Файл: Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека.pdf

всеохватывающий учет времени в общем случае может быть осуществлен только на основании дозиметрическо­ го подхода. При расчете опасности дозными методами должны быть учтены отдельно плотность потока и вре­ мя либо с помощью специальных приборов (СВЧ дози­ метров) измерена падающая доза.

5.1.10. Особые случаи расчета. К особым случаям расчета можно отнести расчет поля вне главных плоскостей, расчет поля диаграмм специальной формы (косеканс-квадратных, парциальных, сфокусиро­ ванных и др.).

Прямой расчет поля прямоугольных антенн вне главных плоско­ стей •— задача трудная и практически довольно редкая. Она может встречаться при оценке поля неподвижных антенн для фиксирован­ ной точки местности. В этом случае для оценки порядка величины можно рекомендовать воспользоваться следующей формулой:

поля «вниз» не отличается от расчета симметричных диаграмм; однако при расчете осевого поля по коэффициенту усиления антенны (который обычно задается) приходится находить эквивалентную ши­ рину диаграммы направленности в вертикальной плоскости:

170

для каждой диаграммы. Обычно влияние верхних диаграмм по срав­ нению с нижними на боковое поле незначительно и можно ограни­ читься расчетом поля от одного-двух лепестков. Для некогерентных лучей искомая величина плотности мощности равна сумме опреде­ ляемых значений для каждой диаграммы; если поле облучателей когерентно (например, они подключены к одному генератору), для заданной точки суммарная плотность мощности

где П і, 2, .. . — ППМ от отдельных диаграмм.

5.1.11. О расчете поля антенных решеток. Некоторые рекомендации по расчету интенсивности поля антенных решеток, в частности, сфокусированных в зоне Френеля, можно получить в § 4.2. Иногда, если решетки относительно густы,

расчету поля решеток и гладких

Между тем в антенных решетках симметрия освещения апертуры иногда не наблюдается, и тогда расчет видоизменяется. Покажем это на примере расчета осевого по­ ля решетки ненаправленных излу­ чателей. Пусть возбуждение их осуществляется таким образом, что создается экспоненциальное несим­ метричное амплитудное распреде­ ление поля в одной какой-либо плоскости (например, за счет пита­ ния решетки с одной стороны), которое можно записать в виде

Е‘-'Tt —Е^0p~С $nd »

где Е п — амплитуда поля для лю­ бого га-го излучателя; Е<>— ампли­ туда 1-го излучателя; принята за 1; п — порядковый номер излуча­ телей: 0, 1, ... N.

Учитывая приближение Фре­ неля из-за конечной разности хода лучей в фазовом множителе, запи­ шем выражение для поля такой системы в ближней зоне излучения (считаем угол наклона фазового

171

ф р о н т а в о з б у ж д е н и я ф = 0 )

модуль этого выражения, получаем диаграмму излучения в зоне Френеля. Исследование проводилось для линейной решетки излуча­ телей размером 136Х. Амплитуда поля в раскрыве последнего излу­ чателя составила 0,224 от единичной амплитуды первого излучателя. На рис. 5.1.7 приведены значения ППМ для этой системы, нормиро­ ванные к значению ППМ главного максимума излучения на границе дальней зоны. На этом же рисунке внизу для сравнения приведены известные значения ППМ для системы, имеющей равномерное рас­ пределение в раскрыве для х = \ [141].

В случае перемещения точки наблюдения от границы дальней зоны к антенной системе основной лепесток диаграммы направлен­ ности начинает расширяться. Далее диаграмма становится асимме­ тричной, главный максимум излучения смещается с нулевого ази­ мутального направления в сторону наибольших значений амплитуд поля в раскрыве. При х=0,009 диаграмма вырождается в осцилли­ рующую кривую, огибающая которой фактически повторяет поле в раскрыве.

Рассмотренный случай позволяет увидеть качественную картину распределения поля несимметрично освещенных апертур. Абсолютное значение ППМ в луче таких антенн можно определять по формулам

(1.2.1) и (1.2.2).

Приведенные в § 5.1 рекомендации далеко не исчерпывают все возможные варианты расчета поля в свободном пространстве, одна­ ко, как показывает опыт, они помогают охватить подавляющее боль­ шинство интересующих практику случаев.

При расчете поля любым, в том числе и P-методом, с помощью ВДИ, точность прогноза может оказаться удовлетворительной толь­ ко в том случае, если а) из расчетной точки видна вся апертура антенны, б) трасса распространения радиоволн находится достаточно высоко над землей (не ниже 10 ... 30 длин волн). В противном слу­ чае необходимо дополнительно учитывать влияние земли и местных предметов. Но об этом — в следующем параграфе.

