Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Звездина М. Ю.,

3.5. Решение задачи визуализации результатов при социально ориентированном электромагнитном мониторинге окружающей среды

3.5.1. В условиях ухудшения электромагнитной обстановки в городах с большой численностью населения социально ориентированный электромагнитной мониторинг становится особо востребованным. Наряду с основной задачей – необходимостью информирования населения о возможных последствиях для здоровья поля излучения антенн сотовой связи, размещаемых в непосредственной близости от жилых зданий – результаты визуализации могут быть использованы:

– для формулировки научно обоснованных рекомендаций по выбору границ областей территорий, в которых необходимо проведение исследований другими методами, например, гигиенических и эпидемиологических, а также осуществления трактовки получаемых результатов;

– для выбора конструкции антенны при установке в жилом районе с учётом требований экологии [3.24, 3.25];

– для оценки влияния результатов модернизации конструкции антенны на изменение экологической ситуации в районе.

3.5.2. Решение задачи визуализации оценки электромагнитной обстановки рассмотрим на примере поля антенн подвижной связи, устанавливаемых на зданиях. Поскольку высота их установки небольшая, а направление максимального излучения ориентировано к потребителям, т.е. в сторону земли, то в местах с большой плотностью населения они становятся основным источником ухудшения экологической ситуации. Получение исходных данных для визуализации электромагнитной обстановки вблизи размещения излучающего радиотехнического объекта, т.е. распределение плотности потока энергии в пространстве, можно получить несколькими методами, например, методом инструментальных измерений [3.19, 3.21, 3.42, 3.43], методом расчётного прогнозирования [3.16, 3.19, 3.32, 3.33]. Метод инструментальных измерений, обычно применяемый к уже установленным антеннам, не позволяет объяснить наблюдаемую картину распределения плотности потока энергии. Метод расчётного прогнозирования, в основе которого лежит применение строгой электродинамической теории, даёт возможность оценить вклад различных факторов в получаемую картину электромагнитной обстановки уже на этапе проектирования антенны, а также места её размещения. В связи с этим в дальнейшем будем рассматривать результаты исследований, выполненных с его использованием.

3.5.3. Метод расчётного прогнозирования применяется в ряде программ и программных комплексов, например, в [3.19, 3.34, 3.40, 3.41, 3.44], осуществляющих расчёты распределения плотности потока энергии от антенн различных излучающих радиотехнических объектов. Программы предназначены для визуализации результатов расчётов при решении различных практических задач, начиная с нахождения границ санитарно-защитных зон от излучающих объектов и заканчивая распределением плотности потока энергии антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Так, для решения задач оценки безопасности нахождения обслуживающего персонала на крыше здания вблизи работающей антенны, а также оценки безопасности для жителей домов, вблизи которых устанавливается антенна, наиболее часто возникающих при проведении социально ориентированного электромагнитного мониторинга, более целесообразно использовать комплекс программ [3.40, 3.41], описание работы которых приведено в [3.39]. Программы предназначены для визуализации расчётов величины плотности потока энергии от антенн систем подвижной связи в плоскостях (горизонтальной и вертикальной), а не в отдельных точках.

3.5.4. Приведём пример визуализации электромагнитной обстановки вблизи антенны подвижной связи, установленной на крыше здания, с использованием программ [3.40, 3.41]. Для формирования исходных данных воспользуемся результатами работы [3.36], в которой было показано, что на мировом рынке сотовой связи представлены как более старые стандарты IMT-2000, так и его более новые разновидности – 3G и 4G. Для подвижной радиосвязи стандарта IMT-2000 в соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи МСЭ-R М.1036-3 определены частоты 806–960 МГц, 1710–1885 МГц и 2500–2690 МГц. Для систем транкинговой связи в Европе закреплены диапазоны 380–395 МГц (для служб безопасности), 410–470 МГц (для коммерческих организаций). Электрические параметры антенн наиболее типичных для России систем подвижной связи приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Электрические параметры типовых антенн базовых станций [3.36]

Для сокращения объёма исследований воспользуемся рекомендуемым Всемирной организацией здравоохранения «предупредительным принципом» [3.22] и рассмотрим наихудшие с точки зрения влияния на электромагнитную экологию варианты конструкций антенн. С этой целью выберем для каждого стандарта антенны с наибольшим размером санитарно-защитной зоны по уровню максимального излучения, т.е. на уровне размещения фазового центра антенны. Для антенн из табл. 3.3 данные сведения проиллюстрированы на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Размеры санитарно-защитных зон по уровню максимального излучения антенны

С учётом данного «предупредительного принципа» к наихудшим вариантам по каждому стандарту связи можно отнести: антенну транкинговой связи RAX-4UL-70, антенну RAX-14Yota-70 стандарта 4G и антенну RAO-14GL-70 стандарта 3G.

Далее введём ограничение на минимальную высоту размещения фазового центра антенны над поверхностью крыши [3.19, 3.33], обусловленное используемой электродинамической моделью: данная высота zf должна удовлетворять условию zf > 2L2/λ, где L – наибольший размер по вертикали источника излучения [м]; λ = c/f – рабочая длина волны [м]; c = 3·108 [м/с] – скорость света; f – рабочая частота [Гц]. С учётом сделанных допущений и введённых ограничений электрические параметры геометрических моделей имеют вид, приведенный в табл. 3.4. На рис. 3.5,а,б приведены границы санитарно-защитных зон по уровню максимального излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно для исследуемых антенн. На рисунках приняты следующие обозначения: 1 – антенна стандарта TETRA; 2 – антенна стандарта 4G; 3 – антенна стандарта 3G.

