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

всеохватывающий учет времени в общем случае может быть осуществлен только на основании дозиметрическо­ го подхода. При расчете опасности дозными методами должны быть учтены отдельно плотность потока и вре­ мя либо с помощью специальных приборов (СВЧ дози­ метров) измерена падающая доза.

5.1.10. Особые случаи расчета. К особым случаям расчета можно отнести расчет поля вне главных плоскостей, расчет поля диаграмм специальной формы (косеканс-квадратных, парциальных, сфокусиро­ ванных и др.).

Прямой расчет поля прямоугольных антенн вне главных плоско­ стей •— задача трудная и практически довольно редкая. Она может встречаться при оценке поля неподвижных антенн для фиксирован­ ной точки местности. В этом случае для оценки порядка величины можно рекомендовать воспользоваться следующей формулой:

поля «вниз» не отличается от расчета симметричных диаграмм; однако при расчете осевого поля по коэффициенту усиления антенны (который обычно задается) приходится находить эквивалентную ши­ рину диаграммы направленности в вертикальной плоскости:

170

для каждой диаграммы. Обычно влияние верхних диаграмм по срав­ нению с нижними на боковое поле незначительно и можно ограни­ читься расчетом поля от одного-двух лепестков. Для некогерентных лучей искомая величина плотности мощности равна сумме опреде­ ляемых значений для каждой диаграммы; если поле облучателей когерентно (например, они подключены к одному генератору), для заданной точки суммарная плотность мощности

где П і, 2, .. . — ППМ от отдельных диаграмм.

5.1.11. О расчете поля антенных решеток. Некоторые рекомендации по расчету интенсивности поля антенных решеток, в частности, сфокусированных в зоне Френеля, можно получить в § 4.2. Иногда, если решетки относительно густы,

расчету поля решеток и гладких

Между тем в антенных решетках симметрия освещения апертуры иногда не наблюдается, и тогда расчет видоизменяется. Покажем это на примере расчета осевого по­ ля решетки ненаправленных излу­ чателей. Пусть возбуждение их осуществляется таким образом, что создается экспоненциальное несим­ метричное амплитудное распреде­ ление поля в одной какой-либо плоскости (например, за счет пита­ ния решетки с одной стороны), которое можно записать в виде

Е‘-'Tt —Е^0p~С $nd »

где Е п — амплитуда поля для лю­ бого га-го излучателя; Е<>— ампли­ туда 1-го излучателя; принята за 1; п — порядковый номер излуча­ телей: 0, 1, ... N.

Учитывая приближение Фре­ неля из-за конечной разности хода лучей в фазовом множителе, запи­ шем выражение для поля такой системы в ближней зоне излучения (считаем угол наклона фазового

171

ф р о н т а в о з б у ж д е н и я ф = 0 )

модуль этого выражения, получаем диаграмму излучения в зоне Френеля. Исследование проводилось для линейной решетки излуча­ телей размером 136Х. Амплитуда поля в раскрыве последнего излу­ чателя составила 0,224 от единичной амплитуды первого излучателя. На рис. 5.1.7 приведены значения ППМ для этой системы, нормиро­ ванные к значению ППМ главного максимума излучения на границе дальней зоны. На этом же рисунке внизу для сравнения приведены известные значения ППМ для системы, имеющей равномерное рас­ пределение в раскрыве для х = \ [141].

В случае перемещения точки наблюдения от границы дальней зоны к антенной системе основной лепесток диаграммы направлен­ ности начинает расширяться. Далее диаграмма становится асимме­ тричной, главный максимум излучения смещается с нулевого ази­ мутального направления в сторону наибольших значений амплитуд поля в раскрыве. При х=0,009 диаграмма вырождается в осцилли­ рующую кривую, огибающая которой фактически повторяет поле в раскрыве.

Рассмотренный случай позволяет увидеть качественную картину распределения поля несимметрично освещенных апертур. Абсолютное значение ППМ в луче таких антенн можно определять по формулам

(1.2.1) и (1.2.2).

Приведенные в § 5.1 рекомендации далеко не исчерпывают все возможные варианты расчета поля в свободном пространстве, одна­ ко, как показывает опыт, они помогают охватить подавляющее боль­ шинство интересующих практику случаев.

При расчете поля любым, в том числе и P-методом, с помощью ВДИ, точность прогноза может оказаться удовлетворительной толь­ ко в том случае, если а) из расчетной точки видна вся апертура антенны, б) трасса распространения радиоволн находится достаточно высоко над землей (не ниже 10 ... 30 длин волн). В противном слу­ чае необходимо дополнительно учитывать влияние земли и местных предметов. Но об этом — в следующем параграфе.

