Основы электромагнитной экологии: Монография
Рассмотрен специфический вид антропогенного загрязнения окружающей среды - электромагнитное загрязнение. Показано, что проблемы электромагнитной экологии, традиционно являясь санитарно-гигиеническими, в настоящее время стали частью общей экологической проблемы и получили общественно значимое звучание. Приведена методологическая база для решения конкретных задач расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки вблизи излучающих технических средств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Для научных работников, специалистов проектирования и эксплуатации радиосредств, работников служб государственного надзора за связью и санитарно-эпидемиологического контроля, аспирантов и студентов вузов телекоммуникационного профиля, изучающих в рамках действующих учебных планов дисциплину "Электромагнитная экология".
С увеличением высоты от 1 м составляющая Ey растет и становится соиз- меримой с Ez. Составляющая Еx на расстояниях 10...20 м от фидера на 3...4 порядка меньше Ey и Ez. Переход к реальной земной поверхности (рис. 5.40) с параметрами су- хой почвы ε = 3 и σ = 0,001 См/м, приводит к резкому увеличению напря- женности поля на поверхности раздела за счет составляющих Ey и, глав- ным образом, Еx. Отметим, что согласно расчетам изменение λ в пределах ВЧ диапазона практически не влияет на структуру поля проводных фидеров. Рис. 5.41 иллюстрирует изменение структуры поля вблизи фидера при учете синфазной волны. По сравнению с режимом по противофазной волне (см. Ez на рис. 5.40) наблюдается значительное увеличение ЕΣ в пределах рассматриваемых расстояний, если ток синфазной волны равен 0,2 от тока противофазной волны. В этом случае наблюдается резко выраженная ас- симетрия структуры поля вблизи фидера. При расчете напряженности поля затухание волн не учитывалось. Однако можно предположить, что проти- вофазная волна будет иметь меньшее затухание, чем синфазная. Следова- тельно, ее энергетический вклад уменьшается по мере распространения вдоль фидера, что, в свою очередь, приводит к уменьшению ассиметрии поля. Рис. 5.41. Структура поля вблизи двухпроводного фидера, расположенного над земной поверхностью с параметрами сухой почвы, с учетом синфазной волны В теории и практике антенно-фидерных устройств хорошо известно, что при прочих равных условиях работа на четырехпроводный перекре- щенный фидер обеспечивает значительно лучшие энергетические характе- ристики линии передачи, чем в случае четырехпроводного неперекрещен- ного фидера. На рис. 5.42 и 5.43 показано распределение поля по различ- ным составляющим вблизи неперекрещенного четырехпроводного фидера и перекрещенного соответственно. Поля рассчитывались для одинаковых условий и режимов работы: почва сухая ε = 3 и σ = 0,001 См/м, λ = 10 м, высота подвеса нижних проводов фидера 3 м, ток по каждому проводу фи- 131 дера в режиме противофазных волн равен 10 А. Переход к перекрещенно- му фидеру приводит примерно к десятикратному уменьшению уровня всех составляющих, в том числе и на поверхности раздела. Практически это проявляется в снижении потерь в четырехпроводном фидере, вызванных свойствами земной поверхности и излучением фидера. H,M H,M Ex Ey + + + + а) б) 2 2 0 2 4 6 8 r,м 0 2 4 6 8 r,м H,M H,M Ez EΣ + + + + в) г) 2 2 0 2 4 6 8 r,м 0 2 4 6 8 r,м Рис. 5.42. Структура поля вблизи четырехпроводного неперекрещенного фидера, расположенного над земной поверхностью с параметрами сухой почвы H,M H,M Ex Ey + + + + а) б) 2 2 0 2 4 6 8 r,м 0 2 4 6 8 r,м H,M H, M Ez EΣ + + + + в) г) 2 2 0 2 4 6 8 r,м 0 2 4 6 8 r,м Рис. 5.43. Структура поля вблизи четырехпроводного перекрещенного фидера, расположенного над земной поверхностью с параметрами сухой почвы Как показали расчеты, уменьшение КБВ в четырехпроводном пере- крещенном фидере до 0,7 лишь на 15...20% увеличивает уровень всех со- ставляющих, в том числе и суммарной составляющей. Структура поля при этом практически не изменяется. 