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

зитных антенных излучений, непременно связаны с из­ менением остальных характеристик РТС, и на это обычно не идут.

В диапазоне СВЧ применяются антенны самого раз­ личного назначения и устройства [198]. Нас будут инте­ ресовать в основном антенны, создающие поле, т. е. из­ лучающие антенны, и антенны, .используемые как прием­ ные зонды и позволяющие регистрировать поле. Антен­ ны, конструкция которых не содержит материалов с не­ линейными свойствами или элементами, удовлетворяют принципу взаимности. В соответствии с этим принципом основные параметры антенн не зависят от того, в каком режиме она используется: в режиме приема или в режи­ ме передачи. Однако конструктивно приемные и переда­ ющие антенны часто существенно отличаются друг от друга. Это различие заметно при сравнении СВЧ изме­ рительных антенн и антенн-излучателей мощных радио­ технических систем (табл. 1.2.2, рис. 1.2.4).

Коротко измерительные антенны будут рассмотрены

1.2.3. Излучающие антенные системы наземных РТС.

На основе анализа зарубежных патентных материалов и теоретических работ [78, 144 и др.] можно выделить два основных направления развития антенных систем на­ земных РТС: создание больших антенн зеркального (рефлекторного) типа с механическим перемещением п фазированных решеток с электрическим перемещением луча. Все эти антенны относят к классу апертурных, т. е. к классу антенн с явно выраженной апертурой. Такие антенны, несмотря на конструктивные особенности уст­ ройств отдельных классов, имеют ряд общих характе­ ристик, зависящих от распределения поля по апертуре. В частности, приблизительно одинаковы уровни боко­ вых лепестков зеркал и достаточно гладких решеток (если 2лй/Х<0,3, где d/%— расстояние между элемента­ ми решетки в длинах волн), причем даже при сложном амплитудном и фазовом распределениях ів апертурах. Однако при определении потенциальной опасности при­ ходится учитывать и ряд особенностей поля антенн каж ­ дого класса. В частности, к особенностям зеркальных антенн можно отнести следующее:

30

1.Возможность появления прямого излучения облу­ чателя из-за «переливов» энергии через края зеркала. Для антенн с высоким уровнем облучения краев зеркала

идля многозеркальных антенных систем опасность .появ­ ления поля переливов с энергией высокой плотности ве­ лика. С приближением к антенне интенсивность поля переливов возрастает приблизительно обратно пропор­ ционально квадрату расстояния и вблизи антенны уже представляет основную опасность.

2.Повышение общего уровня фона из-за влияния

элементов крепления, особенно заметного на больших углах относительно оси основного излучения.

3.Повышение уровня фона из-за диффузионного отражения от шероховатостей зеркала, также заметно­ го на больших углах.

4.Дифракция на краях зеркала.

Охарактере этих полей можно судить по приведен­ ным на рис. 1.2.5 угловым зависимостям интенсивности каждой из перечисленных составляющих.

31

ве, например, азимутальным вращением прямоугольной антенны, наи­ более мощное поле будет воздействовать на биообъект только при прохождении основного луча «над головой», т. е. когда проекция луча на землю будет совпадать с местонахождением объекта. При

3

Рис. 1.2.6. Угловые области антенного поля:

а — области поля однозеркальной антенной системы; б — образование побочных излучений двухзеркалыюй системы за счет «перелива» электромагнитной энергии мимо зеркала и

контррефлектора.

Па рис. 1.2.6,а и 1.2.7 нанесены линии равных плотностей.

фактически до нуля даже при небольшом отклонении антенны. В этом случае принято говорить о «выделенном» облучении. На меньших расстояниях необходимый угол отклонения антенны уве­

ред» тем более искажается из-за действия поля переливов у двух­ зеркальных антенн. Азимутальные диаграммы излучения зеркаль­ ных антенн (в дальней зоне) приведены на рис. 1.2.8 [136].

32

S

Рис. 1.2.7. Облучаемость территории антенным полем при некото­ рых основных полржениях двухзеркальной антенны:

а — малые углы; б — положение антенны «в зенит»; в — наклон антенны ниже горизонта.

