Исследование электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации для целей электромагнитной безопасности

Современный этап развития сферы телекоммуникационных услуг характеризуется появлением на рынке телекоммуникаций все большего числа предложений по разработке, проектированию и внедрению цифровых систем передачи информации (ЦСПИ). Это в равной степени относится как к радиосвязи, так и к радиовещанию и телевидению.

Основными достоинствами применения цифровых сигналов для целей передачи информации корреспондентам являются следующие:

— применение оптимального (помехоустойчивого) кодирования позволяет передавать полезный сигнал с минимумом искажений, что приводит, например, в системах цифрового телевидения к повышению качества изображения [29, 39, 40];

— использование цифровых сигналов позволяет в одном канале передавать сигналы, несущие различную информацию (например, в одном цифровом потоке можно передавать несколько телевизионных каналов и организовать передачу высокоскоростных потоков данных), применяя для этих целей различные методы их компрессии и мультиплексирования;

— в цифровых системах за счет большей помехозащищенности цифрового канала удается в одном радиоканале организовать большее, по сравнению с аналоговыми системами передачи, число абонентских каналов [29, 33, 34].

Одним из существенных моментов при проектировании любых систем, излучающих электромагнитные поля, и, в частности, при проектировании цифровых систем передачи является анализ электромагнитной обстановки вблизи мест размещения передающих антенн. При этом, поскольку антенна (антенная система) обладает определенными дисперсионными свойствами, а цифровой сигнал является относительно широкополосным, анализ электромагнитной обстановки в монохроматическом приближении, как предписывают принятые в настоящее время методики, в некоторых практически важных случаях уже не даст адекватного представления о реальной картине распределений уровня поля, создаваемого передающими антеннами ЦСПИ.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки новых подходов и методик расчетного прогнозирования и инструментального контроля уровней электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ для целей обеспечения электромагнитной безопасности.

Состояние вопроса.

Проблемы электромагнитного мониторинга излучающих технических средств стали актуальными, начиная с середины 70-х годов прошлого века. Исследованиям в этой области было посвящено много работ. Фундаментальными в этой области научных исследований стали работы отечественных авторов: Шередько Е. Ю. Сподобаева Ю.М., Кубанова В. П., Бузова А. Л., Маслова О. Н., Романова В. А. и др. [10 — 15, 61, 79].

В этих работах предложены и обоснованы основные подходы к расчетному прогнозированию электромагнитной обстановки вблизи широкого класса передающих антенн, в том числе и вблизи антенн ЦСПИ (антенны пейджинго-вой связи, цифровых радиорелейных станций и т. д.).

Основные результаты этих работ, подтвержденные многочисленными экспериментальными исследованиями, в настоящее время нашли отражение в виде нормативно-методических документов, утвержденных государственными органами санитарно-эпидемиологического надзора.

Применительно к тематике настоящей диссертации, основным нормативным документом являются санитарные правила и нормы «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона» [95]. Указанные СанПиН определяют и устанавливают предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия на людей электромагнитных излучений радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) от 30 кГц до 300 ГГц и основные санитарно-гигиенические требования к разработке, изготовлению, приобретению и использованию источников ЭМИ РЧ в процессе работы, обучения, быта и отдыха людей.

Методическая база в рассматриваемой области представлена тремя документами, имеющими статус методических указаний по контролю, содержащих методики расчета уровней электромагнитных полей (ЭМП) для диапазона ОВЧ [63], либо плотности потока энергии (ППЭ) для диапазонов УВЧ и СВЧ [64, 65], а также методики инструментального контроля.

В диапазонах ОВЧ и УВЧ конструкции передающих антенн таковы, что позволяют при электродинамическом анализе использовать проволочные модели. В связи с этим в основу метода расчета ЭМП положено интегральное уравнение, записанное в тонкопроволочном приближении, в котором искомой функцией является ток, текущий по проводникам антенны.

В качестве метода численного решения таких уравнений предлагается использовать метод моментов [27, 54, 55] и его различные модификации (метод коллокации, метод Галеркина). В рамках этих методов проводники, составляющие конструкцию антенны, разбиваются на электрически короткие участки (сегменты). В пределах каждого сегмента ток представляется произведением неизвестного коэффициента на некоторую базисную функцию. В результате решения уравнения определяются неизвестные коэффициенты разложения токовой функции, которые совместно с базисными функциями позволяют восстановить распределение тока по элементам конструкции антенны.

Расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки, согласно нормативным документам [63, 64], подразумевает определение электрической составляющей ЭМП, исходя из интерференционной формулы.

В данную формулу мультипликативно входят диаграммы направленности (ДН) антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Иными словами, напряженность электрического поля прямо пропорциональна произведению этих ДН. Сами ДН предлагается определять по найденному распределению тока.

Однако такой подход оправдан и дает адекватную информацию о распределении уровней ЭМП лишь в том случае, когда точка наблюдения находится в дальней зоне, что в принципе справедливо, поскольку в большинстве своем антенны диапазонов ОВЧ и УВЧ размещают на достаточно большой высоте от земли (телевизионные башни, высотные сооружения).

В соответствии с упомянутым допущением, пересчет электрической составляющей ЭМП в ППЭ для технических средств диапазона УВЧ осуществляется через волновое сопротивление свободного пространства.

Как показали практические исследования, проведенные многими специалистами, указанная методика дает ощутимую погрешность (50 и более процентов) при перемещении точки наблюдения из дальней в ближнюю зону, где преобладает реактивная составляющая энергии.

Методика расчетного прогнозирования ЭМП вблизи технических средств, работающих в диапазоне 700 МГц — 300ГГц и оснащенных апертур-ными антеннами, изложенна в [58]. Она базируется на концепции усредненной модели антенны: распределение в раскрыве круглой апертуры — «парабола на пьедестале», в раскрыве квадратной антенны — «косинус на пьедестале». Основой метода анализа уровней ППЭ вблизи таких антенн является математический аппарат геометрической теории дифракции (ГТД) [7, 72, 79]. Все пространство вблизи антенны делится на три характерные области: область главных и ближних боковых лепестков, область заднего полупространства и область дифракционного поля. Результирующая величина ППЭ в произвольной точке пространства находится в виде алгебраической суммы четырех составляющих:

— апертурной составляющей;

— составляющей, определяемой излучением облучателя;

— составляющей, обусловленной токами, протекающими по кромке зеркала;

— составляющей, возникающей в результате прохождения энергии сквозь основное зеркало антенны, если оно имеет решетчатую структуру.

В настоящее время на рассмотрении в органах государственного санитарно-эпидемиологического надзора находится методический документ, в котором предлагается с целью уточнения существующих методик расчета для ряда технических средств использовать более строгие математические модели антенн с учетом реальных особенностей их размещения (например, антенны на крышах зданий). Однако последний не распространяется на радиосредства базовых станций систем подвижной связи и станций телевизионного вещания.

Все рассмотренные выше методики ориентированы на расчет электромагнитной обстановки вблизи некоторого технического средства в монохроматическом приближении, т. е. в предположении, что вся мощность излучается антенной на одной частоте в пределах рабочей полосы. Реально же спектр цифрового сигнала далек от монохроматической модели и характеризуется достаточно сложным характером спектральной кривой (огибающей спектральных составляющих) в рабочей полосе частот. Примером тому могут служить сигналы в системах подвижной связи с временным и кодовым разделением каналов. При этом, в силу дисперсионных свойств антенны, реальные уровни электромагнитного поля могут существенно отличаться от определенных в одночастотном приближении. Этот фактор пока не нашел отражения в действующих в настоящее время нормативно-методических документах. С учетом этого назрела необходимость в проведении серьезных исследований электромагнитных полей, создаваемых техническими средствами ЦСПИ различного назначения, которые позволят повысить качество системы электромагнитного мониторинга в целом.

Общие принципы, методы измерений и измерительная аппаратура для оценки биологически опасных уровней ЭМП СВЧ приведены в [62]. Однако, изложенные в [62] принципы для ЭМП частотных диапазонов, рассматриваемых в рамках диссертационного исследования, применимы лишь частично.

Для телевизионных станций вопрос измерения ЭМП изложен в работах Романова В. А. и Кольчугина Ю. И. В них рассмотрены средства измерений, определены основные технические требования к ним и приведены методики измерений на рабочих местах для обслуживающего персонала и для населения. Методика измерений ЭМП для населения легла в основу методического документа [63].

Необходимо отметить тот факт, что измерения, вне зависимости от того, для какой категории населения они осуществляются, проводятся на одной частоте (например, на частоте несущей передатчика), т. е. без учета основных особенностей цифровых сигналов (относительно широкой полосы частот, формы огибающей спектра и характера временной зависимости сигнала).

