Text
                    СВЧ
и
БЕЗОПАСНОСТЬ
ЧЕЛОВЕКА

Б. А. МИНИН СВЧ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА Под общей редакцией М. М. Левина Москва «Советское радио» 1974
6Ф2.19 М 618 УДК 614.898:538.569 Минин Б. А. СВЧ и безопасность человека. М., «Сов. радио», 1974, 352 с. Изложены основные принципы обеспечения безопасности людей, работающих под воздействием мощных электромагнитных излучений в диапазоне СВЧ. Приведены сведения, позволяющие рассчитывать и измерять-поля антенн и внутренних излучений, возможных при работе средств связи, радиовещания, радиолокации, радионавигации. Приведены некоторые характерные результаты исследований в области биологического действия радиоволн СВЧ. Кратко рассмотре- ны вопросы теории и практики нормирования радиоизлучений. Даны основные сведения по организации защиты от СВЧ и рентгеновских излучений. Книга рассчитана на инженеров, техников, гигиенистов, а также научных работников общего профиля, занимающихся обеспечением безопасности и проектированием средств защиты. 144 рис., 37 табл , библ. 204 назв. Редакция литературы по электронной технике Гос. лубл 'чяая и. .» чно-то.хн . с • • O ii а • ор • р 1И.Т/ orЗАЛА м- rov/z 30404-012 046(01)-74 32’73 © Издательство «Советское радио», 1974 г.
Моим друзьям и лучшим наставникам посвящаю В последние годы отмечено рождение научной и технической отрасли, занимающейся изучением и огра- ничением биологического действия радиоволн — сравни- тельно нового экологического фактора. Вопрос об ограничении вредного воздействия эколо- гических факторов явился за 'последние годы предметом дискуссий многих видных ученых па многих весьма пред- ставительных международных семинарах, симпозиумах, конференциях. С 1965 г. этим 'вопросом занимается из- вестная «Комиссия 2000 года» (Н- Kahn, A. Wiener, 1967). 2000-й—этонетак близко, но уже сейчас считают, что первоочередной задачей наших ближайших потом- ков будет борьба не с голодом, а именно «с растущим загрязнением окружающей среды и нарушением эколо- гического равновесия в природе» (Г. Герасимов, 1970J. Несмотря на то, что отдельные рекомендации по за- щите и некоторые ‘приспособления для обнаружения радиоволнового излучения были известны еще в 40—50-х годах, оформление отдельной проблемы науки и техники как направления начинается только с обоснования и обобщения всех ее отдельных звеньев, ‘поэтому можно считать, что проблема биологического действия радио- волн и защиты от них появилась буквально у нас на глазах. 3
Несмотря на обилие публикации, полностью или ча- стично посвященных рассматриваемой здесь проблеме, в том 'числе се биологическим, техническим, социальным и даже философским и психологическим аспектам, эти публикации, как правило, разрабатывают частные воп- росы, отдельные «деревья» большого «леса». Исключе- нием являются, пожалуй, только краткие работы У. У. Мамфорда (1961 г.), Константа и Мартина (1963), замечательно составленный обзор Б. В. Сергованцева (1961) и особенно книга Л. С. Пресмана (1968); первые три — преимущественно инженерного плана, последняя— биофизического. Несмотря на выраженную специфику этих работ, каждая из них уделяет определенное внима- ние всему комплексу интересующих сегодня практику задач. Первая публикация, посвященная специально нашему вопросу, появилась в 1943 г. (Daily L. Е., 1943). К на- стоящему времени их насчитывается уже более тысячи, и они -в целом охватывают огромный перечень 'решенных и решаемых задач. По, к сожалению, эти работы рассе- яны «в пространстве и во времени»: за последние 10— 15 лет они появились в самых различных журналах и изданиях инженерного, биологического, медицинского и гигиенического профилей, в изданиях АН и А-МН СССР, ВЦСПС; издательств «Советское радио», «Мир», «Энер- гия», в Трудах Института радиоинженеров, Института инженеров ио электротехнике и радиоэлектронике, в других специальных, военных и даже популярных журналах США, ФРГ, Англии, Чехословакии и других стран. С 1969 г. в США начал издаваться журнал («Non-ionizing radiation»), специально посвященный не- ионизирующим излучениям (радиочастотным, инфра- красным и лазерным). В СССР по общей теме «Биологическое действие ра- диоволн» проведено несколько симпозиумов, последний из -которых, состоявшийся в мае 1973 г. в Военно-меди- цинской академии им. С- М. Кирова (г. Ленинград),был блестяще организован и, видимо, окажется наиболее ре- зультативным. Цель настоящей «книги — обобщить литературные дан- ные и попытаться из имеющихся ‘кирпичиков выстроить одно, пусть на первый раз небольшое, но единое здание, имеющее свои «вход» и «выход», свою структуру и мето- дологическую основу. Несмотря на кажущуюся стерсо- 4
типпость рассматриваемых здесь и в специальной лите- ратуре вопросов (например, «посвященных анализу поля антенн, разработке конструкций измерительной аппара- туры и т. д.), специфика целей и применений определила специфику исследований и, конечно же, стиль изложения результатов этих исследований здесь, в книге, рассчитан- ной на весьма разнородный по своей подготовке .кон- тингент читателей. Больше того, рассмотрение «тонко- стей» отдельных вопросов в тех случаях, когда раз- бирались вопросы или новые, или малоизвестные для широкого круга питателей, потребовало определенного углубления в специальные области и не позволило вы- держать до конца терминологию, понятную для обеих групп наиболее вероятных читателей книги: инженеров и медиков. Отдельные важные, с точки зрения автора, положения выделены курсивом. Номера основных рас- четных формул набраны жирным шрифтом. В написании отдельных глав и параграфов книги приняли участие -следующие товарищи: В. С- Блумен- таль подготовил и написал п. 7.3.1 и 7.4.3; И. В. Кичае- ва — п. 5.1 11, В. И. Копейкин — § 4.2, С. П. Новикова и Л. Б. Петрова-Голубенко — § 2.2, Н. И. Фалин — п. 7.4.2. В обсуждении отдельных положений, изложен- ных в книге, приняли участие чл.-корр. АН СССР проф. Л. Д. Бахрах, д-р техн, наук Б. Е. K-иибер, д-р мед. наук А. Г. Суббота, а также -проф-, д-р техн, наук Р. А. Валитов, которому принадлежит и идея издания этой монографии. Несомненное влияние на качество и -направленность' материала, изложенного в книге, оказали плодотворные дискуссии с Е. А. Ермолаевым, В. И. Коганом, И. И. /Чаркиным, А. Н. Соколовым, В. В. Оробеем, М. П. Троянским, Н. Н. Фелициным, П. Н. Чумаком, С. П. Яненко, с коллегами автора по работе. Автор счи- тает своим приятным долгом выразить глубокую призна- тельность всем принявшим участие в написании и об- суждении отдельных разделов работы и способствовав- шим своими замечаниями улучшению всей книги в це- лом, особенно проф., д-ру техн, паук Р. А. Валитову и редактору книги канд. техн, наук М. М. Левину, кото- рый подробным и внимательным обсуждением многих положений, советами и прямым участием помог в напи- сании всех ее основных разделов. Б. Минин
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ^диф **- дифракционное затухание экрана Вен в — сквозное затухание экрана В^— коэффициенты «дефокусировки», зависящие от расстояния и определяемые параметра- ми функции амплитудного распределения вдоль соответствующей стороны апертуры D(R) — коэффициент направленного действия на расстоянии R d — расстояние между излучателями в решетке Язем — напряженность электрического поля Земли Яппк — пиковое значение напряженности электриче- ской составляющей поля Рзем — модуль коэффициента отражения от земли L» /а (•$) —функция амплитудного распределения поля по апертуре излучателя f(5) — fa (S)e“— функция амплитудно-фазового распределе- ния поля по апертуре G — коэффициент усиления антенны /7т к, Ети — напряженность составляющих волны в тка- нях h — высота расчетной точки над уровнем земли / — коэффициент реактивности ka, kb — коэффициенты, определяемые функциями амплитудного распределения вдоль соответ- ствующих сторон апертуры (а и 5); £исп — коэффициент использования площади апер- туры k0 — коэффициент отражения от границ между тканями на различных частотах £эхр— размер экрана .М(я) — масштабная функция (М-функция), дБ М(п)—то же, в натуральных отношениях N — общее количество прерывистых воздействий за время облучения п, а— параметры функции амплитудного распре- деления поля по апертуре — приведенный угол при центральном поло- жении луча сканирующих антенн Риз л — излучаемая мощность q—скважность импульсного сигнала б
qM — скважность манипуляции сигнала на входе измерительного устройства R&n—расстояние от центра апертуры антенны до мнимого амплитудного центра (МАЦ) Rj.— граница дальней зоны антенны; /?да, Rub — соответственно в плоскостях 0 или гр S — геометрическая площадь антенны s—наклон огибающих диаграмм антенн в ло- гарифмическом масштабе 5Ц — поглощающее (эффективное) сечение сферы Т — период облучения; общее время нахожде- ния объекта в точке облучения Тц — нормируемое время усреднения ППМ То — время облучения * — текущее время Ur п — скалярная функция, соответствующая со- ставляющей поля. Индекс «т н» указывает на значение функции в точке наблюдения — объемная плотность энергии в простран- стве х=7?/7?д— приведенное расстояние Xa — R/R^a, *д=/?//?дь — приведенное расстояние для плоскостей 0 и Ф Хац = /?ац//?д—приведенное расстояние между центром антенны и мнимым амплитудным центром а— сектор сканирования а(х) — корректирующая функция в расчетах 77(i (Я) Р—показатель затухания экспоненты Y—скважность прерывистого воздействия Узем — угол встречи (угол скольжения) То — скважность осевого поля А — превышение центра антенны над расчетной точкой Аз—величина А, при которой можно считать объект защищенным 61 — «уровень первого бокового лепестка, дБ; ба.ь — конкретно в плоскостях 0 или ф е —диэлектрическая постоянная; угол места антенны 8з—угол места, при котором можно считать объект защищенным г] — к. п. л. антенно-фидерного тракта О, ср — угол между электрической осью антенны и направлением на МАЦ — расчетная точка в вертикальной и горизонтальной плоско- стях О, ф—угол между электрической осью антенны и направлением центр апертуры — расчет- ная точка в вертикальной и горизонтальной плоскостях Оол— половина ширины диаграммы антенны по уровню —3 дБ в вертикальной плоскости (для круглых антенн в любой плоскости) ~ 29о>5/ 7
Хтк — длина волны в тканях (органических) А-макс — максимум спектральной интенсивности рент- геновского излучения v — погрешность расчета; отношение расчетных данных к экспериментальным Тэфф ~ 0.5/^ Чг(3) — функция фазового распределения поля по апертуре излучателя = —функция сферической волны па расстоянии г от точки интегрирования до точки наблю- дения Из—величина ППМ, при которой можно счи- тать объект защищенным Пзем — ППМ с учетом земли Пп — нормативное значение ППМ По — ППМ на электрической оси антенны или ППМ перед экраном /7погл — плотность мощности, поглощаемой телом /7пр — пробойная величина ППМ /7Р — выбранные расчетные значения линий изо- плотпостей вертикальной диаграммы излу- чения (ИДИ)
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ Появление и развитие радиосредств передачи инфор- мации, а в последнее время и энергии [12, 145], на значительные расстояния сопровождается увеличением излучаемых в .пространство мощностей. По данным зару- бежной статистики [85], в послевоенные годы излучаемые мощности радиолокационных станций (РЛС) увеличи- ваются на 10 ... 15 дБ (в 10 ... 30 раз), за десятилетие, т. с. прирост энергии СВЧ во много раз превышает общий прирост энергии на земном шаре (теперь он составляет около ЗЛО2 Дж/с, или 1010 Дж/год, что со- ответствует удвоению производства энергии каждые 20 лет [24]). . В настоящее время освоены и применяются установ- ки, генерирующие и излучающие среднюю мощность СВЧ порядка долей мегаватт [31] и, как явствует из данных научных исследований, это далеко копредел. Повышение излучаемых мощностей идет параллельно с развитием антенных систем, сочетающих возможность перемещения диаграммы направленности с достаточно высоким коэф- фициентом направленного действия. Увеличение мощно- стей и формирование узкопаправлен-ных диаграмм, как правило, сопровождается повышением абсолютного и относительного уровней побочных излучений в зоне дей- ствия антенных полей и около генераторной аппаратуры. Это привело к возникновению проблемы защиты чело- века от радиоизлучений. Радиоволновая гигиена, или радиогигиена, — наука, решающая задачи по- учету и предотвращению вредного действия энергии электромагнитных полей (ЭМП) во всем диапазоне радиоволн: от десятков тысяч герц до тысяч гигагерц. Специфические свойства электромагнит- ных излучений СВЧ, особенно на участках сантиметро- вых и дециметровых волн*, ставят этот диапазон в отно- * За рубежом, а иногда и в отечественной литературе, особенно в медицинской, их часто называют общим термином — микроволны. 9
Шепни его биологической эффективности в особое поло- жение. Поэтому основное внимание в этой работе уделе- но методам и измерительной аппаратуре, пригодным для использования именно в этом участке диапазона. Техника радиогигиены СВЧ включает в себя три ос- новных аспекта (табл. 1): нормирование, т. с. определе- ние на основе клинико-физиологических и биофизических данных необходимого перечня биологически эффектив- ных параметров воздействующего фактора (электромаг- нитного поля), предельно допустимых значений каждого из этих ’параметров и форму их представления; обнару- жение биологически значимых параметров и защиту — систему мероприятий инженерного, организационного и медико-биологического плана, направленную на предот- вращение или снижение до минимума вредных последст- вий воздействия. Современные масштабы организации защиты от из- быточного действия СВЧ излучений таковы, что зачастую ее стоимость оказывается соизмеримой со стоимостью радиоизлучающей аппаратуры, поэтому весьма важно найти оптимальные формы нормирования, обнаружения и защиты, предусматривающие максимум экономичности при необходимой степени безопасности. Наиболее распространенной формой ’нормирования СВЧ излучений является нормирование по уровню плот- ности потока мощности (ППМ) *. Значения допустимой НИМ, принятые в различных странах, приведены в табл. 2 (составлена но данным, представленным А. Г. Субботой, кроме сведений по США); эволюция норм в нескольких организациях и фирмах США [85, 124] показана на рис. 1. Сейчас, с усложнением форм воздействия радиоизлуче- ний, пользоваться нормативами в принятом виде затруд- нительно. Эти трудности увеличиваются при оценке почти одновременного воздействия излучений нескольких излу- * В Международной системе единиц измерения (СИ) ППМ со- ответствует поверхностной плотности потока излучения (интенсивно- сти излучения) — величине, равной отношению средней мощности излучения за время АС значительно большее периода колебаний, к площади. В соответствии с Государственными стандартами, плот- ность потока, испускаемого с данной поверхности, обозначается /?э. падающего на данную поверхность — £э. В настоящей книге вместо Кз и Еэ применяется обозначение /7 — плотность потока мощности, падающего на облучаемую поверхность. В дальнейшем для краткости «плотность потока мощности» будем называть «плотностью мощ- ности». 10
Таблица 1 Основные направления развития техники гигиены С8У
to Таблица 2 Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия на людей электромагнитных излучений СВЧ диапазонов [например, 75] Страна Диапазон частот и режим облучения ПДУ в принятой форме Допустимое время облучения СССР Для персонала СВЧ УВЧ диапазон ВЧ диапазон [ 10 мкВт/см2 / 100 мкВт/см2 I 1 000 мкВт/см2 5 В/м 20 В/м, 5 А/м 7—8 Ч 2 Ч 15—20 мин Вез ограничения То же Для населения НЧ диапазон (50 Гц) СВЧ 5 000 В/м 10 000 В/м 15 000 В/м 20 000 В/м 25 000 В/м 1 мкВт/см2 Без ограничения 3 ч 1,5 ч 10 мин 5 мин Без ограничения ЧССР Для персонала СВЧ (непрерывный) СВЧ (импульсный) 25 мкВт/см2 (Суточная доза Рсут= ==/7/<;200 мкВт/см2) 10 мкВт/см2 8 ч 8 ч Для населения СВЧ (непрерывный) (Дсут^/7/<80 мкВт/см2) 2,5 мкВт/см2 Без ограничения СВЧ (импульсный) (Дсут=/7/<б0 мкВт/см2) 1 мкВт/см2 (Дсут=/7/^24 мкВт-ч/см2) Без ограничения
П род о лжение табл, 2 Страна Диапазон частот и режим облучения ПДУ в принятой форме Допустимое время облучения Польша СВЧ Тс же, что в в СССР, но времени 10 мкВт/см2 без ограничения США Обслуживающий персо- нал (Стандарт США USASC95.1—1966) Население 10 МГц—100 Ггц СВЧ ППМ, средняя за 6 мин, не должна превышать: 10 мВт/см2—для обычных ус- ловий, 1 мВт/см2—для тяже- лых температурно-влажност- ных условий (ТВ У) 1 мВт/см2 Без ограничения времени. Для кратковременных излуче- ний нормируется шестиминут- ная доза Д(бмпн)=.0,1 . , . 1 мВт-ч/см2 (в зависимости от ТВУ) Без ограничения Великобритания 30—30 000 МГц 10 мВт/см2 Без ограничения ФРГ СВЧ Те же, что и в США • Франция . СВЧ Те же, что и в США Голландия (фирма Фи- липс Эйндгобен) 30—30 000 МГц 1 мВт;см2 10 мВт/см2 Без ограничения =^6 мин Примечание. В настоящее время наблюдается тенденция к переходу на обозначение ППМ в Вт/м*. Например: ППМ 10, 130, £3 1 000 мкВт/см2 соответствуют 0,1; 1 и 10 Вт/м3.
чателей с различными ППМ. Например, современный авианосец с атомным двигателем типа «Иптерпрайз», (ВМФ США) оснащен более чем 500 антеннами. Значи- тельная часть их — передающие, многие из которых — сканирующие или вращающиеся. Для оценки подобных случаев вопрос об оптимизации форм нормирования стоит особенно остро. 'Пока за основу при выработке нормативов в области СВЧ принята концепция, согласно которой гигиениче- ское значение имеют только притепловые интенсивности* мВт/см2 -1000 77SAS 0351-1566 п < Bell Д / •----------------------- W5 1957 1959 1966 Рис. 1. Уровни максимально допустимой плотности мощно- сти электромагнитных излучений в организациях и фирмах США в период 1953—1966 гг.: USN - ВМС США; USAF - ВВС США; GE - фирма Genera] Elec- tric; Bell — фирма Bell; USAS C95.I—1966 — стандарт США; ТВ И — температурно-влажностный индекс. и ниже, т. е. ППМ^Ю мВт/см2. Ощущение тепла при воздействиях радионолей на этих уровнях ничтожно, вследствие чего человек обычно нс подозревает об опас- ности. Поэтому приходится разрабатывать целую систе- му контроля облучаемости — достаточно падежные мето- ды обнаружения радиоизлучений (инструментальные методы индикации наличия радиополей и количественно- го измерения необходимых параметров, например ППМ), а также расчет на основе определенных характеристик излучателя. * В данной книге понятие «интенсивность», если нет особой ого- ворки, соответствует понятию «величина ППМ» или «величина напря- женности» одной из составляющих поля. 14 .
Особое значение расчетных методов заключается в том, что они дают возможность предвидеть биологиче- скую опасность до ввода излучателя радиотехнической станции (РТС) в строй, т. е. в возможности осуществить радиопрогпоз. Основным направлением в совершенство- вании расчетных методов является минимизация исход- ных данных, необходимых для радиопрогноза, снижение расчетного времени и упрощение использования готовых результатов расчета при сохранении необходимой точно- сти в заданном диапазоне применимости. После ввода РТС в эксплуатацию, если позволяет ее режим работы, расчетные данные проверяются путем измерений © реальных условиях. В некоторых случаях измерения вообще являются единственным способом оценить радиообстановку: например,-на сложных трассах при сложных диаграммах антенн. Во многих случаях измерения, проводимые с помощью универсального ком- плекса аппаратуры типа 110-1, позволяют получить до- статочно полную картину облучаемости отдельных мест внутри технологических помещений и даже территории объектов вблизи излучающих антенн. Сложная прост- ранственная структура внутренних* полей, необходи- мость проведения массовых измерений на больших пло- щадях (десятки и сотни квадратных километров) застав- ляют усложнять измерительную аппаратуру, применять электрически малые зонды, пиковую индикацию, а в ряде случаев —накопление результатов. Превышение уровня или дозы предельно допустимых значений является основанием для проведения защит- ных мероприятий, которые оказываются наиболее трудо- емкой и практически (важной частью обшей программы биологической защиты. Кроме организации и пропаган- ды определенных мер предосторожности, во многих слу- чаях приходится применять сложные технические соору- жения, снижающие уровень до необходимого минимума в границах защищаемого объекта. Применение подобных сооружений связано с затратой более или менее значи- тельных сил и средств, и поэтому их следует тщательно рассчитывать. Правильное нормирование, своевременное обнаруже- ние и реализация защитных мероприятий позволяет уст- ранить вредное воздействие радиоизлучений, обеспечить нормальную жизнедеятельность людей. * Определение внутренних полей см. ниже, в п. 1.2.2. 15
1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БИОСФЕРА ЗЕМЛИ. ПРИРОДА И ЭКОЛОГИЯ Радиоволновая гигиена как наука и как комплекс практических мероприятий основывается на данных биофизики, которая определяет физику взаимодействия излучений с живой материей на всех уровнях — от це- лостного организма до молекулы, служит качественному пониманию этого взаимодействия и, главное, установле- нию количественных отношений между величиной и формой воздействия, с одной стороны, и реакцией орга- низма, с другой. В. И. Вернадский , А. Сент-Дьердьи, И. С- Шклов- ский, А. Л. Чижевский — эти имена и имена многих дру- гих исследователей для нас тесно связаны с проблемой взаимосвязи «жизнь и биосфера». Биосфера как нераз- рывное целое сочетает в себе огромный набор факторов, взаимосвязь с которыми позволяет организму Жить. Многие из них явны, о них человечество узнало с самого начала осознания своего Я, другие были открыты в са- мое 'последнее время, о многих мы, очевидно, еще не догадываемся. Нашу планету миллиарды лет пронизывают потоки ионизирующих частиц, электромагнитных излучений — космических, земного или околоземного 'происхождения. Длины волн электромагнитного спектра этих излучений простираются от долей миллиметра до тысяч километ- ров, каждый из участков этого огромного спектра сыг- рал свою роль в развитии живого на Земле; многие участки используются, как полагают, самими организ- мами в процессе их жизнедеятельности (в частности, для синхронизации ряда важнейших физиологических процессов и организации биологической связи внутри сообществ). Электромагнитное поле как особая форма организа- ции материи обладает как общими, -присущими всему ‘ма- териальному, так и некоторыми особыми свойствами. Широкий диапазон частот, огромные пределы изменения амплитуды во времени и по спектру, а -в последнее время и высокая когерентность излучений в совокупно- сти определяют характер взаимодействия поля с живыми организмами. Прежде чем перейти к описанию этих форм, есть смысл хотя бы кратко напомнить о свойствах 16
электромагнитной части биосферы (далее— просто элек- тромагнитной биосферы) нашей планеты, об основных физических явлений, характеризующих электромагнит- ное иоле. 1.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАК БИОФИЗИЧЕСКИЙ ФАКТОР. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БИОСФЕРА ЗЕМЛИ Характерной формой взаимодействия электромагнит- ного поля с живым организмом (подробные исследова- ния на эту тему приведены в книге Л. С. Пресмана [118], материалы которой использованы три написании этого параграфа) является сочетание нагрева ткани, завися- щего от ‘.поглощенной тканями (как полупроводящей средой) энергии, и информационного акта, определяю- щего нетепловое воздействие на организм. Вторая сторона воздействия — нетепловое, или, как иногда говорят, спе- цифическое действие радиоволн—определяется именно этим информационным аспектом воспринимаемых орга- низмом электромагнитных излучений. Спектр и форма этого воздействия зависят от свойств источника и канала связи. Как показывают наблюдения, чувствительность организма в этом случае оказывается намного выше рас- считанной исходя из простейших соображений о тепло- вом действии радиоволн. Очевидно, что информационные процессы играют определенную роль и при тепловом (более 10 мВт/см2) воздействии когерентных микроволн па организм. Больше того, такой специфический фактор, как концентрация электромагнитной энергии в объемах тела, ограниченных радиокоитрастными средами, приво- дит к локальному нагреванию, к «микронагревам». По- этому деление двух сторон взаимодействия «иоле — ор- ганизм» на информационные и тепловые весьма условно. Исследования показывают, что особой чувствитель- ностью к ЭМП обладают органические тела только на макроскопическом уровне, по крайней мере начиная с упорядоченных макромолекулярных ансамблей, и в наибольшей степени эта чувствительность проявляется только в целостном организме. Поэтому причинно-след- ственные зависимости взаимодействия внешнего электро- магнитного воздействия и организма часто заставляют прибегать к феноменологическому описанию, опираясь фактически на две группы довольно далеко отстоящих друг от друга исследований: на молекулярном уровне (на изолированных тканях;' клетках тг’культурах^клеток), 2-393 ’ г. ' 17 1 Сг. J f;-.v . € 2 Г 1 f ' -
с одной стороны, и па уровне изучения поведенческих реакций целостного организма и его отдельных сложных систем (сдвиги в нервно-гуморальной сфере, изменения в процессе размножения и развития организмов, морфо- логические изменения в органах)--с другой. Электромагнитная биосфера нашей планеты определя- ется, *в основном, электрическим и магнитным квазиста- тическими полями Земли, атмосферным электричеством (грозовыми разрядами, в частности, молниями), радио- излучением Солнца и галактик, а в последнее время по- лем искусственных источников: полем «выделенных» излучателей (антенные поля и паразитные радиоизлуче- ния аппаратуры) и общим «радиофоном» от многочис- ленных удаленных радиопередающих центров. Электрическое поле Земли направлено нормально к земной поверхности (заряженной отрицательно отно- сительно верхних слоев атмосферы). Напряженность электрического поля у поверхности земли ЕзеМ«130 В/м и убывает с ’высотой примерно по экспоненциальному закону (па высоте 9 км £3см^5 В/м). Годовые измене- ния £3ем сходны по характеру на всем земном шаре: величины Езсм достигают максимума в январе — феврале (до 150 ... 250 В/м) и минимума в июне—июле (100 ... ...120 В/м). Суточные вариации электрического поля атмосферы связаны с суммарной грозовой деятель- ностью по земному шару, но зависят также от местной грозовой деятельности. Напряженность магнитного поля Земли характеризу- ется двумя параметрами. Горизонтальная составляющая максимальна у экватора (20...30 А/м) и убывает к по- люсам (до единиц А/м). Вертикальная составляющая у полюсов составляет около 50...60 А/м, уменьшаясь у экватора до пренебрежимо малой величины. На зем- ном шаре оказываются отдельные области, где величина вертикальной составляющей намного выше («положитель- ные аномалии») или ниже («отрицательные аномалии») среднего значения. Частотный спектр атмосфериков простирается в диа- пазоне от сотен терц до десятков мегагерц. Максимум интенсивности их находится вблизи 10 кГц и убывает с частотой. Среднегодовая интенсивность оценивается по площади, занятой грозами, максимальна на континентах тропического пояса. Площадь, занятая там грозами, в 15 ... 20 ч местного времени достигает 500 ... 600 тысяч 18
квадратных километров, уменьшаясь к -высоким широ- там. Интенсивность грозовой деятельности всегда -и вез- де минимальна в утренние часы и повышается к ночи. В холодное время максимум отмечается среди -ночи, в теплое — в 15 ... 18 ч. В средних широтах наибольшее число гроз приходится на июнь — июль, наименьшее — на зимние месяцы. Во время вспышек на Солнце атмос- фсрпки значительно усиливаются. Спектр радиоизлучения Солнца и галактик занимает область приблизительно от 10 МГц до 10 ГГц. В «спо- койном» состоянии интенсивность солнечного .излучения находится в пределах от 10~10 до 10~8 Вт/м2*МГц. Во время вспышек излучение усиливается в несколько де- сятков раз. Спектр и интенсивность радиоизлучения га- лактик близки к спектру .и интенсивности спокойного Солнца. Интенсивность радиоизлучения искусственных источ- ников находится в непосредственной зависимости от мощности генераторов, доли -энергии, передаваемой на излучение, а также от 'коэффициента направленного дей- ствия излучателей и расстояния до излучателей. Интен- сивность антенных полей может изменяться (в зависи- мости от перечисленных условий) от долей микроватта до -нескольких ватт на квадратный сантиметр, от сотен микровольт до сотен вольт на метр. «Паразитные» (или «внутренние» — определение см. п. 1.2.2.) излучения ап- паратуры определяются, кроме мощности устройства, тщательностью выполнения экранировки. Характерной особенностью этого вида радиоизлуче- ния, в отличие от природных, является высокая когерент- ность—частотная и фазовая стабильность, означающая также высокую концентрацию энергии в очень узких областях спектра (например десятки герц для телеграф- ной, единицы килогерц для радиотелефонной, единицы мегагерц для радиолокационной аппаратуры и т. д.). Радиофон — это суммарный эффект всв/Х излучаю- щих радиосредств земного шара и, «прежде всего, длин- новолнового, средневолнового и коротковолнового диа- пазонов. Интенсивность радиофона находится в .преде- лах от десятков микровольт до десятков милливольт на метр и имеет явно выраженные суточные колебания, ко- торые при современной насыщенности «радиодиапазона зависят фактически полностью от условий распростране- ния радиоволн. Например, максимум деятельности дна- 2* 19
пазоыа 10. ..20 хм приходится на дневные и вечерние ча- сы, 30. ..70 — на вечерние и ночные, 200.. .500 м — на ве- черние, ночные и утренние. На рис. 1.1.1 показано распределение интенсивности основных естественных и искусственных источников ра- диоизлучения в диапазоне 0,010. ..105 МГц и условия прохождения различных участков волн сквозь атмос- феру, облака и ионосферу. Созданные :в ходе эволюции электромагнитные систе- мы живой природы надежно защищены от воздействия спонтанных изменений ЭМП внешней среды; многие же из .обнаруженных нами связей с внешней средой необхо- Ионосфера. Облака. Рис. 1.1.1. Распределение плотности мощности по спек- тру основных естественных источников радиоизлучения и некоторые примеры источников искусственного проис- хождения, а также пропускания земной атмосферы для излучения различных длин волн [41, 145]. 20
димы, по-видимому, для организации собственных про- цессов жизнедеятельности. Например, известна исклю- чительно высокая степень 'влияния солнечной активности буквально на все виды биологической и физиологической деятельности организмов, и, в частности, на состав кро- ви, лимфы и ‘клеточной протоплазмы, на рост эпидемий различных инфекционных заболеваний, на скорость раз- множения рыб, насекомых и ряда млекопитающих и даже на численность популяций животных. Как правило, регулирующее действие оказывают цик- лические изменения :радиополя; спорадические измене- ния приводят к нарушению процессов жизнедеятельно- сти, особенно заметных в период развития организма и в патологическом состоянии. При исследованиях влия- ния СВЧ поля на живой организм следует иметь в виду, что само по себе экранирование также может быть вредным. Поэтому наиболее -правильным следует счи- тать изучение влияния излучений в иеэкраиированных кабинах либо в кабинах с достаточно хорошей ими- тацией естественных условий. Для бытовых целей в США в настоящее время делается попытка создать имитатор естественных условий, применять который считается осо- бенно целесообразным в бетонных и железобетонных домах. 1.2. РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СВЧ АППАРАТУРЫ Можно назвать в основном три группы людей, под- вергаемых воздействию радиоволн СВЧ: специалисты, производящие радиоаппаратуру, персонал, эксплуатиру- ющий ее, а также определенный 'Контингент людей, по роду своей деятельности не связанных с источниками излучений, т. е. подвергаемых облучению случайно. Первая группа людей относительно невелика, но под- вергается облучению более -или менее постоянно. При правильно организованной технике безопасности в подав- ляющем большинстве случаев интенсивность поля -'можег быть доведена до необходимого минимума, но опыт по- казывает, что на определенных этапах производства, осо- бенно при наладке, регулировке, когда предотвратить избыточное воздействие удается далеко не всегда, и при существующей технике защиты тенденции к уменьше- 21
нию облучаемости в этой категории работ еще не на- блюдается. Возрастает количество людей «второй группы, занятых эксплуатацией мощной СВЧ радиоаппаратуры. Сейчас нельзя назвать их общее число, однако, естественно, оно во много раз превышает число людей «первой группы. Серьезность положения заключается <в том, что в боль- шинстве случаев, особенно если излучателем является антенна, предотвратить облучение территории с людьми или трудно технически, или принципиально невозможно. Третья -категория людей подвергается облучению, не имея никакого отношения ни к аппаратуре, ни к выпол- няемой ею задаче. Сюда можно отнести жителей насе- ленных пунктов, находящихся в зоне действия излучате- лей, летчиков и космонавтов, пролетающих в зоне дей- ствия огромного количества наземных станций, и т. д. Несмотря на очевидную многочисленность людей этой группы, как показывает опыт, сейчас говорить об особой опасности для нее не приходится. 1.2.1. Заполнение спектра радиоволн диапазона СВЧ. Рассмотрим подробнее, как заполнен к настоящему вре- мени спектр диапазона СВЧ [58]. Участок 30. ..1000 МГц занимает телевизионное вещание (всего 85 каналов). На- земные и воздушные подвижные виды связи занимаю г участки 225. ..500 МГц. Для радиолокационных станций отведены участки в диапазоне 137... ...9500 МГц: 137...144; 216...225; 400.. .450; 890... .. .942; 2900.. .3100; 5400.. .5650; 9300.. .9500 МГц. Аппаратура промышленного научного и медицинского на- значения работает на частотах: 434; 890 ... 940; 2450±50 Телевидение Связь Радиолокация Научная а медицинская аппаратура I I I I I L—-—1_—-—1—и_—i_i------j—1 w г з /, 5 а з г I I I I —I---1—i—1--1 I 5 h 5 в fi 10* Частота, Мгц Рис. 1.2.1. Использование спектра в диапазоне СВЧ. 22