Для антенных решеток характерны диаграммы на­ правленности с более сильными боковыми лепестками, чем у зеркальных антенн, особенно если элементы ре­ шетки являются ненаправленными излучателями и если число элементов не очень велико. В этом случае появ­ ляются так называемые интерференционные (дифрак-

ционные) максимумы, намного превышающие средний фон (рис. 1.2.9).

Разнообразие практических требований к формам диаграмм направленности антенн радиотехнических си­ стем связи, радиолокации, радионавигации привело к конструированию антенн, формирующих в .простран­ стве целый набор отличающихся по форме диаграмм: карандашный (или игольчатый) луч, косеканс-квадрат-

В принципе любая из этих диаграмм может быть сформирована как зеркалами (обычно со сложной кри­ визной или набором облучателей), так и антенной ре­ шеткой. Для формирования карандашного луча исполь­ зуются круглые или квадратные апертуры, для сужения диаграммы направленности в какой-либо плоскости раз­ меры антенны в этой плоскости соответственно увеличи­ вают. Например, азимутальные сканеры (радиолокаци­ онные станции поиска и обнаружения) имеют ацтенньц

U

уДлийенйые в горизонтальной плоскости, а утломестнЫе? сканеры (станции определения высоты цели) —удли­ ненные в вертикальной плоскости [141].

Станции автосопровождения, осуществляющие после захвата непрерывное слежение за целью, имеют скани­ рующий карандашный луч или неподвижный раз­ двоенный.

Общим для апертурных антенн является относитель­ ное постоянство плотности мощности в луче на малом расстоянии (в зоне Френеля) и последовательное умень­ шение плотности мощности на больших расстояниях (на­ чиная с границы зоны Фраунгофера и далее — обратно пропорционально квадрату расстояний). Поэтому для приближенных расчетов осевой плотности используются следующие выражения.

Для L2/2X

ближе 2Lzjk). Сфокусированные апертуры могут концен­ трировать в сравнительно небольшом объеме простран­ ства значительную долю излучаемой энергии. При этом плотность мощности в фокусе, естественно, значительно возрастает (рис. 1.2.10). ППМ в фокусе особенно вели­ ка при малом фокусном расстоянии, при этом повышает­ ся и опасность воздействия поля на технику или челове­ ка [67, 142].

Если пространственные диаграммы направленности характеризуют распределение плотности мощности в пространстве, а. следовательно, и величину поля в ин­ тересующей нас точке пространства в зоне действия ан­ тенны, то временные параметры облучения антенным по­

гидрометеообслуживаний, противосамолетной обороны й т. п., однако, судя по литературным данным последних лет, сейчас с большой интенсивностью разрабатывают­ ся и внедряются электронные методы управления лучом

[67].

Из всех функций перемещения луча в пространстве простейшей является периодическое перемещение луча

В одной— горизонтальной («горизонтальный сканер») или вертикальной («вертикальный сканер») плоскости.

При растровой развертке луч перемещается в двух плоскостях, просматривая последовательно всю зону обзора. Механическими си­ стемами перемещения чаще всего формируется спираль­ ный растр, электронными — прямоугольный (типа теле­ визионного) .

Перечисленные способы обзора пространства явля­ ются периодическими, и это позволяет проводить прог­ ноз времени облучаемое™ полем на основании извест­ ных законов перемещения луча. По-иному обстоит дело в системах с программным обзором пространства, реа­ лизуемого при управлении с помощью счетно-решающих устройств фазированных ре­ шеток, состоящих из регули­

руемых дискретных элементов {67]. Программный обзор в общем случае характеризуется отсутствием заметной периодики, и поэтому оценка временных характеристик облучаемое™ полем в зоне таких РТС может проводить­ ся только на основании статистических данных.

Для современных радиотехнических комплексов, в частности на кораблях, на узлах связи и т. п., харак­ терна насыщенность антеннами относительно небольших пространств, а их поля — высоким частотным, амплитуд­ ным и временным разнообразием [78, 79]. Анализ полей этих антенн позволяет сделать определенные выводы

36

1.Уровни осевой плотности мощности антенных излу­ чений современных станций намного превышают до­ пустимые.

