Присоединяйтесь!
Зарегистрированных пользователей портала: 506 363. Присоединяйтесь к нам, зарегистрироваться очень просто →
Законодательство
Законодательство

"МУК 4.3.1167-02. 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" (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 07.10.2002)

Дата документа07.10.2002
Статус документаДействует
МеткиМетодические указания · Мук · Перечень · Список

    

УТВЕРЖДАЮ
Главный государственный
санитарный врач Российской
Федерации - Первый заместитель
Министра здравоохранения
Российской Федерации
Г. Г. Онищенко
7 октября 2002 г.

 

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".
    Редакторы Барабанова Т. Л., Максакова Е. В.
    Технический редактор Ломанова Е. В.
 

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:
 

(2.1)

 
    где
     - апертурная составляющая;
     - составляющая, определяемая излучением облучателя;
     - составляющая, обусловленная токами, протекающими вблизи кромки зеркала (дифракционными токами);
     - составляющая, возникающая в результате прохождения 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 только в секторе углов 0
 

 

Рис. 2.1. Области анализа ППЭ.

 
    Значение ППЭ в области I определяется апертурной составляющей и составляющей облучателя .
    В области II - заднем полупространстве антенны - ППЭ определяется составляющей .
    Если зеркало выполнено в виде решетчатой структуры, то к дифракционному полю добавится поле, прошедшее в область II сквозь ячейки решетки - составляющая .
    В области III необходимо учитывать составляющие и . Область III в заднем полупространстве существует только для длиннофокусных антенн, когда /2.
    В области IV ППЭ определяется в основном составляющими и , но следует учитывать и (особенно вблизи границы раздела 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":
 

(2.2)

 
    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 dт / d = 0,1 (dт - диаметр "теневого диска", d - диаметр апертуры).
    Расчет плотности потока энергии в области I. Плотность потока энергии в расчетной точке М (рис. 2.2) представляется в виде двух составляющих:
 
    
 
    где
     - апертурная составляющая ППЭ (рис. 2.2а);
     - составляющая ППЭ, определяемая непосредственно излучением облучателя (рис. 2.2, б).
    В предположении осевой симметрии характеристик направленности апертуры и облучателя составляющие ППЭ имеют вид:
 

, Вт/м2 (2.3)

 

, Вт/м2 (2.4)

 
    Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;
     - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне (величина безразмерная);
     - функция, учитывающая зависимость КНД от расстояния;
     - нормированная характеристика направленности антенны по мощности;
     - сферические координаты расчетной точки;
     - КНД облучателя в направлении максимального излучения;
     - нормированная характеристика направленности облучателя по мощности (угол = 180° - ).
 

 

Рис. 2.2. К расчету апертурной составляющей ППЭ (а) и составляющей ППЭ облучателя (б).

 
    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: и - обобщенная угловая координата, х - относительное расстояние:
 

(2.5)

 

(2.6)

 
    d - диаметр апертуры, м;
     - длина волны, м;
     - граничное расстояние, начиная с которого можно считать, что расчетная точка находится в дальней зоне.
    С учетом введения обобщенных координат выражение (2.3) принимает вид:
 

, Вт/м2 (2.7)

 
    Перевод размерности ППЭ Вт/м2 в мкВт/см2 осуществляется в (2.7) умножением на 100.
    Переход от абсолютных значений величины ППЭ к относительным (децибелам относительно 1 мкВт/см2) осуществляется по формуле:
 

, дБ (2.8)

 
    В(х) - функция, учитывающая изменение КНД в зависимости от относительного расстояния;
    F(u, x) - нормированная характеристика направленности апертуры в обобщенных координатах и, х.
    С учетом принятых допущений выражение (2.4) при переходе к относительным значениям (децибелам относительно 1 мкВт/см2) приводится к виду:
 

, дБ (2.9)

 
    Аналитическое выражение функции В(х)/х для круглой апертуры с амплитудным распределением типа (2.2) имеет вид:
 

(2.10)

 
    где
    
    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 (приложение 1) приведена функцияВ области x > 1 функция

    На рис. 2.3 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).
 

