Методы контроля. Методические указания мук 116702 ббк 51. 21

• Название: Методические указания мук 116702 ббк 51. 21
• Анкор: Методы контроля
• Дата: 06.09.2022
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: Методы контроля.doc
• Тип: Методические указания; #664072
• страница: 1 из 8

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
ББК 51.21

О60
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 № 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_а + П_обл + П_диф + П_пр, где (2.1)

П_а - апертурная составляющая;

П_обл - составляющая, определяемая излучением облучателя;

П_диф - составляющая, обусловленная токами, протекающими вблизи кромки зеркала (дифракционными токами);

П_пр - 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 П_а и составляющей облучателя П_обл.

В области II - заднем полупространстве антенны - ППЭ определяется составляющей П_диф. Если зеркало выполнено в виде 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_обл и П_диф. Область III в заднем полупространстве существует только для длиннофокусных антенн, когда    / 2.

В области IV ППЭ определяется в основном составляющими П_обл и П_диф, но следует учитывать и П_а (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":

, где (2.2)

r - текущее значение 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_T / d = 0,1 (d_T - диаметр "теневого диска", d - диаметр апертуры).

Расчет плотности потока энергии в области I. Плотность потока энергии в расчетной точке M (рис.2.2) представляется в виде двух составляющих:

П_ = П_а + П_обл, где

П_а - апертурная составляющая ППЭ (рис.2.2а);

П_обл - составляющая ППЭ, определяемая непосредственно излучением облучателя (рис.2.2,б).


а)



б)

Рис.2.2. К расчету апертурной составляющей ППЭ (а) и составляющей ППЭ облучателя (б).
В предположении осевой симметрии характеристик направленности апертуры и облучателя составляющие ППЭ имеют вид:

, Вт/м² (2.3)

, Вт/м², где (2.4)

Р - мощность, излучаемая антенной, Вт;

D₀ - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне (величина безразмерная);

B²(R) - функция, учитывающая зависимость КНД от расстояния;

F²(, R) - нормированная характеристика направленности антенны по мощности;

(, R) - сферические координаты расчетной точки;

D_обл - КНД облучателя в направлении максимального излучения;

- нормированная характеристика направленности облучателя по мощности (угол =180° - ).

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, x - относительное расстояние:

, (2.5)

, где (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, где (2.8)

B(x) - функция, учитывающая изменение КНД в зависимости от относительного расстояния;

F(u, x) - нормированная характеристика направленности апертуры в обобщенных координатах u, x.

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 B(x)/x для круглой апертуры с амплитудным распределением типа (2.2) имеет вид:

, где (2.10)

, , ,

В области x < 0,105 функция (2.10) сильно осциллирующая, а в области x > 0,105 - изменяется монотонно. Осциллирующую часть функции следует заменить огибающей ее максимумов.

На рис.П1.1 (приложение 1) приведена функция . В 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 M 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 M всей совокупностью элементов Гюйгенса, находящихся в апертуре, определяется следующей формулой:

, где (2.11)

; (2.12)

(2.13)

В (2.12) геометрические параметры _S, _S, r_S 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 x > 1, что соответствует дальней зоне, необходимо пользоваться огибающими для x = 1.

Значение КНД облучателя рассчитывается по формуле:

, где (2.15)

для   ₀, (2.16)

для ₀ <   

- характеристика направленности облучателя, реализующая амплитудное распределение вида (2.2) и обесценивающая уровень 0,316 вне сектора углов перехвата энергии зеркалом (₀    ).

Термин "облучатель" следует понимать как собственно облучатель в однозеркальной антенне, так и систему "облучатель - вспомогательное зеркало" в двухзеркальной антенне.

График зависимости как функции аргумента ₀ 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 - H_A. 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 H_T над землей. Расчетная точка задается либо через координаты _M (расстояние до точки M вдоль поверхности земли) и _M, либо через y и x.


Рис.2.4. Постановка задачи.
Заданными параметрами считаются: P - мощность передатчика радиосредства, Вт;  - длина волны, м; d - диаметр апертуры, м; D₀ - КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней зоне; 2₀ - угол раскрыва антенны (угол перехвата энергии облучателя зеркалом).

В области I порядок расчета следующий:

1. Вычисляется расстояние от центра апертуры до расчетной точки M:

(2.17)

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

(2.18)

3. Определяется граничное расстояние R_гр:

(2.19)

4. Вычисляются параметры u, x по формулам:

и (2.20)

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

6. Вычисляется значение функции , дБ (по огибающей).

7. По формуле (2.8) рассчитывается значение составляющей П_а:

, дБ (2.21)

8. Определяется:

(2.22)

9. По формуле (2.9) находится значение составляющей П_обл:

, 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 – R_min  d/2, что соответствует значению , где .

Расчет ППЭ для относительных расстояний выполняется с помощью интерполяции. Для этого сначала по формуле (2.21) вычисляется - величина ППЭ при . Далее определяется П_s - 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.