и 5800 ±75 МГц (рис. 1.2.1). Каждая из этих служб об- ладает бесконечным разнообразием возможных ситуа- ций, при которых человек оказывается подвергнутым об- лучению энергией СВЧ. В табл. 1.2.1 в качестве примера -приведены характе- ристики некоторых зарубежных станций, которые помо- гут .представить общую картину облучаемости (следует иметь в виду, что на позиции интенсивности облучения на 20. ..40 дБ меньше, чем в центре апертуры). Таблица 1.2.1 Характеристика излучений в зоне действия некоторых зарубежных РЛС [79J Тип РЛС Средняя мощность не ре дат- чика, Вт Пло- щадь ан- тенны, м2 ппм в апер- тура мВт/см» Коэффи- циент на- травлен- ного дей- ствия ан- тенны, дБ Расстояние (км) по ос- новному ле- пестку для уровня 10 мкВт/см2 при к. и. д.=. —0,5 AN/FPS-49 0,27-10е 490 55 38 25 AN/FPS-50 0.5106 G 000 8,3 49 120 SPASUR К)6 50 000 2 52 250 РЛС в Хайстеке 0,110е 1 100 9,1 60...69 540 РЛС системы MSFN* 20-103 540 3,9 51 25 * Станции слежения за космическим кораблем „Апполсн*, расположенные в Голд- стоуне (США), Робледо де Чавелла (Испания). Исганнес5урге (ЮАР), Тинбиибилла (Австралия). Наибольшей насыщенностью радиосредствами отли- чаются суда морского флота, где на сравнительно не- большой территории .приходится размещать большое ко- личество больших и малых радиолокационных станций, таких, например, 'как «Нептун», «Дон», «Донец», «Створ», «Декка» [53]. Эти РЛС облучают открытые па- лубы и надстройки полем высокой интенсивности, пред- ставляющей определенную опасность для плавсостава. Наличие относительно -широкой «мертвой» зоны антенн исключает опасное облучение на нижней палубе, под ан- тенной, но на корме плотность мощности 'возрастает (от десятков и сотен до тысяч микроватт па квадратный сантиметр). Опасность избыточного воздействия радиоволн СВЧ для летного состава вследствие малой мощности борто- 23
вых устройств и удаленности наземных радиолокаторов от аэродромов относительно невелика. Рассмотрим подробнее .пространственную энергетиче- скую структуру полей, .воздействующих на человека во время эксплуатации и настройки готовой аппаратуры. Условия облучения полем СВЧ достаточно подробно рас- смотрены в работе [75]. 1.2.2. Реальные условия облучения СВЧ полем. Даже без учета временных характеристик эти условия чрезвы- чайно разнообразны. В помещениях с генераторной аппаратурой и элемен- тами фидерного тракта (рис. 1.2.2) как результат отсут- ствия должной радиогерметичности имеют место так на- зываемые внутренние* излучения аппаратуры (7, 2), создающие угрозу облучения непосредственно на рабо- чем месте**. Иногда внутренние поля возникают вслед- ствие проникновения через степы или крышу лучей — прямого (3) или перестриженного металлическими вклю- чениями (4), имеющимися в материале стен и крыши. Картина поля осложняется отражениями от поверхно- стей стен и шкафов с аппаратурой (5). На некоторых производственных участках и контрольно-испытательных станциях (КИС) внутри помещений находятся излуча- ющие антенны, которые, если не закрыты необходимыми поглощающими насадками, и оказываются основным ис- точником опасности. * Внутренние поля — поля внутри помещений, ограниченных обычно хорошо отражающими поверхностями. Паразитные излуче- ния— излучения, проникающие через электромагнитные неплотности устройств экранировки генераторов, фидеров, антенных коммутаторов и т. п. В большинстве случаев внутренние поля образуются только в результате паразитных излучений аппаратуры. ** Опасность переоблучения внутренними полями была отмечена еще с появлением диатермических установок, используемых для ВЧ нагрева. Первые диатермические установки появились в 1935 г., а сейчас число этих установок только в США намного превыси- ло 2 000 [188]. До недавнего времени все они эксплуатировались исключительно в промышленных условиях, но сейчас СВЧ генераторы появляются и в быту. Особую популярность приобретают магнетрон- ные печи для приготовления пищи. По последним данным, производ- ство таких печей мощностью 500 Вт только японской фирмой «Мацуста» к настоящему времени превышает 500 тыс. штук в год [109, 129, 155]. У нас такие печи используются в общественных сто- ловых и кафе, в камбузах морских судов и т. п., т. е. здесь вопрос обеспечения безопасности при эксплуатации подобной аппаратуры является весьма актуальным. 24
Каждый из этих факторов вносит свой вклад в общий эффект, так что -в некоторых случаях .найти и определить вклад отдельных источников высокой интенсивности по- ля в помещениях на основании общих измерений не уда- ется и приходится прибегать к оценке конструкций от- дельных блоков, шкафов и здания. Как правило, внутренние поля возникают от строго локализованных источников, дополненных многократны- ми отражениями от поверхностей стен, пола, потолка и аппаратуры. Такими источниками могут быть различные Рис. 1.2.2. Общая картина внутренних полей. электрические утечки через неплотности (щели) в дверцах шкафов генераторов, в фланцах волноводов, в сочленя- ющих устройствах фазовращателей, ответвителей и т.п. Характерной особенностью таких внутренних (паразит- ных) излучений является то, что при облучении ими че- ловек может оказаться па расстояниях от места излуче- ния, много меньших длины волны, вплоть до непосред- ственного контакта, т. е. в ближней зове. 25
Понятие ближней зоны тесно связано с полем антенны и, види- мо, поэтому среди специалистов бытует разночтение терминов при разделении фактически трех разных понятий. Для дальнейшего клас- сифицируем их следующим образом. Зона индукции элементарного вибратора — область поля, в ко- торой величины энергии, запасенной поочередно возникающими элек- трическим и магнитным полями, существенно неодинаковы, т. е. здесь имеет смысл говорить не о «перекачке» энергии из магнитной в электрическую, как это имеет место в дальней зоне, а о перекачке энергии между полем и источником. С приближением к источнику в пределах от А,/2л и ближе интенсивность составляющих возрастает пропорционально 2—3-й степени уменьшения расстояния. Зона индук- ции является неотъемлемой частью ноля любого излучателя, в том числе и апертурных антенн, отдельных активных вибраторов и пас- сивных переизлучателей. Некоторые сведения о зоне индукции эле- ментарного вибратора приведены в § 3.1. Ближняя зона антенн, или зона Френеля, простирается от апер- туры антенны с расстояния один — три раскрыва и плавно через промежуточную зону (приблизительно 0, 1 ... 1 расстояния до гра- ницы дальней зоны) переходит в дальнюю (зона Фраунгофера), где диаграмму антенны можно считать сформированной. Подробно с представлениями о границах ближней зоны можно познакомиться в одной из последних работ Р. К. Хансена П41]. Реактивное поле излучателей — это область зоны интерферен- ционных явлении антенны, где внутренняя структура поля суще- ственно реактивна, т. е. существуют выраженные минимумы и ма- ксимумы плотности потока мощности на электрической оси антенны. Необходимость выделения этой области антенн в отдельную связа- но с появлением в ней определенной специфики биологического дей- ствия; границы ее весьма условны и пока могут быть определены (и то приближенно) только для осевого поля апертурных антенн: от поверхности зеркала (или элементарных излучателей вообще) начиная с долей длины волны и до расстояния, равного несколь- ким сотым долям границы дальней зоны апертурной антенны. Таким образом, основной особенностью поля щелей — обычного источника паразитных излучений — является наличие зоны индукции. Граница же дальней зоны таких источников вследствие малости их размеров находится в непосредственной близости от них, т. е. геометрически поле сформировано на любых расстояниях 7?;>2L2/%, где L — поперечный размер щели. Поле апертурных антенн имеет четко выраженные промежуточную и даль- нюю зоны; зона индукции таких антенн находит- ся в непосредственной -близости от металлических элементов антенны, находящихся под воздействи- ем поля. Следует помнить, что любой металлический вибратор, особенно близкий по размерам к длине волны, даже если он не является собственно элементом антенны, будучи облученным, имеет зону индукции, ин- 26
тенспвность поля в которой может во много раз превы- сить интенсивность падающей волны. Для наглядности на рис. 1.2.3 изображены зоны апертурной антенны с раскрывом много больше длины волны. Кроме биологического аспекта, ярко выраженная ин- терференционная картина, устанавливаемая в закрытых помещениях с излучающей аппаратурой, создает и опре- деленные трудности при измерении этих полей. Напри- мер, усложняется выбор параметров поля и единиц из- мерения этих параметров, паилучшим образом опреде- ляющих степень биологической вредности; появляются зоны ближняя зона ------>- промежу- точная зона J дальняя зона реактивная зона Рис. 1.2.3. Качественная картина зон апертурной антенны: ЛРО — липни равных отношений ППМ к интенсивности осевого ноля, рав- ных 0,5. , _________, трудности технического характера при измерении полей (которые здесь отличаются высокой пространственной фазовой и амплитудной неоднородностью) и т. д. Мно- гие из этих трудностей пока еще не преодолены даже в теоретическом плане. Например, при измерениях обыч- ными рупорными или вибраторными антеннами полей вблизи аппаратуры относительно низкочастотных усг- ройств ошибка в сторону занижения может составить несколько десятков раз и более и, следовательно, резуль- таты таких измерений не могут являться предметом сравнения с установленными нормативами по ППМ. Естественная локализация внутренних полей в огра- ниченном пространстве и относительная простота техни- ческих возможностей снижения интенсивности внутрен- них полей до необходимого минимума позволяют при 27
Антенны, рассматриваемые гигиеной СВЧ Таблица 1.2.2 Вид антенны Общая характеристика Тип антенны 1 Основные параметры | Их обычные значения Г Излучающие ан- Узконаправленные, Зеркало, рупор, Ширина диаграммы 0,1 .. . 10° тенны мощных РТС многоэлементные Размеры много больше длины волны многовибраторная си- стема, антенная ре- шетка направленности или коэф- фициент усиления Уровень бокового из- лучения Форма диаграммы Способ сканирования 20 . . . 60гдБ —(10. . .30) дБ Карандашный луч, ло- патка, косеканс-квадрат- ная и т. п. Механический, элек- трический, совместный Антенны, ис- Слабонаправлен- Электрический ви- Ширина диаграммы 10 . . . 60° пользуемые для ные, одноэлемент- братор, рамка, ру- направленности измерения радио- излучении ные. Размеры близки к длине волны 1 пор, логопериодиче- ская структура Эффективная поверх- ность Коэффициент стоячей волны напряжения* Широкополосность Пространственная изо- тропность или коэффи- циент заполнения сфе- ры** 0,5 - 2С00 см2 1,1 . . .10 1,2. . .20 0,7 .. . 0,98 • Для многих случаев не нормируется. ** Имеет значение для автоматических измерительных приборов.
Рис. 1.2.4. Гигиену СВЧ интересуют два класса антенн: измерительные и излучающие: а — антенна радиолокационной станции AN/FPS-85: б — антенна ра- диолокационной станции AN/FPS-49; в — антенна П6-22 [75] прибора ПО-1, прехЦиазначенного для измерения интенсивности поля в диа- пазоне 150 . . . 300 МГц; г — антенна-зонд, применяемая для измере- ния интенсивности поля вблизи аппаратуры. определенных затратах внимания, сил и средств добить- ся высокой степени защиты персонала по крайней мере на этапе эксплуатации аппаратуры. Несмотря на то, что антенны СВЧ устройств, как пра- вило, концентрируют энергию в пределах относительно малых пространственных коридоров, тем не менее значи- тельная часть излучаемой энергии (доля ее колеблется в очень широких пределах: от единиц до десятков про- центов) рассеивается в .пространстве в виде четко сфор- мированных боковых лепестков и «фона». Разработка и строительство антенн с малым уровнем паразитных из- лучений требует больших затрат. Кроме удорожания ан- тенных систем, работы, связанные с уменьшением пара- 29
31ИТПЫХ антенных излучений, непременно связаны с из- мелением остальных характеристик РТС, и на это обычно не идут. В диапазоне СВЧ применяются антенны самого раз- личного назначения и устройства [198], Нас будут инте- ресовать в основном антенны, создающие иоле, т. е. из- лучающие антенны, и антенны, .используемые как прием- ные зонды и позволяющие регистрировать поле. Антен- ны, конструкция которых не содержит материалов с не- линейными свойствами или элементами, удовлетворяют принципу взаимности. В соответствии с этим принципом основные параметры антенн не -зависят от того, в каком режиме она используется: в режиме приема или в режи- ме передачи. Однако конструктивно приемные и переда- ющие антенны часто существенно отличаются друг о г друга. Это различие заметно при сравнении СВЧ изме- рительных антенн и антенн-излучателей мощных радио- технических систем «(табл. 1.2.2, рис. 1.2.4). Коротко измерительные антенны будут рассмотрены ниже (-гл. 6), а здесь мы остановимся на антеннах-из- лучателях, входящих в состав мощных наземных РТС СВЧ, представляющих наибольшую опасность для человека. 1.2.3. Излучающие антенные системы наземных РТС. На оонове анализа зарубежных патентных материалов и теоретических работ [78, 144 и др.] можно выделить два основных направления развития антенных -систем на- земных РТС: создание больших антенн зеркального (рефлекторного) типа с механическим перемещением и фазированных решеток с электрическим перемещением луча. Все эти антенны относят к классу апертурных, т. е. к классу антенн с явно выраженной апертурой. Такие антенны, несмотря на -конструктивные особенности уст- ройств отдельных классов, имеют ряд общих характе- ристик, зависящих от распределения поля по апертуре. В частности, приблизительно одинаковы уровни боко- вых лепестков зеркал и достаточно гладких решеток (если 2jtd/%<0,3, где d/л— расстояние между элемента- ми решетки в длинах волн), причем даже при сложном амплитудном и фазовом распределениях в апертурах. Однако при -определении потенциальной опасности при- ходится учитывать и ряд особенностей поля антенн каж- дого класса. В частности, к особенностям зеркальных антенн мо^кио отнести следующее: 30
1. Возможность появления прямого излучения облу- чателя из-за «переливов» энергии через края зеркала. Для антенн с высоким уровнем облучения -краев зеркала и для многозеркальпых антенных систем опасность появ- ления поля переливов с энергией высокой плотности ве- лика. С 'приближением к антенне интенсивность поля переливов возрастает приблизительно обратно пропор- ционально квадрату -расстояния ,и вблизи антенны уже представляет основную опасность. 2. Повышение общего уровня фона из-за влияния элементов крепления, особенно заметного на больших углах относительно оси основного излучения. 3. Повышение уровня фона из-за диффузионного отражения от шероховатостей зеркала, также заметно- го на больших углах. 4. Дифракция на краях зеркала. О характере этих полей можно судить по приведен- ным на «рис. 1.2.5 угловым зависимостям интенсивности каждой из перечисленных составляющих. Антенное поле можно условно расчленить на 5 областей (рис. 1.2.6): основной лепе- сток /—зона in ре имуществен- ного сосредоточения мощности, ближнее боковое поле 2, даль- нее боковое голе «?, заднее из- лучение 4, если рефлектор не- он ложной, и толе «переливов» через края зеркала (рефлекто- ра) 5 и контр рефлектор а 6. На малых углах -места ан- тенны (обычный случай) тер- ритория ;потвергается облуче- нию от всех областей толя, хо- тя степень облучения оказыва- ется весьма различной. При работе «в зенит» опасности (подвергается территория вбли- Рис. 1.2.5. Оценочные характери- стики, показывающие относитель- ный уровень различных факторов в диаграмме направленности (л== = 7,5 см): зи антенны, которая облучается энергией, (Проникающей сквозь рефлектор и (Проходящей мимо него. Наиболее тя-желый слу- чай— работа на отри-цатсль- пых углах наклона антенны. Все три характерных случая облучения антенным июлем представлены на рис. 1.2.7, а—в. При (перемещении диаграмм направленности в пространств а--дифракция на краях зеркала; б — рассеяние на элементах крепления пер- вичного облучателя (диаметр 0,14); о — рассеяние на дополнительном согласую- щем осевом отражателе; г — рассеяние на неоднородностях поверхности отра- жателя (максимальные неровности по- верхности 2,5 мм); 0 — прямое излуче- ние первичного облучателя /136]. 31
ве, например, азимутальным вращением прямоугольной антенны, наи- более мощное поле будет воздействовать на биообъект только при прохождении основного луча «над головой», т. е. когда проекция луча на землю будет совпадать с местонахождением объекта. При отклонении от этого положения поле будет уменьшаться, но сте- пень снижения оказывается существенно различной в зависимости от расстояния, до антенны: на больших расстояниях оно спадает « — области поля однозеркальной антенной системы: о — образование побочных излучений двухзеркальной системы за счет «перелива» электромагнитной энергии мимо зеркала и контррефлектора. На рис. 1.2.6,а и 1.2.7 нанесены линии равных плотностей. фактически до нуля даже при небольшом отклонении антенны. В этом случае принято говорить о «выделенном» облучении. На меньших расстояниях необходимый угол отклонения антенны уве- личивается, а в непосредственной близости от антенны основное поле становится трудно выделить из «фона». Картина ноля «впе- ред» тем более искажается из-за действия поля переливов у двух- зеркальных антенн. Азимутальные диаграммы излучения зеркаль- ных антенн (в дальней зоне) приведены на рис. 1.2.8 [136]. 32
Рис. 1.2.7. Облучаемость территории антенным полем при некото- рых основных положениях двухзеркальной антенны: а —малые углы; б — положение антенны «в зенит»; в — наклон антенны ниже горизонта. Для антенных решеток характерны диаграммы на- правленности с более сильными боковыми лепестками, чем у зеркальных антенн, особенно если элементы ре- шетки являются ненаправленными излучателями и если число элементов не очень велико. В этом случае появ- ляются так называемые интерференционные (дифрак- 3—393 зз
ционные) максимумы, намного превышающие средний фон (рис. 1.2.9). Разнообразие практических требований к формам диаграмм направленности антенн радиотехнических си- стем связи, радиолокации, радионавигации привело к конструированию антенн, формирующих в простран- стве целый набор отличающихся по форме диаграмм: карандашный (или игольчатый) луч, коссканс-квадрат- ную диаграмму, V-образный луч, плоскую диаграмму («лопаточного» типа) и даже луч, сходящийся на опре- деленном ‘расстоянии (сфокусированный луч). грамма антенн, работающих па волне 6 ГГц [136]. Рис. 1.2,9. Диаграмма направ- ленности антенной решетки с явным дифракционным ма- ксимумом при отклонении диа- граммы от центрального поло- /ХУНИЯ. Рис. 1.2.8. Азимутальная диа- В принципе любая из этих диаграмм может быть сформирована как зеркалами (обычно со сложной кри- визной или набо-ром облучателей), так и антенной ре- шеткой. Для формирования карандашного луча исполь- зуются круглые или квадратные апертуры, для сужения диаграммы направленности в какой-либо плоскости раз- меры антенны в этой плоскости соответственно увеличи- вают. Например, азимутальные сканеры (радиолокаци- онные станции поиска и обнаружения) имеют антенны, . * . 1
удлиненные в горизонтальной плоскости, а угломестныё сканеры (станции определения высоты цели) "-удли- ненные в вертикальной плоскости [141]. Станции автосопровождения, осуществляющие после захвата непрерывное слежение за целью, имеют скани- рующий карандашный луч или неподвижный раз- двоенный. Общим для апертурных антенн является относитель- ное постоянство плотности мощности в луче на малом расстоянии (в зоне Френеля) и последовательное умень- шение шлотности мощности на больших расстояниях (на- чиная с границы зоны Фраунгофера и далее — обратно пропорционально квадрату расстояний). Поэтому для приближенных расчетов осевой плотности используются следующие выражения. Для 7?<L2/2X /7о=4Ризл-Ю2/5; (1.2.1) для R^L2!\ nQ=PmslG.\&I^R2, (1.2.2) где /70 [мкВт/см2]; Р^л [Вт]; S [м2], R [м]— расстояние «расчетная точка — антенна», L [м]. Коэффициент 4 в формуле (1.2.1) учитывает неравномерность освещения апертуры (см. § 4.2 и 4.3). В последнее время появились антенны с переменной фокусировкой, фокус которых может быть установлен не в бесконечности, а где-либо в зоне Френеля (т. е. ближе 2Р/Х). Сфокусированные апертуры -могут концен- трировать в сравнительно небольшом объеме простран- ства значительную долю излучаемой энергии. При этом плотность мощности в фокусе, естественно, значительно возрастает (рис. 1.2.10). ППМ в фокусе особенно вели- ка при малом фокусном расстоянии, при этом повышает- ся и опасность воздействия поля на технику или челове- ка [67, 142]. Если пространственные диаграммы направленности характеризуют распределение плотности мощности в пространстве, а. следовательно, и величину поля в ин- тересующей пас точке пространства в зоне действия ан- тенны, то временные параметры облучения антенным по- лем определяются характером перемещения луча в пространстве. К настоящему времени механические методы обзора пространства сохраняются во многих си- стемах радионавигации, аэродромного обслуживания, 3* 35
гидрометеообслуживания, протиВосамолетной обороны и т. п., однако, судя по литературным данным последних лет, сейчас с большой интенсивностью разрабатывают- ся и внедряются электронные методы управления лучом [67]. Из всех функций .перемещения луча в -пространстве простейшей является периодическое перемещение луча в одной — горизонтальной («горизонтальный сканер») или вертикальной («вертикальный сканер») плоскости. Рис. 1.2.10. Возрастание осевой плотности мощности сфокуси- рованной апертуры: Г —фокусное расстояние; /7(оо) —> ППМ для фокусного расстояния принята за единицу. При растровой развертке луч перемещается в двух плоскостях, проем а т р и в а я последовательно всю зону обзора. Механическими си- стемами перемещения чаще всего формируется спираль- ный растр, электронными — прямоугольный (типа теле- визионного) . П ер е ч и с л ен«н ы е опое о б ы обзора пространства явля- ются периодическими, и это позволяет -проводить прог- ноз времени облучаем ости полем на основании извест- ных законов перемещения луча. По-иному обстоит дело в системах с программным обзором пространства, реа- лизуемого при управлении с помощью счетно-решающих устройств фазированных ре- шеток, состоящих из регули- руемых дискретных элементов [67]. Программный обзор в общем случае характеризуется отсутствием заметной периодики, и поэтому оценка временных характеристик облучаемости полем в зоне таких РТС может -проводить- ся только на основании статистических данных. Для современных радиотехнических комплексов, в частности на кораблях, на узлах связи и т. п., харак- терна насыщенность антеннами относительно небольших пространств, а их поля — высоким частотным, амплитуд- ным и временным разнообразием [78, 79]. Анализ полей этих антенн позволяет сделать определенные выводы 36
в отношении потенциальной опасности их воздействия на человека, а именно: 1. Уровни осевой .плотности мощности антенных излу- чений современных станций намного превышают до- пустимые. 2. Радиусы опасных зон по осевому и боковому полю этих станций составляют единицы и десятки километров, и при длительном воздействии на объекты поля станций могут представить опасность (для человека и для неко- торых видов техники). Антенны большинства станций — перемещающиеся, причем функции обзора пространства разнообразны. Диапазон интенсивностей нолей в радиусе действия современных РТС может составлять от единиц ватт на квадратный сантиметр до пренебрежимо малых величии, т. с. превышать 50.. .60 дБ; соответственно меняется сте- пень опасности их воздействия. Для оценки биологиче- ской опасности на основании действующих нормативов для проектирования методов и средств защиты -необходи- мо определение величины этих полей с заданной точ- ностью |Метода-ми радиопрогноза и радиометрии, которые будут рассмотрены ниже. Экологический фактор электромагнитной части био- сферы Земли характеризуется появлением вблизи мощ- ных генераторных и излучательных установок значитель- ных по интенсивности высококогерентных излучений (табл. 1.1), воздействие-которых на человека представля- ет зачастую опасность для его здоровья. В некоторых случаях применением эффективных средств защиты или специальной организацией труда удается свести воз- можность переоблучения к минимуму. Иногда этого сде- лать нельзя, и тогда приходится прибегать к -различного рода лечебным мероприятиям, снижающим вредное дей- ствие радиоволн. Интересно заметить, что первыми исследователями биологиче- ского действия радиоволн были физики — пионеры в исследовании электромагнитных волн, известные ученые Генрих Герц, первый проводивший опыты с воздействием радиоволн ла выделенные мус- кул и нерв лягушки; продолжившие его опыты Оливер Лодж и Тогч, которые, в частности, нашли, что «даже чрезвычайно сильное действие быстропереме.чным током не производит никакого эффекта (я понимаю под этим: никакого стимулирующего — О. Лодж). Един- ственным результатом подобных явлений, если они продолжаются в течение известного времени, является временный паралич и уста- 37
ЛосТь нерва... Этот Паралич проходит со временем саМ собой» {55]. Первые опыты над человеком, очевидно, были проведены Николой Тесла и Д'Арсонвалем (23, 55]. Таблица 1.1 Плотность мощности СВЧ излучений в зоне действия типовых исследовательских, промышленных и бытовых СВЧ установок (ориентировочные данные) (53, 61, 109, 194а] Источники излучений и характерные точки измерения (расчета) ППМ, мкВт/см2 Генераторы маломощных установок СВЧ (мощность до 1 Вт, работа на полу- волновые антенны) • в апертуре антенны 100 . . . 10 000 на расстоянии 1—2 м (в луче) 1 ... 100 у открытых ВЧ разъемов (па рас- 1 ... 10 стоянии 10 см) у неплотностей фидеров и шкафов менее 1 с аппаратурой общий фон в помещении с гепера- менее 1 торной аппаратурой Генераторы промышленных РЛС и средств связи в апертуре антенны 10* . . . Ю5 в луче на расстоянии 1—2 км 102 . . . Ю* у неплотностей фидеров и шкафов 1 ... 100 с аппаратурой общий фон ” в помещении с генера- 1 ... 100 торной аппаратурой Палубы и надстройки пассажирских, от единиц до сотен транспортных судов морского флота Палубы и надстройки судов тралово- единицы и сотни ю и рефрижераторного флота Установки для плазменных иссле- дований (предназначенных для термоизо- ляции, исследования взаимодействия плаз- мы с электронным пучком и т. д.) при нормальном состоянии аппара- туры 0,1 ... 17 при открытых дверцах до 44 Радиорелейные линии СВЧ менее 10 СВЧ плиты для приготовления пищи иногда более 1 000 Определить биологическую опасность радиоволн для разработки нормативов облучаемости и необходимых ин- женерно-технических и лечебно-профилактических меро- приятий позволяют экспериментальные биофизические и клинические исследования, рассмотрению которых посвя- щена гл. 2. 38
2. БИОФИЗИКА СВЧ ВОЗДЕЙСТВИЙ. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВРЕДНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ Совершенствование методов нормирования воздейст- вий радиоизлучений и защиты от них позволили до ми- нимума сократить вредные их последствия, снизить вы- раженность СВЧ патологии*. Но в некоторых случаях внезапные воздействия мощными полями (в аварийных ситуациях и т. ш.) и хронические длительные воздейст- вия полями малых уровней, которые иногда встречаются в практике производства и эксплуатации радиоаппара- туры, 'Могут представить определенную опасность. По- этому изучение биологического действия радиоволн яв- ляется важной отраслью радиогигиены, и гигиены СВЧ в частности. Несмотря на то, что синдром **, возникающий в ре- зультате воздействия СВЧ, иногда предлагается назы- вать обобщающим («но, видимо, излишне четким) поня- тием «СВЧ болезнь», клинические проявления его — «синдром СВЧ», «болезнь СВЧ»—-нельзя считать специ- фическими, присущими только этому фактору. Специфи- ческий характер действия радиоволн поэтому проявляет- ся не столько в разнообразии клинических фор-м, лече- нии и профилактике этого действия, сколько в сложно- сти гвзаимоотношений физических характеристик поля СВЧ с биологическими и физиологическими характери- стиками организма. Отсутствие четкого детерминизма в подобных взаимо- отношениях определяет наблюдающиеся обычно много- образие и расплывчатость клинической картины и неод- нозначность экспериментальных данных, в особенности если они получены при воздействиях очень малых уров- ней СВЧ. * СВЧ патология — частный вид профпатологии. Профессиональ- ная патология — нарушение жизненных функций и органические по- вреждения — является следствием воздействия на человека профес- сиональных вредностей, к которым относят токсические вещества, производственные пыли, ионизирующие излучения, токи ультравысо- ких частот, СВЧ, вибрации, интенсивный производственный шум, ме- теорологические условия, изменения атмосферного давления, физиче- ские перенапряжения, частые однотипные движения, инфекционные и паразитные заболевания, вызываемые неблагоприятными усло- виями труда. ** Характерный комплекс симптомов, 39
Описанию биофизики этих взаимоотношений, по воз- можности в обобщенном виде, и -посвящена тл. 2. Сюда же включены и -некоторые вопросы методологии исследо- вания биологического действия радиоволн. Она написана с целью общего ознакомления с вопросом, на наш взгляд, достаточно хорошо рассмотренным в специаль- ной литературе*, на основании которой и написана глава. 2.1. БИОФИЗИКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВЧ НА ОРГАНИЗМ Воздействие мощных электромагнитных полей на человека приводит к определенным сдвигам в нервно- психической и физиологической деятельности, однако, как предполагают, «многоступенчатая» система защиты организма от вредных сигналов, осуществляемая на всех уровнях— от молекулярных до системного, — в зна- чительной степени снижает вредность действия «случай- ных» для организма потоков информации. Поэтому, ви- димо, если и наблюдается определенная реакция на эти поля и очень часто при уровнях, значительно ниже тех, которые необходимы для возникновения энергетического взаимодействия **, то здесь можно говорить скорее о раз- дражающем, чем о поражающем эффекте, т. е. скорее, о физиологическом в общем смысле, чем о патологиче- ском аспекте воздействия электромагнитной энергии. Итак, несмотря-на то, что нетепловые, или специфи- ческие, эффекты воздействия радиоволн открыты относи- тельно давно, определяющим для нормирования опас- ности работы -в условиях воздействия ЭМП во многих странах пока принята степень их теплового действия. 2.1.1. Биофизика теплового действия радиоволн СВЧ. Для выяснения биофизики теплового действия радио- _ * Наиболее полно библиография использованных в данной главе работ приведена в (23, 35, 118]. Вопросы ранней диагностики и льгот рассмотрены соответственно в работах [83 и 153]. ** Например, при В/м наблюдался сосудистый условный рефлекс у человека; при 3 • 102 В/м — изменение слюноотделения у собаки; при 20 мкВ г/см2— изменение энцефалограммы у кролика и даже при 0,3 мкВт/см2 — изменения эпителиальных и промежуточ- ных клеток животных (и это вместо предполагаемых на основе теп- ловой теории: 200 В/м, 10 мВт/см2 для ВЧ и СВЧ соответственно!). Для клетки чувствительность оценивается величиной энергии 10“39 Дж/клетку. 40
волн СВЧ на живые организмы рассмотрим кратко фак- торы, определяющие нагрев тканей при облучении их ЭМИ. Вот главные из -них 1. Существование потерь на токи проводимости и смещения в тканях организма приводит -к образованию тепла при облучении. Количество тепла, выделяемое в единицу времени веществом со средним удельным со- противлением рср (Ом*см) три воздействии на него раз- дельно электрической и магнитной составляющих на ча- стоте f (Гц), определяется следующими зависимостями: QK=8,4- 10-20. рср/2^ [Дж/мин], (2.1.1) Qn=8,4- 10-16*pcpf2f/2 [Дж/мин]. Доля потерь в общей величине .поглощенной телом энер- гии возрастает с частотой; в частности, /потери на релак- сацию молекул воды в тканях возрастает с 50% на ча- стоте 1 ГГц до 98% на частоте 30 ГГц. 2. Наличие отражения на границе «воздух — ткань» приводит к уменьшению теплового эффекта на всех ча- стотах приблизительно одинаково; с увеличением часто- ты от 100 МГц до 24,5 ГГц наблюдается уменьшение ко- эффициента отражения ko на 20. ..30% (табл. 2.1.1). Таблица 2.1.1 Коэффициент отражения k* от границ между тканями при различных частотах Границы раздела Частота, МГц 100 200 403 1 000 3 000 10 000 24 500 Воздух- кожа 0,758 О>684 0,623 0,570 0,550 0.530 0,470 Кожа—жир 0,340 0,227 — 0,231 0,190 0,230 0,220 Жир—мышцы 0,355 0.351 0,300 0.260 1 1" — —— С учетом k20 плотность мощности, поглощаемая те- лом, будет равна /7погл = /7(1—k2o)> (2.1.2) 3. Глубина проникновения энергии СВЧ <в глубь тка- ней (для затухания в е раз) зависит от резистивных и диэлектрических свойств ткани и от частоты (табл. 2.1.2). Жировой слой играет роль «трансформатора импе- дансов» между воздушной средой и мышцами, уменьшая 41
Таблица 2.1.2 Глубина проникновения энергии СВЧ в различные ткани при изменении поля в е раз, в долях длин волн Ткань X, см 300 150 75 30 10 3 1,25 0,86 Головной мозг 0,012 0,028 0,028 0,064 0,048 0,053 0,059 0.043 Хрусталик гла- за 0.029 0,03 0,056 0,098 0,05 0,057 0,055 0.043 Стекловидное тело 0,007 0,011 0,019 0,042 0,054 0,063 0,036 0.036 Жир 0.068 0,083 0,12 0,21 0,24 0,37 0,27 Мышцы 0,011 0,015 0,025 0,05 — 0,10 - Кожа 0,012 0,018 0,029 0.056 0,066 0,063 0,058 — отражение и увеличивая поглощенную мощность в мы- шечной ткани [23, 167]. 4. Соизмеримость размеров тела с длиной волны при- водит к появлению существенной частотной зависимости 0,4 1,0 2,0 10 2Л~~ л* Рис. 2.1,1. Поглощение энергии плоской волны (А.= 10,4 см) в по- лупроводящей сфере (а'=60, а= =0Л См/м) в зависимости от отношения радиуса сферы R к длине волны -Л. взаимодействия поля сте- лем, однако описать ее математически оказыва- ется весьма трудно. При- мер такой зависимости для /простейшего слу- чая — полупроводящей сферы — показан на рис. 2.1.1, из которого видно, что изменение радиуса всего лишь на 10 .15% может изменить относи- тельное поглощающее се- чение сферы S (отноше- ние мощности, поглощае- мой в полу<Н|роводяшей сфере, к мощности, -па- дающей на ее поперечное сечение при распростра- нении плоской волны в воздухе) в десятки раз. При d<^)v (так называе- мая рэлеевская область) с увеличением объекта поглощаемая им энергия возрас- тает пропорционально 4-й степени его радиуса. Эго 42 • 1I