5.2.УЧЕТ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ИРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

До сих пор нас интересовал расчет поля, интенсив­ ность которого полностью определялась параметрами излучающего устройства и совершенно не зависела от свойств пространства на трассе и в окрестности расчет­ ной точки. Подобного рода идеализация не только в зна­ чительной степени упрощает конструирование расчетных методов, но иногда даже позволяет приблизить расчет к реальности: например, когда трасса оказывается относи­ тельно короткой или когда излучающая антенйа и рас-

172

четная точка подняты над землей по крайней мере на несколько десятков длин волн, а между ними отсутству­ ют предметы, искажающие общую картину распростра­ нения электромагнитной энергии на трассе [2]. Между тем, чаще всего хотя бы одно из этих условий оказы­ вается невыполненным, и тогда требуются дополнитель­ ные расчеты, учитывающие распространение и распреде­ ление энергии.

5.2.1. Реальные условия распространения. Такие условия характеризуются следующими данными: рас­ стояния обычно много меньше пределов прямой види­ мости и составляют 2 ... 5, много реже— 10 ... 30 км.

Рис. 5.2.1. К расчету поля с учетом влияния отражений от земли.

На таких расстояниях можно говорить только о поверх­ ностной волне, распространяющейся над плоской зем­ лей; на величину сигнала в расчетной точке оказывают влияние практически только «подстилающая» поверх­ ность {43], а влиянием среды распространения можно пренебречь: для всего диапазона СВЧ затухание не за­ висит от состояния атмосферы, находится в пределах 0,01 ... 0,05 дБ/км и лишь для длины волны 1 ... 5 см

173

при проливном дожде затухание возрастает до ОД ...

... 0,2 дБ/км [136]. Кроме того, на малых расстояниях резко уменьшается частота появления и глубина зами­ раний, обусловливаемых специфическими особенностями тропосферного распространения (хотя появляются та­ кие причины флюктуаций, как нестабильность механи­ ческих креплений антенны-излучателя, перемещение пред­ метов на трассе и т. п.). Таким образом, уровень поля в любой точке пространства в основном определяется интерференционной картиной, устанавливающейся как результат взаимодействия прямого и отраженного от земли лучей (рис. 5.2.1). Чем меньше КНД антенны из­ лучателя Тизл в направлении на точку отражения, чем меньше коэффициент отражения от земли F3eм, тем меньше заметно это влияние. Для /*изл2^0 ,1 ... 0,2 влияние земли можно не учитывать, так как она практи­ чески не искажает картину распространения по прямому лучу. На больших расстояниях земля оказывает сущест-

П,мн8т/смг

Рис. 5.2.2. Типичная картина изменения ППМ на высоте 1,6 м от земли в сравнении с расчетом, проведенным без учета влия­ ния земли.

------ —расчет, —О------эксперимент; ѵ=12 дБ.

венное влияние, увеличивая или уменьшая первичное поле (свободного пространства). На дальних расстояниях R^$>H или R~>h реальная интенсивность поля обычно па­ дает быстрее, чем 1/R2 (рис. 5.2.2). Попытка (в соответ­ ствии с рекомендациями некоторых авторов) упрощенно учитывать влияние земли учетверением плотности мощ­ ности (крайний случай: сложение в фазе прямого и от­ раженного лучей при /'"'изл^’зем~ 1), как правило, приво­ дит к расхождению расчета с экспериментом в десятки раз, поэтому здесь необходим более тонкий расчет.

174

5.2.2.Учет влияния плоской полупроводящей земли. Достаточно

точно учесть влияние плоской полупроводящей земли на малых и отчасти средних расстояниях можно по так называемым интерфе­ ренционным отражательным формулам, приведенным ниже. Вообще влияние трассы принято характеризовать множителем земли: ѵ — по напряженности поля или ѵ2—■по мощности; тогда уровень плотности мощности с учетом земли оказывается равным

учета влияния земли.

Интерференционная картина, устанавливающаяся над землей, определяется величиной модуля коэффициента отражения от земли Fзем и сдвигом фазы при отражении ß, зависящих не только от

Ч

3

.г

1

8

е

5

ч

з

г

ZHh/RK

Рис. 5.2.3. Угловая зависимость множителя земли при различных F3en\ (2FIh!RX—г')<1,

г=0, 1,2,...

свойств земной поверхности в точке * отражения, но и от «угла встречи» («угла скольжения») у3ем и от соотношения Тизл и FИзЛ о т р

(см. рис. 5.2.1).

* Точнее, в области, ибо канал связи излучатель—земля—прием­ ник представляет собой своеобразный «рукав», коридор.

175

тенн излучателя Н и антенны приемника h, если выполняется усло­ вие (Я2—А2)/2І?2<СІ [136], разность хода лучей оказывается равной приблизительно 2Hli/R, и тогда для расчета ѵ можно пользоваться простыми графиками, учитывающими лишь минимум необходимых

и 5.2.4).

Для ровной трассы с постоянным наклоном местности угол встречи можно определить по формуле, считая cos0H« l,

Наиболее близкое совпадение рассчитанных по интерференцион­ ным формулам данных с экспериментальными оказывается на сред­ них расстояниях (до 1 ... 2 км); на больших расстояниях реальное ослабление поля землей намного выше предсказанных по интерфе­ ренционным формулам, особенно при малых h. Кроме того (и это

1 7 6

наиболее важно!), интерференционные формулы в обычном Изложе­ нии [типа (5.2.2)] непригодны для расчета влияния земли, если излу­ чатель имеет узкую вертикальную диаграмму излучения, когда ни при каких реальных допущениях точности расчета интерферируемые лучи вообще не могут быть соизмеримыми по амплитуде. Таким образом, например, оказывается, что нельзя считать одинаковыми по эффекту подъем на одинаковую высоту биообъекта и антенны излу­ чателя. Формула (5.2.3), между тем, утверждает обратное.