Таблица 3.4

Электрические параметры исследуемых антенн базовых станций [3.36]

а

б

Рис. 3.5. Границы санитарно-защитных зон для исследуемых антенн по уровню максимального излучения: а – в вертикальной плоскости; б – в горизонтальной плоскости; 1 – RAX-4UL-70; 2 – RAX-14Yota-70; 3 – RAO-14GL-70

При проведении исследований предполагалось, что антенны размещались на здании, углы крыши которой определяются в декартовой системе координат точками А(0; 0; 30), B(–7; 40; 30), C(–13,5; –4; 30), D(–2,5; –8,5; 30).

Структура поля исследовалась в двух плоскостях: горизонтальной, проходящей на высоте 2 метра параллельно поверхности крыши, и вертикальной, проходящей через фазовый центр антенны и направление максимального излучения. Кроме того, полагалось, что антенна размещена посредине одной из кромок, а направление ее максимального излучения ориентировано в сторону от здания, перпендикулярно краю крыши. Такое размещение относится, как показано в [10.36], к одному из типичных вариантов. На рис. 3.6 и 3.7 приводятся результаты исследований влияния направленных свойств антенны на электромагнитную обстановку вблизи неё. В качестве испытуемой была выбрана антенна стандарта 3G RAO-14GL-70 и аналогичная ей по мощности и размерам, но являющаяся всенаправленной. Цифрами 1–3 на данных рисунках обозначены области падающего луча 1, области падающего и отраженного лучей 2, область тени 3.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

– антенны с всенаправленными характеристиками направленности создают на крыше здания на высоте 2 м от поверхности крыши уровень плотности потока энергии 5,11·103 мкВт/см2, что на несколько порядков превышает предельно допустимое значение;

– антенны, у которых диаграммы направленности имеют уровень заднего излучения не более –20 дБ, обеспечивают уровень плотности потока энергии на крыше не выше 0,021 мкВт/см2.

Полученные результаты имеют физическую трактовку. В горизонтальной плоскости для изотропной диаграммы направленности просматриваются дуги концентрических окружностей, центр которых совпадает с центром размещения антенны. В вертикальной плоскости над крышей за счет отражения излучаемого антенной электромагнитного поля наблюдается увеличение уровня плотности потока энергии. Кроме того, отражающая поверхность увеличивает размеры санитарно-защитной зоны в задней полусфере почти в два раза по сравнению с передней полусферой. В переднем полупространстве отражающая поверхность отсутствует, что приводит к тому, что здесь просматриваются линии одинакового уровня, по форме совпадающие с сечением вертикальной плоскостью диаграммы направленности элементарного электрического вибратора.

а

б

Рис. 3.6. Распределение плотности потока энергии вблизи всенаправленной антенны: а – в горизонтальной плоскости; б – в вертикальной плоскости; 1 – область падающего луча; 2 – область падающего и отраженного лучей; 3 – область тени

Рис. 3.7. Распределение плотности потока энергии в вертикальной плоскости вблизи антенны с направленными свойствами

Антенна с направленными свойствами образует узкий направленный луч в переднее полупространство, в связи с чем практически не оказывает вредного воздействия на территорию на крыше. Наиболее опасным для неё является направление максимального излучения антенны.

3.5.5. Выполним сравнение полученных результатов с данными работы [3.21], посвященной анализу гигиенических и эпидемиологических исследований влияния излучения базовых станций на население. В ней исследования проводились в радиусе 300 метров от места размещения антенны базовой станции, а распределение точек измерения по местам из расположения было следующее:

– 41,8 % точек располагалось на уровне земли;

– 30,4 % – в зданиях, расположенных в первой и второй линиях застройки относительно базовой станции в зоне прямой видимости;

– 14,3 % – в помещениях зданий, на которых располагались базовые станции, в том числе на открытых площадках зданий (балконы, лоджии и т.п.);

– 13,5 % – на кровле зданий, на которых установлены антенны базовых станций и на которые возможен неконтролируемый доступ населения.

Измерения в каждой точке проводились на высотах 0,5 и 2 метра от уровня опорной поверхности.

Выполненный с учётом электродинамических моделей анализ выбора исходных данных для проведения исследований в работе [10.21] показывает, что, во-первых, неправомерно расширена зона исследований до круга радиусом 300 метров. Данные размеры можно сократить почти в трое, т.е. исследуемая территория может быть уменьшена на порядок. Во-вторых, поскольку помещения зданий, на которых располагаются антенны базовых станций даже в случае их размещения на кромке крыши, попадают в область геометрической тени и также могут быть исключены из исследований. Речь может идти только об открытых площадках верхних этажей здания и то только в случае их больших размеров. В-третьих, полученные в работе результаты исследований справедливы только для случая использования всенаправленных антенн, а также их установке не на крае крыши здания, а вдали от неё. В-четвёртых, в отчёте ничего не говорится о высоте здания, на котором установлена антенна. В связи с этим нельзя ничего сказать о результатах, соответствующих точкам, расположенным на уровне земли. В зависимости от высоты здания и высоты размещения фазового центра антенны они могут быть как больше, так и меньше. В-пятых, приводимые в работе измеренного значения плотности потока энергии хорошо согласуются с данными, полученными с использованием разработанных авторами программ [10.40, 10.41] и частично отраженных на рис. 3.5–3.7.

Таким образом, результаты, полученные на основе созданного авторами программного обеспечения, позволяют обосновывать рекомендации по размещению антенн базовых станций подвижной связи на крышах жилых зданий, а также по выбору антенн базовых станций.