"определение плотности потока энергии электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 300 мгц - 300 ггц. методические указания. мук 4.3.1167-02" (утв. главным государственным санитарным врачом рф 07.10.2002)

Утверждаю
Главный государственный
санитарный врач
Российской Федерации,
Первый заместитель
Министра здравоохранения
Российской Федерации
Г.Г.ОНИЩЕНКО
7 октября 2002 года
Дата введения:
с момента утверждения
4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ПОЛЯ В МЕСТАХ РАЗМЕЩЕНИЯ РАДИОСРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ
В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 300 МГЦ - 300 ГГЦ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
МУК 4.3.1167-02
1. Разработаны сотрудниками Самарского отраслевого научно-исследовательского института радио Министерства Российской Федерации по связи и информатизации (Бузовым А.Л., Кольчугиным Ю.И., Кубановым В.П., Романовым В.А., Сподобаевым Ю.М., Филипповым Д.В., Юдиным В.В.).
2. Представлены Минсвязи России письмом от 20.04.01 N НТУ-1/237. Одобрены комиссией по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при Минздраве России.
3. Утверждены и введены в действие Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 7 октября 2002 года.
4. Введены взамен Методических указаний "Определение плотности потока излучения электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 700 МГц - 300 ГГц. МУК 4.3.680-97".
Область применения
Методические указания содержат изложение методики мониторинга окружающей среды вблизи антенн радиосредств, работающих в различных участках диапазона частот 300 МГц - 300 ГГц, по электромагнитному фактору. Являются государственным методическим документом для определения санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки, а также для прогнозирования уровней электромагнитного поля при выборе мест размещения радиосредств.
Предназначены специалистам органов и учреждений санитарно-эпидемиологической службы, проектных организаций, операторам связи.
Документ введен взамен МУК 4.3.680-97. Отличается от прежнего документа тем, что распространяется на более широкий класс антенн, содержит рекомендации по учету решетчатой структуры антенного рефлектора, влияния земли и крыши на величину плотности потока энергии в расчетной точке.
Не распространяется на радиосредства базовых станций систем подвижной связи и станций телевизионного вещания.
1. Радиосредства
На частотах выше 300 МГц работают различные радиосредства: радиорелейные системы передачи прямой видимости (РРСП ПВ), тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРРСП), спутниковые системы передачи (ССП), радиолокационные станции (РЛС).
Передающая часть любого радиосредства имеет антенну - устройство преобразования энергии, вырабатываемой радиопередатчиком, в энергию свободно распространяющихся радиоволн. Наиболее распространенными на практике являются апертурные антенны - вырезки из параболоида вращения (с круглой, квадратной, прямоугольной апертурой), рупорно-параболические антенны, перископические антенные системы, а также вибраторные антенны. Реже (в качестве самостоятельных) применяются рупорные антенны, антенны в виде вырезки из параболического цилиндра. Каждая антенна имеет характерные элементы, определяющие конструкцию. Для антенн, построенных на основе вырезки из параболоида вращения, это рефлектор (зеркало с соответствующей формой апертуры) и облучатель, расположенный, как правило, в фокусе параболоида. Рупорно-параболическая антенна - это единая конструкция в виде двух совмещенных элементов: рупора и несимметричной вырезки из параболоида вращения. Перископическая антенная система имеет три основных элемента: первичный облучатель (как правило, рупорный), нижнее зеркало и верхнее зеркало. Рупорная антенна состоит из отрезка волновода постоянного сечения и собственно рупора, представляющего собой волновод с плавно увеличивающимся сечением. Антенна типа параболический цилиндр - это апертурная антенна с рефлектором в виде параболического цилиндра и линейным источником возбуждения. Антенны вибраторной конструкции - это совокупность активных и пассивных излучателей.
Основными данными, необходимыми для расчета электромагнитной обстановки вблизи радиосредства, являются: мощность передатчика, рабочая частота (длина волны), КНД антенны, пространственное положение и геометрические размеры излучающих элементов.