заставляет сделать вывод о чрезвычайно высокой зави- симости эффекта облучения тела человека от поляриза- ции и ракурса освещения его радиополем СВЧ в реаль- ных условиях; впрочем причина влияния поляризация может -крыться просто в изменениях доли поглощаемой энергии. 5. Существование между различными слоями тела слоев с малой диэлектрической -проницаемостью приво- дит к возникновению резонансов—стоячих волн большой амплитуды. Образование таких областей облегчается значительным (в 3. ..10 раз, см. табл. 2,1.3) уменьшена- Таблица 2.1.3 Коэффициент уменьшения длины волны 6тк~Х0АТк для частот 100...35000 МГц Ткань см 300 150 75 30 10 3 1,23 0,83 Головной мозг 9,7 7,8 6,5 6 5,7 5 6.1 4,1 Хрусталик гла- за 9 6,7 СП ю 5,7 5,7 5,2 6,1 4,1 Стекловидное тело 13 11,5 9,4 6,8 8,5 7,6 8.8 5,4 Жир 3,14 2,6 2,5 2,4 2,6 2,07 1,8 —— Мышцы 11 9,2 8 7,3 — 5 —- ——- Кожа 10,8 8,3 7,5 6.8 6,8 6 4,9 — ем длины волны в тканях по сравнению с длиной волны в свободном пространстве (частота, однако, остается не- изменной!). При этом уже на расстоянии /?>ХТк/(1 ••• ...2) л устанавливается волна с параметрами Егк и определяемыми свойствами ткани вне зависимости от характера падающей волны. Уменьшение длины вол- ны уменьшает и минимальные объемы, необходимые для установления стоячих волн, которые приводят, в частности, к так называемым микронагревам. При экс- периментальных облучениях животных замечался как отрицательный, так и положительный градиент измене- ния температуры от поверхности внутрь тела. 6. Перераспределение тепловой энергии 'Между сосед- ними тканями через кровь наряду с конвекционной отда- чей энергии теплоиспусканием в окружающее простран- ство во многом определяет температуру нагреваемых участков тела. Именно из-за ухудшенной системы отвода 43
тепла от некоторых сред (глаза и ткани семенников — в них очень мало кровеносных сосудов) эти органы тела наиболее уязвимы для облучения. Например, при облу- чении глаз кролика энергией плотностью от 0,12 до 0,6 Вт/ом2 образовывается катаракта при времени облу- чения, соответственно, от 270 до 5 .мин (рис. 2.1.2). При этом температура внутри глаза поднимается на 4. ..16°С (критическим для глаз считается 'повышение температу- Плотность мощности, мВт/см2 Рис. 2.1.2. Значение пороговых величин плотно- сти мощности при разных длительностях одно- кратного облучения на частоте 2450 МГц для глаз кролика. ры на 10°C). Высокая чувствительность семенников к облучению связана с известным фактом, что при нагре- вании их всего на 1 °C возникает частичная или полная временная стерилизация. Минимальное пороговое зна- чение плотности мощности облучения для семенников (при длительном воздействии) составляет 5 мВт/см2. 2.1.2. Специфическое действие радиоволн СВЧ. Не- смотря на то, что предположение о специфическом дей- ствии радиоволн было высказано еше в середине соро- ковых годов, до 1952 г. экспериментально они обнаруже- ны не были [194]. Обнаружить и исследовать прямыми методами специфическое действие радиоволн и в настоя- щее нремя оказывается задачей до-вольво трудной, так как оно сводится к тончайшим изменениям в организме и проявляется, как правило, лишь косвенно. Эти изме- нения сейчас принято объяснять несколькими причина- ми. Одной из них считается наличие в биосредах «мик- ропроцессов», связанных с так называемым явлением 44
«жемчужной цепочки» (выстраиванием суспендирован- ных частиц ряда веществ, в том числе лейкоцитов и эри- троцитов, параллельно электрическим силовым линиям), «диэлектрическим насыщением» в растворах белков и других биологических макромолекул ;(которое приводит к разрыву внутри- и межмолекулярных связей), участи- ем сил Лоренца, -приводящих к перемещению в электро- лите положительных и отрицательных ионов в направ- лении, перпендикулярном направлению магнитных сило- вых линий. Наибольший интерес представляют явления, связан- ные с резонансным поглощением ЭМП белковыми моле- кулами, которое, в частности, объясняется существова- нием в обычных средах множества конфигураций распре- деления в молекуле протонов, мало отличающихся по величине свободной энергии. Из-за флуктуаций распре- деления протонов могут происходить диполь-дипольные вз а и м оде й ст в и я, ст и м ул и ро в а н н ы е до по л н ител ьн ы м квантом энергии в пределах верхнего диапазона СВЧ. Открытие явления резонансного поглощения в био- сферах имеет большое значение для понимания процес- сов, протекающих в живых организмах при воздействии радиоизлучений. В частности, с явлением резонансного поглощения тесно связано мутагенное действие микро- волн. • С усложнением биологического вещества неизменно усложняется процесс его взаимодействия с электромаг- нитным полем. Например, при объяснении чувствитель- ности нервных клеток к ЭМП считаются вероятными сле- дующие механизмы действия: — 'детектирование ЭМП в 'мембране нервной клетки; влияние ЭМП на подвижность ионов, в частности на способность проникать через мембрану нервной клетки; — изменение калийного градиента внутриклеточной среды; — «упорядочивание» колебаний ионов под воздейст- вием поля, -приводящее к изменению характера и вели- чины чувствительности рецепторов; — влияние на собственные частоты предполагаемого электромагнитного обмена, особенно вероятного для ан- самбля -клеток и тем более всего организма. С развитием и усложнением организма кроме про- стейших физико-химических механизмов все большее и 45
большее влияние на организм в целом оказывают эф- фекты, которые -принято связывать с так называемыми! физиологическими и биофизическими механизмами дей- ствия, включающими как неразрывное целое информа- ционный аспект радиоволн. Эти и другие, еще более- сложные, процессы, сейчас, возможно, еще не до конца’ ясные, определяют вторичные эффекты воздействия по- ля, которые происходят, как правило, на дотеплавых энергиях. Это — кумуляция, стимуляция, сенсибилизация, возникающие как следствие развитой способности слож- ных систем накапливать тепловое и информационное воздействие. Кумуляция приводит к тому, что «при воздействии пре- рывистого облучения суммарный эффект накапливается и зависит от величины эффекта с самого начала воздей- ствия; при перерывах в воздействии увеличивается об- щее время облучения, необходимое для появления дан- ного эффекта. Сенсибилизация заключается в повышении чувстви- тельности организма после слабого радиооблучения к по- следующим воздействиям (в опытах на СВЧ к значи- тельно более мощным облучениям, вблизи летального порога). Стимуляция — улучшение под влиянием поля общего состояния организма или чувствительности отдельных; его органов. Например, на притепловых энергиях наблю- дается стимулирующее действие микроволн: улучшение чувствительности глаз человека, адаптированных к тем- ноте; на более высоких интенсивностях этот эффект не* отмечается [176, 184]. Некоторые реакции целостного ор- ганизма на СВЧ воздействия можно описать следующим' образом: чувствительность организма к воздействию- энергии СВЧ начинается при средних уровнях, порядка долей микроватт на квадратный сантиметр и до единиц милливат на квадратный сантиметр продолжается фаза угнетения; далее наступает фаза стимуляции, а на плот- ностях более 10 мВт/см2 снова наступает фаза угнетения. Относительно недавно обнаружено дезадаптирующее действие СВЧ излучений — снижение приспособляемости организма к другим видам воздействия, в частности к шуму, рентгеновским излучениям, тепловому воздейст- вию [119а, 147а]. К специфическим эффектам воздействия радиоволн, связанным с волновой структурой поля, мож- но отнести и влияние поляризации и ракурса освеще- 40
пия. Из биофизических экспериментов известно, что из- менение расположения тела по отношению к векторам поля может привести к резкому изменению эффективно- сти воздействия радиоволн, в частности, к изменению числа летальных исходов среди животных. Известно так- же, что изменение направления прихода волны облучаю- щего поля также в значительной степени влияет на эф- фективность воздействия. Наиболее опасным считается облучение по оси грудь—спина, наименьшее — с ног. Кроме изменения площади поперечного сечения, боль- шую роль здесь играет соотношение размеров тела с длиной волны. Наконец, как мы увидели выше, организм животного и человека небезразличен к локализации электромаг- нитной энергии на определенных органах. Как уже отме- чалось, наиболее чувствительными к облучению в на- стоящее время считаются семенники и глаза. Характер- но, что если рассматривать поле как непосредственно раздражающий фактор центральной нервной системы, то теоретически установленной границей такого воздей- ствия считаются 1 000... 3 000 МГц. Это же подтвержда- ется последними экспериментальными исследованиями [168, 169]. Чувствительность органов к воздействию ра- диоволн резко повышается, если в них имеются те или иные металлические включения, тем более если они соизмеримы с длиной волны. Может возникнуть вопрос, почему организм сам в ходе эволю- ционного процесса не выработал механизмы, регулирующие состоя- ние нашего организма в оптимальных пределах. Причину этого от- крыли совсем недавно. Вкратце идея этого открытия заключается в следующем. Поведение организмов, вся их деятельность подчинена не инте- ресам особи, а интересам вида. Удалось понять, что не стимулиру- ются и не могут стимулироваться сами собой механизмы борьбы с неблагоприятными причинами, следствия которых проявляются после среднего в роду возраста воспроизводства: эти механизмы на-’ холились и находятся вне рамок, вне сферы действия естественного отбора. Внутри этих рамок замкнуты связи (т. е. стимулируются механизмы), направленные только на увеличение количества потом- ства и увеличение жизнеспособности молодого организма до появле- ния потомства (рис. 2.1.3 и 2.1.4). После среднего возраста воспро- изводства организм предоставлен самому себе, и ни одна из причин (в том числе и воздействие СВЧ поля), следствия которых прояв- ляются в этот период, не включена в цепь ни положительной, ми отрицательной обратных связей, и поэтому не может нЖ затухнуть, ни возгореться сама, если только она не ведет к самоустранению или не повернута вопреки ему нашими разумом и волей. Или — или. Только этим можно объяснить, почему в нас находят место поло- 47
жительные мотивации некоторых наших поступков, наклонностей и вкусов» например по отношению к определенной пище, музыке и т. п., несмотря на их явно пагубное действие [33» 52» 120, 128]. Сейчас на биологическом уровне нами руководят механизмы, которые мы унаследовали от наших далеких предков, в частности» отработанные еще на этале господства естественного отбора меха- Рис. 2.1.3. Систему биологических механизмов, регулирую- щих всю жизнедеятельность организма, можно представить в виде плотного жгута прямых в системе координат воз- раст—время. Повреждения механизмов, вызывающие те или иные расстройства, изображены на рисунке в виде изги- бов прямых (расположение относительно условное). низмы положительных и отрицательных обратных связей, направ- ленные на поддержание в нас высшего тонуса до среднего в роду по мужской линии возраста воспроизводства. Все это, видимо, действительно заставит признать заслуживаю- щей внимание точку зрения, согласно которой механизмы естествен- ного отбора больше не кажутся нам безусловно полезными. Впро- чем, в справедливости природе отказать нельзя: каждый из нас, по-видимому, одарен механизмами самоустранения ровно настолько, насколько высоко мы занимаем положение на биологической лест- нице, получив его по наследству или завоевав своей волей. Некоторые приемы биологического самосовершенствования были известны давно ]33, 86, 195], но постепенно под давлением ряда причин они оказались забытыми или были оставлены в рудиментар- ном состоянии. Сейчас это положение активно исправляется (3, 16. 29, 52, 90, 120, 126]. Попытки отработки эффективных и применимых в массе способов использования собственных защитных сил орга- низма для профилактики вредных последействий воздействия СВЧ [23] пока более чем -скромные. Они предприняты фактически заново без использования уже имеющегося богатейшего опыта борьбы за здоровье, накопленного тысячелетиями и с успехом подтвержденного в наши дни (16, 106, 107, 115а, 121 и др.]. 48
На основе гигиенической оценки СВЧ облучения И описанных клинико-физиологических данных по функ- циональным изменениям под действием радиоволн СВЧ советские исследователи еще до 1956 г. определили пре- дельно допустимые уровни для волк 3- и 10-см диапазо- нов. На основе этих определений в СССР установлены действующие поныне предельно допустимые интенсивно- сти облучения микроволнами. Американские ученые исходили из иной основы для установления предельно допустимых норм. За критерий вредности радиоволн СВЧ они (также до 1956 г.) приия- Рис. 2.1.4. Число болезней и непоправимых повреждений организма резко возрастает после среднего в роду возраста воспроизводства. Зона Л — период почти полной стабилизации системы, господство механизмов биологического самосовершенствования. Зона Б — сред- ний период воспроизводства в роду (по мужской линии). Зона Б — дестабилизация системы. Преобладание механизмов самоустранения. ли не функциональные сдвиги, как правило обратимые, а более заметные морфологические изменения, предло- жив в качестве предельно допустимой интенсивность 0,01 Вт/см2 (10 мВт/см2) вне зависимости от времени воздействия. Эта величина и была принята большинст- вом ведомств и фирм США за основную (см. рис. 1). С принятием в США в 1966 г. единого стандарта пре- дельно допустимый уровень (10 мВт/см2) фактически остался как основа, корректируемая в зависимости от времени облучения и температурно-влажностных усло- вий в большую и меньшую сторону (1... 100 мВт/см2). Об этих нормативах см. в гл. 3. 4—393 49
В Советском Союзе проводятся широкие гигиениче- ские исследования, направленные на выяснение профес- сиональной вредности СВЧ радиоволн. Исследования позволили выявить у лиц, подвергавшихся хроническо- му СВЧ воздействию, определенные изменения со сторо- ны нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринных желез, крови и лимфы, хотя в -подавляющем большинст- ве случаев эти изменения носят обратимый характер. При хроническом действии СВЧ поля были обнаружены также случаи помутнения хрусталика и снижения обо- нятельной чувствительности человека [155а, 152а]. Наиболее общим эффектом действия на организм че- ловека электромагнитных излучений малых уровней (единицы милливатт) является дезадаптация •- наруше- ние функций механизмов адаптации, регулирующих при- способительные реакции организма к изменениям усло- вий внешней среды {к теплу, холоду, шуму, психологи- ческой травме и т. п.), т. е. СВЧ поле является типич- ным стрессором. Предположение о дезадаптирующем действии радиоволн было высказано давно [118], а ре- зультаты проведенных конкретных исследований этого аспекта биологического действия радиоволн опублико- ваны в 1970 г. [147]. 2.2. КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ СВЧ ПОЛЕЙ Исследования влияния на организм микроволн были начаты еще в довоенные годы, однако из-за низкого технического уровня средств и методов радиометрии тех лет полученные данные потре- бовали тщательной перепроверки. На новом, более высоком мето- дическом уровне изучение особенностей влияния СВЧ излучений на организм начали проводить только после окончания второй мировой войны. В нескольких тысячах работ, посвященных этому вопросу, нашли отражение все основные методики — физиологиче- ские, биохимические, биофизические, — принятые в клинике и био- логическом эксперименте. Однако технические приемы обеспечения экспериментов облучения электромагнитной энергией и измерение необходимых ее параметров, разработанные в самые последние годы, пока еще нельзя считать в достаточной мере унифицированными, поэтому в ряде случаев еще наблюдается заметное различие в ре- зультатах, полученных различными исследователями (последний сим- позиум в Ленинграде как раз и был посвящен устранению этого положения [119а]). Для анализа и оценки изменений, вызванных облучениями не- больших интенсивностей, в первую очередь используют методы ис- следования защитно-приспособительных реакций организма, а при 50
воздействиях больших интенсивностей —* реакций, отражающих более глубокие изменения функционального состояния организма. Здесь находят применение методы исследования центральной нервной системы, вегетативной нервной системы, эндокринной, а также гор- монов, медиаторов, ферментов и других биологически активных ве- ществ. которые осуществляют регуляторные функции организма. Рассмотрим эти методы. 2.2.1. Нервная система. При исследовании влияния СВЧ полей на нервную систему особое внимание уделяется изучению централь- ной нервной системы (ЦИС), регулирующей активные и пассивные взаимосвязи организма с внешним миром, и вегетативной нервной системы, которая обеспечивает целостность и согласованность всех функций внутри самого организма. Функциональные пробы вегетативной нервной системы при ис- следовании аппарата кровообращения включают в себя: — определение колебаний частоты пульса при совершенно спо- койном дыхании и при глубоком вдохе и выдохе; — -пробу с надавливанием на глазные яблоки (так называемая «проба Ашнера»), в результате которого вызывается замедление ритма сердечных сокращений, снижение артериального давления; — электрокардиографию. .Для более полного выявления состояния вегетативной нервной системы в настоящее время пользуются главным образом наблю- дениями за белым и красным дермографизмом, за кожной гиста- миновой и адреналиновой пробой. Красный дермографизм возникает под действием механического раздражения кожи туловища как следствие расширения сосудов в результате прямой реакции капил- ляров. При выполнении пробы измеряют скрытый период реакции до появления покраснения кожи. Далее определяют в минутах пе- риод сохранения красноты кожи, вплоть до ее полного исчезновения. При проведении кожных проб в самые верхние слои кожи вводят гистамин или адреналин и наблюдают скрытый период, затухание реакции и размеры пятна гиперемии. Дисфункцию, т. с. нарушение функции вегетативной нервной си- стемы, выявляют по лабильности (подвижности) уровня сахара в крови, по склонности к понижению или повышению уровня сахара после нагрузки 50...100 г сахара — декстрозы. Одним из признаков вегетативном перевозбудимости мускула- туры, учитываемых в исследованиях СВЧ синдрома, является тре- мор, т. е. непроизвольные, ограниченные по распространенности ритмичные и однообразные движения, дрожание (пальцев, век). Известно, что вегетативная нервная система регулирует обмен веществ организма. Для проверки реактивности вегетативной нерв- ной системы исследуют основной обмен веществ. Но количеству поглощенного кислорода и выделенной углекислоты определяю! дыхательный коэффициент и отсюда но калориметрическому эквива- ленту кислорода вычисляют теплопродукцию в калориях за 24 ч, вы- ражающую обмен в покое натощак, или основной обмен. Влияние СВЧ поля па центральную нервную систему обнаруживают и при наблюдении за поведением животных и при исследовании условных и безусловных рефлексов. Действие электромагнитных полей СВЧ на поведение живот- ных проявляется в изменении общей двигательной активности, в стремлении животных уйти из зоны воздействия, в ориентировоч- ных реакциях на СВЧ поля. Исследование влияния СВЧ излучения 4* 51
на условнорефлекторную деятельность проводится в двух основных направлениях: 1) СВЧ поле используют как условный раздражитель при выработке условнорефлекторных реакций; 2) изучают влияние СВЧ излучений на условнорефлекторные реакции, вызванные други- ми условными раздражителями; используют обычно пищедобыва- тельные, двигательные, электрооборонительные условные рефлексы. Условнорефлекторныс методики применяют и при изучении дей- ствия СВЧ облучения на потомство. В ряде исследований, проведенных за последние годы, были обнаружены реакции головного мозга па действие СВЧ поля, вы- ражающиеся в структурных изменениях, а также в изменении биоэлектрической активности структур мозга. Электроэнцефалогра- фические исследования проводят при воздействии СВЧ поля на голову, на отдельные участки тела и, наконец, при общем воз- действии. Регистрацию биоэлектрической активности начинают до воздействия СВЧ излучений и продолжают во время и после воздействия: в некоторых опытах из-за наводок на электроды — только до и после воздействия или применяются специальные высо- коомные отведения. Исследования проводят на интактных (непо- врежденных) животных, в головной мозг которых вживляют элек- троды; на животных, в головном мозгу которых электрокоагуля- цией были разрушены отдельные подкорковые структуры; на пре- паратах изолированного мозга (перерезка на уровне среднего мозга) и, наконец, на изолированной полоске коры головного мозга. По мнению ряда исследователей, электрофизиологические методы позволяют регистрировать изменение функционального состояния ЦНС при значениях ППМ порядка 1 мкВт/см2. В настоящее время характер изменения электроэнцефалограммы служит одним из кри- териев оценки состояния здоровья специалистов, работающих с ге- нераторами СВЧ. Наконец, еще одним, крайне важным способом изучения био- логического действия СВЧ на нервную систему является изучение химического состава нервной ткани и изменений качественного и количественного состава, которые возникают в ней в процессе нервной деятельности. Однако анализ литературных данных пока- зывает, что биохимические методы почти нс нашли своего приме- нения в этих исследованиях. Исключение составляет методика опре- деления фермента холинэстеразы, отмеченная ниже. 2.2.2. Эндокринные железы. В теслом взаимодействии с веге- тативной нервной системой гормоны эндокринных желез в своих взаимосвязях образуют функциональные системы, которые под- держивают на нормальном уровне углеводный, белковый, минераль- ный и водный обмены, как и весь обмен веществ в целом, а тем самым жизнь вообще. Исследование функций желез внутренней секреции проводят, используя: 1) изучение сдвигов в картине крови — подсчет числа эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, эозинофилов, определение содержания гемоглобина, времени свертывания крови; 2) определе- ние содержания аскорбиновой кислоты в надпочечниках, по ко- торому можно судить об активности гипофиза; 3) прямое опре- деление в крови и моче гормонов коры надпочечников. Последние методы позволяют прямо судить о состоянии гормонообразователь- ной функции гипофиза и надпочечников. Изучение функций половых желез животных включает в себя исследование динамики веса семенников, макро- и микроструктуры 52
их и яичников, .а также степени жизнеспособности (рост, вес, про- должительность жизни) потомства животных, облученных в период беременности. Уровень функционального состояния щитовидной, железы опре- деляют: 1) по уровню йода в крови, 2) пробой с нагрузкой радио- активным йодом (принцип метода основан па том, что дают людям внутрь определенную дозу радиоактивного йода и исследуют нако- пление его в щитовидной железе и выделения с мочой; 3) по уровню содержания сахара и холестерина в крови. 2.2.3. Кровь и лимфа. Кровь и связанная с ней лимфа, являясь внутренней средой организма, выполняют ряд исключительно важ- ных физиологических функций. Несмотря на непрерывное поступле- ние в кровь и выведение из нее различных веществ, химический состав крови в норме довольно постоянен. Все случайные колебания в составе крови в здоровом организме быстро выравниваются. Напротив, при многих патологических состояниях наблюдаются более или менее резкие сдвиги в химизме крови. Отсюда попятно значение химических и физико-химических исследований как цельной крови, так -и плазмы. Клиническое значение анализов крови опреде- ляется также тем, что их можно делать многократно. Как указывалось выше, при изучении действия СВЧ поля в кро- ви определяют число эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, эозино- филов, содержание гемоглобина и т. д. Определение содержания в крови ионов Na, К, Са, С-, общее содержание, белка, сахара, холе- стерина позволяют судить о нарушениях минерального, белкового, углеводного и жирового обмена. 1. Белковый обмен. Одним из показателей состояния белкового обмена является общее содержание белков в крови и соотношение отдельных белковых фракций. Уже в начальных стадиях развития различных профессиональных заболеваний, з том числе под дейст- вием СВЧ, наблюдаются сдвиги как в содержании белков, так и в соотношении их фракций. Для определения белковых фракций используют различные методы. Очень часто применяют метод элек- трофореза, принцип которого заключается в том, что скорость дви- жения различных белков в электрическом поле различна и зависит от отношения величины заряда молекул белка к его массе. В строго одинаковых условиях эта скорость постоянна для каждого индиви- дуального белка, что дает возможность разделить их па отдельные группы. 2. Углеводный обмен. Обычно определяют содержание гликогена, сахара в крови, сахара и пировиноградной кислоты в моче. Иногда возникает потребность исследовать кривую изменения содержания сахара в крови после нагрузки глюкозой. При влиянии СВЧ поля возможно нарушение активности отдельных ферментных систем, уча- ствующих в расщеплении углеводов. Методы определения этих на- рушений не выходят за рамки стандартных. 3. Жировой обмен. Как указывалось выше, в клинических усло- виях и в лабораторных экспериментах при изучении влияния СВЧ поля на обмен жиров наибольшее распространение получил метод определения холестерина, основанный на цветной реакции, возни- кающей при взаимодействии уксусного ангидрида, ледяной уксусной кислоты, серной кислоты и холестерина. 4. Обмен минеральных солей. При СВЧ воздействии наблюдают- ся изменения в содержании хлоридов, натрия, калия, кальция, фос- 53
фатов. Натрий и калий определяются методом пламенной фотоме- трии, хлориды, фосфаты, кальций — титрометрическим методом. 5. Обмен витаминов. Методы определения содержания витами- нов в крови и моче занимают важное место при изучении биологи- ческого действия СВЧ. Так, довольно четким является снижение содержания витамина С, тиамина (витамин В[), которые определя- ются флуорометрически. 6. Ферменты. Определение активности ферментов используют для ранней диагностики многих профессиональных заболеваний. Измене- ние активности холинэстеразы крови может быть ранним показателем воздействия СВЧ излучения. Из методов определения активности холинэстеразы в крови удобен колориметрический, основанный на определении интенсивности цветной реакции в монохроматическом свете. В настоящее время разработаны экспрссс-мстоды определения активности ферментов. Они ценны своей простотой, скоростью, на- дежностью и возможностью осуществления в любой лаборатории. Создан целый ряд микро- и ультрамикрометодик, при которых для исследования употребляют крайне малое количество биологического материала. Методы, упомянутые выше, достаточно полно характеризуют способы исследования всех основных реакций организма на воздей- ствие СВЧ полей. Заключая рассмотрение биологического действия ра- диоволн СВЧ, попробуем кратко оцепить те успехи, ко- торые достигнуты наукой к настоящему времени. Преж- де всего, получены неопровержимые данные о влиянии СВЧ на организм человека и животных. Были полу- чены экспериментальные данные ло определению коли- чественных характеристик этого влияния. Некоторые из иих, наиболее характерные, приведены в табл. 2.1. Даже поверхностный анализ этих данных показывает, что ис- следователи предпочитают диапазон интенсивностей 5 ... К) мВт/см2 и выше. И это легко объяснить: ведь на интенсивностях ниже этих величин .получаемый эф- фект очень мал, он теряется в естественных «шумах» организма, определяемых внутренними, происходящими в организме, и внешними по отношению к нему процес- сами *. Имеющиеся в таблице данные на уровне ниже 0,1 ... 1 мВт/см2 просто подтверждают имеющуюся чув- ствительность организма (точнее, его отдельных систем) к воздействию СВЧ—-так же, как, например, действует па наш глаз свет (как известно, для этого достаточно всего двух-трех квантов). При длительном воздействии * Для выявления изменений в организме вследствие влияния ноля малых интенсивностей зачастую пользуются весьма тонкими ма- тематическими методами (см., например [1151). 54
Таблица 2.1 Некоторые данные 0 воздействии СВЧ поля на человека и животных, расположенные по шкале интенсивностей П t Вт —Г*. О I см2 ‘ I 6 1 см2 5 4 3 2 102 8 6 о 4 3 2 10 8 6 5 4 3 2 Катаракта глаз собаки после облучения в течение 10 мин Катаракта глаз собаки после облучения в течение 3 ... 5 ч (и. ч.)* Болевое ощущение при облучении Кратковременное повышение кровяного давления; через 20 ... 60 мин — резкое падение (у кошки, кролика, собаки) (н.) Уродства потомства после облучения в течение 10... 15 мин куриных яиц (л=12,6 см); гибель ко- шек и кроликов (г1-20... 60 мин). Угнетение окислительно-восстановительной способ- ности ткани (ч.) При включении повышение кровяного давления с последующим резким спадом; при хроническом воздействии — стойкая гипотония. Стойкие морфоло- гические изменения со стороны сердечно-сосудистой системы. Двухсторонняя катаракта Учащение, затем замедление и остановка сердца лягушки (н.) ^Морфологические изменения в легких (разрыв ка- пилляров и множественные кровоизлияния, = 3... 10 см), в печени (расширение сосудов и кро- воизлияния, Х=10 см). Подъем кровяного давления на 20 ...30 мм рт. ст. (облучение в течение 0.5... 1 ч) (н.) Повышение окислительно-восстановительной спо- собности ткани (ч.) Изменение условнорефлекторной деятельности, мор- фологические изменения в коре головного мозга (в.) Неопределенные сдвиги со стороны крови (время облучения 150 ч), изменение свертываемости крови. Гиперплазия клеток печени А=3... 10 см, (хрониче- ское воздействие). Электрокардиографические изме- нения (длины волн, кроме дцв). Изменение в рецеп- торном аппарате Пороговая интенсивность, при которой замечены измене- ния в семенниках и изменения кровяного давления (облучение многократное). Непродолжительная лей- копения и эритропения. Помутнение хрусталика (ч.) Выраженный характер снижения кровяного давле- •ния, учащение пульса, колебания объема крови сердца 55
П родолжениа табл. 2,1 п t мВт ' см2 ’ 8 6 5 4 3 2 102 8 6 5 4 3 t мкВт _ 2^ I см2 (ч.) Снижение кровяного давления, тенденция к учаще- нию пульса, незначительные колебания объема кро- ви сердца. Понижение уровня кровяного давления; снижение офтальмотонуса (/: ежедневно 3,5 меся- ца). Дезадаптация, расстройка механизмов управле- ния иммунологической защиты (и). Угнетение соковыделения у собак (в., ч.) Некоторые изменения со стороны нервной систе- мы при облучении в течение 5...10 лет Невроз у собак (н.) Электрокардиографические изменения, дц^ (н.) Тенденция к понижению кровяного давления при хроническом воздействии (ч.) Урежение пульса, тенденция к снижению арте- риального давления. Наблюдаемые случаи чувстви- тельности организма. Выраженное повышение тем- пературы кожи у лиц, подвергавшихся ранее СВЧ воздействию. Примечание. Данные, отмеченные буквой ч, относятся к человеку, остальные — к животным; значения ППМ, отмеченные буквой и, являются нижними из указанных авторами. полями выше 0,1 мВт/см2 появление физиологических приспособительных реакций, в отличие от патологиче- ских, на уровнях выше 10... 100 мВт/см2 На уровнях плотностей порядка сотен микроватт на квадратный сантиметр заключение о вредном дей- ствии на организм СВЧ излучений заявляется авторами исследований не столь единогласно, как может по- казаться после просмотра гл. 2. Например, известна ра- бота Ф. И. Поляковой [23], которая нашла, что под влиянием поля с интенсивностью около 1 мВт/см2 точ- ность реагирования животных на движущийся объект повышалась. О стимулирующем действии поля СВЧ со- общалось и в других работах, например [118]. В литера- туре приводилось даже заявление одного испытуемого об улучшении самочувствия (уменьшении раздражи- тельности) иод влиянием СВЧ излучений. Все это в q6- щем согласуется с учением И. М. Сеченова, И. П. Пав- лова и Л. А. Орбели о положительном трофическом влиянии слабых раздражителей. 56
При /7>5 ... 10 мВт/см2 и хроническом действии по- лей меньших интенсивностей наблюдается, как правило, отрицательное влияние облучения; появляется повышен- ная утомляемость, слабость, вялость, разбитость, а так- же раздражительность, головокружение. Иногда наблю- даются приливы к голове, чувство жара, половая сла- бость («по типу ослабления влечения), приступы тошноты и даже потемнение в глазах. Генетические «последствия воздействия радиоволн изу- чены пока недостаточно. В одной из лабораторий США серьезно исследуется вопрос о корреляции между рож- дением монголоидных детей (болезнь Дауна) с облуче- нием их отцов СВЧ энергией. Найдено, что большинство таких детей имеют отцов, облученных во время второй мировой войны радиополем локаторов [194а]. Из объективных симптомов можно назвать следую- щие: эмоциональная лабильность (непостоянство), рав- номерное оживление сухожильных рефлексов, гиперги- дроз, стойкий дермографизм, снижение чувствительно- сти кожи к ультрафиолетовым лучам и др. Обнаружено дезадаптирующее действие радиоволн. Большинство эф- фектов были обратимыми и, как правило, прекращались ла 3-й —4-й день после прекращения облучения*. Кроме интенсивности, другим более или менее иссле- дованным па сегодня параметром поля СВЧ является время воздействия, но эти исследования, при которых оно специально учитывалось, были проведены лишь на высоких уровнях, притом касаются лишь общего вре- мени облучения и почти не включают изучения влияния временных характеристик модуляции. К настоящему времени неизвестно, проводятся ли исследования влияния на организм или хотя бы учет в эксперименте отдельных составляющих электромагнит- ного поля СВЧ, которые, между тем, могут резко изме- нить условия воздействия облучения и потому должны учитываться хотя бы в первом приближении. Этим и некоторым другим вопросам, связанным с нормирова- нием поля СВЧ, посвящена гл. 3. * Заключение к гл. 2 написано по материалам работ К. П. Мо- локанова [103], Н. В. Тягина [153], а также монографии под ред. И. Р. Пет.рова |23], за исключением работ, ссылки на которые сде- ланы в тексте. 57