В связи с нарастающими темпами развития цифровых систем передачи, очевидно, что введение в эксплуатацию новых передающих средств, использующих современные цифровые технологии и относительно широкополосные сигналы, диктует необходимость совершенствования методик расчета и измерения уровней ЭМП в рамках проблемы электромагнитной безопасности. В частности, учет особенностей спектра сигналов при проектировании и эксплуатации антенн позволит осуществить выбор оптимальных с этой точки зрения технических решений и качественно повысить уровень контроля электромагнитной обстановки.

Цель работы — разработка методик расчета и измерения уровней электромагнитных полей с учетом спектральных характеристик излучаемого сигнала, исследование уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи с учетом спектральных характеристик сигнала и конструктивных особенностей излучающих структур, разработка предложений по корректировке нормативно-методической документации в области обеспечения электромагнитной безопасности.

Программа исследований.

Выводы к разделу 4.

Обоснована целесообразность при разработке предложений по корректировке нормативных и методических документов в области электромагнитной безопасности в части, касающейся оборудования цифровых систем подвижной радиосвязи, руководствоваться требованиями проекта СанПиН «Ориентировочные безопасные уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых системами сухопутной подвижной радиосвязи», разработанного взамен ГН 2.1.8/2.2.4.019−94 и находящегося в данный момент на утверждении в Департаменте Госсанэпиднадзора Минздрава России.

Разработаны предложения по корректировке нормативной документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ.

Обоснована необходимость проведения оценки ЭМП, создаваемых АФУ ЦСПИ с временным уплотнением каналов (технология TDMA), а также других ЦСПИ излучение которых носит прерывистый характер, как в случае импульс-но-модулированных колебаний согласно СанПиН 2.2.4/2.1.8.055−96, по средней за период следования импульса мощности источника ЭМИ РЧ. Показано, что коэффициент в расчетном соотношении при этом определяется количеством временных посылок TDMA-кадра или отношением общего времени контроля ЭМП к сумме интервалов времени передачи радиооборудования ЦСПИ.

Разработаны предложения по корректировке методической документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ, предполагающие использование разработанных автором методик расчета и измерения уровней ЭМП вблизи передающих антенн ЦСПИ с учетом особенностей спектра излучаемых сигналов.

Обоснованы предложения по использованию разработанных методик для целей сертификации оборудования в Системе сертификации «Связь», в частности, в типовых программах и методиках испытаний при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой и носимой радиопередающей продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках диссертационной работы получены следующие основные научные и прикладные результаты.

Разработана методика расчёта уровней электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

Обоснованы особенности анализа электромагнитных полей вблизи антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики сигнала. Рассмотрены основные варианты характеристик спектральной плотности сигналов для различных цифровых систем передачи информации, включая системы цифрового телевидения, цифрового радиовещания, передачи данных и подвижной радиосвязи при различных способах уплотнения каналов.

Проведенная оценка, с учетом частотных и спектральных характеристик сигналов и известных дисперсионных свойств антенн, подтвердила обоснованность предположения о необходимости учета ширины и вида спектра сигнала при расчете уровней электромагнитных полей вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Получена новая модификация интегро-дифференциального уравнения в частотно-пространственной области относительно функции спектральной плотности тока с учетом линейного преобразования спектра во входной цепи антенны.

На основе полученного уравнения разработана методика расчета уровней электромагнитных полей вблизи проволочных антенн цифровых систем передачи информации с учетом спектральной характеристики излучаемого сигнала, включающая решение выведенного интегро-дифференциального уравнения в частотно-пространственной области и процедуры усреднения напряженности поля.

Обоснованы варианты процедур усреднения значений напряженности поля для систем с частотным, временным и кодовым уплотнением каналов.

Проведена оценка степени влияния ширины спектра сигнала на уровни напряженности поля. Установлены значения ширины рабочей полосы частот, при превышении которых необходим учет вида спектра сигнала. Показано, что уклонения значений напряженности в монохроматическом приближении от рассчитанных с учетом спектральной характеристики существенным образом зависят от ширины спектра сигнала и от особенностей локальной области пространства, в которой рассчитывается напряженность (главный лепесток, боковой лепесток и т. д.) и слабо зависят от метода уплотнения.

Проведены исследования ЭМП вблизи антенн цифровых систем передачи информации.

Осуществлена программная реализация разработанной автором методики расчета ЭМП вблизи передающих антенн цифровых систем передачи информации.