Вообще говоря, резкое снижение влияния отраженных от земли лучей у диаграмм излучателей с достаточно большим снижением интенсивности по углу в вертикальной плоскости относительно на­ правления на расчетную точку должно привести только к увеличению ППМ в этой точке по сравнению с рассчитанной по формуле (5.2.2). На практике все бывает наоборот. Это следует иметь в виду и при­ нимать окончательное решение о затратах больших средств на про­ ведение защитных мероприятий только после контрольных измерений.

Задача тем более усложняется в случае неровной трассы, когда приходится в обязательном порядке строить разрезы местности по всем интересующим направлениям и определять возможные пути распространения энергии индивидуально для каждого случая. На рис. 5.2.5 показан один из возможных слѵчаев исследуемой трассы — всего с одним изломом. Расчет в этом случае следует проводить по формулам (5.2.1)—(5.2.3), но значения входящих в них величин будут существенно зависеть от отношения Яш/R-

Характерной особенностью искажения первичного поля при рас­ пространении энергии над полупроводящей землей является искаже­ ние эллипса поляризации. Специального учета это явление при ра­ диопрогнозе не требует, однако его следует иметь в виду во время измерений. Поглощение волны почвой приводит к дополнительному наклону вектора Пойнтинга к земле и к возникновению искажений поляризационной структуры поля (появлению эллиптической поля­ ризации вместо линейной). Угол наклона вектора Пойнтинга для обычных почв находится в пределах 10.. .20°, а отношение полуосей эллипса не превышает 0,01 ... 0,1 [130].

Наконец, на малых расстояниях оказывается заметным также влияние на величину множителя земли размеров апертуры [47], ко­ торое, однако, даже при очень больших '2а[Х не первосходит 3 дБ (теоретический максимум).

5.2.3. Распространение СВЧ энергии на закрытой трассе. При распространении волны на закрытой трас­ се, когда между излучателем и расчетной точкой выше линии прямой видимости находится какое-либо экрани­ рующее препятствие (лес, металлическое сооружение, дом и т. и.), в общем случае на величину коэффициента ослабления влияет относительное расположение точек излучения, приема и кромки препятствия, а также фор­ ма и свойства материала препятствия. Принято делить все радиоирепятствия на полупрозрачные и непрозрач­ ные. В первом случае нас инстересует так называемое «сквозное затухание», определяемое ослаблением поля материалом препятствия, В 0кп (о нем будет сказано ни-

Рис. 5.2.5. К расчету поля для ровной местности с одним изломом.

кромки; наименьшее дифракционное затухание при про­ чих равных условиях получается при острой ровной кромке, т. е. когда толщина и вертикальные неровности много меньше длины волны. Если кромка зубчатая, на

Рис. 5.2.6. Поле в .расчетной точке за полупрозрачным пре­ пятствием.

некоторых углах а наблюдаются максимумы затухания, намного превышающие среднее значение.

Расчет дифракционного затухания ВДИф в области тени удобно проводить по графику рис. 5.2.7 [57]. Как можно видеть на рисунке, при больших углах дифрак­ ции заметно влияние поляризации.

В некоторых случаях приходится учитывать оба вида затухания: Вскв и ВДИф. Например, при проектировании

178

сетчатых экранов как средств защиты целесоборазно выбрать такую сетку и высоту конструкции, чтобы Вскв~В,ЦИф. В этом случае каждый из них выбирается так, чтобы

где Вдифв — затухание волны при дифракции на верхней кромке; 5 ДПфб'— то же на боковых кромках; В — требуе-

Рис. 5.2.7. Зависимость множителя дифракционно­

го затухания от параметра и ( — вектор Е перпендикулярен кромке экрана; В ц — вектор Е параллелен кромке).

мое для защиты затухание (все значения затухания да­ ны в децибелах).

Невыполнение первого условия приводит к появле­ нию интерференционных максимумов (из-за взаимодей­ ствия «сквозной» и «дифракционной» волн) выше допус­ тимого, а необходимость второго условия вызвана тем, что изготовление и установка высоких экранов, как пра­ вило, обходится намного дороже, чем низких, но длин­ ных.

З а м е ч а н и е . При расчете высоты экрана следует иметь в виду, что обычно интенсивность поля с подъе­ мом над землей возрастает (из-за приближения к оси дгіаграммы излучателя и уменьшения влияния земли), и поэтому несмотря на то, что с увеличением высоты экра­ на для заданной расчетной точки угол а (рис. 5.2.7) уве­ личивается и дифракционное затухание растет, плот­ ность мощности в точке может даже увеличиваться. Этот эффект оказывается особенно заметным при острых