1 3. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Наиболее важным биофизическим аспектом радио- гигиены и медикобиологической науки в целом является установление количеств и форм воздействия электромаг- нитных полей, потенциально опасных для человека, т. е. нормирование. Критерии опасности могут быть различ- ными: например, определенная доля летальных исходов или необратимых отрицательных последствий, кратко- временное снижение трудоспособности до минимально возможного уровня, еще обеспечивающего выполнение определенной задачи; появление обратимых последствий, ухудшение самочувствия или, наконец, появление пер- вых выраженных реакций организма и гипотетически устанбвленных «генетических последствий». В зависимо- сти от обстоятельств выбирается тот или иной критерий. Нормирование включает в себя как первый и весьма важный элемент выбор критерия, ибо различие в вели- чинах энергий, биологически эквивалентных* всем пе- речисленным выше критериям, составляет огромную ве- личину, 1010...1012 раз. На современном этапе развития радиобиологии неионизирующих излучений в условиях мирного времени как при хроническом, так и при стрес- сорных воздействиях автоматически проявляются только три критерия: 1) снижение производительности труда; 2) «чувствительность к воздействию», т. с. появление первых выраженных признаков реакции организма на радиоизлучение как на воздействующий фактор в целом или его отдельные параметры; ухудшение самочувствия, 3) появление едва уловимых обратимых последствий**. * Биологический эквивалент—максимальная величина действую- щего параметра (в простейшем случае — энергии), допустимая при заданном (выбранном) критерии безопасности, степени снижения производительности труда за определенный отрезок времени (обычно за неделю), и т. п. ** Это привело в свое время к появлению нормативов с очень большим «коэффициентом запаса». В последнее время в военной литературе серьезно ставится вопрос о так называемом многоуровне- вом нормировании [87]. В соответствии с этой работой, требования к военному нормированию должны быть следующими: оно должно быть динамическим (зависеть от времени воздействия, от неблаго- приятных факторов среды и т. п.), дифференцированным (в зависи- мости от функционального состояния организма, возраста, от требо- ваний, предъявляемых к специалисту, и от условий боевой работы), многоуровневым — в частности, зависимым от ответственности работ, выполняемых специалистом, от цены ошибки. Предлагается ввести 58
На выбор критерия, а следовательно, биологического эквивалента, кроме биофизических данных, весьма замет- ное влияние оказывают этнографические и социальные факторы, а также моральные и этические нормы, кото- рым следуют конкретные лица, занимающие ключевые позиции в этой области. Для определения критерия опасности в радиобиоло- гии ионизирующих излучений в самое последнее время предлагается концепция оправданного беспорогового риска, которая, отличие от существующей до сих пор концепции порогов опасности и коэффициентов безо- пасности, предполагает учет степени повышения риска для человека при действии на него какого-либо фактора, например радиации. Действительно, радиация, СВЧ поле добавляют лишь какую-то часть к общему риску смерти, болезни или потери трудоспособности из-за действия других самых разнообразных факторов, воздействию которых может подвергаться человек в течение всей своей жизни. Риск в любом виде человеческой деятельности оправдывается получаемой при этом пользой, которая, считается, не может быть получена иным путем. В идеальном случае риск за счет действия неблагоприятного фактора дол- жен компенсироваться извлекаемой пользой, но этот подсчет удается сделать пока лишь в очень редких слу- чаях, и при выборе величины предельного риска (за всю жизнь индивида) его пока приходится соизмерять с рис- ком в других, наиболее благоприятных, неопасных видах человеческой деятельности. Для снижения опасности облучения, установленной для всей жизни, дозы действующего фактора за более короткий период — год, месяц — приходится лимитиро- три вида норм: допустимые (ДУ), или эксплуатационные, — для обычных условий эксплуатации или при выполнении ответственных работ, связанных, например, с сохранением жизни значительного контингента людей; предельно допустимые (ПДУ), предусматриваю- щие снижение эффективности боевой работы до определенного уров- ня, и предельно переносимые (ППУ), которые могут быть установ- лены для аварийных режимов и т. п. Превышение ППУ грозит выходом из строя личного состава. Гражданское нормирование должно отражать снижение производительности труда под дей- ствием неблагоприятных условий труда (психофизиологических и са- нитарно-гигиенических, в том числе и СВЧ воздействий). Попытка увязать эти факторы с производительностью труда сделана В. Л. Кры- ловым (75{. Результаты его работы использованы нами при написа- нии п. 7.4.4. 59
вать годовые, месячные пределы дозы, устанавливая тем самым определенные коэффициенты запаса. Выбор критерия опасности может считаться правиль- ным, если он хотя бы приблизительно совпадает с кри- териями, выбранными для нормирования других сани- тарно-гигиенических и психофизиологических профвред- ностей. Такого совпадения при существующих сверхже- стких нормативах СВЧ пока еще наблюдать не удается. Идеальной (гипотетической) схемой установления допустимых пороговых норм была бы следующая (no М. Левину): 1) численно выражается изменение совокупности характерных показателей организма г.од воздействием электромагнитного поля (точнее, его характерных параметров); 2) устанавливаются экстремальные значения этих показателей, которые могут быть приняты допустимыми для человека на основа- нии тех или иных критериев; 3) устанавливается однозначная функциональная связь между показателями реакций организма и тем или иным параметром или группой параметров электромагнитного поля; 4) устанавливается значение параметра или группы параметров электромагнитного поля, который согласно п. 2 считается допусти- мым для человека; это значение и принимается в качестве норма- тивного. Однако на практике эта схема не может быть реализована по следующим причинам. 1. Воздействие электромагнитного поля на живой организм, как эго показано выше, чрезвычайно разнообразно, и вопрос о чис- ленном выражении действия электромагнитного поля в целом в на- стоящее время даже не ставится. Реакция организма на действие электромагнитного поля характеризуется чисто качественными по- нятиями, соответствующими состоянию организма, как то: «чувстви- тельность к воздействию», «ухудшение самочувствия», «появление определенных обратимых последствий» и т. д. Одно или несколько из перечисленных состояний и принимается за критерий допустимого действия электромагнитного поля. 2. Реакция организма зависит не только от количества энергии электромагнитного поля, поглощенной организмом, но и от частоты поля и, как показывают наблюдения, от других параметров поля, в частности параметров импульсной модуляции. Поэтому установить однозначное соответствие между состояниями организма и одним или небольшой группой параметров поля не представляется воз- можным. Поэтому в качестве нормируемого параметра электромагнитного поля принята энергия электромагнитного поля, падающего на едини- цу площади поверхности человека при частоте, соответствующей наи- более выраженной реакции организма. Такой способ нормирования является данью практической невозможности пронормировать все параметры электромагнитного поля, которые определяют воздействие поля на организм человека. При изучении биологической стороны вопроса норми- рования любого фактора, в том числе и СВЧ поля, наи- 60
более ответственен выбор достаточно информативных и доступных для экспериментального исследования дей- ствительно «критических» показателей организма. Неко- торые из этих показателей приведены в § 2.2; в ра- боте Л. И. Либермана, М. С. Саковской, В. В. Оробея, И. Э. Бронштейн и А. П. Чеснокова [119а] з качестве таких показателей выбрано количество хромосомных перестроек, плодовитость, некоторые количественные ха- рактеристики потомства (вес, процент выживаемости, степень вырождения и т. д.), а также иммунологические показатели состояния организма. Для удобства практического использования норм в них записана допустимая ППМ в зависимости от времени облучения, а необходимая для биофизических . экспериментов и практических работ измерительная / СВЧ аппаратура строится в виде измерителей плотности ’ потока мощности*. При взаимодействии живого тела с электромагнитным полем переплетается масса эффек- тов, из которых на первый план обычно ставят тепло- вые. Тепловой нагрев —это простейший вид преобразо- вания энергии в биологических средах. Расчет выделен- ного тепла обычно нс вызывает особых трудностей и, как правило, хорошо подтверждается экспериментально; он во многом соответствует наблюдаемым физиологиче- ским эффектам и поэтому в настоящее время принят во всех известных нормативах за основу при нормиро- вании радиоизлучений СВЧ. Действительно, именно на СВЧ обнаруживается наибольшее поглощение радио- волн телом человека (коэффициент поглощения близок к 0,5 [117]), степень опасности легко связывается с до- пустимым нагревом определенных жизненноважных ор- ганов (глаза, гонады). Другой важный параметр облучения, характеризую- щий воздействующую на биообъект энергию, — время усреднения импульсных сигналов — определяется пока не соображениями биологического характера, а посто- янной времени применяемых измерителей. Таким обра- зом, сейчас измеряется ППМ средняя за период повто- рения генерируемых импульсов, но максимальная за * В странах Запада ППМ является единственным регистрируе- мым параметром практически во всем диапазоне радиочастот (от 10 кГц до 100 ГГц [85. 173]), при этом имеется в виде плотность мощности, усредненная за определенное время (по новому стандар- ту США— за 6 мин). 61
Период повторения импульсов, определяемых перемещён нием луча в пространстве (например, из-за вращения антенны). До сих пор для большинства ситуаций было характерно четкое разграничение между значениями этих периодов в первом и во втором случаях (различие со- ставляло несколько порядков), а на редкие промежуточ- ные случаи, не охватываемые нормативами, приходилось просто не обращать внимания. Обычным считалось (для диапазона СВЧ) и облучение бегущей волной. Между тем, сейчас, с появлением антенных систем с электри- ческим сканированием и постепенным заполнением су- ществующих «пустот» в частотах повторения воздейст- вующего на человека СВЧ поля, далеко не всегда оцен- ка степени воздействия ЭМП на человека только по уровню плотности мощности оказывается достаточно полной. Поэтому в некоторых случаях, рассмотренных ниже (сейчас они не приняты официально, но встречают- ся в практике все чаще и чаще), принятую оценку поля по уровню ППМ приходится дополнять или заменять другими методами — методами оценки воздействия по энергии (а не раздельно по уровню поля и времени); изменяются представления п о регистрируемых параме- трах воздействующего поля, необходимых и достаточных для полной оценки биоэффективности. 3.1. О ВЫБОРЕ РЕГИСТРИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Можно выделить три основные причины разнообра- зия в выборе регистрируемых параметров поля при раз- работке измерительной аппаратуры и методов измере- ния, проводимого в интересах защиты человека: 1) усложненность и разнообразие электромагнитной обстановки, с которой приходится сталкиваться на прак- тике; 2) ограничения в возможностях измерительной аппа- ратуры; 3) наличие специфических биоэффектов, открытых в последнее время Если поместить в поле бегущей волны радиоконтрастное тело, каковым, в частности, является организм человека или животного для воздушной среды, картина поля из-за отражений от поверхности раздела сред нарушается, появляются признаки стоячей волны. Это искажение поля, как и изменение условий поглощения, в общем слу- чае при измерениях не учитывается. Допускаемая при этом ошибка 62
относительно невелика, и, как правило, расчет опасности по падаю- щей плотности мощности, или «интенсивности облучения» в отличие от «действующей интенсивности» 135], вполне допустим. Между тем, существование бегущей волны, характерной для свободного про- странства или его достаточно хорошей модели, во многих реальных случаях просто невозможно из-за влияния предметов с высоким коэффициентом отражения: металлических поверхностей, стен домов и т. п. При этом бегущая волна фактически отсутствует; такое поле называют реактивным. Внесение в него органического тела приво- дит к обратному эффекту: появляется бегущая волна, направленная внутрь тела приблизительно перпендикулярно его поверхности. Сте- пень поглощения телом электромагнитной энергии, как мы видели (п. 2.1.1), зависит от многих причин и при этом изменяется в широ- ких пределах. Наилучшим способом оценить радиоопасность в по- добных условиях является регистрация раздельно элек- трической и магнитной составляющих ноля. Впрочем, требование раздельного измерения можно несколько упростить. Действительно, при установлении стоячей волны в ограниченном пространстве с размерами много больше длины волны и с достаточно малым декремен- том затухания, минимумы и максимумы электрической Е и магнитной Н составляющих связаны между собой через р: р = Е)Н. (3.1.1) Поэтому оказывается вполне достаточным измерять ве- личину лишь одного из параметров: Е или Н. Несколько по-иному обстоит дело при близком кон- такте тела, человека с первичными вибраторами или пе- реизлучателями электромаг- нитной энергии. Если в свобод- ном пространстве электромаг- нитное поле является полем поперечной волны, то вблизи источников излучения появля- ется продольный компонент напряженности поля, м е ж д у результирующими составляю- щими электрического и маг- нитного -полей появляется фа- зовый сдвиг, а изменение мо- дуля напряженности полей за счет увеличения (различного для электрического и магнит- ного поля) вклада «квазиста- нионарных» компонентов, из- Рис. 3.1.1. Расположение векторов электрического и магнитного полей ^электри- ческого диполя. &
меняющихся как \/R2 и \IR3, резко возрастает по сравне- нию с изменением в волновой зоне. Для элементарного электрического диполя можно записать [146] (3L2) \ / £.=1й-(т-4-т)51пве"'*'- <зл-3> т И (тк - >)si"Ое’'"' <зл-4> (обозначения даны в соответствии с рис. 3.1.1; р — ди- польный момент). Фазовый сдвиг создает неудобства при измерениях, неизбежно приводя к занижению оценки опасности вбли- зи излучающих устройств, если особенности структуры поля в зоне индукции не учтены при обработке резуль- татов измерений или соответствующей конструкцией из- мерительной антенны-зонда. В настоящее время раздельное влияние электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в диапазоне СВЧ изучено крайне слабо, поэтому в каче- стве первого приближения имеет смысл искать общую для них характеристику поля—значение мгновенной (а не средней за период несущей) плотности потока мощности /7ср, средней по сфере радиуса R, па котором находится абсорбирующий биообъект, т. с. поток энер- гии, определяемый совместно амплитудой напряженно- сти активной и реактивной составляющих поля. Это удобно сделать введением комплексного вектора /7П, который определяет полную амплитудную мощность, проходящую через единичную площадку в направле- нии положительной нормали к поверхности помещен- ного в поле абсорбирующего тела. Для дальнейшего полезно продолжить рассмотрение элементарного ди- поля *. Комплексное значение /7ср электрического диполя определено в [146] путем интегрирования нормального * Рассмотрение такого примера имеет здесь определенный смысл: например, основной источник внутренних излучений — щели в шкафах с генераторной аппаратурой, неплотности в фидерах и т. д. — целесообразно рассматривать как элементарные (магнит- ные) диполи (см. ниже). и—- 64
компонента выражения для комплексного вектора Пойп- книга /7П: ' и 32^s R* .PI’i'T 32я2е IPI - 5-) sin fl eos 0 lP|a по поверхности сферы радиуса R-. ] j 77 n^' sin^dt ~ nt Г^1рГ 0 0 /<> IpP I2sre R> ' (3.1.5)*' (3.1.6) v В выражении (3.1.5) Нг — единичные векторы сфериче- ской системы координат: h — по R, io — по 9. Действи- тельная часть (3.1.6) дает среднее значение потока энер- гии, вытекающей через сферическую поверхность, т. е. определяет радиационные потери осциллирующего ди- поля. Они не зависят от радиуса сферы, но сильно зави- сят от частоты. Мнимая часть выражения (3.1.6) зависит от 1/7?3 и незначительно — от частоты. Именно эта составляющая поля диполя определяет в основном мгновенную ампли- туду потока в поле индукции па очень малом расстоя- нии от диполя. Мнимая часть выражения (3.1.6) связа- на с энергией, которая одну половину периода вытекает из источника, а другую — возвращается обратно. Нас интересует суммарная плотность потока мощно- сти, воздействующей на биообъект, если он находится в зоне действия диполя на любом от него расстоянии /?. В этом случае его величина может быть определена из выражения (3.1.6) так: /7Я- »-у«!+?=4йгх ч/ (3.1.7) где а и р — действительная и мнимая части выражения (3.1.6). Для свободного пространства s — со, р = |Ю, 5-393 65
с— (цо8о)’|/2, тогда - 1 |Р[= / __ ср— 4кЯг 12кв*Г к 1' /?« I | р|2 (2л)3 / . , ( 1 V ~ 4п/?а I/ 1- ( RK J — _ 1 (2*)»c|pP , / i ( / А V 4тт/?2 бек4 I/ * \ 2 г. R ) (3.1.8) Именно эта плотность мощности осциллирующего элек- трического диполя будет воздействовать на биообъект, помещенный в его поле на расстоянии от него R (при выводе влиянием объекта на диполь пренебрегли). Структура поля магнитного диполя совпадает со структурой поля электрического диполя, но векторы Е и Н поменялись местами. Вектор Н теперь лежит в ме- ридиональной плоскости, проходящей через диполь, и имеет радиальную и поперечную компоненты. Линии вектора Е являются концентрическими окружностями во- круг оси диполя (как для электрического диполя—ли- нии вектора Н). Зная величину магнитного диполя, мож- но подсчитать и плотности мощности /7ср. Однако на практике узнать величину дипольного момента обычно не удается. Поэтому есть смысл искать не абсолютное значение /7ср, а отнесенное к величине радиационных по- терь диполя. Эти потери измеряются обычным измерите- лем ППМ, а математически выражаются действительной частью формулы (3.1.6), деленной на площадь сферы 4л/?2. Итак, /7СР 4тс/?2 _ с (2л:)3 12к а GeXWjx Кср- ВеЛИЧИНу J назовем коэффициентом реактивности. Чис- ленно он показывает, во сколько раз мгновенная ком- плексная плотность мощности всех составляющих поля элементарного диполя больше ППМ., измеренной на том же расстоянии. Щель в непрозрачном экране (например, в кожухе шкафа с генераторной аппаратурой, в стенке волновода 6С?
fi т. п.) можно представить как магнитный диполь, воз- буждаемый с обратной стороны экрана падающим на него потоком мощности. При проверке качества такого экрана па расстоянии R^k интенсивность поля за ним может оказаться достаточно малой. Однако с уменьше- нием расстояния она будет быстро увеличиваться, при- ближаясь на очень малых расстояниях к интенсивности поля, падающего па тонкий экран с обратной стороны. Случай единственной малой осциллирующей щели в свободном пространстве является явным упрощением; на практике чаще всего приходится иметь дело с пара- зитным излучением, проникающим через несколько ще- лей, расположенных на неодинаковом расстоянии друг от друга. В электрически ограниченном объеме создается сложная интерференционная картина, которая может характеризоваться в общем случае величинами макси- мальных значений Е и Н. Поэтому для правильной оцен- ки влияния поля на биообъект необходимы измерители Е и II. Итак, Е, Н и П полностью характеризуют поле как биогенный фактор. Вообще говоря, кроме известной за- висимости (2.1.1), эти параметры могут быть связаны через объемную плотность энергии по формулам: №Е=-^-£=; №„ = 2*10 13/Г; №„ = 3,3-10-"//, (3.1.9) где WEH// в Дж/см2; Е в В/м; II в А/м; П в мВт/см2 [68]. На практике, однако, эта характеристика ноли (объ- емная плотность энергии) почти не используется. Редко применяются при оценке СВЧ полей и такие единицы, как вольты на метр и амперы на метр; даже измерители составляющих Е и Н в диапазоне СВЧ часто калибру- ются в единицах ППМ (т. е. в долях ватта па квадрат- ный сантиметр). Из-за пониженного (по отношению к свободному про- странству) характеристического сопротивления среды в поле индукции величина абсорбируемой органическим материалом мощности возрастает. С другой стороны, вблизи неплотностей в экранах наблюдается удельное повышение мощности магнитной составляющей поля, 5* 67
биологическая эффективность которого в диапазоне ВЧ считается менее выраженной. Конечный биологический эффект этих двух сторон взаимодействия поля индукции и органического тела пока еще не найден. 3.2. ФОРМЫ НОРМИРОВАНИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ В § 3.1 сделана попытка определить и выбрать еди- ницы измерения. Это только первый этап, позволяющий подойти к обоснованному учету амплитуды и структуры поля. Возможность учета времени также рассматрива- ется ниже. Большое разнообразие предложенных различными авторами [50, 74, 84, 101, 158] подходов к нормированию СВЧ излучений порождено не столько «качественным» различием поля, сколько усложнением пространственно- временных характеристик воздействия его на организм человека в производственных и лабораторных условиях (см. табл. 3.2.2). Именно поэтому вопросу нормирования нестационарного облучения уделяется сейчас большое внимание. 3.2.1. Способы нормирования прерывистых воздейст- вий. Наиболее простым -из способов является нормирова- ние по максимальной ППМ или но сумме ППМ источ- ников, если их несколько [35].-Оба они позволяют учесть влияние всех некогерентных источников, воздействую- щих на организм одновременно и постоянно. Для вра- щающихся антенн, однако, эти способы не адекватны: ведь обычно время воздействия поля при вращении, ска- нировании различно для разных антенн; даже для одной антенны на разных расстояниях скважность воздействия изменяется в пределах от половины до £отых долей. При оценке по первому методу разгрузка организма во время паузы, длящейся в 2 ... 100 раз дольше самого воздей- ствия, не учитывается. Еще менее обоснован второй под- ход: расчет показывает, что вероятность скрещивания лучей 2--3-х антенн с обычными параметрами диаграмм обычно не превосходит 10-2 ... 10’4; соответственно сни- жается п опасность воздействия излучений всех РЛС одновременно. Ошибка при таком подходе к нормирова- нию поля излучателей с вращающимися антеннами,., имеющими обычную ширину порядка единиц градусов? может дополнительно составить 10 ... 100 раз в сторону завышения опасности. 68
3.2.2. Интегральный (дозный) подход к оценке био- логической эффективности поля. Несомненно, более гиб- ким является интегральный (дозный) подход к оценке нестационарных излучений, который основывается на сравнении интеграла падающей плотности мощности (по определенному отрезку времени облучения), называемо- го обычно плотностью падающей дозы (ППД) или про- сто дозой *, Д=р7(/)Л (3.2.1) о с нормативной величиной дозы Дн., установленной для этого же отрезка времени нормирования Тп [22, 91, 92, 158, 182]. Дозный подход может быть предложен и в виде нор- мирования уровня ППМ, среднего за время Тн. Если это время меньше суток, то это, по сути, дискретная доза, мощность дозы**. Если нормируемое время равно сут- кам, то дозирование оказывается неразрывным по вре- мени и мы имеем дело с дозой в реальном времени — назовем ее реал-дозой пли просто дозой. Реал-доза по- зволяет определить суммарную степень облучения субъ- екта за продолжительное время: за сутки, месяц, год или за всю жизнь человека. Обычно она вводится вме- сте с ограничением по мощности дозы — ППМ, средней за какое-либо непродолжительное время, например за десятки или сотни секунд Тп =77 J п (О dt 5 . (3.2.2) О Индекс (Гн) при М означает, что нормируется, измеря- ется или рассчитывается мощность дозы (т. е. усредня- * В гигиене встречается три понятия «дозы». Под дозиметрией иногда понимают всякое измерение в интересах техники безопасно- сти; в радиационной гигиене под дозой понимают поглощенную часть падающей энергии (в диапазоне СВЧ величину относительно ста- бильную). В нашем случае понятие дозы введено выражением (3.2.1). В системе СИ ему соответствует понятие «поверхностная плотность энергии излучения». ** Полное название «мощность плотности падающей дозы». В си схеме СИ соответственно «мощность поверхностной плотности энергии излучения». По аналогии с дозой се иногда называют мозой. 69
ется ППМ) за время Та. Для краткости, а также когда имеется в виду вполне определенное значение Гн, либо когда оно для понимания текста не имеет значения, ин- декс Т'н или его конкретное числовое значение можно не ставить. Исторически (табл. 3.2.1) этот подход возник как за- конное стремление связать с интенсивностью облучения другой равноправный параметр воздействующего поля— время облучения, как это уже сделано в радиометрии ионизирующих излучений, при воздействии химических факторов и т. д. [182], В дальнейшем дозный подход оказался полезным и для оценки существенно неста- ционарных излучений и при расширении пределов ис- пользования существующих нормативов [74, 85]. Биофизической основой для разработки дозного под- хода служат две известных группы явлений, наблюдае- мых при взаимодействии организма человека с радио- излучением. 1. Кумуляция эффекта воздействия в организме при длительном непрерывном и дробном воздействии, осо- бенно в пределах дотепловых уровней, где зависимость этого эффекта от уровня поля оказывается наиболее линейной. Наличие кумулятивного эффекта отмечено в трудах ряда исследователей, в том числе 3. В. Гордон [34], А. С. Пресмана [118], а также других ученых. Ку- муляция говорит о типичной реакции тела с большой инерцией на импульсное воздействие. 2. Обратимость, адаптация, нормализация состояния организма, облучаемого короткими импульсами, наблю- дается при больших паузах. Результаты многих биофи- зических экспериментов по изучению реакции организма на воздействие полей разных интенсивностей, приводи- мых с учетом второго действующего фактора — време- ни, при построении в координатах «доза — интенсив- ность» обнаруживают в широком диапазоне ППМ при- близительное постоянство величины дозы, необходимой для появления некоторого биологического эффекта (см., например, рис. 3.2.1 и табл. 3.2.2). Несомненно, на осно- вании имеющихся к настоящему врвхМени эксперимен- тальных данных, которые содержат оба регистрируемых параметра: ПП?А и время, трудно говорить о линейности «интегрирования» при подобного рода процессах. Иными словами, получаемая критическая доза облу- чения, соответствующая появлению определенной реак- 70
ции организма, далеко те всегда аюстоянна, так что очень часто искажения до- стигают двух -пят и кр а гн о й величины и более (.-приведен- ные в табл. 3.2.2 результаты расчета плотности падающей дозы, полученные на основа- нии данных Baranski (1964), отличаются от средней ве- личины ППД (около 0,1 Вт-ч/см2) в десятки раз; этим аномалиям, если они в самом деле наблюдались, приходится только удивлять- ся). Однако чрезвычайно вы- сокое непостоянство биоло- гических эффектов в реаль- ных условиях воздействия СВЧ ноля (из-за .непостоян- ства ракурса освещения, часч Плотность мощности,мcfт/см2 Рис. 3.2.1. Пороговое значение плотности дозы, необходимей для образования катаракты на глазах кролика (па основа- нии данных, приведенных на рис. 2.1.2). И Т. П.; -см. § 2.1 и 4.1) позволяет считать такую нелинейность «интегрирования» в общем допустимой, тем более, что нормативы, устанав- ливаемые, как правило, для очень малых интенсивностей, разрабатываются на основании результатов, полученных при оценке исключительно слабо выраженных эффектов, и потому эти нормативы, естественно, имеют значитель- ную степень неопределенности и очень большой коэффи- циент запаса. При разработке повой концепции—бесиорогового рис- ка заранее предполагается линейная зависимость доза- эффект; разного рода нелинейности нейтрализуются вве- дением дополнительных коэффициентов запаса. Напри- мер, исследованиями, приведенными в работе [119а]*, в основном подтверждена эта зависимость при воздейст- вии па организм крупных животных и человека СВЧ по- ля в диапазоне интенсивностей 1 .. 50 мВт/см2, но одно- временно выявлена и нелинейность, которая приводит к необходимости снижения допустимой дозы при верх- ней ППМ в 4 раза по сравнению с дозой на малых ии- * Использован весьма «дорогой», но зато единственно верный способ количественной оценки облучаемости путем подбора ППМ или времени (или того и другого вместе), дающий определенный, один и тот же для всего цикла исследований биологический эффект. В ка- честве отправной точки взята доза 18 Дж/см2. 71
) Таблица 3.2.1 Отдельные этапы развития идей и аппаратуры дозиметрии Год Страна Автор Основа предложения Количественные характеристик» При Зоры 4956 США Hirsh Необходимо учитывать величину (/7ХЛ •— -— 1959 США F. Leary Дискрет-дозиметр 7*н=6 мин. Измеритель мощности дозы („Дозиметр Ричард- сона*) на желатине 1963 СССР А. Н. Ветчин- кин и др. [22] Реал-доза — Дозиметр на электро- механических накопите- лях 1965 США Минц, Хеймер Измеритель мощности дозы Л^30) Т„=30с Дискретная доза 0,29 Дж/см2 (суточ- ная доза 864 Дж см2) Дозиметр на электро- химических элементах 1966 СССР Ф. Р. Холявко |158] (Реал-доза Ди) /Zn—О.З Дж/см2 —
Год Страна А втор Основа предложения 1966 США Стандарт USAS С.95.1—1966 Дискрет-доза Л4<в)Н~ -[-учет температурно- влажностных УСЛОВИЙ 1968 СССР Е. А. Ермолаев Р. И. Ковач [50] Математическая интер- поляция существующих нормативов 1970 ЧССР Нормативы Суточная доза (реал- доза) Дн 1972 СССР Б. М. Савин, А. Г. Суббота, Б. А. Чухловин и др. [131а] Экспериментальное установление нелинейно- сти • биологического эф- фекта при /7=1 . . . ... 50 мВт/см2 (ниже 1 мВт/см2 эффект оказы- вается незначительным)
П род олжение табл. 3.2.1* Количественные характеристики Приборы Тн-=6 мин. Дискретная доза 3,5 Дж/см2 (суточная доза 864 Дж/см2) Для неблагоприятных условий снижается до 10 раз. 7’м=24 ч Профессионалы: непрерывное облучение 0,73 Дж/см2, импульсное облучение—0,29 Дж/см2 Население: непрерывное облучение 0,22 Дж/см2; импульс- ное облучение 0,087 Дж/см2 //7’»35-^const
Таблица 3.2.2: Сравнительные условия гибели животных под действием ЭМП СВЧ (смертность 50...100’/©) [118] Частота ЭМП, ГГЦ * и режим облучения Животное Энергетические параметр ы облучены интенсив- ность эмп, мВт/см* время облучения, мин ПЛОТНиСТЬ падающей дозы, ВТ’Ч/см8 Повышение температуры тела. °C Литературный источник (автор и год выпуски по (118J) Собака 330 15 0,085 5 - Addington at al., 1961 Морская свинка 590 20 0,145 5,9 0,2 <1 То же 410 20 0,102 4,2 Я !> 330 20 0,083 4,1 Кролик 165 30 0,082 6...7 Michaelson at a!., 195b Собака 165 270 0,75 4...6 Кролик 300 25 0,12 6.:. 7,5 2,8—3 (импульс- То же 100 103 0,17 4...5 ный) Крыса 300 15 0,075 8...10 Тягин, 1958 То же 100 25 0,04 6...7 я Я 40 90 0,06 -— V Тобанова, I960 я я 400 13.-.14 0,095 7 Миругенко. 1964 10 (импульсный) Мышь То же 32 8,6 1,7 33 0,0009 0,0047 5,6...7,8 9,2 ► Baranskl at al., 1963 я я 5 J88 0,015 6,8 Крыса 300 20 0,1 5,5 24 (импульсный) < То же Мышь 28 170 139 6,3 0,065 0,018 — Deichman at al., 1959 То же 37 282 0,17 —-
тенсивностях, т. е. вместо лозной зависимости = оказывается более точной R^n^-t, Эта нелинейность может быть учтена введением заранее дополнительного коэффициента запаса, равного четырем, и последующего использования линейной дозиметрии либо применением средств нелинейной дозиметрии, учитывающей эту нели- нейность автоматически. Разработка подобных приборов в настоящее время ведется. Несмотря на относительную общность взглядов о не- обходимости и целесообразности интегрального подхода, у многих авторов [93, 158] имеются по крайней мере 3 группы разногласий, которые тормозят его повсеместное введение. Первое—отсутствие единства взглядов на величину биологического эквивалента. Резкое различие величин биологического эквивалента зарубежных и отечествен- ных нормативов по ППМ отражается и па величине доз- ного эквивалента. Например, уровень поля, взятый хМин- цем и Неймером за основу при обосновании их метода измерения дозы [101], определяется действующим нор- мативом ППМ 10 мВт/см2, который, однако, в дозиме- трии установлен допустимым средним за 30 секунд облу- чения уровнем, безотносительно к величине пиковых ППМ, действующих в течение этих 30 с. В таких усло- виях вместо ППМ измеряется фактически мощность до- зы с временем усреднения, равным Тп = 30 с. Таким об- разом, нормативная величина мощности дозы оказывает- ся равной Л4П = 0,08 мВт • ч/см2 за 30-с или Дп= = 864 Дж/см2 за сутки. В соответствии с новым стан- дартом США (USAS С95.1.1966) величина Ти возросла до 6 мин [118]. При этом суточная доза, естественно, не изменилась, но дискретная доза возросла до 0,96 мВт • ч/см2 или 3,5 Дж/см2 Если при расчете положить в основу принятые в нашей стране нормативы по ППМ (см. введение), зна- чение оказывается равным0,08; 0,2 и 0,25 мВт-ч/см2, или 0,29; 0.72 и 0,9 Дж/см2 за сутки соответст- венно при облучении интенсивностями порядка 10, 100 и 1 000 мкВт/см2*. Таким образом, в этом случае оказа- * Работа же на крупных биообъектах, проведенная в Военно-ме- дицинской академии им. С. М. Кирова, показывает обратное: при повышении интенсивности облучения количество допустимой падаю- щей энергии «должно уменьшаться или по крайней мере быть неиз- менным. но ни в коем случае не нарастать, что допускается дей- ствующими нормативами» [119а]. 75
лось возможным величину допустимой дозы принять по- рядка 0,3 Дж/см2 [158], т. с. с запасом, равным прибли- зительно 2 по отношению к сродней расчетной величине. Отсюда же следует: для круглосуточного нормирования облучения (это характерно для населения) допустимая ППМ стационарного облучения оказывается равной 3,3 мкВт/см2. Для работников, занятых на производстве в течение рабочего дня (например, 8 ч) допустимая ППМ стационарного облучения оказывается равной 10 мкВт/см2, возрастая с уменьшением времени воздей- ствия (все это при использовании в качестве основы существующих нормативов). Вторым неясным вопросом считается выбор нормируе- мого времени интегрирования, или максимально разре- шенного времени усреднения ППМ — Ти. Сейчас извест- но несколько предложений, касающихся установления величины этого важного параметра (табл. 3.2.1). I. 7’п—30 с — время усреднения первого американско- го дозиметра [101]. 2. Tn=6 мин — величина, установленная в качестве нормативной в США. 3. Гц = 24 ч— нормируемое время при выборе суточ- ной дозы (или среднесуточной ППМ, что одно и то же). 4. Вся жизнь человека *. Естественно, чем больше время Гн, тем больше ошиб- ка «интегрирования» реакций воздействий СВЧ излуче- ний в организме — гипотетическое свойство неэквива- лентности восприятия организмом отдельных воздей- ствий равной энергии, но разной величины ППМ. Некоторые, весьма скудные данные о проявлении это- го свойства организма сейчас имеются для очень высо- ких энергий малого времени воздействия — единицы ми- нут (см. рис. 3.2.1, составленный на основании данных рис. 2.1.2, и рис. 3.2.2, изображающий две аналогичные зависимости ППМ от времени воздействия, полученные разными авторами в разное время [135]). Эти исследо- вания сыграли, видимо, определенную роль при выборе времени усреднения в нормативах США (6 мин). При усреднении за очень большое время увеличи- вается также предел пикового уровня ППМ при одно- * Оценка дозы облучения, полученной за всю жизнь, проведена совсем недавно Барнесом Г170]. Он подсчитал, что за 50-летний ра- бочий период по ПДУ США человек получает: шума — 5 • I0-2 кВт • ч, микроволнового облучения—5* 103 кВт-ч, радиации — 5- 10“5 кВт-ч. 76