5.2.УЧЕТ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ИРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

До сих пор нас интересовал расчет поля, интенсив­ ность которого полностью определялась параметрами излучающего устройства и совершенно не зависела от свойств пространства на трассе и в окрестности расчет­ ной точки. Подобного рода идеализация не только в зна­ чительной степени упрощает конструирование расчетных методов, но иногда даже позволяет приблизить расчет к реальности: например, когда трасса оказывается относи­ тельно короткой или когда излучающая антенйа и рас-

172

четная точка подняты над землей по крайней мере на несколько десятков длин волн, а между ними отсутству­ ют предметы, искажающие общую картину распростра­ нения электромагнитной энергии на трассе [2]. Между тем, чаще всего хотя бы одно из этих условий оказы­ вается невыполненным, и тогда требуются дополнитель­ ные расчеты, учитывающие распространение и распреде­ ление энергии.

5.2.1. Реальные условия распространения. Такие условия характеризуются следующими данными: рас­ стояния обычно много меньше пределов прямой види­ мости и составляют 2 ... 5, много реже— 10 ... 30 км.

Рис. 5.2.1. К расчету поля с учетом влияния отражений от земли.

На таких расстояниях можно говорить только о поверх­ ностной волне, распространяющейся над плоской зем­ лей; на величину сигнала в расчетной точке оказывают влияние практически только «подстилающая» поверх­ ность {43], а влиянием среды распространения можно пренебречь: для всего диапазона СВЧ затухание не за­ висит от состояния атмосферы, находится в пределах 0,01 ... 0,05 дБ/км и лишь для длины волны 1 ... 5 см

173

при проливном дожде затухание возрастает до ОД ...

... 0,2 дБ/км [136]. Кроме того, на малых расстояниях резко уменьшается частота появления и глубина зами­ раний, обусловливаемых специфическими особенностями тропосферного распространения (хотя появляются та­ кие причины флюктуаций, как нестабильность механи­ ческих креплений антенны-излучателя, перемещение пред­ метов на трассе и т. п.). Таким образом, уровень поля в любой точке пространства в основном определяется интерференционной картиной, устанавливающейся как результат взаимодействия прямого и отраженного от земли лучей (рис. 5.2.1). Чем меньше КНД антенны из­ лучателя Тизл в направлении на точку отражения, чем меньше коэффициент отражения от земли F3eм, тем меньше заметно это влияние. Для /*изл2^0 ,1 ... 0,2 влияние земли можно не учитывать, так как она практи­ чески не искажает картину распространения по прямому лучу. На больших расстояниях земля оказывает сущест-

П,мн8т/смг

Рис. 5.2.2. Типичная картина изменения ППМ на высоте 1,6 м от земли в сравнении с расчетом, проведенным без учета влия­ ния земли.

------ —расчет, —О------эксперимент; ѵ=12 дБ.

венное влияние, увеличивая или уменьшая первичное поле (свободного пространства). На дальних расстояниях R^$>H или R~>h реальная интенсивность поля обычно па­ дает быстрее, чем 1/R2 (рис. 5.2.2). Попытка (в соответ­ ствии с рекомендациями некоторых авторов) упрощенно учитывать влияние земли учетверением плотности мощ­ ности (крайний случай: сложение в фазе прямого и от­ раженного лучей при /'"'изл^’зем~ 1), как правило, приво­ дит к расхождению расчета с экспериментом в десятки раз, поэтому здесь необходим более тонкий расчет.

174

5.2.2.Учет влияния плоской полупроводящей земли. Достаточно

точно учесть влияние плоской полупроводящей земли на малых и отчасти средних расстояниях можно по так называемым интерфе­ ренционным отражательным формулам, приведенным ниже. Вообще влияние трассы принято характеризовать множителем земли: ѵ — по напряженности поля или ѵ2—■по мощности; тогда уровень плотности мощности с учетом земли оказывается равным

учета влияния земли.

Интерференционная картина, устанавливающаяся над землей, определяется величиной модуля коэффициента отражения от земли Fзем и сдвигом фазы при отражении ß, зависящих не только от

Ч

3

.г

1

8

е

5

ч

з

г

ZHh/RK

Рис. 5.2.3. Угловая зависимость множителя земли при различных F3en\ (2FIh!RX—г')<1,

г=0, 1,2,...

свойств земной поверхности в точке * отражения, но и от «угла встречи» («угла скольжения») у3ем и от соотношения Тизл и FИзЛ о т р

(см. рис. 5.2.1).

* Точнее, в области, ибо канал связи излучатель—земля—прием­ ник представляет собой своеобразный «рукав», коридор.

175

тенн излучателя Н и антенны приемника h, если выполняется усло­ вие (Я2—А2)/2І?2<СІ [136], разность хода лучей оказывается равной приблизительно 2Hli/R, и тогда для расчета ѵ можно пользоваться простыми графиками, учитывающими лишь минимум необходимых

и 5.2.4).

Для ровной трассы с постоянным наклоном местности угол встречи можно определить по формуле, считая cos0H« l,

Наиболее близкое совпадение рассчитанных по интерференцион­ ным формулам данных с экспериментальными оказывается на сред­ них расстояниях (до 1 ... 2 км); на больших расстояниях реальное ослабление поля землей намного выше предсказанных по интерфе­ ренционным формулам, особенно при малых h. Кроме того (и это

1 7 6