2.Радиусы опасных зон по осевому и боковому полю этих станций составляют единицы и десятки километров,

ипри длительном воздействии на объекты поля станций

современных РТС может составлять от единиц ватт на квадратный сантиметр до пренебрежимо малых величин, т. е. превышать 50.. .60 дБ; соответственно меняется сте­ пень опасности их воздействия. Для оценки биологиче­ ской опасности на основании действующих нормативов для проектирования методов и средств защиты необходи­ мо определение величины этих полей с заданной точ­ ностью методами радиопрогноза и радиометрии, которые будут рассмотрены ниже.

Экологический фактор электромагнитной части био­ сферы Земли характеризуется появлением вблизи мощ­ ных генераторных и излучательных установок значитель­ ных по интенсивности высококогерентных излучений (табл. 1.1), воздействие которых на человека представля­ ет зачастую опасность для его здоровья. В некоторых случаях применением эффективных средств защиты или специальной организацией труда удается свести воз­ можность переоблучения к минимуму. Иногда этого сде­ лать нельзя, и тогда приходится прибегать к различного рода лечебным мероприятиям, снижающим вредное дей­ ствие радиоволн.

Интересно заметить, что первыми исследователями биологиче­ ского действия радиоволн были физики — пионеры в исследовании электромагнитных волн, известные ученые Генрих Герц, первый проводивший опыты с воздействием радиоволн на выделенные мус­ кул и нерв лягушки; продолжившие его опыты Оливер Лодж и Тогч, которые, в частности, нашли, что «даже чрезвычайно сильное

37

Jiocfb Нерва... Этот Паралич прохОдйт со временём сак собой» (55]. Первые опыты над человеком, очевидно, были проведены Николой Тесла и Д'Арсонвалем (23, 55].

Таблица 1.1

Плотность мощности СВЧ излучений в зоне действия типовых исследовательских, промышленных и бытовых СВЧ

установок (ориентировочные данные) [53, 61, 109, 194а]

Определить биологическую опасность радиоволн для разработки нормативов облучаемости и необходимых ин­ женерно-технических и лечебно-профилактических меро­ приятий позволяют экспериментальные биофизические и клинические исследования, рассмотрению которых посвя­ щена гл. 2.

38

2. БИОФИЗИКА СВЧ ВОЗДЕЙСТВИЙ. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВРЕДНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ

Совершенствование методов нормирования воздейст­ вий радиоизлучений и защиты от них позволили до ми­ нимума сократить вредные их последствия, снизить вы­ раженность СВЧ патологии*. Но в некоторых случаях внезапные воздействия мощными полями (в аварийных ситуациях и т. п.) и хронические длительные воздейст­ вия полями малых уровней, которые иногда встречаются

впрактике производства и эксплуатации радиоаппара­ туры, могут представить определенную опасность. По­ этому изучение биологического действия радиоволн яв­ ляется важной отраслью радиогигиены, и гигиены СВЧ

вчастности.

Несмотря на то, что синдром **, возникающий в ре­ зультате воздействия СВЧ, иногда предлагается назы­ вать обобщающим (но, видимо, излишне четким) поня­ тием «СВЧ болезнь», клинические проявления его — «синдром СВЧ», «болезнь СВЧ» — нельзя считать специ­ фическими, присущими только этому фактору. Специфи­ ческий характер действия радиоволн поэтому проявляет­ ся не столько в разнообразии клинических форм, лече­ нии и профилактике этого действия, сколько в сложно­ сти взаимоотношений физических характеристик поля СВЧ с биологическими и физиологическими характери­ стиками организма,

Отсутствие четкого детерминизма в подобных взаимо­ отношениях определяет наблюдающиеся обычно много­ образие и расплывчатость клинической картины и неод­ нозначность экспериментальных данных, в особенности если они получены при воздействиях очень малых уров­ ней СВЧ.

* СВЧ патология — частный вид профпатологии. Профессиональ­ ная патология — нарушение жизненных функций и органические по­ вреждения — является следствием воздействия на человека профес­ сиональных вредностей, к которым относят токсические вещества, производственные пыли, ионизирующие излучения, токи ультравысоких частот, СВЧ, вибрации, интенсивный производственный шум, ме­ теорологические условия, изменения атмосферного давления, физиче­ ские перенапряжения, частые однотипные движения, инфекционные и паразитные заболевания, вызываемые неблагоприятными усло­ виями труда.

** Характерный комплекс симптомов,

39