132 ГЛАВА 6 ИЗЛУЧАЮЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОВЧ И УВЧ ДИАПАЗОНОВ 6.1. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ОВЧ И УВЧ ДИАПАЗОНОВ К диапазону очень высоких частот (ОВЧ) и ультравысоких частот (УВЧ) в соответствии с международным регламентом радиосвязи относятся часто- ты от 30 до 300 МГц (10...1 м – метровые волны) и от 300 до 3000 МГц (1...0,1 м – дециметровые волны) соответственно. В отечественной техниче- ской литературе эти диапазоны часто называли диапазоном ультракоротких волн (УКВ). Радиоволны этих диапазонов распространяются в основном по прямо- линейным траекториям. Они слабо дифрагируют вокруг Земли и слабо от- ражаются от тропосферы. Эти частоты превышают максимально примени- мые частоты при ионосферном распространении радиоволн, потому они не испытывают регулярных отражений от ионосферы, уходя в космическое пространство. Радиус действия систем передачи, работающих в этих h 1 r0 диапазонах ограничен в ос- h2 новном пределами прямой (оптической) видимости ме- жду передающей и приемной Рис. 6.1. К расчету расстояния радиовидимости антенной (рис. 6.1). Незначительная дифрак- ция радиоволн (огибание сферической Земли у горизонта) и слабая рефрак- ция (отклонение направления распространения радиоволн от прямолинейно- го) в нижних слоях тропосферы несколько увеличивают расстояние радио- видимости (примерно на 15%), которое рассчитывается по формуле: ( r0 = 4,12 h1 − h2 ,) (6.1) где r0 – расстояние радиовидимости в км, h1 и h2 – высоты подвеса пере- дающей и приемной антенн в м. С точки зрения электромагнитной экологии представляют интерес ЭМП в непосредственной близости от излучающих технических средств. Расчеты и опыт электромагнитной экспертизы излучающих объектов ОВЧ и УВЧ диапазонов показывают, что для этих целей необходимо знание ЭМП на расстояниях приблизительно до 1000 м. В пределах таких расстояний по- 133 верхность Земли можно рассматривать как плоскую поверхность. На рис. 6.2 в точке А на высоте h1 над Землей расположена передающая антенна, а в точке В – приемная. Расстояние между ними r. А 1 В h1 2 2 h2 r Рис.6.2. Двухлучевая модель распространения радиоволн в ОВЧ и УВЧ диапазонах В точке приема имеет место явление интерференции прямой (1) и отра- женной от поверхности Земли (2) радиоволн, которые в этих случаях иногда называют лучами. Интерференция приводит к тому, что вблизи излучающих технических средств этого диапазона ЭМП имеет резко осциллирующий ха- рактер. Положение максимумов и минимумов напряженности поля, а также их количество зависят от высоты подвеса передающей антенны, высоты точки наблюдения и длины волны. Величина максимумов поля может изме- няться в зависимости от параметров поверхности отражения и достигать уд- военного значения интенсивности прямого луча. На рис. 6.3 приведена зави- симость интерференционного множителя F от расстояния, которая иллюст- рирует характер изменения напряженности поля вблизи излучающих техни- ческих средств ОВЧ и УВЧ диапазонов. F 2 1 0 r 4 h 1 h 2 / 3λ 4 h 1 h 2 / 2 λ 4 h 1 h 2 / λ Рис. 6.3. Зависимость множителя распространения радиоволн от расстояния при двухлучевой модели распространения 134 На распространение радиоволн влияет и их поляризация. Поля, созда- ваемые различными мешающими источниками, такими, как промышленные устройства, зажигание автомашин, а также создаваемые за счет отражения от вертикальных стен зданий, деревьев и других вертикальных поверхно- стей, имеют вертикальную поляризацию радиоволн [43]. Этот фактор явился основной причиной выбора для телевизионного вещания, как правило, гори- зонтальной поляризации поля. 6.2. ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗЛУЧАЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 6.2.1. Технические средства телевещания В диапазонах ОВЧ и УВЧ основными техническими средствами, суще- ственно влияющими на биологически значимую электромагнитную обста- новку, являются технические средства телевидения, частотно модулирован- ного (ЧМ) вещания и подвижной связи различных назначений и стандартов. Зоной обслуживания (полезной зоной) вещательного передатчика назы- вается территория, в пределах которой напряженность поля, создаваемая передатчиком, обеспечивает прием вещания на массовую приемную аппара- туру в L, %, точек приема с определенным качеством в течение определен- ного (полезного) процента времени Тпол ,% [47]. Согласно международным рекомендациям принимают Тпол=90 %, а в течение отрезка времени Тпом = 10% допускается наличие заметных помех. Критерием качества приема при наличии только природных и индустри- альных помех является превышение минимально допустимой напряженно- сти поля Емин полем полезного передатчика Епол – в пределах полезной зоны должно выполняться условие Епол > Емин. В табл. 6.1 приведены принятые в России уровни Емин на границе полез- ной зоны в зависимости от диапазона. Таблица 6.1 Телевизионный I II III IV и V ОВЧ ЧМ диапазон Емин, дБ/мкВ/м 50 54 57 70 46 К техническим средствам ОВЧ и УВЧ диапазонов, излучение которых вносит существенный вклад в электромагнитную обстановку городов и на- селенных пунктов, в первую очередь относят радиосистемы передачи, пред- назначенные для организации телевещания, радиовещания и радиосвязи с подвижными объектами. 135 Прежде, чем перейти к изложению метода анализа оценки электромаг- нитной обстановки вблизи радиотехнических станций ОВЧ и УВЧ диапазо- нов, целесообразно дать хотя бы самые общие сведения об основных техни- ческих средствах передающих технических средств этих диапазонов. Для телевизионного вещания в соответствии с [44] отведены пять участ- ков частот в диапазонах ОВЧ и УВЧ: - 41...68 МГц – I-й диапазон; - 87,5...100 МГц – II-й диапазон; - 162...230 МГц – III-й диапазон; - 470...582 МГц – IV-й диапазон; - 582...960 МГц – V-й диапазон. Телевизионная сеть России работает в соответствии с частотным планом размещения передающих телевизионных станций. Этот план служит осно- вой для развития передающей телевизионной сети. При выборе места для строительства передающих телевизионных станций до последнего времени руководствовались только требованиями электромагнитной совместимости и практически не принимали во внимание проблемы электромагнитной эко- логии. Организация телевизионного вещания обеспечивается комплексом раз- личных технических средств, составляющих телевизионную передающую сеть, основу которой составляют передающие телевизионные станции. В со- ответствии с [43] передающие телевизионные станции обычно называются передающей станцией (ПС), ретрансляционной телевизионной станцией (РТС) или радиотелевизионной передающей станцией, центром (РПС, РТПС, РТПЦ). Передающая телевизионная станция является конечным зве- ном телевизионной передающей сети, обеспечивая передачу радиосигналов вещательного телевидения, создаваемых в телевизионном центре. В состав передающей телевизионной станции входят телевизионная радиостанция, опора (мачта или башня) для размещения антенн телевизионной радиостан- ции и соответствующие строения и службы. По мощности радиосигнала изображения на выходе телевизионного ра- диопередатчика станции условно подразделяют на мощные (более 1 кВт) и малой мощности (менее 1 кВт). Радиус действия передающей телевизионной станции, в силу специфики распространения радиоволн метрового и дециметрового диапазонов, ис- пользующихся для телевизионного вещания, незначительно превышает рас- стояние прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Это расстояние зависит в основном от высоты подъема антенн над поверхно- стью Земли. Мощность же передатчика определяет только напряженность поля в зоне прямой видимости. Поэтому для увеличения зоны действия пе- 136 редающей телевизионной станции антенну следует устанавливать на высо- ких опорах с использованием также и естественных высот местности. В ка- честве типовых применяют опоры высотой 