 

Рис. 2.3. К расчету функции F(u, x).

 
    Напряженность электрического поля, создаваемая в расчетной точке М всей совокупностью элементов Гюйгенса, находящихся в апертуре, определяется следующей формулой:
 

(2.11)

 

(2.12)

 

(2.13)

 
    В (2.12) геометрические параметры , , являются функциями и R.
    Нормированная характеристика направленности апертуры имеет вид:
 

(2.14)

    В терминах координат u, x направленные свойства апертуры характеризуются функцией F(u, x). Процесс расчета каждой функции F(u, x) требует значительных вычислительных затрат, которые быстро растут с увеличением отношения d/. Функции F(u, x) 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 x = 1.
    Значение КНД облучателя рассчитывается по формуле:
 

(2.15)

 
    где
 

для (2.16)

 

для < (2.16)

    
    - характеристика направленности облучателя, реализующая амплитудное распределение вида (2.2) и обеспечивающая уровень 0,316 вне сектора углов перехвата энергии зеркалом ( ).
    Термин "облучатель" следует понимать, как собственно облучатель в однозеркальной антенне, так и систему "облучатель - вспомогательное зеркало" в двухзеркальной антенне.
    График зависимости , как функции аргумента для усредненной модели антенн приведен на рис. П1.2 (приложение 1).
    Постановку задачи при расчете ППЭ в области I вблизи антенны с круглой апертурой иллюстрирует рис. 2.4, на котором центр апертуры - это О, а его высота над землей - . Угол характеризует отклонение направления максимального излучения от плоскости горизонта. Ось Y системы координат XYZ совмещена с проекцией направления максимального излучения на плоскость XOY. Горизонтальная плоскость, на которой определяется ППЭ, находится на высоте над землей. Расчетная точка задается либо через координаты (расстояние до точки М вдоль поверхности земли) и , либо через у и х.
 

 

Рис. 2.4. Постановка задачи.

 
    Заданными параметрами считаются: Р - мощность передатчика радиосредства, Вт; - длина волны, м; d - диаметр апертуры, м; - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне; 2 - угол раскрыва антенны (угол перехвата энергии облучателя зеркалом).
    В области I порядок расчета следующий:
    1. Вычисляется расстояние от центра апертуры до расчетной точки М:
 

(2.17)

 
    2. Рассчитывается угол между направлением максимального излучения и направлением линии "центр апертуры - расчетная точка M":
 

(2.18)

 
    3. Определяется граничное расстояние :
 

(2.19)

 
    4. Вычисляются параметры u, x по формулам:
 

(2.20)

 

5. Находится значение функции, дБ (по огибающей).

    6. Вычисляется значение функции 20 lg F(u, x), дБ (по огибающей).
    7. По формуле (2.8) рассчитывается значение составляющей :
 

, дБ (2.21)

 
    8. Определяется:
 

, (2.22)

 
    9. По формуле (2.9) находится значение составляющей :
 

, дБ (2.23)

 
    10. Значение суммарной ППЭ рассчитывается по формуле:
 

, мкВт/см2 (2.24)

 
    Методика и порядок расчета имеют ограничение по минимальному удалению расчетной точки от центра апертуры - , что соответствует значению х ,

где

    Расчет ППЭ для относительных расстояний х < выполняется с помощью интерполяции. Для этого сначала по формуле (2.21) вычисляется П() - величина ППЭ при х = . Далее определяется - усредненная величина ППЭ на апертуре по формуле:
 

, дБ (2.25)

 
    При этом интерполяционная формула имеет вид:
 

, мкВт/см2 (2.26)