Разработаны и реализованы в виде программных модулей вычислительные алгоритмы для проволочных и апертурных антенн, включающие процедуры:

— дискретизации (сегментации) полосы частот, занятой спектром сигнала, аппроксимации функции спектральной плотности, перехода к системе энергетически эквивалентных монохроматических режимов возбуждения;

— электродинамического анализа и отыскания в заданных точках наблюдения монохроматических полей для каждого эквивалентного монохроматического режима;

— отыскания энергетически эквивалентных монохроматических полей неопределенной поляризации в заданных точках наблюдения.

На базе разработанных алгоритмов и программ проведен расчет уровней электромагнитных полей, создаваемых антеннами цифровых систем передачи информации: систем персонального радиовызова, систем радиосвязи с подвижными объектами (сотовой связи), систем цифрового телевидения стандарта DVB-T, системы радиосетей передачи данных Ethernet.

Проведено сравнение результатов, полученных на основе разработанной автором методики, с аналогичными результатами расчетов по ранее применявшимся методикам, не учитывающим спектральных характеристик сигналов.

Установлено, что учет ширины и вида спектра цифровых сигналов обеспечивает уточнение расчетных значений уровней ЭМП, причем величина поправки по напряженности поля, вблизи рассмотренных типов антенн, а также в зоне излучения сильно разраженных антенных решеток составляет до ±10%.

Разработана методика измерений и проведены экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи цифровых систем передачи информации.

На основе проведенного анализа методов и инструментальной базы измерений электромагнитных полей, применительно к задаче учета спектральных характеристик сигналов ЦСПИ, уточнена классификация измерительных приборов по измеряемым параметрам (напряженность поля и ППЭ), полосе пропускания (широкополосные и селективные), функциональному назначению (измерители напряженности поля, измерители плотности потока энергии и анализаторы спектра) и характеру измеряемого поля (ближняя или дальняя зона).

Разработана методика измерений электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ с учетом ширины спектра и вида передаваемого сигнала, основанная на измерении широкополосными измерителями напряженности поля и ППЭ, селективными вольтметрами (измерительными приёмниками) и анализаторами спектра.

Обоснована процедура измерений путем разбиения полосы сигнала на узкополосные участки. Для различных типов приборов, в зависимости от спектральной характеристики сигнала, разработаны рекомендации по выбору ширины участков и способу усреднения результатов измерений.

Проведенные экспериментальные исследования электромагнитных полей вблизи антенн ЦСПИ показали хорошее совпадение с результатами расчетов.

Разработаны предложения по обеспечению электромагнитной безопасности цифровых систем передачи информации.

Обоснована целесообразность при разработке предложений по корректировке нормативных и методических документов в области электромагнитной безопасности в части, касающейся оборудования цифровых систем подвижной радиосвязи, руководствоваться требованиями проекта СанПиН «Ориентировочные безопасные уровни воздействия электромагнитных полей, создаваемых системами сухопутной подвижной радиосвязи», разработанного взамен ГН 2.1.8/2.2.4.019−94 и находящегося в данный момент на утверждении в Департаменте Госсанэпиднадзора Минздрава России.

Разработаны предложения по корректировке нормативной документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ.

Обоснована необходимость проведения оценки ЭМП, создаваемых АФУ ЦСПИ с временным уплотнением каналов (технология TDMA), а также других ЦСПИ излучение которых носит прерывистый характер, как в случае импульс-но-модулированных колебаний согласно СанПиН 2.2.4/2.1.8.055−96, по средней за период следования импульса мощности источника ЭМИ РЧ. Показано, что коэффициент в расчетном соотношении при этом определяется количеством временных посылок TDMA-кадра или отношением общего времени контроля ЭМП к сумме интервалов времени передачи радиооборудования ЦСПИ.

Разработаны предложения по корректировке методической документации для целей электромагнитной безопасности технических средств ЦСПИ, предполагающие использование разработанных автором методик расчета и измерения уровней ЭМП вблизи передающих антенн ЦСПИ с учетом особенностей спектра излучаемых сигналов.

Обоснованы предложения по использованию разработанных методик для целей сертификации оборудования в Системе сертификации «Связь», в частности, в типовых программах и методиках испытаний при гигиенической оценке стационарно устанавливаемой и носимой радиопередающей продукции.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении комплекса работ, связанных с подготовкой рабочих материалов по корректировке существующей нормативно-методической документации в отрасли «Связь», при проведении расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки вблизи антенн цифровых систем передачи информации ЦРР-1 и внедрены в учебный процесс Поволжской Государственной Академии Телекоммуникаций и Информатики.

Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.