2. Расчет плотности потока энергии вблизи параболических
антенн с круглой апертурой
Общие положения. Значение плотности потока энергии (ППЭ) апертурной антенны в произвольной точке пространства (в рамках энергетического подхода к решению задачи) определяется по формуле:
П = П + П + П + П , (2.1)
SUM а обл диф пр
где:
П - апертурная составляющая;
а
П - составляющая, определяемая излучением облучателя;
обл
П - составляющая, обусловленная токами, протекающими вблизи
диф
кромки зеркала (дифракционными токами);
П - составляющая, возникающая в результате прохождения
пр
энергии сквозь основное зеркало антенны, если оно имеет решетчатую
структуру.
Все пространство вблизи антенны условно делится на ряд
характерных областей, которые ввиду симметрии показаны на рис. 2.1
(не приводится) только в секторе углов 0 <= ТЭТА <= пи.
Значение ППЭ в области I определяется апертурной составляющей
П и составляющей облучателя П .
а обл
В области II - заднем полупространстве антенны - ППЭ
определяется составляющей П . Если зеркало выполнено в виде
диф
решетчатой структуры, то к дифракционному полю добавится поле,
прошедшее в область II сквозь ячейки решетки - составляющая П .
пр
В области III необходимо учитывать составляющие П и П .
обл диф
Область III в заднем полупространстве существует только для
длиннофокусных антенн, когда пси <= пи / 2.
В области IV ППЭ определяется в основном составляющими П и
обл
П , но следует учитывать и П (особенно вблизи границы раздела
диф а
областей I и IV).
Область V является областью конструкции антенны и находится внутри гипотетического цилиндра с площадью основания, равной площади апертуры и высотой 2...4 диаметра апертуры (эту область иногда называют областью прожекторного луча).
Используемые допущения:
- амплитудное распределение поля по апертуре задается в виде "параболы на пьедестале":
2r 2
f(r) = 0,316 + 0,684[1 - (--) ], (2.2)
d
где:
r - текущее значения координаты на диаметре апертуры;
d - диаметр апертуры;
- облучатель и антенна имеют характеристики направленности с осевой симметрией относительно направлений их максимального излучения;
- характеристика направленности облучателя вне сектора углов перехвата энергии основным зеркалом считается неизменной и равной 0,316 по напряженности поля (по мощности 0,1);
- апертура имеет затенение, характеризуемое коэффициентом
затенения d / d = 0,1 (d - диаметр "теневого диска", d -
Т Т
диаметр апертуры).
Расчет плотности потока энергии в области I. Плотность потока энергии в расчетной точке М (рис. 2.2 - не приводится) представляется в виде двух составляющих:
П = П + П ,
SUM а обл
где:
П - апертурная составляющая ППЭ (рис. 2.2а - не приводится);
а
П - составляющая ППЭ, определяемая непосредственно
обл
излучением облучателя (рис. 2.2б - не приводится).
В предположении осевой симметрии характеристик направленности
апертуры и облучателя составляющие ППЭ имеют вид:
Р 2 2
П = ------ D В (R) F (ТЭТА, R), Вт/кв. м, (2.3)
а 2 0
4пи R
Р 2
П = ------ D F (гамма), Вт/кв. м, (2.4)
обл 2 обл обл
4пи R
где:
Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;
D - КНД антенны в направлении максимального излучения в
0
дальней зоне (величина безразмерная);
2
B (R) - функция, учитывающая зависимость КНД от расстояния;
2
F (ТЭТА, R) - нормированная характеристика направленности
антенны по мощности;
(ТЭТА, R) - сферические координаты расчетной точки;
D - КНД облучателя в направлении максимального излучения;
обл
2
F (гамма) - нормированная характеристика направленности
обл
облучателя по мощности (угол гамма = 180° - ТЭТА).
Электрические параметры апертуры - характеристика направленности и КНД - являются функциями расстояния R, а те же параметры облучателя не зависят от R - считается, что расчетная точка по отношению к облучателю всегда находится в дальней зоне.