кратном кратковременном воздействии, т. е. появляется опасность переоблучения высокими пиковыми уровнями, контроль над которыми, естественно, теряется при лю- бом усреднении. Однако случаи однократного излучения с очень высокой ППМ на практике почти не встречаются. При оценке импульсных периодических сигналов пиковая ППМ приближается к пробойной лишь при очень высо- ких скважностях и очень высоких средних ППМ, на практике также встречающихся крайне редко. Поэтому Время, мин Рис. 3.2.2. Пороговые значения плотности потока мощности, при которых наблюдалось образование катаракты глаза, в за- висимости от времени облучения. /- результаты работы Carpenter R. L. и др., i960: 2 —результаты ра- боты Ely Т. S. и др., 1964. имеет смысл нормировать не пиковую ППМ, а энергию или мощность дозы, т. е. ППМ, среднюю за некоторое время, определяемое интеграционными свойствами био- логических процессов в воспринимающем органе или организма в целом* *. В качестве примера можно сослать- ся на подобные свойства глаза, определяющие кри- тическую частоту мельканий воздействующих на него световых импульсов. Для многих факторов, в том числе и для радиоволновой энергии, когда нет специального органа, воспринимающего энергию воздействующего — ‘ — - * Эти интеграционные процессы определяют - также характер реакции организма на резкие перепады интенсивности СВЧ поля. 77
фактора, интегрирующая способность различных орга- нов и систем, к тому же в разной степени чувствитель- ных к данному фактору, различна. Поэтому выбор вре- мени Тн относительно произволен. Судя по некоторым данным биофизического плана, время Тп для нормиро- вания мощности дозы не должно превышать десятков или сотен секунд. Как мы уже указывали, в США приня- тая величина — 6 мин. Третьим ограничением является отсутствие доказа- тельств против предположения о существовании для жи- вого организма так называемых критических частот по- вторения, для которых допустимый биологический экви- валент надо было бы снижать. Сейчас неизвестны какие-либо универсальные пред- ложения, аннулирующие все перечисленные факторы, ко- торые препятствуют повсеместному внедрению дозного подхода в гигиеническую практику. Однако нетрудно ви-. деть, что ни один из этих факторов не является принци- пиальным. Действительно, выбор биологического экви- валента фактически уже сделан каждой страной при разработке действующих нормативов и во многом опре- деляется не столько биофизическими, сколько, увы, мо- ральными причинами. Важный (параметр — предельно допустимая величина пиковой плотности мощности /7Пик — может быть легко определен через про- бойную напряженность электрического поля Впр как /7пик [Вт/см2] = 1,25 • 103 • Е2ир [кВ/см], (3.2.3) т. е. пробойной величине пиковой напряженности £пр = 30 кВ/см соответствует допустимая плотность мощности /7ПКК='1,1 • 10е Вт/см2. При реальных значениях импульсной скважности ^мин = 103, скваж- ности прерывания умин—103 величина средней плотности мощности соответственно такому пиковому уровню оказывается равной около 1 'Вт/см2, т. е. намного больше принятых сейчас ППМ (il или 10 мВт/см2). Расчет Лпик можно проделать также через дозу. Даже при однократном высвечивании всей рассчитанной исходя из нормативов США суточной дозы 864 Дж/см2 всего за одну секунду при q~ = 104 пиковая ППМ оказывается равной около 103 Вт/см2, т. е. на- много меньше пробойной величины. Для второго биоэквивалента — 0,9 Дж/см2 в сутки — опасность еще менее реальна. Для характеристики облучаемости с выраженной периодичностью (например, при периодическом обзоре пространства одной или несколькими РТС) достаточно воспользоваться средним за период облучения уровнем плотности мощности, или мощностью плотности падаю- щей дозы (3.2.2). 78
Если период вращения (сканирования) станций Тси<Ти> замена 7'п на Tcii в выражении (3.2.2) не изме- няет величину М. Для медленнопериодических и не- периодических процессов расчет или измерение величи- ны Л1 следует проводить для каждого акта воздействия отдельно или периодически, с частотой Мощность дозы является относительно стабильной характеристикой каждой точки пространства в зоне дей- ствия РТС с периодически перемещающимися диаграм- мами и может быть измерена или рассчитана через ППМ (/7) и время действия луча То (за время Т) или скважность воздействия у (для каждой РТС): Л4=у/7 = 77(ТО/Г). (3.2.4) Для стационарного воздействия М = П, Для нескольких источников Л4 = 2М£. Возможность суперпозиции частных эффектов от воздействия нескольких источников с пе- риодическим облучением путем сложения мощности па- дающей дозы каждого из них для получения суммарно- го эффекта является важным достоинством дозного ме- тода нормирования. Нахождение в течение времени Т^ТП в точке поля, характеризуемой мощностью дозы /VI, определяет величину дозы как Д = МТ. (3.2.5) Таким образом, основные параметры облучения для поля с постоянным уровнем оказываются связанными следующим выражением: Д=2(77гУг7\) (3.2.6) при этом за любой отрезок времени Ти должно соблю- даться условие (3.2.7) Итак, для оценки безопасности необходима проверка обоих условий: по дозе и по мощности дозы. Обзор суще- ствующих ситуаций облучаемости приведен в табл. 3.2.3 и 3.2.4, которые могут быть использованы на практике в случае официального признания дозного подхода. Нормирование — это первый важный и довольно труд- ный шаг в осуществлении общей задачи оптимальной защиты человека от СВЧ излучений. Первый — потому,
Таблица 3.2.3 Варианты облучения полем СВЧ (Го —общее время облучения, включая паузы) Вариант облучения (непрерывное или импульсное) Пример источника Временная форма поля Оценка облучения дозным методом Круглосуточно или ограниченно от одного или не- скольких источни- ков Стационарное Mt) 11 Поле неподвиж- ной антенны Д=.ПТ0=ПТ Периодическое прерывистое Антенное поле РЛС с вращаю- щейся диаграм- мой Д = ТМ(Ги), где для обыч- ного случая т СК Л1(ТП) С /7(/)л » СК J О
П родолжение табл. 3.2.3 СО Вариант облучения (непрерывное или импульсное) Круглосуточно или ограниченно от одного или не- скольких источни- ков Эпизодическое Однократное Временная форма поля jm 'w 7-н 7,1 • ........................... t Пример источника Антенное поле РЛС с програм- мным обзором Антенное поле РЛС сопровож- дения Оценка облучения дозным методом Д^Ди Д - | п (t) dt 6 Гн Л4(Гя> = J_ f /7 (/) dt Гц J О П (/) dt
GO to Таблица 3.2. fl Примеры расчета коэффициента защиты К3 на основании Ди — 240 мкВт-ч см2 и ЛТН = 5(Ю мкВт/см2 (кроме оговоренных случаев, ППМ [мкВт/см2], t и Т }ч], Д [мкВт-ч.см2)) Номер । варианта Изображение и объяснения Имеющиеся данные о ППМ и времени Пересчет М Расчет защиты но ППМ, сред- ней за 10 с Расчет защиты по реал-дозе Общий вывод по защите П т м(Ю) <500 мкВт-ч/см2 Д<240 мкВт-ч/см2 1 /7 1 600 600 8 Л4« 77=600 600>500, Лз-500“=1’“ Д = 600-8 = =4800>240; 4800 Л 3 = 240 — 20 К3=20 (13дБ) 0 8ч t 2 п 1200 8 44=77=1200 1200>500, 1200 Ля “ 500 - = 2,4 „ 1200 Д- 2 .8= =4800>24, г. 4800 3 — 240 -’ 2^ К3=20 (13дБ) 10с' 8ч
сЧ &5 §1 X S Изображение и оЗъяснения 0,2 0,02 0,001 t,4 (12мин) (1,2мин) (5,6 с) Имеющиеся данные о ППМ и времени И Т 200 0,1 150 0,01 2000 0,001 (3,6с) Один или несколько разных источников Два источника 150 2 20 8
Продолжение табл. 3.2А Пересчет М Расчет защиты по ППМ, сред- ней за 10 с Расчет защиты по реал-дозе Общий иывм по защите М(«0) ss ssSOO мкВт-ч/см’ 7Z=s240 мкВтч/см* ЛГ= 77=200 150 Л4=77= 3,6 =2000 q Q = =720 о о о || S S S © 1g " V V л ” » - 8 S 8 II II сч ~ г- । 200-0.2 д- 2 + 150.0,02 + 2 + 4-2000X0.001 = ^20 4-1,54-2= =23,5<240 К,=1.5 (1. 7дБ) Л4=77 = = 150 Л4^77=3 150 <500 3<500 Д=150-2+ЗХ Х20=360>240 (1,7дБ)
оо ф- Номер варианта Изображение и объяснения Имеющиеся данные о ППМ и времени Два или три источника 10 000 0,01 (36с) 10 10 3 П Т 5 6 Сканирующий луч или импульс- ная станция поэтому Л/м измеряется ИП без остановки луча или ПО-1 при остановке луча; /7ср измеряется ПО-1 при скани- ровании) . 1 гв» (,
77родолжен.че тгбл. 3.2.4 Пересчет Л! Расчет защиты по ППМ, сред- ней за 10 с Расчет защиты по реал-дозе Общий вывод по защите г; 300 мкВТ-ч/см3 Дзг 240 мкВт-ч/ем3 М^П= = 10 000 10 000>500; 10 000 Аз““ 500 ~ 4=10000-0,01 + +2-10+10-3== =150<240 Л'3=20 (13дБ) =20 44=77=2 2<500 44=77=10 * 10 <500 •
Изображение и объяснения Имеющиеся данные о ППМ и времени «J т п Оо Сл О X S £ ° £ м ге — В 1 Лмакс 110000 г ^Мвкс'— = 10 000 1 ь 7_ — 3^ t Несколько вариантов, различаю- щихся значениями д: а) <7=200 /7сР=50 10
П родолжение табл. 3.2.4 Пересчет М Расчет защиты по ППМ, сред- ней за 10 с zVf<10) ss500 мкВт, ч/см» Расчет защиты по реал-дозе Дзе240 мкВт »ч/см» Общий ВЫВ )Д по защите М=П ср— =50 50<500 • Д=50.10= —500-240; , _500 240 2 Л-,=2 (ЗдБ)
оо ст> Номер варианта Изображение и объяснения Имеющиеся данные о ППМ н времени П т б) q — 10 в) ^10 Z7CP- = 1000 ^ср= = 1000 0.1 10 7 Вращающаяся антенна или излу- чение с большими паузами (рис. п. 6) Т>1", поэтому: Z7msk2 — измеряется ИП-3445 без остановки луча пли ПО-1 с остановкой Примеры для t=0,0l": а) 7=100"; т(1?)=т П макс~ = 100 000 20
Продолжение табл. 3.2.4 Пересчет М Расчет защиты по ППМ, сред- ней за 10 с Расчет защиты по реал-дозе Общий вывод по защите м(!°) 5S500 мкВт-ч/см’ Л^240 мкВт»ч/см# М=П ср= = 1000 1000>500 Л'з-2 4= 1000-0,1 = =100<240 Л'э=2 (ЗдБ) М=П ср-= = 1000 1000>500, Л'3-2 t 4 = 1000.10= =10 000>240 10 000 Л 3 = 240 40 Л'э=40 (16дБ) t(,G) М- i0 х Ж П мако33 = 100 ОООХ 0,01 Х-То-=1ОО 1 100<500 0,01 Л=1С0 000 10()Х Х20=200<240 Защита не нужна
Продолжение табл. 3.2.4' Номер варианта Изображение и объяснения 1 1 Имеющиеся данные о ППМ и времени Пересчет' Л! Расчет защиты по ППМ, сред- ней за 10 с Расчет защиты по реал-дозе Общий вывод „о защите II т 5500 мкВт-ч/см2 Д^240 мкВт-ч/см* б) Т='2,ЪП ; t(>o)=4 z ^ма«г= = 10 000 • 8 Х(1О) М- 10х X Пмакс ~ 40<5С() 4=40-8= =320>240; 320 *з^240=1.3 /<з=1.3- (1,2дБ). = 10 000Х 0,04 ХТо- = 4О в) Г=10"; т(»’)=т ^МЯЕС~ = 20 000 24 Af — 10 X Х^ макс = =20 000Х °-01 _ X ю —20 20<500 7^=20-24= =480>240; 480 з — 240 — Кз=2 (ЗдБ) Примечание, т — длительность каждого воздействия при сканировании, вращении или излучении; т(10)—суммз длительностей нм- т(1°) т пульсов за 10 с; /Л10)—ППМ, усредненная за период 10 с при Г < 10 с; 77(10) = /?макС -у— • при Т>!0 с /7<10) = ^«ко 10 * мкВт (10) Дн=240 мкВт-ч/см*—нормативная величина дозы, соответствующей среднее уточной ППМ* 10-^—; /7^ =-ЛГн^500 мкВт/см2—норматив- <*> вая величина ППМ, средней за 10 с /Г — коэффициент необходимой защиты.
Схема этапов нормирования и учета основных действующих факторов поля СВЧ Выбор критерия (или критериев при многоуровневом нормировании) 1. Нормирование энергетических па р а метров об лу чения Уровень Время воздействия 1 1 1 1 1 1 1 ппм Состав- Объем- Общее Скваж- Частота Суммар- п лающие ная плот- время ность повторе- ное время поля £, Н ность энергии WE. Н. П облучения ^маке воздей- ствия y кия А воздей- ствия Параметры по падающе- му или поглощенному полю Нормирование включает следующие подэтапы: — выбор необходимых и достаточных параметров; — определение их единиц и величин; — конструирование формы сочетания выбранных парамет- ров, удобной для использования их на практике (ППМмакс ППМер, 44, Д и г. д.) 2. Дополнительные факторы, требующие учета при норми- ровании (см. гл. 6); — минимальное геометрическое расстояние от излучателя /?мпн (см) требует геометрически малого зонда; — минимальное электрическое расстояние от излу- чателя: /?ММД требует применения электро- магнитного или магнитного зонда. Допустим перерасчет (через /) 3. Факторы «третьего» порядка, требующие, возможно, учета при нормировании: — микрорезонансные эффекты (на молекулярном уровне); — макрорезонансные эффекты (соотношение с длиной волны всего тела или отдельных его частей и органов); — глубина проникновения в тело — также зависит от частоты. что с него начинается обоснование всех работ по защи- те, важный — так как, пожалуй, ни один последующий этап проведения расчетных, измерительных работ и за- щитных мероприятий не может настолько повлиять, с одной стороны, на здоровье человека, а с другой — на экономичность всей системы защиты, как нормирова- 88
ине *. Нормирование СВЧ излучений — трудный этап проведения защиты, так как связан с очень большим разнообразием трудноучитываемых факторов (см. выше схему этапов нормирования), которым, пожалуй, не характеризуется ни один другой реагент. Пока в этом вопросе сделано очень мало, и то, что уже сделано, тре- бует дальнейшего совершенствования. Это необходимо прежде всего для правильного применения результатов решения конкретных инженерных задач по обнаруже- нию и количественному определению действующих па- раметров СВЧ поля, в частности ППМ и времени воз- действия. Расчетным методам определения ППМ, прогнозу СВЧ поля посвящены 4-я и 5-я главы книги. 4. МЕТОДЫ ПРОГНОЗА ОБЛУЧАЕМОСТИ Реальные условия облучения СВЧ нолем, даже без учета его временных характеристик, чрезвычайно разно- образны: с Одной стороны, во время работы при отри- цательных углах места антенн позиция станций может быть подвергнута облучению энергией основного лепе- стка, с другой стороны, при работе «в зенит», на чело- века будут действовать «дальние» боковые лепестки. В помещениях с генераторной аппаратурой и элемента- ми фидерного тракта имеются внутренние (паразитные) излучения аппаратуры, создающие угрозу переоблучения непосредственно на рабочем месте. В ряде случаев вну- тренние поля возникают вследствие проникновения энер- гии СВЧ через стены, а также вследствие переизлучения энергии металлическими включениями, имеющимися в материале стен и крыши. Как правило, определение возможных каналов про- сачивания СВЧ энергии и экранировка их для снижения интенсивности ноля на рабочих местах до допустимого уровня должно проводиться еще па этапе проектирова- ния, отладки и сдачи аппаратуры .в эксплуатацию. При * Поэтому (в частности) принятые нормативы приходится пе- риодически пересматривать. Нередко это приходится делать прину- дительно, ибо приверженцев любых законов за каких-нибудь 3—5 лет их существования уже по чисто психологическим причинам всегда оказывается более чем достаточно. Естественно при этом, что наряду с вопросом, насколько правомерны новые предложения, следует счи- тать законным и контрвоп.рос: в достаточной ли мере был обоснован старый подход? 8V
эксплуатации необходим лишь регулярный контроль за сохранением безопасных уровней поля после проведения работ, связанных с разборкой или разрегулированием излучающей аппаратуры во время регламентных или настроечных работ, после смены ламп и т. п. Наиболь- шую и постоянную опасность представляют облучение основным лепестком и ближними (в пределах 20 ... 40° относительно электрической оси антенны) боковыми ле- пестками, и только в некоторых случаях опасность пред- ставляют поля «дальних» боковых лепестков, переливы энергии облучателя за зеркало и т. д. 4.1. КРАТКАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ РАДИОПРОГНОЗА Наиболее точные сведения об облучаемости терри- тории в зоне действия уже функционирующих РЛС и, таким образом, о необходимости и нужной степени эф- фективности защиты от их вредного воздействия могут дать инструментальные методы определения ППМ. Однако при вводе новых станций, опасные зоны которых занимают очень большие площади — десятки и сотни квадратных километров — ряд задач защиты необходи- мо решать еще до ввода станций в строй. Таким образом, необходимы эффективные методы рас- чета поля на основании общих параметров станции еще до построения действующего образца РТС, т. е. на этапе проектирования. При оценке полей уже действующих РТС имеет смысл использовать расчетные методы в следующих слу- чаях: I) при ограниченном времени работы станции на из- лучение; 2) при небольшом объеме экспериментальных дан- ных, не позволяющем представить полную картину облу- чаемости, тем более при всех допустимых режимах раз- боры станции; 3) при невозможности полностью использовать имею- щиеся экспериментальные данные из-за значительных изменений в конструкции РЛС. В § 2.1 мы видели, что для оценки биологической опасности необходимы по крайней мере два параметра поля: интенсивность и время воздействия. Интенсив- ность поля в произвольной точке наблюдения зависит от целого ряда факторов и прежде всего от параметров
излучателя (антенны РТС, мощности излучения и дли* иы волны), от степени влияния трассы, а также от рас* пределения поля вблизи точки наблюдения, т. е. от мест- ных предметов. Удобнее всего разделить эти факторы на две группы: первая — зависит от параметров излуча- теля и определяет интенсивность поля в точке свободно- го пространства, совпадающей геометрически с точкой наблюдения; вторая — от условий распространения на трассе и распределения вблизи земли, она учитывается с помощью поправочных коэффициентов к интенсивно- сти поля в свободном пространстве. Учет трассы и местных предметов с той точностью, которая необходима для радиопрогноза в целях биоло- гической защиты, разработаны в достаточной степени и поэтому во многих случаях могут быть использованы в практике радиопрогноза в готовом виде. Следует иметь в виду, что при измерениях влияние отдельных параме- тров станции и трассы оказывается учтенным автомати- чески; между тем, учет влияния местных радиоотражаю- щих предметов оказывается не столь очевидным. Дело в том, что, как правило, измерения полей проводятся в весьма ограниченном количестве точек, и поэтому глу- боко нерегулярные интерференционные эффекты, возни- кающие вблизи нескольких или даже двух радиоотра- жающих поверхностей, зачастую не позволяют быть уве- ренными в точности общей оценки поля на основании нескольких измерений, проведенных в произвольных точках. Расчетный путь определения энергетических параме- тров облучения в отличие от инструментального являет- ся более простым, но из-за сильного влияния многих различных трудноучитываемых факторов точность рас- чета в каждой отдельной точке оказывается сравнитель- но невысокой. И все же возможность получения значи- тельного объема информации при расчете позволяет бо- лее полно представить всю картину облучаемости. В не- обходимых случаях (до включения станции на излуче- ние и при отсутствии результатов измерений) расчетные методы могут служить основанием для разработки пред- варительных мер защиты, организации режима, труда, планирования работы служб контроля и т. п. Расчетные методы являются первой фазой системы последователь- ного контроля радиобезопасности (СПКР), которая (проведенная в полном объеме) состоит из четырех эта- 91
пов: 1) расчет поля в свободном пространстве (обычно проводится задолго до выбора места расположения стан- ции на местности*); 2) учет условий распространения поля на конкретной местности; 3) уточнение данных уче- та местности путем измерения поля на местности чув- ствительными приемниками при работе построенной антенны от маломощного генератора; 4) измерение ППМ в реальных условиях при поминальной мощности пере- датчика. Достаточно строгие методы расчета уровня ноля — апертурный и токовый — позволяют с большой точно- стью оценить уровень поля, если точно заданы исходные данные. Однако создать на их основе простые инженер- ные методики практически невозможно из-за следующих недостатков этих методов: — значительного количества исходных данных, необ- ходимых для расчета, — сложности математического аппарата, — низкой реальной точности расчета вследствие трудности в естественных условиях удовлетворить тре- бования, предъявленные к точности всех задаваемых исходных данных. Некоторым исключением из общего правила является сейчас интенсивно разрабатываемая «физическая теория дифракции», однако далеко не всегда результаты, полу- чаемые на основании этой теории, находят применение в практике радиопрогноза по крайней мере из-за труд- ности представления результатов в форме, удобной для использования. Таким образом, оказалось необходимым искать новые принципы, пригодные для создания обоб- щенной инженерной методики расчета поля. Одним из них явился так называемый «ретроспектив- ный принцип», который заключается в использовании для расчета всей картины поля данных о диаграмме направленности в дальней зоне, как известно, доста- точно точно рассчитываемой на основании известных общих параметров антенны и некоторых выявленных общих принципов формирования поля, позволяющих до- статочно просто определить значение интенсивности поля вблизи антенны. * Известные попытки разработки методов расчета внутреннего поля паразитных 'излучений, проникающих через неплотности в экра- нах шкафов с СВЧ аппаратурой, фидеров и т. п,, пока оказывались безуспешными. 92
При разработке нового метода расчета, названного ретроспек- тивным (P-метод), было использовано несколько предпосылок. Основной из них является допущение о достаточности расчета поля по огибающим максимумов осевого ноля и боковых лепестков, т. е. исключая расчет поля между максимумами поля; правомочность расчета по огибающим можно объяснить тем, что для определения биологической вредности имеет смысл учитывать только худший случай из возможных (в практических пределах стабильности задан- ной ситуации). Дело в том, что минимумы диаграммы поля, тем более в дальней зоне, как правило, относительно узки и нерегулярны (из-за влияния различного рода дестабилизирующих факторов: тем- пературных деформаций антенного полотна и т. п.), поэтому при воздействии на реальную антенну ветровых, температурных нагру- зок, уровень поля в точке, находящейся вблизи минимума диаграм- мы, является величиной существенно нестабильной. Тем более неце- лесообразно рассчитывать па минимумы поля при определении опас- ности в зоне действия полей антенн с перемещающимися диаграм- мами. Наконец, такая постановка задачи объективно оправдана при расчете поля на относительно малых расстояниях от антенн, где действительно появляется явно выраженная полоса размытия между максимумами. Вторым важным допущением является общее смягчение требова- ний к точности расчета, которое оправдывается рядом объективных факторов биологического и физического характера, также позволяю- щих существенно упростить задачу разработки метода расчета (см. также п. 2.1.1): 1. Значительная количественная и качественная неоднородность распределения реальных СВЧ полей в пределах единиц или даже долей единиц размера человеческого тела, особенно при облучении внутренним и боковым антенным полем. 2. Малая вероятность относительно длительной неподвижности ноля и биообъекта; резкая зависимость эффективности облучения от ракурса освещения (в сантиметровом и дециметровом диапазонах). 3. Большая зависимость эффективности облучения от физиоло- гического состояния организма, состояния поверхности тела и его диэлектрических свойств. 4. Невозможность дифференцировать биоэффекты при малых (порядка единиц децибел) различиях в интенсивностях облучения; предельно допустимые нормы облучаемости в СССР, кстати, в на- стоящее время установлены с дискретностью 10 дБ. Кроме того, эффективность воздействия поля сильно зависит от времени и характера облучения (имеются в виду прерывистое, не- прерывистое, эпизодическое воздействия). Все это и позволило считать удовлетворительной величину по- грешности расчета огибающей диаграммы направленности поля в основном лепестке 2 ... 3 дБ, в боковых направлениях — порядка 4 ... 6 дБ. Ретроспективный метод обеспечивает такую точность. При этом он позволяет в значительной степени упро- стить расчет интенсивности, сделать его наглядным и удобным в инженерном отношении, упростить процесс пользования расчетными данными, подойти к разработ- ке инженерных методов расчета времени и скважности 93
воздействия. Именно при использовании P-метода уда- лось разработать и внедрить оптимальную форму обоб- щения результатов расчета в виде специальных графи- ков, названных нами вертикальной и горизонтальной диаграммами излучения (ВДИ и ГДИ). Наиболее типичными оказываются случаи, когда рас- четная точка находится ниже или выше, а не сбоку из- лучателя. Поэтому в дальнейшем будут рассматривать- ся методы построения и правила использования только вертикальных диаграмм излучения. ВДИ представляет собой семейство линий равных ППМ, нанесенных в ко- ординатах расстояние — высота. Такое представление расчетных данных, как мы увидим ниже (§ 5.1), позво- ляет до минимума упростить их использование в прак- тике радиопрогноза и защиты. Отметим также, что нет принципиальной разницы ни в построении, пи в исполь- зовании вертикальной и горизонтальной диаграмм излу- чения, а для антенн с осевой симметрией они вообще полностью совпадают, поэтому ниже речь будет идти только о ВДИ. P-методом можно пользоваться в большинстве прак- тических случаев. Иногда требуется привлечение более строгих методов, некоторые примеры использования этих методов в практике радиопрогноза будут даны ниже. Таким образом, интенсивность поля как его основной параметр может быть найдена расчетным и инструмен- тальным путем. Время облучения для эпизодических и скважность для периодических воздействий пока могут быть определены только расчетным путем, т. е. методами радиопрогноза, хотя использование результатов такого расчета может быть допустимо совместно с данными измерения интенсивности. И только при измерении поля измерителями дозы (дозиметрами) и мощности дозы* скважность и время облучения оказываются учтенными автоматически. 4.2. ОСНОВЫ «ТРАДИЦИОННЫХ» МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПОЛЯ Из всего разнообразия типов антенн СВЧ мы огра- ничимся здесь рассмотрением лишь зеркальных антенн, которые широко применяются в технике. Для расчета поля зеркальных антенн наибольшее распространение * В некоторых ведомствах их называют дозиметрами. 94
получили токовый и апертурный методы. Расчет даль- него бокового излучения обычно производится методом «краевых волн». Систематическое изложение этих мето- дов можно найти в соответствующей литературе [см., например, 4, 66, 156], поэтому ниже приводится лишь их краткая характеристика, а основное внимание обра- щено на области их применения и ознакомление с ре- зультатами расчетов, которые могут оказаться полезны' ми па практике при оценке интенсивности облучающего поля. 4.2.1. Общие принципы методов анализа поля антенн. Строгий анализ электромагнитного поля антенны неиз- бежно связан с решением уравнений Максвелла. Решения уравнений Максвелла для ряда отдельных условий раз- мещения источников поля лежат в основе приближенных методов анализа, которые в преобладающем большинстве случаев обеспечивают достаточную для практики точ- ность. Отличие приближенных методов друг от друга обусловлено различиями в допущениях и ограничениях, принятых при расчете и связанных с невозможностью учесть распределение элементарных источников поля по апертуре. Уже сама конструкция зеркальной антенны (наличие облучателя и отражателя) и механизм излучения пред- полагают расчет поля в два приема, которые в теории антенн называются соответственно внутренней и внеш- ней задачами. Внешняя задача заключается в расчете искомого поля по известному распределению источников на некоторой поверхности, ограничивающей антенну, внутренняя — в отыскании распределения источников по- ля (как результат действия облучателя) внутри некото- рого объема, ограничивающего антенну, или на ее по- верхности. Один из распространенных методов решения внешней задачи заключается в расчете поля излучения антенны по 'известному распределению токов па освещенной по- верхности зеркала и носит название токового метода. Хотя в самой основе токового метода лежат строгие ре- шения уравнений Максвелла для случая распределения токов на замкнутой поверхности, сам метод является приближенным. Приближенность метода определяется главным образом тем, что решение внутренней задачи, т. е. отыскание распределения токов на поверхности зер- кала, производится методом геометрической оптики при 95
следующих допущениях: а) облучатель считается точеч- ным; б) отражатель считается расположенным в даль- ней зоне облучателя; в) плотность поверхностного тока в любой точке освещенной поверхности зеркала равна току, возбуждаемому на идеально проводящей плоско- сти; г) на обратной (теневой) стороне зеркала и вспо- могательных элементах конструкции (тяги и др.) токи не возбуждаются. Рабочие формулы для расчета поля токовым методом могут быть получены лишь для кон- кретной конструкции антенны. Хорошие примеры прак- тического применения токового метода для расчета дальнего поля зеркальных антенн содержатся в [102, 150]. Другой метод расчета называется апертурным и за- ключается в использовании информации о распределении поля в апертуре антенны. Этот метод достаточно прост и нагляден. При расчете поля апертурным методом мож- но абстрагироваться от реальной конструкции зеркала и решать задачу для определенного типа функций, с по- мощью которых аппроксимируются реальные амплитуд- ные распределения поля по апертуре. Исходным при расчете поля апертурным методом является выражение [4]: S где индекс S при U указывает на значение функции в плоскости апертуры антенны; п —единичный вектор нормали к апертуре в точке интегрирования. Формула (4.2.1) известна в оптической теории диф- ракции под названием скалярного интеграла Кирхгофа. Анализ поля зеркальной антенны апертурным методом представляет по существу дифракционную задачу, т. е. задачу определения поля, создаваемого отверстием в не- прозрачном экране при падении на пего электромагнит- ной волны. Методы решения подобной задачи достаточ- но хорошо разработаны в теории оптики. Внутренняя задача (отыскание распределения поля по апертуре) решается так же, как и при токовом мето- де, т. е. в геометро-оптическом приближении. Вводя поня- тие функции амплитудно-фазового распределения поля по апертуре, выражение (4.2.1) можно преобразовать
к виду {4]. 6' ^Y/Ve cos(n, r)4- + /fens] dS, (4.2.2) •J где Умакс — максимальное значение Us: г — единичный вектор в направлении г; s — единичная векторная нор- маль к волновому фронту в апертуре. В зависимости от специфики решаемой задачи выражение (4.2.2) можно упростить, введя дополнительные ограничения. Типичным для большинства практических приложе- ний рассмотренных методов является допущение, что расстояние от антенны до точки наблюдения достаточно Точна Рис. 4.2.1. Система координат» используемая при выводе фор- мул апертурным методом. велико и превышает по крайней мере несколько линей- ных размеров антенны. Если ограничиться также об- ластью малых углов, то выражение (4.2.2) для синфаз- ных раскрывов существенно упрощается и в системе ко- ординат, показанной на рис. 4.2.1, принимает вид [4] \ia(S)e~^dS, (4.2.3) s где R = Ух2 + if + z2 — расстояние от начала координат до точки наблюдения. Наиболее критичны приближения для г в экспонен- циальном (фазовом) члене подынтегрального выраже- 7—393 97
ния. Если точное значение Г = + + г (4.2.4) разложить в ряд и использовать члены разложения не выше первого порядка, то получается выражение, спра* ведливое для ноля в дальней зоне. Приближение для г, получаемое отбрасыванием членов разложения выше второго порядка, называется приближением Френеля, а значения г, где существенны квадратичные члены,— зоной Френеля. Таким образом, в зоне Френеля получаем Jfo(S)exp к 2R'dS. (4.2.5) 5 Мы уже говорили, что для большинства практиче- ских задач интерес представляет не сама интерференци- онная структура бокового излучения, а его верхняя оги- бающая. Этот факт позволяет использовать для расчета бокового излучения метод «краевых волн» [66]. Сущность его заключается в том, что боковое излучение (за исклю- чением ближайших к главному боковых лепестков и краевого лепестка, создаваемого прямым излучением об- лучателя) представляется в виде суперпозиции краевых волн от противоположных кромок зеркала и их много- кратных отражений от поверхности зеркала, причем об- щий вклад, многократных отражений принимается рав- ным 1/)/ 3 вклада однократно отраженной волны. Па практике при расчете плотность мощности удоб- но представить в виде функции таких характеристик антенны, как коэффициент направленного действия и диаграмма излучения. Поэтому исходное выражение для расчета интенсивности облучающего поля можно пред- ставить в виде функции /7ТЙ = /7О(/?)|Г(/?, 6, (4.2.6) приняв /70(/?)=РпэлО(/?)/4л/?2. (4.2.7) Здесь R, 0, — сферические координаты точки наблю- дения с началом координат в центре раскрыва (рис. 4.2.1). Выражение (4.2.6) напоминает хорошо известную формулу для плотности -потока мощности в дальней зоне антенны (1.2.2). Отличие заключается в том, что обычно коэффициент усиления и диаграмма направленности ЭД
определяются при в то время как в (4.2.6) эти характеристики представлены в виде функций расстоя- ния. 4.2.2. Дальнее поле синфазных апертур. Дальнее поле синфазных апертур является наиболее исследованным. Как правило, определение характеристик дальнего поля проводят для двух практически важных типов апертур: прямоугольной и круглой. Не отступая от этой тради- ции, рассмотрим характеристики прямоугольной аперту- ры, предварительно задавшись функцией амплитудного распределения поля в раскрыве. Наибольший практический интерес представляет функция типа «косинус в /г-й степени на пьедестале»: Ь (&) — а + (1 — а) cos" (rx.iL), (4.2.8) где -L/2<5 <L/2 (L= 2а, 2b), 0<а < 1; ~п = О, 1,2,... Эта функция выбором параметров п и а, характери- зующих соответственно степень спада поля к краю апер- туры и относительный уровень поля па краю апертуры, позволяет с достаточной степенью точности аппроксими- ровать реальные амплитудные распределения (в том числе и так называемые тейлоровские), создаваемые ру- порными облучателями в раскрывах зеркальных антенн. Практическое значение в (4.2.8) имеют лишь несколько первых значений п. Случаи « = 0 и а—1 соответствует равномерному амплитудному распределению. Если прямоугольная апертура линейно-поляризован- ная и синфазная, а функция амплитудного распределе- ния ноля по апертуре является разделяющейся (т. е. мо- жет быть представлена в виде произведения функций распределения вдоль каждой из сторон апертуры), то КПД такой апертуры в дальней зоне определяется фор- мулой [156] = (4тс5/Л2) (4.2.9) где Ооо —КПД в дальней зоне, kwn=kakb — коэффици- ент использования площади апертуры (рис. 4.2.2) 2 здесь 'f(g') — функция амплитудного распределения вдоль соответствующих сторон апертуры; l'=2%/L.