230 и 350 м и телевизионные ра- диопередатчики мощностью в канале изображения 5, 25 и 50 кВт. В этом случае радиус уверенного приема передающей телевизионной станции со- ставляет 60...100 км. В связи с этим для обеспечения повсеместного приема телевидения на больших территориях необходимо сооружать большое число передающих станций, отстоящих друг от друга на расстояние не более 100...150 км. В табл. 6.2 приведен перечень типовых телевизионных радиостанций и передатчиков и их основные параметры. По принятой терминологии телеви- зионная радиостанция отличается от телевизионного радиопередатчика тем, что в ее состав входят высокочастотный фидер и передающая антенна. Таблица 6.2 Типовые телевизионные радиостанции и передатчики Пиковая мощность Название радиостанции Телевизионный диапазон, видео/номинальная или передатчика диапазон частот или каналы мощность звука, кВт «Якорь» 1...5 5/1,5 «Ураган» 1...5 50/15, 50/7,5 «Игла» 6...12 5/1,5 «Зона» 6...12 5/1,5 «Зона-II» 6...12 5/0,6 «Лен», «Дон» 6...12 50/15, 50/7,5 «Ладога» 21...39 25/5 ТВ-IV-V-20/4 470...638 МГц 20/4 ТВ-IV-V-25 IV...V диапазоны 10 - 25/1 - 2,5 АТРС-I-II-5/0,5 48,5...100 МГц 5/0,5 АТРС-III-5|0,5 174...230 МГц 5/0,5 АТРС-I-II-III-50/5 48,5...100 МГц 50/5 «Ильмень 2-1» 470...638 МГц 25/2,5 - 5 «Ильмень 2-2» 638...790 МГц 25/2,5 - 5 «Рица» 470...638 МГц 5/0,5 «Лама» 638...790 МГц 5/0,5 «Сиваш» IV - V диапазоны 1/0,1 «Эльтон» 48,5...100 МГц 1/0,1 «Баскунчак» 174...230 МГц 1/0,1 ТВР-100 II - III диапазоны 0,1/0,01 ТВП-IV-V-1 470...790 МГц 1/0,1 ТВП-IV-20 470...638 МГц 20/4 ТВП-IV-V-25 470...790 МГц 25/2,5 «Онега-1» IV - V диапазоны 1/0,1 137 Разновидностью телевизионных радиостанций является телевизионный ретранслятор. Если сигнал вещательного телевидения для ретранслятора получают от передающей телевизионной станции большой мощности по эфиру, то такой ретранслятор называют эфирным. В состав его должно вхо- дить приемное устройство и передатчик, обеспечивающий переизлучение сигнала на другом телевизионном канале. Если сигнал вещательного теле- видения получают по радиорелейному каналу, то ретранслятор называют радиорелейным. Телевизионные ретрансляторы, как правило, имеют выход- ную мощность по каналу изображения менее 1 кВт и обычно называются ретрансляторами малой мощности [43]. Релейные ретрансляторы устанавливаются на промежуточных пунктах радиорелейных линий для обеспечения телевидением небольших районов и поселков. Эфирные ретрансляторы используются для расширения зоны приема телевидения основных, обычно мощных, станций. Телевизионные ретрансляторы успешно используются также для создания нормальных ус- ловий приема в теневых зонах, образуемых рельефом местности в радиусе действия мощных станций: в домах, расположенных у крутых и высоких бе- регов рек или за возвышенностями в пределах города, в поселках размещен- ных в низинах и особенно гористой местности, где поселки, как правило, находятся в ущельях. Приемная антенна ретранслятора устанавливается на возвышенности, где уровень сигнала высок и устойчив. Излучение пере- дающий антенны направляется на затененную зону. Широко используются также ретрансляторы, принимающие сигналы, передаваемые через искусственные спутники Земли [43]. В табл. 6.3 приведен перечень современных типовых телевизионных эфирных и радиорелейных ретрансляторов и их основные параметры. Таблица 6.3 Типовые телевизионные ретрансляторы Название телевизионного ретранслятора Телевизионный диапазон Мощность, Вт или передатчика ПТВ-10 I-II-III-IV-V диапазоны 10 РТВ-1 I-II-III-IV-V диапазоны 1 РТВ-Р-1 I-II-III-IV-V диапазоны 1 РТВ-Р-10 I-II-III-IV-V диапазоны 10 РТВ-Р-100 I-II-III-IV-V диапазоны 100 РТВ-Э-1 I-II-III-IV-V диапазоны 1 РТВ-Э-10 I-II-III-IV-V диапазоны 10 РТВ-Э-100 I-II-III-IV-V диапазоны 100 138 6.2.2. Технические средства радиовещания с частотной модуляцией Для звукового радиовещания с частотной модуляцией используются две полосы частот в ОВЧ-диапазоне: 66...74 