 
    Повторяя операции, предусмотренные порядком расчета ППЭ, последовательно для различных точек выбранного азимута = const определяется характер изменения ППЭ вдоль данного азимута, а также отыскивается точка, где значение ППЭ равно предельно допустимому уровню. Совокупность подобных точек на других азимутальных линиях, проведенных, например, через 1°, определяет границу соответствующей санитарной зоны в области I.
    Расчет плотности потока энергии в области II. В области II поле обусловлено дифракцией электромагнитных волн на кромке параболического зеркала. Однако область II имеет три характерных подобласти (рис. 2.5), которые образуются после проведения двух касательных (1 и 2) в точках А и Б. Из подобласти II-а видна вся кромка антенны, из подобласти II-б видна часть кромки, из подобласти II-в кромка вообще не видна.
    Исходными данными для расчета являются следующие параметры радиосредства: мощность излучения Р, Вт; длина волны , м; диаметр антенны d, м; половина угла раскрыва зеркала ; коэффициент использования поверхности зеркала ; - уровень напряженности электрического поля на кромке зеркала. Постановка задачи иллюстрируется на рис. 2.6.
 

 

Рис. 2.5. К расчету ППЭ в области II.

 
    Сферические составляющие напряженности электрического поля в подобласти II-а имеют вид:
 

(2.27)

 
    Последовательность расчетов при использовании метода геометрической теории дифракции (ГТД) следующая:
    1. Определяется ряд вспомогательных величин:
 
    
 

 

Рис. 2.6. К расчету ППЭ методом ГТД.

 
    2. Вычисляются функции:
 

(2.28)

 
    3. Вычисляются специальные функции - интегралы Френеля:
 

(2.29)

 
    в которых
 

(2.30)

 

- косинус интеграла Френеля,

 

- синус интеграла Френеля. (2.31)

 
    4. Рассчитываются коэффициенты дифракции:
 

(2.32)

 
    5. Рассчитываются некоторые функции, определяющие дифракцию первичного поля облучателя на кромке зеркала:
 

, (2.33)

 
    В этих выражениях - расстояние от произвольного элемента кромки ds до расчетной точки:
 

(2.34)

 
    r - расстояние от центра апертуры до расчетной точки (рис. 2.6).
    6. Определяется усредненное значение ППЭ в центре апертуры:
 

, мкВт/см2 (2.35)

 
    7. Определяется значение напряженности поля в центре апертуры:
 

, В/м (2.36)

 
    8. Рассчитываются сферические компоненты дифракционного поля , по формулам:
 

(2.37)

 
    где = 0,316 уровень поля на ребре кромки.
    9. Определяются составляющие ППЭ, обусловленные дифракционными компонентами поля , по формулам:
 

мкВт/см2; мкВт/см2; (2.38)

 
    10. Если требуется найти декартовые составляющие дифракционного поля, то следует воспользоваться следующими формулами:
 

(2.39)

 
    В секторе углов, принадлежащих подобласти II-б, значения сферических компонент дифракционного поля определяется одной "светящейся" точкой (точка А на рис. 2.5) по формулам:
 

(2.40)

 

(2.41)

 
    В этих формулах: , определяется в соответствии с (2.36), = 0,316, коэффициенты дифракции рассчитываются по формулам (2.28)...(2.32).
    Переход к декартовым составляющим дифракционного поля осуществляется по формулам (2.39), а к сферическим компонентам ППЭ по формулам (2.38).
    В секторе углов подобласти II-в следует принять, что = 0.
    Расчет плотности потока энергии в области III. Если зеркало антенны длиннофокусное ( < 90°), то в области III ППЭ имеет две составляющие. Одна определяется излучением облучателя, другая - дифракцией на части кромки:
 

(2.42)