Таблица 4.2.1 Расчётные значения коэффициентов ka и уровня первого бокового лепестка для функции распределения (4.2.8) а п 1.0 0,417 0,316 0,178 0,1 0.0562 0 ka (Ь) 1 1,0 0,955 0,927 0,876 0,855 0,838 0,812 2 1,0 0,932 0,881 0,796 0,750 0,714 0,667 3 ко 0,92 0,855 1 0,750 0,684 0,640 0,577 31, дЬ 1 13,2 18,3 20,1 22 22,8 23 23,1 2 13,2 23,2 26,3 33,3 46,1 38,9 31,4 3 13,2 21,5 23,1 30,1 34,1 37,9 39,3 В табл. 4.2.1 приведены расчетные значения ka и kb для ?г=1, 2, 3 и а=0,1; 0,447 (—7 дБ); 0,316 (—10 дБ); 0,178 (—15 лБ); 0,1 (-20дБ); 0,0562 (-25дБ) и 0. От- меченные значения /7 и а и в дальнейшем будут исполь- зоваться нами как наиболее характерные. Таким образом, зная параметры п и а функции ам- плитудного распределения поля вдоль каждой из сторон апертуры, можно по формуле (4.2.9) определить КНД антенны в дальней зоне. При изменении уровня освеще- ния краев апертуры кроме изменения КНД изменяется и уровень бокового поля и, в частности, уровень первого бокового лепестка (табл. 4.2.1). Диаграмма направленности, т. е. зависимость поля излучения от углов 6 и ср, обычно определяется не в са- мом общем виде (пространственная диаграмма), а для характерных («главных») плоскостей, какими являются плоскости 9, или xoz (ср = О), и ф, или yoz (ф=90°) (рис. 4.2.1 и 4.2.2). В связи с этим задача расчета диаграммы направленности в каждой из этих плоскостей сводится к двумерной, т. е. к расчету в этой плоскости диаграммы направленности линейного излучателя длиной, равной размеру соответствующей стороны апертуры с соответст- 1 СО
2а' л со Реальное распределение / Радио мер ное распределение. Ва валентное реальному Плоскость 6 Расчетная точка в плоскости 5 Расчетная точка в плоскости. Электрическая ось антенны Плоскость р Система координат, используемая практических рас- в Рис. 4.2.2. четах: Вершины углов 0 и ip находятся в физическом центре апертуры. Коэффи- циенты k определяются раздельно для каждой плоскости (В и (р). вующим распределением поля. На рис. 4.2.6—4.2.11 штрих-пунктирной линией показаны диаграммы направ- ленности для «==1,2 и а=0,316; 0,1; 0. При расчете характеристик поля круглой апертуры полагают, что амплитудное распределение поля сим- метрично относительно центра апертуры. В связи с этим интегрирование удобней выполнять в полярных коорди- натах, а для аппроксимации амплитудного распределе- ния использовать другой тип функции, а именно: Мр) = * + (1 -®) [/- (тд)2]"’ (4’2’10) где L—диаметр апертуры (ниже принято обозначать для круглой апертуры L—2a); 0<^p^L/2, О^а.^1, п= = 0, 1, 2, ... В этих условиях КНД апертуры рассчиты- вается по формуле (4.2.9), а коэффициент использова- ния может быть определен из табл. 4.2.2. Там же при- ведены значения уровня первого бокового лепестка диа- граммы направленности. Диаграмма направленности круглой апертуры в силу круговой симметрии амплитудного распределения обла- 101
Таблиц а 4.2.2 Расчетные значения £ЯС)1 круглой апертуры и уровня о, для функции распределения (4.2.10) а /1 1.0 0,447 0,316 0,178 0.1 0.0562 0 &исп 1 1.0 0,953 0.917 0,86 0.817 0,789 0,75! 2 1.0 0,936 0,876 0,772 0,689 0,634 0,555 3 1.0 0,933 0,863 0,73 0,619 0,544 0,437 $1, дБ 1 17,6 21.1 22.3 23,7 24,3 24.4 24,5 2 17,6 23.5 27,0 32,6 34,9 33,9 30,4 3 17,6 25,1 32,2 33,0 38,2 33,7 35,9 дает симметрией относительно электрической оси. На рис. 4.2.12—4.2.17 штрих-пунктиром показаны диаграм- мы направленности для п—1,2 и а = 0,316; 0,1; 0. Для расчета огибающих дальних боковых лепестков можно воспользоваться результатами [66], где приведены огибающие бокового излучения цилиндрического и осе- симметричного зеркал для фкр = 30°; 60°; 90°, нормиро- ванные к максимуму главного лепестка диаграммы на- правленности. При пользовании графиками [66] надо иметь в виду, что они относятся к случаю а>0,2 ... 0,3 и дают значение огибающей максимумов нормированной диаграммы направленности по напряженности поля (а не по мощности). До сих пор понятие дальней зоны употреблялось только в ка- чественном смысле, так как не было необходимости в установлении специального критерия. Теперь, после того как приведены выраже- ния для характеристик дальнего поля зеркальной антенны, есть воз- можность определить область их применения. Как правило, ближняя граница дальней зоны по осевому тюлю (/?л) определяется по наибольшему размеру апертуры антенны: ^ = 2£мак<А (4.2.11) где Амакс — максимальный лилейный размер апертуры. Очень часто Ьмакс=2 Ь и тогда /?д=/?д& = 8Ь2/Х. В области краевого дифракционного излучения из-за особенно- стей его механизма формирования границу дальнего поля с дост«- 102
точной для практики степенью точности вне области основного излу- чения зеркальной антенны .можно полагать равной /?д~(!2 ... 13)L, (4.2.12) где L равно 2а или 2Ь. Из (4.2.12) видно, что в этом случае /?д не зависит от длины волны. 4.2.3. Ближнее поле синфазных апертур. В отличие от дальней зоны, в ближней зоне коэффициент усиления и диаграмма излучения синфазной апертуры являются функциями расстояния. Выражение для КНД прямо- угольной синфазной апературы в зоне Френеля для 'функции типа (4.2.8) имеет вид [70] (4.2.13) Расчет коэффициентов В^ — В^ ввиду громоздкости расчетных формул довольно сложен, поэтому на прак- тике удобно пользоваться графиками зависимостей В от х, рассчитанными для п= , 2, 3 [70]. Для КНД круг- лой синфазной апертуры по аналогии с (4.2.13) получа- ется выражение D(R) = DMB\ (4.2.14) где В — коэффициент, зависящий от расстояния х и определяемый параметрами (4.2.10) в соответствии с рис. 4.2.3. Зависимости В(х) для круглых апертур приведены на рис. 4.2.3—4.2.5 (D = L — диаметр). Для диаграмм излучения по мощности прямоуголь- ной апертуры в каждой из двух взаимно перпендикуляр- ных плоскостей (0 и ср) получается следующее выраже- ние (нормировочный коэффициент опущен): \F(x, u)\^\zFa(x, W) + (l -a)Fn(x, <, (4.2.15) где J & exP [i IT r— N Гх 2" '/) - c (Vi) — js (v'i) + js (yt)], (n — 21 — F0(x, u) = Vx^p^j^-yc( - is (V'o)-js (v0)j, , 1 2u V x 2иУ x -----J ^0 103
Рис. 4.2.3. Зависимость коэффи- циента В от приведенного расстоя- ния х круглой апертуры при Я=1. Рис. 4.2.4. Зависимость коэффи- циента В ст приведенного рас- стояния х круглой апертуры при /7 = 2. Рис. 4.2.5. Зависимость коэффи- циента В от приведенного расстоя- ния х круглой апертуры при /7=3.
2L2/\ ’ 1— \ s’n®; в плоскости О Д —2а, 0 —б; в плоскости ф L—2b, 9 — — ф; $—интегралы Френеля; А'--4оо (означает конеч- ность рада). На рис. 4.2.6—4.2.11 приведены диаграммы направ- ленности, рассчитанные по формуле (4.2.15) для п = 0,12; «==0,316; 0,1; 0. Диаграммы нормированы к значениям |F(x, и) |2 при а ~0. Зависимость диаграммы излучения круглого раскры- ва от расстояния для функции распределения (4.2.10) определяется выражением (без нормировочного коэф- фициента) |Л(х, a)j2—](aU/0 (у, «> + (1 -а)Гп(у, <, (4.2.16) где согласно [183] ^o(Y. (Y. “) + /«»(Y, “)Ь I ( о Хп дп umy, и)= 4-1 -АгГп(т, п), \ J / д^п к R nL . 7 —-п—; х=тгго7,-; a=-^-sm Ui(y, и) и п2(у, и) — функции Ломмеля первого рода от двух переменных соответственно 1-го и 2-го порядков. Результаты расчета диаграмм излучения круглого раскрыва для п=1; 2 приведены на рис. 4.2.12—4.2.17. При расчете огибающей краевого дифракционного излучения, в ближней зоне необходимо учесть следующие факторы, которыми сопровождается приближение точки наблюдения к зеркалу (рис. 4.2.18): — изменение соотношения амплитуд краевых волн за счет уве- личения разницы в расстояниях от противоположных кромок зеркала до точки наблюдения; — изменение углового сдвига между фазовыми фронтами крае- вых воли; — изменение соотношения амплитуд краевых волн, определяе- мых диаграммами направленности из-за неравенства углов 01 и 02; 105-
Рис. 4.2.6. Диаграммы излучения по мощности линейного источ- ника для Я=1, а=0,316. 106
Рис. 4.2.7. Диаграммы излучения по мощности линейного источ- ника для Я==], <х=0,1. 107
Рис. 4.2.8. Диаграммы излучения по мощности линейного источ- ника для Я=1, « —0. 108
0 it Zit 5lt ^it sinG Рис. 4.2.9. Диаграммы излучения по мощности линейного источиИ’ ка для Я=2, а = 0,316. 109
Рис. 4.2.10. Диаграммы излучения по мощности линейного источ- ника для Я==2; и — 0,1. НО
Рис. 4.2.11. Диаграммы излучения по мощности линейного источ* ника для й=2, а=0.
Рис. 4.2.12. Диаграммы излучения по мощности круглого раскрыза для Я=1, а = 0,316. 112
|Ffa)l2 Рис. 4.2.13. Диаграммы излучения по мощности круглого раскры- ва для п=1, а =-0,1. 8—393 НЗ
Рис. 4.2,14. Диаграммы излучения ио мощности круглого раскры- ва для Я=1, <х—0. 114
Рис. 4.2.15. Диаграммы излучения но мощности круглого раскры- ва для «=2, а—0,316. 8* 115
Рис. 4.2,16. Диаграммы излучения по мощности круглого раскрыва для Я—2, а=0,1. 116
для n=2, а=0. 117
Расчетная точка R(bt Рис. 4.2.18. К расчету краевого дифракционного излучения. — изменение углового рас- пределения краевых волн и их от- ражений от поверхности зеркала. Учет последнего из перечислен- ных факторов хотя и возможен, по встречает определенные трудно- сти, так как в ближней зоне угло- вое распределение краевых воли и их отражений различно для раз- личных расстояний. Поэтому для упрощения будем полагать, что формирование краевого дифракци- онного излучения происходит в ре- зультате интерференции только двух краевых волн и что затенения краевых волн зеркалом нет. На рис. 4.2.19 и 4.2.20 приведе- ны огибающие бокового излучения цилиндрического зеркала в виде зависимостей величин Me и Мн от 0 для фкр=30°, 60э и приведенных расстояний x'=/?/L = 1..’ 15; /7макс=Лгзл/5Лксп — поле в центре апертуры. После нахождения по графикам МЕ и Мн находятся значения ППМ в плоскостях Е и Н: Е ~ L '^Е^Мйкса2 и Пн ~ £ М/уТ7МакСа2. Огибающие бокового излучения круглого раскрыва приведены на рис. 4.2.21, 4.2.22. В отношении пределов применимости приведенных формул не- обходимо отметить следующее. Если графики для определения крае- вого поля могут применяться вплоть до непосредственной близости к апертуре, то применение графиков рис. 4.2.3—4.2.17 ограничено зоной Френеяя, ближняя граница которой может быть определена из рис. 4.2.23 [186], 4.2.4. Поле сфокусированных апертур. Фокусировка ноля антенны заключается в создании такого фазового распределения поля по апертуре, при котором на задан- ном конечном расстоянии /?ф (в точке фокуса) обеспе- чивается синфазное сложение полей, излучаемых эле- ментарными источниками. В зеркальных антеннах фокусировка практически до- стигается смещением облучателя из фокуса зеркала вдоль продольной оси. Как известно, эффект фокусиров- ки наилучшим образом проявляется в зоне Френеля. Нетрудно показать, что может быть получено следую- щее выражение для КНД круглой сфокусированной апертуры в зоне Френеля: О(/?, = (4.2.17) 118
Рис. 4.2.19. Огибающие бокового излучения цилиндри- ческого зеркала при фхр°=30°: о — в Е плоскости (вектор Н параллелен кромке), б —в //-пло- скости (вектор Е параллелен кромке). 119
Рис. 4.2.20. Огибающие бокового излучения нилиндрическо го зеркала при “фкр^бО0: а — в Е-плоскости; б — в Н-плоскостн. где выражение для Вф не отличается по существу от подобного выражения для В несфокусированной апер- туры. Разница заключается лишь в том, что в первом В умножено па безразмерную величину qt характеризую- щую относительное удаление заданной точки от даль- 120
Рис. 4.2.21. Огибающие бокового излучения круглого рас- крыва при фкр=ЗО°: а — и Л-ллоскости, б — в П-плоскости. 121
Рис. 4.2.22. Огибающие бокового излучения круглого раскрыва при *фкр = 60°: а —в Е плоскости, б —в Я-плоскости,
пости фокусировки (7 = /?ф/(]/?ф—/?|), — дальность фокусировки). Поэтому если принять, что амплитудное распределе- ние поля в апертуре определяется функцией (4.2.8), то для определения КПД сфокусированной апертуры мож- но непосредственно использовать графики рис. 4.2.3— 4.2.5, заменив в них 7? па qR. В точке фокуса (при R — = Т?ф)<7=оо и В = \. Следовательно, КПД сфокусиро- ванной апертуры в точке фокуса равен КПД синфазной апертуры в бесконечности. Аналогичный результат полу- чается и для диаграммы излучения круглой сфокусиро- ванной апертуры, т. е. для ее определения можно использовать формулу (4.2.16) и графики рис. 4.2.3— 4.2.5 и 4.2.12—4.2.17 при условии замены R на qR. Нетрудно убедиться, что подобные результаты мо- гут быть получены также в отношении КНД и диаграм- мы излучения прямоуголь- ной сфокусированной апертуры. Таким образом, мож- но сделать следующий важный вывод: известные результаты анализа КПД и диаграммы излучения синфазных апертур в зоне Френеля (формулы и графики) могут быть рас- пространены на апертуры, сфокусированные на ко- нечном расстоянии путем замены R на qR. Это озна- чает, что при прочих рав- ных условиях КНД и диаграмма излучения сфокусиро- ванной апертуры на расстоянии qR соответственно равны КНД и диаграмме направленности синфазной апертуры на расстоянии R, а синфазная апертура по существу представляет частный случай сфокусированной апертуры при <7=1. При расчете огибающей краевого дифракционного излучения сфокусированной зеркальной антенны можно пренебречь изменением уровня поля па ее краях за счет смещения облучателя из фокуса зеркала и, следователь- но, использовать уже известные формулы для синфазных апертур. Рис. 4.2.23. Зоны антенны в зави- симости от R, L и л. 123
4,3. РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПОЛЯ АНТЕНН Как мы. видели выше, такие методы расчета поля, как токовый, апертурный и краевых волн, требуют зна- чительного объема исходных данных, причем далеко не всегда расчетчик-прогнозист может иметь эти данные до ввода конкретной станции в эксплуатацию. Кроме того, даже при полном наличии данных оказывается, что рас- чет на основе готовых формул или графиков всей кар- тины излучений в зоне действия конкретной антенны— дело довольно трудоемкое и поэтому далеко не всегда реализуемо. Между тем, расчет ППМ в пределах про- странственных ограничений, интересующих гигиену СВЧ (при допущениях относительно необходимой точ- ности расчета, см. § 4.1), может быть проведен Р-мето- дом. Применение такого метода для целей радиогигиены является весьма эффективным, если иметь в виду необ- ходимость оценки потенциальной опасности на основа- нии огибающих максимумов поля и допущение реальной точности прогноза порядка ± (3 ... 6) дБ. Напомним, что основой P-метода расчета является «ретроспективный» принцип: считается, что параметры диаграммы направленности известны, и расчет поля синфазных антенн на ближних расстояниях (с точ- ностью до огибающих) может быть проведен уже с использованием этой информации. В общем случае, как это было принято и выше (§ 4.2), поле в главных плоскостях на небольших угло- вых расстояниях от электрической оси антенны предпо- лагается определять в виде функции с разделяющимися переменными: 0, ф)=/7л/(/?)Г(0, Ф, /?), (4.3.1) где /7(Я, 0, ф)—ППМ на расстоянии А’й (или /?ф) от центра раскрыва, ЛА — уровень поля в центре раскрыва антенны, /(/?) —«продольная» функция зависимости осе- вого поля от расстояния, Л(0, <р, /?)—«поперечная» функция зависимости поля от утла в плоскости 0 (или ф) и расстояния (учет расстояний при определении F был дан в § 4.2). 4.3.1. Осевое поле антенн. Па практике для прибли- женных расчетов осевое поле антенн принято разбивать на две зоны: ближнюю и дальнюю, при этом гаранти- 124
руемая точность на стыке зон составляет около 1,5 дБ [84]. В дальней зоне, где диаграмму направленности можно считать сформированной, уровень поля опреде- ляется известным соотношением (4.3.2) где /7Л—рассчитываемая интенсивность осевого поля в дальней зоне. За границу дальней зоны принимается расстояние 7?Д=2Л2 макс А, (4.3.3) где £Макс — максимальный размер антенны. Вблизи антенны до расстояния не далее 2 ... 4 рас- крывов антенны вся мощность распространяется внутри Рис. 4.3.1. Распределение плотности «пучков» в реальной антенне на небольшом расстоянии от антенны повторяет распределение воля но апер- туре. гипотетического цилиндра (рис. 4.3.1) с площадью осно- вания, равной площади апертуры. Плотность лучей внутри этого цилиндра непостоянна и распределение плотности мощности по диаметру пучка повторяет рас- пределение первичного поля по раскрыву. Для упроще- 125
имя реальный пучок лучей в ближней зоне заменяется пучком с равномерной по его сечению плотностью мощ- ности, определяемой следующим выражением: /7о = А13л/5^исп, R < 0,25/?д, (4.3.4) где klicn=ka'kb\ ka, kb — коэффициенты, определяемые функциями амплитудного распределения вдоль соответст- вующих сторон апертуры. Здесь, как и ранее, считается, что функция распределения поля по плоской прямо- угольной апертуре является разделяющейся по осям, соответствующим пересечению с плоскостью апертуры двух главных плоскостей диаграммы антенны. Эти оси направлены параллельно сторонам апертуры 2 а (вер- тикальный размер) и 2 b (горизонтальный размер) и обязательно проходят через центр апертуры. Формулы (4.3.2) и (4.3.4) обеспечивают вполне до- статочную точность (не ниже ±3 дБ); их основной недо- статок— необходимость предварительного расчета гра- ниц зон для последующего выбора одной из формул. Возможность снижения точности расчета на проме- жуточных расстояниях позволяет заметно упростить фи- зическую модель осевого поля, предположив линейное изменение его интенсивности от величины РИзл/4 abk^.n на малых расстояниях до Р113лб/4л/?2 на больших. Счи- тая, что для синфазного прямоугольного раскрыва G = — \&jtabkakbl№ и имея в виду выражение для расстояния до границы дальней зоны (4.3.3), т. е. /?да — 8а72 и /?дЬ = 8672, получаем Г7 Рцзд4тг-26* __ Р1IS3t д~ • - (4/Мь) (2а26)* хахъ ’ (4.3.5) (4.3.6) где ха, b = R/R)i а, ъ для соответствующей плоскости. Обратим внимание, что знаменатель правой части выражения (4.3.6) можно рассматривать как площадь прямоугольника Snp, через которую проходит вся излу- чаемая мощность Ризл. Площадь прямоугольника в ближней зоне Snp б= (2akQ) (2bkb), (4.3.7) а на больших расстояниях в дальней зоне (х^>1) (4.3.8) 126
Если бы расширение луча при распространении из- лучаемой энергии вдоль расстояния х проходило линей- но, то длину каждой из сторон прямоугольника можно было бы определить как L (4.3.9) В плоскости 0 (<р-=0, рис. 4.2.2) х=хйу k = kay В плоскости ср (0 = 0) X — ХъУ k —kb> L = 2a. L=2b. Тогда выражение для осевой плотности мощности можно записать так: ^изл (4.3.10) где ФЛ(х) = ^ + 2х/й. На малых расстояниях формула (4.3.10) соответству- ет выражению (4.3.4), па больших—(4.3.2). Действи- тельно, при х—>0 Г] __ Р изл __ Р Skakb Sk^' а при х—*оо с учетом (4.3.3) и (4.2.16) _ р ь р ь .ДгГ2 р G Г1 1 1130*11611 1 ИЗЛ^ИСП __ 1 изли о S-4x2 4/?27zZ? 4л/?2 ’ Очевидно, наибольшую погрешность расчета по фор- муле (4.3.10) следует ожидать на промежуточных рас- стояниях; это подтверждается практически: наибольшее расхождение с экспериментальными данными и данны- ми, полученными точными расчетными методами, нахо- дится на расстояниях х~0,1 и составляет 3 ... 7 дБ [70]. Для коррекции зависимости Фл(х) введем нелинейный коррек- тирующий член а(х): ф^х)=А+(2х^)а(х) (4.3.11) 127
так чтобы 1. ct(O)=O; 2. Фя(0)/Фл(0,1)=0,7 ... 0,9, (4.3.12) т. е. принимается, что при х=0,1 плотность мощности на оси квад- ратной апертуры снижается по сравнению с плотностью мощности в апертуре на 1 ... 3 дБ. Это приблизительно соответствует данным 170, 141]; _ 3. Фк(!)/ФН0,8)^КГ; (4.3.13) 4. а(1)^1; (4.3.14) 5. Нт а (%) — 1. Таким образом, общий вид зависимостей огибающих функций плотности мощности осевого поля от расстояния [70, 141] предпола- гает введение корректирующей функции а(х), такой, чтобы се пер- вая производная была положительной, а вторая — отрицательной. Подобным требованиям удовлетворяет ряд функций, простейшая из которых для дальнейших расчетов записывается так: а(х) — (2/л) arc tg (4.3.15) Такая форма записи полностью удовлетворяет условиям 1 и 5. При )]к>1 выражение (4.3.15) удовлетворяет и условию 4. Найдем величину 1]к, необходимую для выполнения условия 3. Для этого в соответствии с (4.3.13) запишем Фм(1) _ £-4-2//г - Ф* (0,8) — /г + (2 0,8/Л) (2/7r)arctgO,87iK У2* Решим уравнение (4.3.16) относительно 1]к. Для &нсп=1 т]к = = 4,6, для ^иса = 0,4 )iK = 3,52, однако для соблюдения одновременно условий 3 и 4 примем окончательно -qK = 4,6 (вводимая при этом по- грешность расчета По на расстоянии х=0,8 находится в пределах менее 0,7 ... 1 дБ). Для проверки выполнения условия 2 запишем ФЛ(0) / 2-0,1 2 V1 -фдаг=(1+"^““агс1б0’4С) • (43Л7> Для средних /?исп = 0,4 ... 0,7 оказывается Фй(О)/Фа(0,1) = = 0,75 ... 0,88, т. е. условие 2 выполняется. Таким образом, уравне- ние (4.3.10) может быть представлено так*: (4.3.U) где ФЛ(х) = (4х/л) arctg4,6.v; //s=p^/S; для упрощен- ных расчетов можно принять /га2 = /г;/=/г11Сп==0,7 или лучше воспользоваться данными табл. 4.2.1 и 4.2.2. Формулу (4.3.18) можно использовать и для расчета поля круглых апертур, имея в виду, что здесь ka = kb, * Синтез уравнения (4.3.18) является следствием важного допу- щения, что формирование луча в обеих главных плоскостях происхо- дит независимо друг от друга, а суммарный эффект является супер- позицией частных эффектов по обеим плоскостям. 128
3=ла2, где а —радиус апертуры. При сравнении с апертурным методом ошибки такого расчета на про- межуточных расстояниях возрастают для равномерного облучения на-3 ... 4 дБ. При 2 а^2Ь для антенн в целом нельзя считать ха- рактерным понятие зон, во всяком случае, «зонные» эффекты таких антенн гораздо менее выражены, чем для круглых или квадратных. В частности, глубина осцилляций осевого поля таких антенн будет меньше, но они будут проявляться вплоть до расстояний *6 = 0,1 ... 0,3 (для Л>а). Представим значения k в зависимости от важного для определения бокового поля параметра — уровня пер- вого бокового лепестка [дБ] (здесь и далее берется абсолютное значение). Представление функции A(di) в аналитической форме в явном виде связано со значи- тельными трудностями математического характера. По этой причине придется воспользоваться функцией £(6i), представленной в табличной форме (табл. 4.2J и 4.2.2) и на рис. 4.3.2 точками, каждую из которых можно рас- сматривать как частное значение определенной функции £(61). С достаточной для дальнейших применений точ- ностью это семейство функций можно заменить одной функцией. Аппроксимируем зависимость полиномами 1-й и 2-й степени (варианты I и 11) так: /?i(6i) + ^ll(di) =^11б12+6пб14-С. (4.3.19) (4.3.20) Решив системы уравнений [19], определим коэффициенты «, Ъ, с (принимаются в расчет только точки с di<30 дБ). Вариант I ai. 1 — ^]а2 — = й, (4.3.21) а, — — 0 и вариант П А tfHa4 + ^Па3 + Сц«2 ~ ЛПаЗ 4" ^на2 ’Б ^Ца1 “ ЛЫ» (4.3.22) йЦл2 4“ 6ца1 + f II. “ • а1» 9—393
Сглаживающие функции по найденным коэффициентам а, Ь, с для общего случая (линейного источника и круглой апертуры) имеют вид Вариант I ^=—0,015861 +1,241 (4.3.23) Вариант II k = -0,000916,2 + 0,0361 + 0,804. (4.3.24) Зависимости /е(61) приведены на рис. 4.3.2. Из рисун- ка видно, что в практических расчетах необходимо поль- зоваться квадратичной сглаживающей функцией. Для удобства расчетов функции Ф(х) и £(6i) представлены графически на рис. 4.3.3. 4.3.2. Боковое поле в дальней зоне. В подавляющем большинстве случаев расчетная точка находится не на Рис. 4.3.2. Зависимость k (6.) для общего случая (круглый рас- крыв и линейный источник). 130
оси основного луча, а на некотором угловом расстоянии от электрической оси антенны. Если известна диаграмма направленности антенны станции, то уровень бокового излучения в дальней зоне можно определить так: /7 = //о.А(0?), (4.3.25) где_/70 — ППМ в центре луча на заданном расстоянии; F (0, ?) — нормированная по амплитуде диаграмма на- правленности в плоскости углов: вертикального б и го- ризонтального <? (рис. 4.2.2). Существенные различия диаграмм направленности вне данных о величине лепестков дальше первого де- лают зачастую невозможным на практике расчет боко- вого ноля даже в дальней зоне. Анализ диаграмм направленности излучающих круг- лой и прямоугольной площадок, соответствующих не- скольким крайним случаям их освещения, показал воз- можность нахождения обобщенной поперечной масштаб- ной функции (Л4-функции) изменения уровня по углу, если в качестве ее аргумента принять не абсолютные, а нормированные к ширине диаграммы направленности но половинной плотности мощности значения углов О*: * Здесь и далее угол 0 может быть заменен (для горизонталь- ной плоскости) утлом <р. В общем случае при расчете полей не толь- ко в дальней зоне угол 0 заменяется углом В (рис. 4.3.7). 9* 131
/z = 0/26o,5> (4.3.26) 1'де 0 — угол между направлением «расчетная точка — центр апертуры» и осью излучения. Af-функция— это зависимость относительного уровня бокового ноля по огибающей от угла. Обобщенной она названа потому, что, как мы увидим дальше, такая за- висимость, выраженная в функции аргументов: норми- рованного угла п и уровня первого бокового лепестка di — оказывается общей для большого класса синфазных апертур. Таким образом, масштабная функция М(п, <%) тесно связана с диаграммой направленности F(Q): ЛК9/20о,5; 5'I) = 2Olg<F'(0)>, где F'(0)—диаграмма направленности шириной 20о?5 с уровнем первого бокового лепестка 6'ь О—опера- тор взятия огибающей максимумов. Рассмотрим асимптотические представления функций F2(w), описывающих диаграммы направленности син- фазных плоских апертур {48] (табл. 4.3.1), и отрицатель- ные логарифмы их огибающих у=— 2lg<C(u)>. (4.3.27) Таблица 4.3.1 Некоторые параметры апертур с типовыми функциями освещения Апертура Освещение (0 < х'< а) F(u) ^o,5u Л Уровень первого бокового лепестка г,. дБ Прямо- угольная Eq = const (х') si n и / J")- „ 0.89 — 13,7 То же Eq cos ill T cos и т: / 1,18 ПО ! _[(2/k)(z]2 —23 Круглая Eq= const (x') F < \ u 1,02 -17,6 То же £0(i — «2> Ft (a) = A, (a) 1.27 —24,6 То же £„(1 -a^ £s («) — A, («) 1,47 -30,6 132
Здесь и — to sin О, расчетной плоскости k = 2те/2; 2а — размер _антенйы в 6. Для малых углов sin0 б, т. е. и = kaO. (4.3.28) В соответствии с таблицей (графа 4), ширина диа- граммы направленности по уровню —3 дБ 2Оо,5(1)= — 0,892i/2a для функции Fi = sin и^/ищ. Тогда, если при- нять в качестве аргумента приведенный угол и, полу- чаем и(1)=0,89л/г. (4.3.29) Огибающая этой функции Аналогично (4.3.30) т. е. при и> 1 yt—2 lg/г+ 0,894. 2 — COS U(2) «(2)= 1,18^, £/(2)~4 1g п+1,492. (4.3.31) Для приближенных вычислений /д3) можно восполь- зоваться пулевым приближением асимптотического раз- ложения функции Бесселя (37]: г / х _ Г 2 f ( те те \ Л п (и) =1/ ------- COS \U -н -н- р---------г ±Р' ' f гм ( \ 2 1 4 / и при П > 1 У(з) 31g/г-{-1,11. (4.3.33) Так как ./p(w) —((72ц)р//?!)Лр(г/), можно записать Лр=-/р(и)р!/(72и)р. (4.3.34) Тогда Р-2/ х и V ^4 (W) 8/2 (ZZ) ] • 133
Из (4.3.34) следует и — т.------------ 4 1 • / * м (4.3.35) УМ =51g»+ 1-42. Наконец, для последнего случая w(s)~ l,47it/z ^(5) («)-Л23(«). Воспользуясь выражениями (4.3.32) и (4.3.34), по- лучаем Аз(«) = 48«2/(и), а логарифм огибающей i/(5)~7 1g /г+ 1,49. (4.3.36) Таким образом, огибающие диаграмм направленно- сти антенн, использующих простейшие законы освеще- ния — степенные функции аргумента п (или 0), изобра- жаемые в логарифмическом масштабе прямыми различ- ного наклона. Естественно, эти прямые обязательно должны касаться максимумов всех боковых лепестков, включая первый. Как видно из рис. 4.3.4, за общий центр пересече- ния всех огибающих можно принять точку А с коорди- натами: F~2=4,l (т. е. 6,1 дБ), /^ = 0,66. Точно опре- делить координаты пересечения огибающих можно, ре- шая попарно уравнения (4.3.30), (4.3.31), (4.3.33), (4.3.35) и (4.3.36). Решение этих уравнений дает область точек с коор- динатами пл~0,5 ... 1,23 и F[2 — 0... 18,6 дБ. Однако нетрудно видеть, что уточнение положения отрезка пря- мой слева от первого бокового лепестка физически не имеет смысла, так как он выполняет функцию заполне- ния провала между основным и первым боковым лепе- стками; для области п>п{ (где ni— угловая координата первого бокового лепестка) изменение наклона огибаю- щей при смещении точки А лишь незначительно сказы- вается на точности описания, причем максимальную до- полнительную погрешность следует ожидать в области 134
Fz 1 Рис. 4.3.4. Огибающие функций F\.., в двойном лога- рифмическом масштабе.