Вводятся переменные: u - обобщенная угловая координата, х - относительное расстояние:
u = (пи d sin ТЭТА) / лямбда; (2.5)
х = R / R , (2.6)
гр
где:
d - диаметр апертуры, м;
лямбда - длина волны, м;
2
R = 2d / лямбда - граничное расстояние, начиная с которого
гр
можно считать, что расчетная точка находится в дальней зоне.
С учетом введения обобщенных координат выражение (2.3)
принимает вид:
2 2
Р лямбда В (х) 2
П = --------- D ----- F (u, х), Вт/кв. м. (2.7)
а 4 0 2
16пи d х
Перевод размерности ППЭ Вт/кв. м в мкВт/кв. см осуществляется в (2.7) умножением на 100.
Переход от абсолютных значений величины ППЭ к относительным (децибелам относительно 1 мкВт/кв. см) осуществляется по формуле:
2
Р лямбда В(х)
П = 10lg --------- + 10lg D + 20lg[----] + 20lg F(u, х) + 3, дБ, (2.8)
а 4 0 х
d
где:
В(х) - функция, учитывающая изменение КНД в зависимости от
относительного расстояния;
F(u, х) - нормированная характеристика направленности апертуры
в обобщенных координатах u, х.
С учетом принятых допущений выражение (2.4) при переходе к
относительным значениям (децибелам относительно 1 мкВт/кв. см)
приводится к виду:
Р
П = 10lg ------ + 10lg D + 10, дБ. (2.9)
обл 2 обл
4пи R
Аналитическое выражение функции В(х) / х для круглой апертуры
с амплитудным распределением типа (2.2) имеет вид:
2b
В(х) 0 2 пи пи 1/2
---- = ------------- [b - 2b с sin(--) - 2b cos(--)] , (2.10)
х х (1 + альфа) 1 0 8х 2 8х
где:
8х 2 2 2 2 2
b = --, b = 1 + альфа + 2b с , b = альфа + b с , с = 1 - альфа.
0 пи 1 0 2 0
В области х < 0,105 функция (2.10) сильно осциллирующая, а в области х > 0,105 - изменяется монотонно. Осциллирующую часть функции следует заменить огибающей ее максимумов.
На рис. П1.1 (не приводится) (Приложение 1) приведена функция
В(х) В(х)
20lg[----]. В области х > 1 функция 20lg[----] = -20lg х.
х х
На рис. 2.3 (не приводится) показана круглая апертура с центральным затенением (затенение моделируется отсутствием элементов Гюйгенса в центре апертуры - светлый круг). Поле в точке М является суперпозицией полей элементов Гюйгенса dS, расположенных на поверхности раскрыва (апертуре).
Напряженность электрического поля, создаваемая в расчетной точке М всей совокупностью элементов Гюйгенса, находящихся в апертуре, определяется следующей формулой:
Е = интеграл dЕ (ТЭТА, R), (2.11)
S S
-jkr
S
Е(r)ds е
dЕ (ТЭТА, R) = -j ------- (1 + cos ТЭТА ) sin фи ------; (2.12)
S 2лямбда S S r
S
2r 2
Е(r) = 1 - 0,684(--) . (2.13)
d
В (2.12) геометрические параметры ТЭТА , фи , r являются
S S S
функциями ТЭТА и R.
Нормированная характеристика направленности апертуры имеет
вид:
|Е(ТЭТА, R)|
F(ТЭТА, R) = ---------------. (2.14)
max|Е(ТЭТА, R)|
В терминах координат u, х направленные свойства апертуры характеризуются функцией F(u, х). Процесс расчета каждой функции F(u, х) требует значительных вычислительных затрат, которые быстро растут с увеличением отношения d / лямбда. Функции F(u, х) сильно осциллирующие, поэтому в практических расчетах ППЭ следует использовать их гарантированные огибающие. Для удобства практических расчетов гарантированные огибающие табулированы (Приложение 1, таблицы 1.1 и 1.2). При значениях х > 1, что соответствует дальней зоне, необходимо пользоваться огибающими для х = 1.
Значение КНД облучателя рассчитывается по формуле:
2
D = --------------------------------------, (2.15)
обл пи 2
интеграл F (гамма) sin гамма d гамма
0 обл
где:
2 гамма