 
    Составляющая , определяется по формуле (2.23) с последующим переходом к мкВт/см2, а составляющая также, как для подобласти II-б.
    В случае короткофокусной антенны ( < 90°) в области III ППЭ имеет составляющие и . Составляющая рассчитывается так же, как для подобласти II-а - по формулам (2.28)...(2.38).
    Расчет плотности потока энергии в области IV. В области IV ППЭ определяется в основном составляющими и , поэтому значение ППЭ в этой области формально определяется по формуле (2.42) с добавлением составляющей . При этом дифракционная составляющая поля определяется так же, как это сделано в подобласти II-а - по формулам (2.28)...(2.38).
    Расчет плотности потока энергии в области V. В этой области ППЭ следует определять следующим образом:
 
    
 
    При этом составляющая рассчитывается по формулам (2.25) и (2.26), после того как предварительно геометрически определена граница раздела между областями IV и V (значение ) на выбранном азимутальном направлении.
    Алгоритм определения областей и подобластей для расчетной точки и примеры расчета ППЭ приведены в приложении 2 - рис. П1.3 и П1.4.
    Примеры расчета ППЭ вблизи параболических антенн с круглой апертурой приведены в приложении 2.
 

3. Расчет плотности потока энергии вблизи параболических антенн с квадратной и прямоугольной апертурой

 
    Квадратная апертура. При анализе квадратной апертуры (рис. 3.1) используются допущения:
    - распределение амплитуды поля в одной из главных плоскостей - "косинус на пьедестале":
 

(3.1)

 
    а - сторона квадрата, - текущее значение координаты апертуры в одной из главных плоскостей;
    - облучатель и антенна имеют характеристики направленности с осевой симметрией относительно направлений их максимального излучения;
    - значение характеристики направленности облучателя вне сектора углов перехвата энергии основным зеркалом равно 0,316 (по напряженности поля).
 

 

Рис. 3.1. Квадратная апертура.

 
    Общая расчетная формула для определения значения ППЭ имеет вид (2.1). Физический смысл отдельных составляющих прежний. Составляющие и в децибелах относительно 1 мкВт/см2 будут иметь вид:
 

, дБ (3.2)

 

, дБ (3.3)

 
    Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;
     - длина волны, м;
    а - сторона квадрата (апертуры антенны), м;
     - КНД антенны в направлении максимального излучения в волновой зоне;
    В(х) - функция, учитывающая изменение КНД квадратной апертуры в зависимости от относительного расстояния;
    F(u ,x) - нормированная ХН квадратной апертуры в координатах и, х;
    , R - сферические координаты расчетной точки;
    и = (a sin ) / - обобщенная координата угла;
     - относительное расстояние;
     - граничное расстояние.
     - КНД облучателя в направлении максимального излучения (величина безразмерная). График зависимости как функции аргумента для усредненной модели антенн приведен на рис. П1.2 (приложение 1).
    Вычисление функции F(u, x) сводится к расчету характеристики направленности линейного синфазного источника (рис. 3.2) с распределением амплитуды тока, совпадающем с распределением амплитуды поля вида (3.1).
 

 

Рис. 3.2. К расчету характеристики направленности.

 
    Значение напряженности поля в расчетной точке определяется выражением:
 

, (3.4)

 
    где
 

, (3.5)

 
    В (3.5) f() определяется распределением поля, а геометрические параметры , r являются функциями , R.
    Нормированная характеристика направленности апертуры имеет вид:
 

, (3.6)

 
    В терминах обобщенных координат (и, х) направленные свойства апертуры будут характеризоваться функцией F(u, x).
    Функции F(u, x) сильно осциллирующие, поэтому в практических расчетах ППЭ следует использовать их гарантированные огибающие. Для удобства практических расчетов гарантированные огибающие табулированы (приложение 3, таблицы 3.1 и 3.2). При значениях х > 1, что соответствует дальней зоне, необходимо пользоваться огибающими для х = 1.
    Аналитическое выражение функции В(х)/х для квадратной апертуры с амплитудным распределением типа "косинуса на пьедестале" имеет вид:
 

, (3.7)

 
    где
 

, (3.8)

 

- косинус интеграла Френеля, (3.9)