больших п, Итак, можно считать, что огибающие боко- вых лепестков имеют вид прямых линий, расходящихся из одной точки А (рис. 4.3.4) под углом, определяемым полностью положением и уровнем первого бокового ле- пестка. Отметим, что диаграммы направленности, построен- ные в функции приведенного угла и, обладают еще одной особенностью: положение максимума первого бо- кового лепестка па оси абсцисс для всех рассмотренных функций приблизительно постоянно. Действительно, ре- шая уравнения (4.3.30), (4.3.31), (4.3.33), (4.3.35) и (4.3.36) п относительно п при # = 0,1бь получаем и — = 1,67 ±0,07. Таким образом, для синфазных плоских апертур, имеющих диаграммы направленности типа Fi ... Fs, в пределах ближних лепестков боковое поле в главных плоскостях по огибающей полностью определяется уров- нем первого бокового лепестка. Вспомним введенное выше понятие масштабной функ- ции, или Af-функции: 'Я(/г) = /70(/?)/П(//, /?), (4.3.37) где П — плотность мощности в точке с координатами (п, /?), соответствующая огибающей диаграммы излуче- ния; иногда удобнее пользоваться значением М-функ- ции, выраженной в децибелах: /Vf=10 IgAf. Очевидно, для п>пл величину масштабной функции можно определить из полученных пл, гг и Fa. № = Мп>,м = 1 + ^0 (8.) (1g « - 1g nA). (4.3.38) Значения s0(^i) легко определить из простых геоме- трических соображений: so см=“0-^ (4-3-39) Таким образом, в области п>пд выражение для масштабной функции в децибелах можно записать так: М' (я) = 6,1 (1g П + 0,18). (4.3.40) Преобразуем (4.3.40) так, чтобы получить выражение для Л/ (в натуральных отношениях). Для этого выра- 136
жение для М' представим в виде М' (//) = 101g (ЛАЛА). (4.3.41) где 1g Д = 0,61; 1g ЛА = 1(3. - 6,1 )./4,02] (1g п + 0,18). Имея в виду, что lgn-F0,18 = lg 1,52/г, получаем Л7 («) = 4,08 (1,52/г/(г,) , (4.3.42) где s(8l) = (81 — 6,l)/4,O2 = O,lso(31). В области и = 0 ... Пд функции (п) ... Fs [п) практически полно- стью совпадают (см. рис. 4.3.4) и могут быть аппроксимированы простой функцией вида Л1'(/г) = 2л\ причем значения 2 и определяются из следующих очевидных условий: М" (0,5) = ЗдБ, и Л4" (0,66) = 6,1 дБ. (4.3.43) Тогда получаем М" (п) = 18/Лв [дБ]. (4.3.44) Нетрудно также получить выражение для М". Для этого пере- пишем условия (4.3.43) следующим образом: М" (0,5) = 2,] (4.3.45) М" (0,66) =4,1, и попытаемся представить выражения для М" в виде ЛГ'(л)=®14- + &1. После несложных преобразований получаем g= 17,2; ’ ,Т’е’ Л7"(п) = 1 + 17,2^*. (4.3.46) Графики, представленные на рис. 4.3.5, позволяют оценить расходимость значений уровня на спадах основ- ного лепестка, рассчитанных на основании точных фор- мул для 71 ... F5> относительно их аппроксимации (4.3.44). Таким образом, для синфазных апертурных антенн в дальней зоне в главных плоскостях представляется возможным достаточно просто определить Af-функцию как зависимость относительного уровня поля от измене- ния нормированного к ширине диаграммы направлен- ности по половинной мощности углового расстояния /г — Э/20о,5- 137
Масштабная функция в децибелах выражается Как ( 18/г'<в’ в натуральных отношениях (из (4.3.42) и О <//<0,66; П > 0,66; (4.3.47) (4.3.46)] uW (//.) = 1 + 17,2/z4’1, б,—ел 4,08(1,52/?) 4’щ , О < п < 0,66, (4.3.48) п > 0,66. Важным для последующего изложения является до- пущение (подтвержденное, как мы увидим далее, экспе- риментально), что зависимость Af(di) сохраняется для Рис. 4.3.5. Аппроксимация диаграмм направленности в области я <0,66. значений 61, в общем нс соответствующих исследован- ным функциям Fi(n) ... А5(н). Графическое решение /И-функции для целых значений di в области п = 0 ... 10 (когда влиянием конструктивных элементов антенн, на- пример тяг, практически можно пренебречь) приведено на рис. 4.3.6 (для целых значений 61 в дБ). 4.3.3. Ближнее боковое поле. Найденные закономер- ности распределения поля антенн, использованные для вывода расчетных формул, проявляются, строго говоря, только в дальней зоне, где антенну можно принять за точку, а диаграмму направленности можно считать сфор- мированной. Для решения задачи ближнего поля воспользуемся некоторыми закономерностями в формировании «даль- 138
0,1 0,2 0,3 0,Ь 0,6 0,8 1 2 3 4 6 8 n Рис. 4.3.6. Графическое решение M-функции. 139
них» диаграмм, выявленными выше. Для этого исследу- ем равенство <F(0, х) > = const(x) ±6</?(0, х)>, (4.3.49) где Г(0, х) —диаграмма излучения антенны на расстоя- нии х<^1, отсчитываемая относительно электрической оси антенны в углах 0 с вершиной в точке С (рис. 4.3.7); 6<F(0, x)>==<F(0,x)>-<F(0, 1)>. Очевидно, равенство (4.3.49) соблюдается в пределах передней полусферы для любых (х', О7), если выбор С произволен. Предположим, что существует точка С, от- носительно которой огибающие диаграмм излучения в заданном диапазоне углов и расстояний подобны. Предварительное рассмотрение результатов расчетов поля в зоне Френеля, приведенных в работе Р. К. Хан- сена [141], позволяет сделать вывод, что если задаться некоторой дополнительной ошибкой (в пределах допу- стимых практически), то такая точка, по крайней мере в главных плоскостях антенн квазиоптического тина, су- ществует и находится на продолжении электрической оси за антенной; ее единственная координата опреде- ляется в основном размерами апертуры и шириной фор- мируемой ею диаграммы направленности. Подробные расчеты показали, что координата указанной точки для синфазных апертурных антенн является достаточно ста- бильной, т. о. можно ввести новое понятие — «мнимый амплитудный центр» (или МАЦ). Как мы увидим ниже, введение понятия мнимого амплитудного центра во мно- гом упрощает расчет поля антенн, так как позволяет использовать в зоне Френеля найденные закономерности формирования дальнего ноля антенн и разработать фак- тически единую методику расчета бокового поля антенн на всех реальных расстояниях от апертуры. В идеале, МАЦ есть точка, относительно которой с точностью до огибающей диаграммы излучения на дальних и ближних расстояниях подобны. Понятие амплитудного центра антенны в некотором смысле ана- логично понятию фазового центра, введенного Л. Р. Вольпертом в 1941 г. Действительно, согласно определению фазового центра [54], это — точка, относительно которой фазовые диаграммы направ- ленности па любых расстояниях представляют собой подобные фигу- ры (концентрические окружности). Огибающие амплитудных диа- грамм направленности, снятые относительно мнимого амплитудного центра, как явствует из самого определения МАЦ, также подобны. Однако следует заметить, что эта аналогия чисто внешняя; во вся- 140
ком случае, существование или отсутствие у антенны фазового цент- ра вовсе не предполагает обязательного существования или отсутст- вия амплитудного. Итак, постулировав существование МАЦ, можно определить его местоположение на основании материала по распределению поля антенн в необходимом диапазо- не углов и расстояний, приведенных, в частности, в § 4.2. Вообще говоря, для определения зависимости хац(0, х) можно воспользоваться общими выражениями для F(0,x), например типа (4.2.15) или (4.2.16). Эти уравнения неявно содержат координату хац точ- ки С па осн антенны (рис. 4.3.7), такую, что для произ- Рис. 4.3.7. Соотношение углов 0 и 0 для точки А при опре- делении положения мнимого амплитудного центра. вольной точки /1 при отсчете угла 0 относительно элек- трической оси антенны при заданных ошибках, углах или расстояниях выдерживается равенство (4.3.49). Однако получение подобной зависимости аналити- чески сопряжено с большими трудностями математичес- кого порядка, поэтому имеет смысл для нахождения те- кущих координат хац точек С воспользоваться готовыми результатами расчета, приведенными в работе [181] и в § 4.2 в форме графиков зависимости уровня бокового коля от угла 0 для различных х = /?%/8а2^/?0о,5/2а (на-, чало координат при отсчете угла 0 выбрано здесь в фи- зическом центре апертуры). Исследуем погрешности расчета бокового поля при допущении хац постоянным по крайней мере в заданном диапазоне углов некоторого класса антенн: хац—const (О, di). Для этого, исходя из геометрических соображе- 141
ний (рис. 4.3.8), запишем (учитывая малость углов) т+4-— <4-3-50) 1 ц/ л и определим v=Al(n)—<Л1*(п)>, (4.3.51) где v — единичная погрешность, или расходимость (см. ниже) расчета ближнего поля при заданном хац; Л1 (п) —значение М-фупкции, определимое для заданных Мнимые амплитудные Рис. 4.3.8. Отсчет углов 0, 0, ср, ср после введения мнимого амплитудного центра в обеих главных плоскостях: — расчетная точка в вертикальной плоскости 0, РГ2 — расчетная точка в горизонтальной плоскости ср; 2а, 2b — размеры апертуры соот- ветственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. 0 по формулам (4.3.47); Л4*(п)—относительное значе- ние уровня ближнего ноля, полученное из точных выра- жений или графиков; v, М — в децибелах. На рис. 4.3.9 данные расчета v(x, хац) для ka~ = 2аА=5, 10, 20, 50, 100, 200 и 500 сгруппированы по максимальным и средним (за одно значение ka) значе- ниям. В каждом кадре приведены все хац, оптимальные для одного значения ka («локальные» ха11) и за весь кадр. Итак, единственной особенностью расчета ближнего поля является необходимость при определении коорди- нат расчетной точки принимать во внимание смещение вершины угла 0 из центра антенны за ее апертуру на расстояние хац(х). В простейшем случае можно принять хац= const(х) =0,1, но в этом случае при /?^0,01 ... 0,04 будет некоторое занижение результатов расчета. Для повышения точности расчета следует учитывать харак- тер зависимости хац(х), видный из рис. 4.3.9. 142
4.3.4. Применимость методов расчета. Можно выде- лить следующие граничные условия применимости любых методов расчета поля антенн. 1. Необходимые исходные данные, которые можно оценить по материалам § 4.2 и 4.3. 2. Область расчетных значений основных парамет- ров, т. е. диапазон разрешенных углов и минимальные расстояния, в пределах которых выдерживается задан- ная точность. Диапазон углов и расстояний для апертур- ного метода и метода краевых волн определены выше (в § 4.2); для P-метода диапазон разрешенных углов определяется раздельно двумя параметрами: ... ... 20 и 0^30 ... 60° (вне этих значений и и 0 расчет становится фактически невозможным). Диапазон разре- шенных углов определяется необходимой точностью рас- чета ±6 дБ. Для P-метода понятие минимального рас- стояния для расчета осевого поля не имеет смысла, так как расчет может вестись от самой апертуры; для боко- вого оно определено минимальным расстоянием, на ко- тором удалось провести сравнение с апертурным мето- дом: х=0,012. 3. Соответствие величин точности расчета, гаранти- руемой методом и требуемой практикой (в пределах раз- решенных углов и расстояний). Как известно, для апер- турного метода точность расчета поля определена как ±5 дБ, а для метода краевых волн 6 ... 8 дБ [66]. Оценка точности расчета P-методом проведена на основании имеющегося экспериментального материала и сравнением с другими методами. Типичные графики сравнения данных расчета P-методом с эксперименталь- ными для осевого ноля приведены на рис. 4.3.10, для бокового поля — на рис. 4.3.11 и 4.3.12. На последних рисунках V —отношение расчетных значений к экспери- ментальным в децибелах. Антенна излучателя прямо- угольная, поэтому сравнение получено в очень широком диапазоне относительных расстояний х от 0,024 до 24. Результаты сравнения нанесены на графике в виде точек в координатах R—v. Заштрихованная полоса ограничи- вает 80% результатов каждого знака. Зависимость v(n) приведена для каждого дискретного расстояния хаъ и R. Сравнение расчетов по апертурному и Р-методу, про- веденное в соответствии со схемой проверки табл. 4.3.2, можно наблюдать па рис. 4.3.9, в табл. 4.3.3, а также на рис. 4.3.13 — 4.3.16. 143
Na тманошшо шчнывнпэнън ои ыипнаноинщй wnngada оц; ^сц — — ^7 р-о} I — — -о — о— о - — £L — »- -О— о о— О о — - — Рис. 4.3.9. Результаты сравнения расчета огибающих поля апертурных антенн с синфазным равномерным воз- буждением апертурным и P-методом для оптимальных и выбранных ха ц: v — расходимость расчетов; маленькие кружки—ха ц* оптимальные в каждый акт сравнения; в центре больших кругов на- ходятся ха ц, выбранные для практических расчетов.
Рис. 4.3.10. Экспериментальные (кружочки) и расчетные зна- чения ППМ некоторых РТС (в мкВт/см2), по данным разных авторов. Точность расчета P-методом на основании получен- ных выше данных сравнения оказалась равной ±3 дБ для осевого поля и около ±6 дБ для бокового; несколь- ко лучшие результаты дает сравнение расчета ноля апертурным {187] и P-методом антенных решеток (рис. 4.3.17), но в последнем случае необходим допол- нительный учет интерференционных максимумов (см. стр. 33). 10—393 145
о 10 8 80% ±0 80% -2 -9 »,дБ 12 -5 д Я,м — о оу оо Q I ——.— । *вс‘ 15 --б- о о “I о . , 7777 о о Z/Z/^ О 7Z7 zzzz < °| ЖЖ — i/Z/V о 0 ZZ//'/ о о У7^ 0 о ^ZZZ^z’Z? э ^7771 УЖ ж и ж ж ж ж Й ryv * ж 1 ж в у ж ж ж ж 6/'//, да ЖЖК'/Ж Ж ш- О 0 о ОО о о 0... 3 о... г 0,6...1,0\0,6...1ч0 0,6... 0,9 0,6... 0.9 05...0S 0,6...0,9 0,6... 0.8 0,6...0,8 0,6... 0SQ.5...0.8 0J...0.8 0.7... 0.8 0,7... 0,8 0,7... 0,8 0,55 0,0 24 V 0,098 -liL. 0,11 3.2 0,17 9,9 0,22 6.0 0,26 V 0.31 8,2 0,56 9.3 0^1 10г5 0S5 0,5 72,7 0.55 13,5 0,6 15.5 0,7 16.5 0,79 17,5 0,77 50 100 220 350 950 550 550 750 850 950 1050 1150 1250 1900 1500 1500 Рис. 4.3.11. Зависимость отношения v расчетных ППМ к экспериментальным от расстояния и при веденного угла для РЛС со следующими параметрами: а/6=0,31; р/а6=34 мВт/см2; 2а/6о,5 = 2100 м 61 = —22 дБ; е/20о,5=+0,65.
л* 1,дБ 8 80К ± 2 ±0 т ± -6 8 п Ха Хъ R,m о л у /~Л о —. _ _.. - о - —- о о1 о *111 о ^±,2. ' -3,8 о дБ о о hr-" z" о у / / Т" ? —7*У" в ГЛ ж в В в У/У Ж Ж О жж Wi i V///) УУл уУ УУ УУл уУлУУУУУА 8» в / • .4 1 W 1 ж ж В УУ ж в У/ /// р Ж 'УУ w i 7Zy2 о"0" о с и О — 1о 0 1 Л° О°Л 1о о 1 V о° _92- 0~ о — k— о 1 Г... 5 0,55 0,02± / ... 3 и 0,0 ±8 оу.1У 2,± 011 0,7.... V 7.2 0,17 РЛ...У ±9 0.22 0,7.ДО 6 0,26 ОД ДО у 0,31 0,6...С^ 8,2 0,36 9,3 0,41 0,6... оя 10,5 0Д5 0,6... 0,8 11,6 0,5 0,6...0,8 12,7 0.55 0.6... 0,8 1%3 0,63 0,6... 0,8 15,5 0,67 0,6... 0,8 17,$ 0J7 0,6...0,80,6...0,70,6...0,7 /<5.7 22_ 2± , 0,82 j 0,96 j 1.05 550 ! 650 ' 750 ' 350 1050 \1150 1300 100 950 ±50 50 220 350 1±00 ; 1500 I 1700^ 2000 \2200 Рис. 4.3.12. Зависимость отношения v расчетных ППМ к экспериментальным от расстояния и приведенного угла для той же РЛС, что и на рис. 4.3.11, е/0о,5& 4-0,55.
-8 -т 0 4 д 2а :^акс=^°; о «о о •о • о 2а = ЮЛ Г^нанс = $0°) о • о • о • 1 1 1 .!. 1. 1 .1 I 1 -5 0 4 3 9 О • О •о •о -8-4 0 48 2а=50 Л (^^24°) 2а^20Л ($^50°) о • о • о • I ! ! I I I I i I -8-4 0 48 2а.-100Л ^акс = /2о} • о ♦ о •о о • - ! 1 1 1 1 i i -8-4 0 48 2а =Z00Л ^макс - О9) о • о • I I ! 1 I I I 1 1 I . -8 -4 0 4 у,дБ 2а=500Л ( ^жш=2Л? Рис. 4.3.13. Результаты сравнения расчета огибающих поля апертурных антенн с синфазным равномерным воз- буждением ретроспективным и апертурным методами для х=0,125, п==0... 20; расходимость: максимальная *макс—ООО» средняя vcp— М|
Рис. 4.3.14. Результаты сравнения расчета огибающих поля апертурных антенн с синфазным равномерным возбуждением P-методом и по формулам апертурного метода для 2а=5Х; п=0...5 (0=0...60э). Обозначе- ния vMaKc и vcp, как и на предыдущем рисунке.
-8 -Ч 0 Ц 8 2=0,OfZ ~8 -Ч 0 4- 8 х=0,0 25 Рис. 4.3.15. Результаты сравнения расчета огибающих поля апертурных антенн с синфазным равномерным возбуждением P-методом и по формулам апертурного метода для 2а = 20л; п=О...2О (8 = 0... 60°). Обозна- чения vMaKc и vcp соответственно рис. 4.3.13.
лаи 0,Z~ (у- 0-^ x-0t04Z Рис. 4.3.]6. Результаты сравнения расчета огибающих поля апертурных дением ретроспективным и апертурным методами для 2<t=100a; /т=0...20 (0=0.. Vcp, как и на рис. 4.3.13. антенн с синфазным равномерным возбуж- .12°). Обозначения vMa«c и
Таблица 4.3.2 Максимально разрешенный расчетный угол, а также значения х и 2а/Л, для которых проведен расчет v при лыякс=10 (+) и лмаКс-20 (О) Размер апертуры в длинах волн 2а fl Максимальный рас- четный угол . при Приведенное расстояние х "м«е=10 "макс-20 0,012 0,025 0,042 0,125 1 5 60 60 — — 1 1 +О 10 60 60 — _ 1 -1-0 r 1 ' 1 20 30 G0 -О — -О +о +О +О 50 12 24 1 — 1 100 6 12 +О -О +О 4-0 +О 200 3 6 4- 4-0 + 500. 1.2 2,4 —1 - 4- 4-Ю 4. Простота расчета и необходимое расчетное время; необходимость и степень сложности дополнительной обработки. И то, и другое оценено при сравнении расче- та рассматриваемыми методами вертикальной диаграм- мы излучения (ВДИ, см. § 4.1 и 5.1). 5. Возможность сведения результатов к форме, удоб- ной для использования. Сейчас можно считать приня- тым использовать результаты расчета в форме ВДИ. Расчет ВДИ P-методом рассмотрен ниже (в гл. 5). Тра- диционными методами этот расчет без дополнительной достаточно сложной обработки провести не удается. 6. Возможность ввода коррекции на основании экспе- риментальных данных. Ввод коррекции в процессе рас- чета поля P-методом в большинстве случаев осущест- вляется подбором только одной величины — уровня пер- вого бокового лепестка бь Для апертурного метода и метода краевых волн этот процесс оказывается весьма сложным, поэтому часто он практически неосуществим; 7. Практическая необходимость ограничений по расче- ту полей, формируемых специальными распределениями ио апертуре. Одним из важных достоинств апертурного метода является возможность расчета поля синфазных апертур, имеющих сахмые различные распределения. До сих пор лишь немногие из рассчитанных случаев использовались практически, однако с внедрением в антенную технику фазированных решеток значе- ние этих исследований повышается. Ретроспективный 152
d/K* 0,5 1 • * г Np-6. ..24 Ю 7 п 24 24 О 24 10 q 7Z7° * 20а 110 *5 6° z4° 24 1 и _ 1 24 ..о_ . _ 2О1 о20 О Q No 20 о 20 о 1 7 24 0.1 4 к С 14 |о 14 -J 0 /6' 20 31 7 4 0 50$, град 5 Рис. 4.3.17. Погрешность P-метода при расчете огибающих поля равномерно возбужденных антенных решеток. Положение точек по оси 0 определяется угловым положением боковых лепестков на диаграммах, соответствующих каждой N,y, АГр — число элементов в решетке, с//Х— расстояние между элементами в длинах волн. метод, несомненно, имеет более узкое применение, но все же следует отметить, что большинство практически встречающихся случаев им описывается вполне удовле- творительно. Ограничения по расчету Р-мстодом поля апертур, имеющих распределения типа (4.2.8) и (4.2.10), можно оценить но количеству пар (й, а), для которых точность расчета не выходит за пределы гарантируемой. Некоторые сведения ио оценке применимости расчет- ных методов в практике радиогигиены приведены в табл. 4.3.4, 153
Таблица 4.3,3 Результаты сравнения апертурного и ретроспективного методов по расчету поля круглой апертуры и линейного источника (в дБ по отношению к расчетным значениям, полученным апертурным методом) Линейный источник Круглый раскрыв а 1 2 3 г* 1 2 3 vcp >80 Vcp *ю vcp *80 VCP >w vep >80 VCp >80 1 4-4,60 —1,5 +7,0 —2,0 +3,2 —3,5 +3,0 -5,0 0,447 ь- -у +6,8 —I 1 + ~ СИ СО СП +^ —3 +0,7 —2,9 0 —4,0 0 -4,5 +4.4 — 1,5 +6,5 — 2 +4,8 0 +^ 0 0,316 4-1.9 -1,3 +2 —1 + 4,09 —2 г- сч + 1 +6,5 0 +9,5 0 +2,6 — 1,4 +4 — 1,5 +2,7 —2,8 +з -3 Р-методом не рассчитывается 0,178 0 —2,50 0 —4,8 +4,7 —1,9 +6 -3,0 + 1,6 —3,6 +3 —5,5 + 1,5 —2,73 1 to +5,9 0 +о +3,7 — 1,6 Ю +1 0,1 +0,72 -1,7 < +1| P-методом не рассчитывается P-методом не рассчитывается +0,9 —2,8 1 + сл to P-методом не P-методом не рассчитывается рассчиты вается 0,0562 + 1,4 -1,5 +2 —1,5 +4.7 —2,5 +7 —3 P-методом не рассчитывается + 1.3 —3,6 +2 —о + П7 —2 +3 —3 +3,7 —3.6 +4 —4 0 +м —1,4 1 + Ю СП +2,1 -2,9 +3 —5 + 1 —6,1 + 1 —6 +1 —4,9 1 —1 +0,66 —5,4 +0,66 —6 Р-методом не рассчитывается
Таблица 4.3.4 Оценка применимости методов для расчета полей синфазных апертур Условия Апертурный метод Метод краевых воли Ретроспективный метод Необходимые исходные данные Р, 2а, 2b, G, п, а, X Р, 2а(2Ь), п, а, ФжР» Р, 2а, 2b, 28..S, 2<?о,з. 81 Область расчетных значений ос- новных параметров: —по углам —по минимальному расстоянию Л 5к 9^±arcs)nte= 5Х —+arcsin ^мпн^^’ОЗ ... 0,075 / 5п \ 9^+ ^arcsin^...^ /?мин=2а (или 2Ь) О О О ю V S Л о С О1 • • о 04 . S : о о (1 ; я -Н g I 1 * Гарантируемая точность в преде- лах разрешенных углов и расстояний: —по осевому нолю —по боковому полю 1+1+ сл со спел не оговаривается +3 дБ ) в 80% -Н6 дБ / случаев Естественный способ оформления расчетных данных сл сл ... графики П (R, 8) ППМ в точке; гра- фики П (R, 6) ППМ в точке, графики П (R, А, е) —ВДИ
Продолжение табл. 4.3.4 Условия Апертурный метод Метод краевых волн Ретроспективный метод а) Необходимое расчетное время для построения ВДИ (всего 150 точек): —па ЭВМ —на КВМ с использованием графиков, —на КВМ без использования графиков 6) 11еобходимость в дополнитель- ной обработке 12, 1 Не целее обязательна 5 ч* 2 ч :ообразно обязательна 7 МИН 8 Ч. 30 ч. не требуется' Исходные данные, изменяемые при вводе коррекции «. П, G, п,,2 а, п Количество пар [л, а] (;7==0,1, 2,3 и Г=И), 0,0562; 0,1; 0,178; 0,316; 0,447; 1,0), при которых поле под- дается расчету 38 38 31 * При определении необходимого времени принято, что при расчете одной ВДИ расчетное время распределяется между апертурным ме- тодом и методом краевых воли поровну, при этом в приведенное значение времени не вошло время на процесс ручной интерполяции.