МГц и 100...108 МГц. Исторически сложилась ситуация, когда технические средства радиове- щания с частотной модуляцией и телевидения размещались территориально на одной площадке, а антенны устанавливались на единой опоре (мачте или башне). В связи с бурным развитием этих технических средств и появлени- ем большого количество как телевизионных, так и радиовещательных стан- ций, сейчас часто наблюдается раздельное размещение технических средств телевидения и радиовещания с частотной модуляцией. Передатчики радиовещания с частотной модуляцией строятся на тех же принципах, что и передатчики каналов звукового сопровождения телевизи- онного передатчика. В табл. 6.4 приведен перечень некоторых передатчиков звукового веща- ния с частотной модуляцией в и их основные параметры. Таблица 6.4 Типовые передатчики ЧМ радиовещания Название передатчика Диапазон частот, МГц Выходная мощность, кВт «Дождь-1» 66...73 3,2 «Дождь-2» 66...73 4 «Мед» 67...73 15 «Тенгиз-С» 66...74, 88...108 2 «Блиц-5» 66...74 1,1 «Иней-1» 100...108 1 «Иней-4» 100...108 4 РЧМ-0,03 66...74, 100...108 0,03 РЧМ-0,1 66...74, 100...108 0,1 РЧМ-0,25 66...74, 100...108 0,25 РЧМ-0,5 66...74, 100...108 0,5 «Росинка» 65,9...74, 100...108 0,001 и 0,03 «Роса» 65,9...74, 100...108 0,1 и 0,25 «Роса-250 ПТ» 100...108 0,25 ПЧМ-30 66...74, 100...108 0,03 6.2.3. Технические средства сухопутной подвижной связи Сухопутная подвижная связь реализуется в виде сетей сотовой, транкин- говой и персональной (пейджинговой связи). 139 Системы сотовой связи создаются в крупных населенных пунктах, где число потенциальных пользователей заведомо велико и сеть будет рента- бельной. Это наиболее дорогая разновидность подвижной связи. Сеть сотовой связи строится в виде совокупности ячеек (сот), обслужи- вающих определенную территорию. На схемах ячейки обычно изображают в виде равновеликих шестиугольников, хотя на практике они таковыми не являются в силу влияния застройки, рельефа, и т. п. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС). Основными техническими средствами БС являются приемопередатчик и антенна. В слу- чае высокой плотности населения в зоне расположения БС ячейка разбива- ется на ряд секторов (обычно 3, реже 6). В каждом секторе функционирует свой приемопередатчик и своя антенна с характеристикой направленности соответствующей формы. В случае трехсекторной антенны ширина диа- граммы направленности антенны каждого сектора в горизонтальной плоско- сти должна быть 120°, а шестисекторной – 60°. Антенны располагаются ли- бо на крыше здания, либо на специальной опоре. Как в односекторной ячей- ке, так и в каждом секторе многосекторной антенны может устанавливаться несколько приемопередатчиков на разные несущие частоты. Это делается для увеличения емкости системы. В России наиболее распространенными являются стандарты сотовой связи AMPS, NMT 450, GSM, CDMA. Основные (с позиции электромагнит- ной экологии) технические характеристики систем сотовой подвижной связи приведены в табл. 6.5. Таблица 6.5 Основные характеристики некоторых систем сотовой связи Стандарт AMPS NMT 450 GSM CDMA Полоса частот БС – МС, МГц. 869...894 463...467,5 935...960 869...894 Полоса частот МС – БС, МГц. 824...849 553...457,5 890...915 824...849 Максимальная мощность излучения БС, Вт 100 50 50 50 Максимальная выходная мощность передатчиков мобильных станций (МС), выпускаемых различными фирмами находится в пределах 0,5...8 Вт для носимых вариантов и 15…20 Вт, устанавливаемых в транспортных средствах. Так, например, в рамках стандарта GSM принято 5 классов МС: 1 класс (для транспортных средств) – 20 Вт, 2 класс – 8 Вт, 3 класс – 5 Вт, 4 класс – 2 Вт, 5 класс – 0,8 Вт. Системы транкинговой связи предназначены для создания корпоратив- ных сетей (связь в интересах отдельных ведомств, служб, организаций – скорой медицинской помощи, милиции, пожарной охраны, аэропортов, во- кзалов и т. п.). Основное отличие транкинговых сетей от сотовых состоит в 140