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
