

Типичным для большинства практических приложе­ ний рассмотренных методов является допущение, что расстояние от антенны до точки наблюдения достаточно

Точна

Рис. 4.2.1. Система координат, используемая при выводе фор­ мул апертурным методом.

велико и превышает по крайней мере несколько линей­ ных размеров антенны. Если ограничиться также об­ ластью малых углов, то выражение (4.2.2) для синфаз­ ных раскрывов существенно упрощается и в системе ко­ ординат, показанной на рис. 4.2.1, принимает вид [4]

s

где R = У X2-ф у2-f- z2— расстояние от начала координат до точки наблюдения.

Наиболее критичны приближения для г в экспонен­ циальном (фазовом) члене подынтегрального выраже-

ния. Если точное значение

разложить в ряд и использовать члены разложения не выше первого порядка, то получается выражение, спра' ведливое для поля в дальней зоне. Приближение для г, получаемое отбрасыванием членов разложения выше второго порядка, называется приближением Френеля, а значения г, где существенны квадратичные члены,— зоной Френеля. Таким образом, в зоне Френеля получаем

ХІ+І/Г)

Мы уже говорили, что для большинства практиче­ ских задач интерес представляет не сама интерференци­ онная структура бокового излучения, а его верхняя оги­ бающая. Этот факт позволяет использовать для расчета бокового излучения метод «краевых волн» [66]. Сущность его заключается в том, что боковое излучение (за исклю­ чением ближайших к главному боковых лепестков и краевого лепестка, создаваемого прямым излучением об­ лучателя) представляется в виде суперпозиции краевых волн от противоположных кромок зеркала и их много­ кратных отражений от поверхности зеркала, причем об­ щий вкла^і многократных отражений принимается рав­

ным 1/ У 3 вклада однократно отраженной волны.

На практике при расчете плотность мощности удоб­ но представить в виде функции таких характеристик антенны, как коэффициент направленного действия и диаграмма излучения. Поэтому исходное выражение для расчета интенсивности облучающего поля можно пред­ ставить в виде функции

Здесь R, 6, ¥ — сферические координаты точки наблю­ дения с началом координат в центре раскрыва (рис. 4.2.1).

Выражение (4.2.6) напоминает хорошо известную формулу для плотности 'потока мощности в дальней зоне антенны (1.2.2). Отличие заключается в том, что обычно коэффициент усиления и диаграмма направленности

98

Определяются при R ^ o о, -в то время как в (4.2.6) эти характеристики представлены в виде функций расстоя­ ния.

4.2.2. Дальнее поле синфазных апертур. Дальнее поле синфазных апертур является наиболее исследованным. Как правило, определение характеристик дальнего поля проводят для двух практически важных типов апертур: прямоугольной и круглой. Не отступая от этой тради­ ции, рассмотрим характеристики прямоугольной аперту­ ры, предварительно задавшись функцией амплитудного распределения поля в раскрыве.

Наибольший практический интерес представляет функция типа «косинус в п-й степени на пьедестале»:

Эта функция выбором параметров п и а, характери­ зующих соответственно степень спада поля к краю апер­ туры и относительный уровень поля на краю апертуры, позволяет с достаточной степенью точности аппроксими­ ровать реальные амплитудные распределения (в том числе и так называемые тейлоровские), создаваемые ру­ порными облучателями в раскрывах зеркальных антенн. Практическое значение в (4.2.8) имеют лишь несколько

ная и синфазная, а функция амплитудного распределе­ ния іюля по апертуре является разделяющейся (т. е. мо­ жет быть представлена в виде произведения функций распределения вдоль каждой из сторон апертуры), то КНД такой апертуры в дальней зоне определяется фор­ мулой [156]