Рассмотренные в этой главе методы расчёта Гюля в значительной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним при использовании в практике радиогигисны. При выборе в том или ином случае кон- кретного метода приходится учитывать необходимую точность расчета, имеющиеся исходные данные и воз- можности математического обеспечения, определяющие в основном необходимость и допустимость применения того или иного метода. Расчет поля одним из методов, рассмотренным выше,, является первым этапом системы последовательного кон- троля радиобезопасности в зоне действия антенных из- лучателей. Второй этап включает в себя учет влияния местности на трассе распространения радиоволн и вбли- зи расчетной точки. С точки зрения обеспечения необ- ходимой точности радиопрогноза этот этап является не менее важным, чем расчет поля в свободном пространст- ве, хотя и менее разработанным. В следующей главе рассмотрены практические вопросы расчета поля в сво- бодном пространстве, некоторые рекомендации по учету влияния земли и местных предметов, а также сделан обзор методов учета влияния прерывистости поля при облучении пространства полем антенн с перемещающи- мися диаграммами излучения. 5. ОСНОВЫ И ПРАКТИКА РАДИОПРОГНОЗА Особенностью P-метода является возможность упро- щения процесса построения вертикальной диаграммы из- лучения (см. § 4.1). ВДИ может быть рассчитана с по- мощью номограмм, упрощенных формул, па клавишно- вычислительных машинах (КВМ) и полных формул на ЭВМ. Кроме того, этот метод позволяет легко вводить коррекцию в расчет на основании результатов измере- ний, если они статистически достоверны и свободны от влияния условий распространения и распределения энер- гии. Не всегда радиолрогноз можно осуществить расчет- ными методами; например при наличии косеканс-квад- ратных диаграМлМ полей разреженных решеток прихо- дится обходиться только самыми общими рекоменда- циями. 157
Учет влияния трассы и местных предметов в огром- ном большинстве случаев дает ощутимую поправку к ре- зультатам, полученным методами расчета поля в свобод- ном пространстве. Поэтому целесообразно повторить некоторые практические советы по использованию прин- ципов учета влияния земли, уже известных в специаль- ной инженерной и научной литературе, а также привес- ти некоторые результаты собственных исследований. Будут рассмотрены также некоторые частные случаи расчета временных характеристик поля на основании P-метода и геометрических представлений о формиро- вании поля апертурных антенн. 5Л. ПРОГНОЗ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ Несмотря па то, что этому вопросу была посвящена фактически вся гл. 4, для решения некоторых практи- ческих вопросов (построение ВДИ, ввод коррекции в расчет и др.) недостаточно прямого использования полученных в ней формул. Во многих случаях, как мы Рис. 5.1.1. К расчету координат точки наблюдения (расчетной точ- ки) . увидим, для решения практических вопросов могут быть применены основные соотношения, г г о л у ч е hi гы е Р - м ет о до м. В некоторых случаях, од- нако, должны быть ис- пользованы более слож- ные зависимости. 5.1.1. Вертикальная диаграмма излучения. Одним из самых -простых и надежных способов оф ор<м ления р ас ч ет j i ы х данных является верти- кальная диаграмма излу- чения. ВДИ представляет собой семейство линий равных ППМ (изоплотностей), нанесенных в координатах рас- стояние— превышение, точнее: горизонтальная даль- ность 7? между точкой наблюдения и центром апертуры антенны — вертикальное превышение Д центра антенны над расчетной точкой (рис. 5.1.1). В этих же координа- тах удобно строить и линии равных скважностей воздей- 158
ствия поля РТС с периодическим перемещением диа- грамм (изоскважностей). Обычный вид ВДИ приведен на рис. 5.1.2. Для по- строения ВДИ используется координатная сетка в двух масштабах. Основной масштаб выбирается линейным в пределах /? = 0 ... 1000 м и Д = 0 ... 100 м. Кроме основной картины на малых расстояниях, на этой же карте для расширения пределов внизу строится допол- нительная сетка в масштабе 1 : 10 к основной. Справа нанесена шкала углов, необходимая для отсчета угла Рис. 5.1.2. Общий вид вертикальной диаграммы излучения стан- ции (ЛВ/1 — граница зоны разрешения по расстоянию и углу; у — скважность, см. § 5.3). места в и используемая при ручном счете для построе- ния карты. Оформление результатов расчета в виде ВДИ позво- ляет свести к минимуму операции но определению зави- симости интенсивности поля от координат точки наблю- дения и угла наклона антенны, упрощает расчет влия- ния рельефа и т. п. После введения понятия мнимого амплитудного центра (п. 4.3.3) ближнее боковое поле оказалось до- вольно просто рассчитать, сместив начало отсчета коор- динат из центра антенны за ее апертуру на величину /?ац; приведенный угол точки наблюдения оказывается равным я = 0/200,5. На практике вместо угла 0 намного 159
удобнее пользоваться значением расстояния 7?* и превы- шения А (рис. 5.1.1). Тогда соотношение (4.3.26) перепи- шется так: п -- 2в,.Д/? + Ra ц ) (0.1.1а) При /1^1 и 1 2 ( Д-НЯ \ /С t 1^ "=^агс|фтМ (SLI6’ при л2>1. Вследствие малости углов наклона g здесь принято, что sin g~e. Для построения ВДИ решим относительно А урав- нения для М (4.3.48), /?ап и п (5.1.1) при е = 0. После несложных преобразований получаем 1/4.1 2^0.5 / Л 87,1 \ 4,( К Д)< (87.1/20,,)’ 4’02 Д — (Я + ц) 1g (5.1.2) , -6.1 1а ♦ где 20о,5 — в градусах; величина /?ац зависит от относи- тельного расстояния %, М = П0/Пр, а Яр задаются обычно кратными 1, 2 и 5 в пределах реальных значений ППМ; so=(6la-6,l)/4,O2. Такой путь решения можно рекомендовать для вы- полнения на КВМ или ЭВМ. Для ручного расчета мож- но воспользоваться графиками, упрощающими расчет осевого поля /70(/?) на основании х и ВДИ строить на основании 7? и п, а расстояние мнимого центра /?ац учитывать путем смещения вершины угла влево из цент- ра апертуры на соответствующее расстояние. Всего для построения стандартной ВДИ требуется рассчитать око- ло 150 точек. Обозначения см. в табл. 5.1.1. 5.1.2. Ручной расчет ВДИ в обычных обозначениях. Время рас- чета 150 точек — около 30 ч. 1. Выбираем дискретность расчета по расстоянию и ППМ: обыч- но /?р = 50, 70. 100, 150, 200, 300. 500, 700, 1000, 1 500. 2 000, 3 000, 5 000, 7 000 п 10 000 м. /7Р = 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, ..., /7Р макс^Рф 102/S * Обычно углы 0 не превышают 30е, т. е. с достаточной точ- ностью можно принять горизонтальную дальность равной наклон-, ной, и в дальнейшем эти понятия не дифференцировать. .1(50
Таблица 5.1.1 Принятые обозначения исходных данных для расчета ВДИ Обычнее обозначение Единицы Обозначе- ние для КВМ и ЭВМ 11араметр Р Вт и Полная мощность перадатчика 'П —- — К. п. д. фидерного тракта 5 м2 3 4 —- Геометрическая площадь антенны З.а дВ К Уровень 1-го бокового лепестка в плоскости 0 (модуль уровня в децибелах) «|Ь дБ L То же в плоскости <? 2а м в Геометрический размер антенны в вертикальной плоскости 2Ь м С То же в горизонтальной плоскости 2^о,б град D Ширина главного лепестка антенны в вертикальной плоскости 2<Po.s град Б То же в горизонтальной плоскости R м R Расстояние «точка наблюдения— антенна" Д м Т Превышение точки наблюдения над расчетной точкой //р мкВт/см2 П Выбранные значения линий изо- плотностей Я. я А Р--»110г/5 х& ц - d Приведенное расстояние мнимого амплитудного центра в расчет- ной плоскости (обычно 6) Ц м V ха ц*57,3-2л/0о,5 Л/р — М /?^,5/20-57,3 *а а хь — b /?т„,6/26-57,3 П„ (Л) мкВт/см2 Р Осевая плотность мощности N Номер задачи, месяц и год реше- ния (задается при расчете на ЭВМ) 2. Рассчитываем Ха=Яр//?да>0,1, где /?до = 2а/0о,5; хь = -=Рг>/Рдь>0,1 где /?д£> = 2^/6о,5. Ограничение х>0,1 выбрано, чтобы упростить расчет. 3. По графикам 6(61) рис. 4.3.3 определяем k(6]a) и £(д16). 4. С учетом графиков Ф(х) (рис. 4.3.3) по формуле По (R) -= П3 I [*<+ тгф(*о) V+ а Ф(*ь) * кь где П8 [мкВт/см2]—? [Вт]т|Ю2/5, рассчитываем 770(ЯР). 11—393 16J
5. Определяем Л7р = /7о(/?р)//7р>1. 6. По графику рис. 4.3.6 определяем пр(Л1р) при заданном da- т. Рассчитываем Ор=лр • 20о,5- 8. По имеющимся /7р, /?р и 9Р строим изолинии ППМ. При отсчете угла 0р используется правая шкала углов е, а вершина на- ходится на оси расстояний влево от точки (7? = 0, Д=0) на расстоя- нии Ra ц = 0,1 • Rua (рис. 5.1.3). На основании /?р и 0р на подготовленной заранее сетке нано- сятся точки, которые для каждой 77р соединяются плавной кривой (рис. 5.1.2). 5.1.3. Расчет ВДИ на клавишно-вычислительных и электронно- вычислительных машинах. Время расчета на КВМ 150 точек около 8 ч; обозначения см. в табл. 5.1.1. Конечная цель расчета — получить Рис. 5.1.3. Фрагмент построения ВДИ. зависимость (по новому обозначению) T(R) для нескольких Пр. Необходимо задать: Л', U, В, С, D, Е, К, L (принят к. п. д. г] =0,8; N — номер задачи, который ей присваивается до расчета). Расчетные соотношения используются в следующем порядке: a=RD>\ 14,6В>0,012; b = RE/\ 14,6С^0,012. /? = 50, 70, 100, 150, 200, 300, 500, 700, 1 000, 1 500, 2 000, 3 000, 5 000. R^ 1,38 В/D и 1,38 С/Е\ фа = (4/n)a-arctg4,6л; Ф6 = (4/л) Z>-arctg 4,6 b; ka = — 0,00091 Л2 + 0,03Л' 4- 0,804; kb = - 0,00091 Р + 0,03L + 0,804; А = 80У/ВС; Р - Д/Иа + Фа/*а] |ЛЬ + Ф*АЬ 77=1, 2, 5, 10, 20, ...< А; М Р/П> 1, 6,61г?.95 0,044л~°>43 0,0422г/‘°.42 0,1 0,012 0,025 0,042 и=- H4,6dB/D; птб(^ + у) (^-о0-24; как4,08, (Л + 0 tg ( ' Л4 \4,02/(К-6.1)1 4,08/ М ’/87,1\(К-б,1)/4,02 4,08( D J 162
Контрольный пример. Задано: {7 = 1 250; ft=*=C = 10; D = £ = 2; /(=L=13; Р=100; /7=10. Ответ: 7=19,83. Контроль позволяет убедиться в правильности росписи и хода вычислений, в некоторых случаях избежать промахов, и поэтому его желательно проводить до и после выполнения расчета каждой ВДИ. Расчет на ЭВМ практически не отличается от приведенного выше. Программа расчета, выполненная на языке ЛЛГОЛ-60*, при- ведена в табл. 5.1.2. Ввод исходных данных проводится в такой последовательности: Л7, V, В, С, D, Е, К, L. Вывод данных (столбца- ми): R, N, Р, 11, Т. В данной программе предусмотрены два кон- трольных просчета: один из них соответствует приведенному выше (методика расчета ла КВМ), другой выполняется по значительно упрощенным формулам для заложенных исходных данных, но лишь для /?=100 м и //=10 мкВт/см2. Результаты этого расчета сравни- ваются с величиной Т соответствующего столбца. Расхождение нс должно превышать 30 ... 50%. Программа, приведенная в табл. 5.1.2, выполнена на строкопе- чатающем устройстве, в котором строчные буквы печатаются с за- пятой, поставленной под прописной буквой; служебные слова и arctg подчеркнуты. 5.1.4. Использование ВДИ. В процессе пользования ВДИ возможны следующие характерные случаи: а) А = 0; е=0 — поле па оси луча. ППМ определяет- ся вдоль оси расстояний /?; б) Д=0; 8=#0. Па ВДИ проводится вспомогательная линия так, чтобы один се конец проходил через точку Д=0, а другой — через данное значение угла наклона антенны е=И=0 (угол с может быть положительным или отрицательным). Искомые ППМ находятся по этой ли- нии; в) А#=0; На ВДИ проводится вспомогательная линия так, как это делается в предыдущем случае. За- тем параллельно ей через значение А, равное заданно- му, проводится вторая линия, на которой уже и отыски- ваются нужные ППМ.. Примеры для случаев б) и в) при 8=4-3° и А — = 4-10 м приведены на рис. 5.1.2. Превышение центра антенны над расчетной точкой А (рис. 5.1.4) определяет- ся следующим образом: Для горизонтальной местности: k=H—-h. Для местности с подъемами и спусками Д = —H±hn—h> где ±ЛН —высота -спуска или подъема соответственно (обозначения см. на рис. 5.1.4). Значение lin может быть определено по нанесенным на. карте горизонталям или топографической съемкой местности. 5.1.5. О расчете необходимой высоты подъема антен- ны или увеличения угла места диаграммы. Для опреде- * Программа подготовлена И. Н. Будаевой. 11* 163
ПРОГРАММА РАСЧЕТА. ВДИ Mgin REftl D,e1A.B.E>C»K.KA.<M,L,K5(*B>P,A,62,D,V,Tl»' - - - - » - >» - — I г 2. я 2» пг > и. 1 • у; Integer i , j , n , ы ; л я я a v R(i:iз j.п(1:181,м11'18U procedure ф; begin mil ; a:=h*0,8*iOO/(вхс);a: = (Rfi1*D)/<114.6*B); f ii 6: = (R(jj<E)/(iU.6"C); IF A< = o.0 12 THEN GO TO Ml J 5 *4» «• W м ла «•»«» * « KA:=c91w-**K«K>*(3w-3xK)*0.fi04i ФД: = (<»/3.1415д27>кА<АлСТ5(4,6>'А); I — » k&: = (91m>-5«l»l)*3«-3xl*o,8O4; Ф&: = (4/3.1415927)xB.ARCTG(4,6»e>; P : = A/< ( 1 / К A ♦ К A * *РЛ ) м ( 1/КЗ*КВ»Ф8> ) J lit — — » m(J): = р/П(j ] . IF MI J)< = 1 THEN GO TO M I 5 ; IF a>0.012ИА< = 0.02 5 Then 0:=6,6 1 xA♦0,95 ELSE — — f — I — — — — I I “ “ “ — • IF A>3,025^A<-0. 0^2. .THEN С^О.ОйАхд! - * , -i » (-0.45) ELSE IF ,A>0 . зЧИА<’0 , 12 then ал w w • ал w | «• f W *“ • " o: =0.042 X A t < - 0.42 1 ElSE D’.SO.II v:2ii4.6"&»D/o; » IF M(J I>1ЦМ1J)< = 4.08 THEN GO TO M5i IF M('J)>4.O8KM(J)<a4.0a*C8.7.1/0)»< (K-6,l>/4.02) - - i - i them go то иь; * • — • -a — GO TO M15;. M 5 : T ! : = ( D / 1 1 4 /6 ) « ( R ( 1 ) *’ V ) м ( < м ( J J - 1 ) t о . 2 4 ) ; I • go to Mie; Мб: T 1 : s< R t I)*V»«TG(D/87. 1-(mOJ/4.03 )H4.02/ • » (K-6 . i))); go то мi6; mis:go to mi7J Mie: выгод(r(11,n , R .nt л ,ii >; > / > i > f > 164
291 * • ! оиз : 6w j ь w oi о о • < 11•г и•a' • c < c x • 9 - ш о ‘ 11 ‘ u о ‘ m))« и • ^ / q )11 л * г u) =: г i ! 2b/ds : 29 ! ( (Z26H*1 * £ / < <e«‘9>>9iOav*0,,Z’S*t > > x(Z266I^I * £ / ( ( J*9 ’ ? J91 V» z ^*1 ) ) > / V 5 *• d < i ! 0 / ( 9 • M X « G * 9 P : A I x ' G = • 0 !<0«9ЧуТХ»/(Э»гУ>г:8 jiflVHp/KWinHv f oo x =:ги ;оост = -гн:ххи/ » •* » 1 GN3 L W 01 0 0/. I 2 • l И ♦ Г - • Г N I 03Q V * M N3H1 ^>Г 31 ! GNd / w oi оo 11 ♦ i5:i • N l 035 — — — — * « • M3H1 £ I > | JI !Ф : 2 w / t 4 : r -: г !т = : I : сп'Х‘3'0 •o‘9-n‘N)tfoog:,>,4 !ooooo$ = : isiju ! т =: i т) U !ООоь = :НХ1Ь « « =: c x 1 a ‘ I о i =: r r j и •_ о c i =: i м a i £ т =: i -: * : г =: з =: о • о x =: о:: 5 !О$гх-:п :iw 115: I ‘ 0N3 : i х w 09 - V 0 4 if V 3 )| Я £ В V II Z • 1 • r, v П и 1< 9 U X
Ления высоты подъема антенны РЛС (например, в це- лях защиты) от первоначального значения Д до Д3 пли увеличения угла места диаграммы от е до е3 для умень- шения уровня поля до необходимого минимума (обычно 10 мкВт/см2) можно воспользоваться готовой ВДИ стан- ции. Подробнее об этом см. п. 7.2.3. 5.1.6. О коррекции расчета поля на основании экспе- риментальных данных. Возможность прямого ввода кор- рекции в расчет ВДИ P-методом на основании экспери- ментальных данных обусловлена относительно простой зависимостью плотности мощности в главных плоскостях Рис. 5.1.4. Определение А для двух характерных случаев (индексы 1 и 2 при Л и А соответствуют расчетным точкам /и 2). антенн от отдельных параметров станции (см. п. 4.3.3). 5.1.7. Расчет ВДИ на заводах-изготовителях. Особен- ность расчета ВДИ на заводах-изготовителях заклю- чается в следующем. При серийном выпуске радиоизлу- чающей аппаратуры, например РЛС, оказывается воз- можным сгруппировать станции по одинаковым откло- нениям от средних значений изменяемых параметров и в дальнейшем для включения в документацию ВДИ де- лать соответствующий выбор из заранее заготовленного набора диаграмм, рассчитанных для дискретных значе- ний изменяемых параметров. Таким нестабильным от экземпляра к экземпляру параметром для РЛС является обычно уровень первого бокового лепестка и реже — ширина основного лепестка диаграммы. 166
При классификации ВДИ по первому параметру группировку для расчета ВДИ следует производить с дискретностью всего I дБ. Например, для возмож- ного интервала 18 ... 22 дБ следует сделать расчет ВДИ для 61=18, 19, 20, 21 и 22 дБ (61 — в вертикальной плоскости!) Непостоянство ширины основного лепестка диаграммы направленности встречается гораздо реже. При необходимости расчет двух-трех ВДИ проводится с дискретностью 0,1 ... 0,2 ширины в соответствующей плоскости. Кроме набора ВДИ по нестабильным параметрам приходится делать расчет также для всех возможных ре- жимов работы антенны и передатчика (например, для двух или нескольких поминальных значений выходной мощности передатчика), если для каждой позиции вы- бор между ними предопределяется заранее и в течение длительного времени остается неизменным. Расчет ВДИ производится любым из перечисленных выше способов. Выбор конкретных ВДИ для включения их в документацию конкретной станции производится на основании определяемых во время обычных испытаний параметров, например Р, di и 20o,s. Если нестабильным оказывается только один из этих параметров, удобно воспользоваться результатами специальных измерений ППМ в зоне действия РЛС. Условия этих измерений должны исключать существенное влияние земли и мест- ных предметов и тем более соседних работающих РЛС. Для выбора ВДИ обычно бывает достаточно произвести тщательные измерения ППМ в двух-трех точках на рас- стоянии 100 ... 1000 м, лучше всего на высоте 3 ... 7 м от земли. Выбор точек производится заранее с учетом формы диаграммы излучения, точки должны быть тща- тельно привязаны к точке стояния станции. Привязка делается один раз и в дальнейшем не меняется, т. е. каждую РЛС перед выпуском ставят на одно место, луч- ше всего на насыпь, выставляют заданные значения па- раметров антенны и передатчика и производят необхо- димое количество измерений в заранее выбранных точ- ках (об условиях измерения см. также § 6.2). В дальнейшем при выборе позиции, проектировании размещения населенных пунктов и во время эксплуата- ции ВДИ является документальным основанием для организации защиты в зоне действия станции вплоть до проведения массовых точных измерений ППМ в зоне 167
действия работающей станции. Такие измерения позво- ляют учесть все тонкости влияния условий распростране- ния радиоволн, распределения поля в окрестности точки измерения и поэтому должны считаться наиболее точ- ным материалом для принятия решения о завершении работы по организации защиты. 5.1.8. Расчет поля переливов. В связи с быстрым за- туханием поля переливов (см. § 1.2) оказываются опас- ными только в непосредственной близости от антенны (2 ... 10 раскрывов). Для зеркал с облучателем расчет поля переливов ведется на основании следующих дан- ных: мощности излучения Pi], уровня ноля па краю зеркала /7Кр, расстояний облучатель — кромка зеркала гкр и кромка зеркала — расчетная точка гт. В связи с тем, что обычно в первом приближении рас- чет уровня поля перелива в заданной точке /7П может вестись по квадрату расстояний. Для двухзеркальных антенн {рис. 5.1.5) расчет ве- дется раздельно для двух систем: «вперед» для системы облучатель — контррефлекгор, «назад» для системы «контррефлектор — зеркало». 5.1.9. Расчет ППМ для оценки биологической опасно- сти на борту летательных аппаратов. При пролете лета- тельных аппаратов вблизи современных РЛС экипаж и пассажиры могут подвергнуться более или менее дли- тельному воздействию радиополя [162]. Так, при работе новейшей американской РЛС в Хайстеке осевая плот- ность мощности около 10 мВт/см2 сохраняется неизмен- ной вплоть до расстояния 17 км, и при пролете в этой зоне аппарат может кратковременно подвергнуться облу- чению энергией высокой плотности. При работе станции дальнего обзора типа AN/FPS-49 плотность мощности 10 мВт/см2 оказывается на расстоянии всего лишь 1 км, но зато с приближением к антенне она быстро возраста- ет до 55 мВт/см2 (см. § 1.2). Поэтому учет опасности воздействия радиоволнового излучения на экипаж и пассажиров летательных аппаратов в зоне действия мощных РЛС считается обязательным при прокладке воздушных трасс и организации необходимых мер предосторожности. Оценку биологической опасности в настоящее время производят и для космонавтов. Например, перед поле- том американского космического корабля «Джемини-12» был произведен расчет опасности для выходящих в от- 168
крытый космос космонавтов от радиоизлучений РЛС, которым подвергаются космонавты. В соответствии с аме- риканскими нормативами, полученное значение ППМ (17 мкВт/см2) оказалось неопасным для неограниченно- го времени облучения. Определение степени потенциальной опасности может быть проведено расчетными и инструментальными мето- дами. При расчете ППМ для летательных объектов сле- дует иметь в виду, что обычными методами удается до- статочно просто определить величину потока мощности, Рис. 5.1.5. Побочные излучения двухзеркальных антенных си- стем. падающей на корпус объекта или скафандр космонав- та. Интенсивность поля, проникающего через проемы и электрические неплотности летательных аппаратов и скафандров, зависит от многих факторов и, в частности, от длины волны, размеров отверстий, расстояния от от- верстия, ракурса облучения и т. п. Поэтому расчет вну- тренних полей оказывается здесь очень сложным и про- водить его практически нецелесообразно; пока единст- венным способом определения биологической опасности оказываются здесь измерения. Если степень опасности определять на основании только данных о максимальной ППМ без учета времени воздействия, то ее значение окажется явно завышенным (исключение могут составить только случаи автосопро- вождения достаточно мощной станцией самолета, верто- лета или космического корабля). Наиболее точный и 169
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: I7(R, 0, ф)~/7о(Я)/Л?(0)М(ф), >0™ 26 Расчетная точка, расположенная Вне . главных плоскостей Рис. 5.1.6. К расчету плотности мощности вне главных плоскостей (вид на антенну спереди). где /7(/?, О, icp) —плотность мощности вне главной плоскости в точ- ке с координатами /?, О и <р (рис. 5.1.6); Af(O) и лГ(ф) — Л1-функции для осей 0 и <р. Естественно, использование понятия «главных плоскостей» для круглых апертур смысла не имеет. ВДИ, рассчитай на я для круглой антенны, пригодна для работы при любых поворо- тах антенн вокруг своей оси. Косеканс-квадратные диа- граммы, формируемые одним облучателем л зеркалом специ- альной формы, как правило, де- формированы «вверх» относи- тельно направления максималь- ного излучения (условно назо- вем это направление осью). Как показывает эксперимент, приближенный расчет бокового 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: 2^о.5экв — 4я£исп • 57,3-/2<ру 5 (j , (5.1.3) где G — коэффициент усиления антенны; углы 0 и ср—в градусах, бис п — коэффициент использования поверхности. Таким образом, вместо угла Оо,5 в формулу для расчета осевого поля следует под- ставить 0о,5 энв. Расчет поля выше электрической оси этим методом проводить нельзя. Расчет поля в зоне действия антенн, формирующих парциальные (лепестковые) диаграммы направленности, производится отдельно 170
для каждой диаграммы. Обычно влияние верхних диаграмм по срав- нению с нижними на боковое ноле незначительно и можно ограни- читься расчетом поля от одного-двух лепестков. Для некогерентных лучей искомая величина плотности мощности равна сумме опре,де- ляе.мых значений для каждой диаграммы; если поле облучателей когерентно (например, они подключены к одному генератору), для заданной точки суммарная плотность мощности /7£<(ГП, + Г/72+Т//3 + ...)=, (5.1.4) где 771,2,.. . — ППМ от отдельных диаграмм. 5.1.11. О расчете ноля антенных ции по расчету интенсивности поля сфокусированных в зоне Френеля, можно получить в § 4.2. Иногда, если решетки относительно густы, боковое поле антенных решеток в вертикальной плоскости, для которой характерны простейшие функции распределения поля по стороне апертуры (типа Л ... табл. 4.3.1), можно рассчитывать Р-методом. Обычные рекомендации по расчету поля решеток и гладких апертур [70, 84, 141, 187] часто ограничиваются рассмотрением симметричных распределений. 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 Еп = E^nd, где Еп —амплитуда поля для лю- бого п-го излучателя; Еь — 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 решеток. Некоторые рекоменда- антенных решеток, в частности, Рис. 5.1.7. Диаграммы на- правленности по мощности линейной решетки излучате- лей (L=I36%) с экспонен- циальным распределением поля в апертуое. Точки на оси абсцисс означают ППМ на электрической оси ли- нейного источника с равномер- ным распределением. 171
Е (0) == Л V Ео схр (— jhd) exp фронта возбуждения ф=0) "р ; ( . ! • "й I (nd)2 cos2 8 —J (—nd sin 8 4- ——i------ • 2x J n—0 где A — постоянный множитель вынесения за знак суммы. Беря модуль этого выражения, получаем диаграмму излучения в зоне Френеля. Исследование проводилось для линейной решетки излуча- телей размером 136%. 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=А [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.Х УЧЕТ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 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 воли, 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; па 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 0,1 ... ... 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 Лизл в направлении на точку отражения, чем меньше коэффициент отражения от земли F3eM, тем меньше заметно это влияние. Для /7изл2^0,1 ... 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- 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; v=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 ]/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 /?пзлДзем~ 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. Достаточна 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: v — по напряженности поля или у2—ио мощности; тогда уровень плотности мощности с учетом земли оказывается равным Лзем=/7У2, (5.2.1) где П — расчетное значение плотности мощности, определенное без учета влияния земли. Интерференционная картина, устанавливающаяся вад землей, определяется величиной модуля коэффициента отражения от земли Гзем и сдвигом фазы при отражении Р, зависящих не только от 5 Ч 5 6 8 1О~1 Z 3 У 5 8 8 1 2Ю1/М. Рис. 5.2.3. Угловая зависимость множителя земли при различных Гэем; (2ЯЛ//?Х—i) <1, Z=0, 1, 2, . . . свойств земной поверхности в точке * отражения, но и от «угла встречи» («угла скольжения») у3ем и от соотношения ГИзл и ГИзл отр (см. рис. 5.2.1). * Точнее, в области, ибо капал связи излучатель—земля—прием- ник представляет собой своеобразный «рукав», коридор. 175
Для упрощения обычно принимает /?пр=!, /7Дзл=/?изл otpj тог- да множитель земли может быть определен как (5.2.2) где Дг^2/7/г//< — разность хода между прямым и отраженным лучами. На относительно больших расстояниях 7? и малых высотах ан- тенн излучателя Н и антенны приемника Л, если выполняется усло- вие (772—Л2)/2/?2<1 [136], разность хода лучей оказывается равной приблизительно 2Hh/Rt и тогда для расчета v можно пользоваться простыми графиками, учитывающими лишь минимум необходимых Г}ем -arctg— Рис. 5,2.4. Коэффициент отражения для различных почв в диапазоне частот до 4 ГГц: теоретическая зависимость:----вертикальная поляризация, -------горизонтальная поляризация; —О- 0—0-----экспсри- ментальная зависимость для суши (длина волны X—3. . .60 см [41], обе поляризации) [136’. / — морская поверхность; 2 — влажная почва; 3 — суша; 4 — сухая почвД. данных: F3Cm, ?зем и характер отражающей поверхности (рис. 5.2.3 и 5.2.4). Для ровной трассы с постоянным наклоном местности угол встречи можно определить по формуле, считая cosOh^I, // + /* H + h Ьем^аГс1£-“#-«=—£—57,3°. (5‘2-3) Наиболее близкое совпадение рассчитанных но 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 176
наиболее важно!), интерференционные формулы в обычном изложе- нии [типа (5.2.2)] непригодны для расчета влияния земли, если излу- чатель имеет узкую вертикальную диаграмму излучения, когда ни при каких реальных допущениях точности расчета интерферируемые лучи вообще не могут быть соизмеримыми по амплитуде. Таким образом, например, оказывается, что нельзя считать одинаковыми по эффекту подъем на одинаковую высоту биообъекта и антенны излу- чателя. Формула (5.2.3), -между тем, утверждает обратное. Вообще говоря, резкое снижение влияния отраженных от земли лучей у диаграмм излучателей с достаточно большим снижением интенсивности по углу в вертикальной плоскости относительно на- правления на расчетную точку должно привести только к увеличению ППМ в этой точке по сравнению с рассчитанной по формуле (5.2.2), На практике все бывает наоборот. Это следует иметь в виду и при- нимать окончательное решение о затратах больших средств на про- ведение защитных мероприятий только после контрольных измерений. Задача тем более усложняется в случае неровной трассы, когда приходится в обязательном порядке строить разрезы местности по всем интересующим направлениям и определять возможные пути распространения энергии индивидуально для каждого случая. На рис. 5.2.5 показан один из возможных случаев исследуемой трассы — всего с одним изломом. Расчет в этом -случае следует проводить но формулам (5.2.1)—(5.2.3), но значения входящих в них величин будут существенно зависеть от отношения Характерной особенностью искажения первичного поля при рас- пространении энергии над полупроводящей землей является искаже- ние эллипса поляризации. Специального учета это явление при ра- диопрогнозе не требует, однако его следует иметь в виду во время измерений. Поглощение волны почвой приводит к дополнительному наклону вектора Пойнтинга к земле и к возникновению искажений поляризационной структуры поля (появлению эллиптической поля- ризации вместо линейной). Угол наклона вектора Пойнтинга для обычных почв находится в пределах 10.. .20°, а отношение полуосей эллипса не превышает 0,01 ... 0,1 (130]. Наконец, на малых расстояниях оказывается заметным также влияние па величину множителя земли размеров апертуры [47], ко- торое, однако, даже при очень больших 2а/% не первосходит 3 дБ (теоретический максимум). 5.2.3. Распространение СВЧ энергии на закрытой трассе. При распространении волны на закрытой трас- се, когда между излучателем и расчетной точкой выше линии прямой видимости находится какое-либо экрани- рующее препятствие (лес, металлическое сооружение, дом и т. п.), в общем случае па величину коэффициента ослабления влияет относительное расположение точек излучения, приема и кромки препятствия, а также фор- ма и свойства материала препятствия. Принято делить все радиоирепятствия на полупрозрачные и непрозрач- ные. В первом случае нас инстересует так называемое «сквозное затухание», определяемое ослаблением поля материалом препятствия, ВСкв (о нем будет сказано ни- 12—393 177
ike, в пп. 7.2.1 и 7.3.1), а во втором — дифракционное #диф (рис. 5.2.6). Дифракционное затухание зависит (кроме угла между границей свет —тень и направле- нием на точку расчета) практически только от формы Рис. 5.2.5. К расчету поля для ровной местности с одним изломом. кромки; наименьшее дифракционное затухание при про- чих равных условиях получается при острой ровной кромке, т. с. когда толщина и вертикальные неровности много меньше длины волны. Если кромка зубчатая, на —---- Рис. 5.2.6. Поле в .расчетной точке за полупрозрачным пре- пятствием. некоторых углах а наблюдаются максимумы затухания, намного превышающие среднее значение. Расчет дифракционного затухания ВДИф в области тени удобно проводить по графику рис. 5.2.7 [57]. Как можно видеть на рисунке, при больших углах дифрак- ции заметно влияние поляризации. В некоторых случаях приходится учитывать оба вида затухания: ВСкв и Вдяф. Например, при проектировании 178
сетчатых экранов как средств защиты целесоборазно выбрать такую сетку и высоту конструкции, чтобы вскв^^диф- В этом случае каждый из них выбирается так, чтобы Вскв^Вдиф^В +6 (5.2.3) и Вдиф б ^Вдиф в + 10, (5.2.4) где Вдифв — затухание волны при дифракции на верхней кромке; ВДПфб — то же на боковых кромках; В — требуе- Рис. 5.2.7. Зависимость множителя дифракционно- го затухания от параметра v ( —вектор Е перпендикулярен кромке экрана; £ц — вектор Е параллелен кромке). мое для защиты затухание (все значения затухания да- ны в децибелах). Невыполнение первого условия приводит к появле- нию интерференционных максимумов (из-за взаимодей- ствия «сквозной» и «дифракционной» волн) выше допус- тимого, а необходимость второго условия вызвана тем, что изготовление и установка высоких экранов, как пра- вило, обходится намного дороже, чем низких, но длин- ных. Замечание. При расчете высоты экрана следует иметь в виду, что обычно интенсивность поля с подъе- мом над землей возрастает (из-за приближения к оси диаграммы излучателя и уменьшения влияния земли), и поэтому несмотря на то, что с увеличением высоты экра- на для заданной расчетной точки угол а (рис. 5.2.7) уве- личивается и дифракционное затухание растет, плот- ность мощности в точке может даже увеличиваться. Этот эффект оказывается особенно заметным при острых 12* 179
диаграммах антенны излучателя, направленных вверх под небольшим углом к горизонту. 5.2.4. О расчете влияния леса. Лес для радиоволн СВЧ оказывается большей частью непрозрачным. Исключение могут составить узкие лесные полосы (ши- риной десятки или сотни метров). Удельное сквозное затухание лесной полосы зависит от вида деревьев, по- ляризации и времени года, но в среднем для худших условий (зима) можно принять его равным 0,05 ... ... 0,1 дБ/м. Дифракционное затухание кромки леса пока фактически не исследовано. Предполагается, что оно меньше, чем затухание на острой кромке, но больше, чем на цилиндре. [189] (см. также и. 7.2.2). В условиях большого города расчет затухания с бо- лее или менее удовлетворительной точностью считается невозможным [130]. Принимается, что в среднем это за- тухание равно 3 ... 5 для метровых воли и при отсутст- вии прямой видимости в несколько раз возрастает с уко- рочением длины волны до единиц сантиметров. 5.2.5. Влияние распределения поля в окрестности расчетной точки. Типичным примером такого влияния (в отличие от влияния трассы) является изменение интенсивности поля из-за близости больших отражаю- щих объектов: плоских поверхностей (стен домов и т. п.) или вибраторов (металлической ограды, металлических включений в стенах и т. д.). Характер отражения плос- ких переизлучатслей близок к зеркальному; вибраторы переизлучают энергию приблизительно равномерно во всех направлениях вокруг своей оси. В тех случаях, ког- да в направлении основной трассы точка хорошо «за- щищена» (лесом, экраном), близко расположенные ра- диоотражающие объекты снижают объемную контраст- ность поля и в некоторых случаях могут увеличить уро- вень поля в тени в несколько раз. Расчет трассы, тем более закрытой, следует всегда начинать с построения профиля местности в заданном направлении и определения возможных переотражений. Это позволит правильно определить необходимый объект расчета и избежать грубых промахов. 5.2.6. Экспериментальное определение влияния трас- сы. Наиболее точно определить влияние трассы можно только с помощью эксперимента, который следует про- вести задолго до включения станции па излучение и да- же до ее строительства. Во время измерений достаточно 180
Рис. 5.2.8. При определении влияния распространения и распределе- ния поля на больших площадях вблизи строящихся станций приме- няются вспомогательные маломощные излучатели и измерительные приемники с визуальной индикацией (ДВА — диаграмма излучения вспомогательной передающей антенны). эффективным является использование следующей си- стемы: маломощный генератор — простейшая излучаю- щая антенна — измерительный приемник (рис. 5.2.8). Вся система должна работать на частоте, близкой к ра- бочей частоте станции. Генератор включается в режим модулированных колебаний лучше всего с частотой, от- личной от 400 и 1 000 Гц (для лучшего опознавания в процессе работы с чувствительным приемником). Мощность генератора должна составлять единицы или доли ватта. Антенна — любого типа, но обязательно с достаточно широкой диаграммой направленности (де- сятки градусов). Эго нужно для того, чтобы при проез- де с приемником по территории в пределах большого сектора точки измерения не выходили за пределы диа- граммы направленности передающей антенны ио уровню ±2 ... 3 дБ. В противном случае антенну необходимо постоянно покачивать или применять несколько антенн и генераторов или учитывать диаграмму при калибров- ке с последующим измерением углов пунктов по карте. Антенна с генератором устанавливается в месте, соот- ветствующем центру или верхнему краю антенны РЛС. 181
Приемник может быть любого типа, но обязательно с батарейным или аккумуляторным питанием, чувстви- тельностью 10~10 ... 10“14 Вт. При отсутствии в прием- нике устройства визуального отсчета на его выход вклю- чается специально изготовленный индикатор одного (отсчетного) уровня, например на электронно-оптической лампе (типа 6Е5С, 6Е1П и т. п.). Если передающая антенна сканирует, индикатор приемника должен иметь устройство для пиковой индикации сигнала, например, на диодно-емкостной ячейке. Для отсчета затуханий, если в приемнике отсутствует специальный аттенюатор, Рис. 5.2.9. К определению влияния местности с помощью вспомога- тельного излучателя. используется регулятор чувствительности приемника, для чего он предварительно градуируется (в децибелах). Однако лучшие результаты может дать специальный ВЧ — СВЧ аттенюатор, включаемый между антенной приемника и его входом. Приемник должен иметь антен- ну, например, типа штырь, устанавливаемую над кузо- вом используемой при измерениях автомашины. При проверке трассы в зоне излучателя с линейной поляризацией измерения проводятся при заданном на- клоне поляризации; если поляризация волны излучателя круговая, — при вертикальном и горизонтальном накло- нах раздельно. При измерениях на типовых трассах сред- ней полосы России прогноз влияния трассы описывае- мым способом можно проводить на расстояниях до 10 ... 20 км. Методика обработки результатов измерений затуха- ния трассы заключается в выделении отклонения закона распределения плотности мощности реального поля от квадратичного. Таким образом, поправка к расчетному 182
значению поля, найденному с помощью обычных мето- дов расчета без учета влияния местных предметов и трассы, определяется следующим образом: Л=(гкЖ)2апН1§0,ЦВк-В0 или в~201g (/?>/г), где гк и Ri — соответственно расстояния калибровки и измерения (рис. 5.2.9), Вк и Bt — показания регулятора чувствительности приемника, соответствующие кали- бровке и затуханию на трассе (в дБ). Калибровка про- водится на малых расстояниях, когда влиянием трассы можно явно пренебречь. Таблица 5.2.1 Типичные данные прогноза поля в населенных пунктах с учетом экспериментальных данных о трассе Насе- ленный пункт Расстоя- ние, км Затухание Л. дБ ППМ, мкВт/см Ошибка расче- та, дБ расчет по ВДИ прогноз с учетом В измерение А 1,8 27 750 15 15 0 Б 2,5 5 700 1280 800 2 В 4,3 9 300 370 80 6,6 Г 4,9 13 250 125 50 4 д 7,1 20...18 150 15...24 10 (1,8...3,8) Е 8,2 18 110 17,3 5 5,3 Ж 9,3 13 80 40 15 4,3 Значения Z?<C1 соответствуют усилению энергии па трассе, обычный случай 7?>1—ослаблению. Пример расчета ППМ с учетом измеренного затухания трассы показан в табл. 5.2.1. Из таблицы видно, что условия прохождения энергии по трассе оказывают значительное, если не сказать ре- шающее, влияние на облучаемость местности, причем расстояние, как правило, менее всего определяет это влияние. Действительно, пункт Ж, находящийся на рас- стоянии 9,3 км, имеет дополнительное (к квадрату из- менения энергии в свободном пространстве) затухание всего 13 дБ, а пункт Л—27 дБ. В данном случае это объясняется двумя причинами: наличием на трассе ши- 183
рокой полосы леса и, главное, нахождением пункта А во впадине. Разброс величин затухания (и ППМ) в од- ном пункте объясняются сильными колебаниями поля в пределах территории пункта из-за влияния местных условий (большие здания, наличие коридоров распрост- ранения волны по просекам и т. nJ. Таблица также по- казывает достаточно хорошее совпадение данных рас- чета при использовании обычных формул P-метода и экс- перимента, если учет трассы проведен с необходимой тщательностью. Итак, методика измерения затухания трассы * состоит в следующем. Подготовка к измерениям 1. Выбор элементов системы измерений: Генератор мощностью 0,1 ... 10 Вт с заданным диапазоном ча- стот, с характерной модуляцией, четко опознаваемой на фоне работы других станций. Антенна передатчика с гладкой и достаточно широкой диаграм- мой; возможно с устройством сканирования в горизонтальной пло- скости. Приемник, чувствительностью 10“10 ... !0-14 Вт, с возможностью перестройки в некотором диапазоне частот; встроенной или отдель- ной системой визуальной индикации (лучше по пиковому уровню); крайне желательно с батарейным или аккумуляторным питанием. Для отсчета уровня могут быть использованы органы регулировки чувствительности приемника (предварительно градуированные в де- цибелах) или специальный аттенюатор, устанавливаемый на входе. Антенна приемника (штырь, логопериодическая антенна, рупор и т. п.) укрепляется на кузове автомашины с возможностью поворо- та ее в горизонтальном направлении. 2. Подготовка места передатчика: проводка электрического ка- беля, механическая установка антенны и генератора и оборудование места оператора (оно должно быть достаточно защищено от небла- гоприятных погодных и климатических условий). 3. Определение по карте и на местности путей подъезда к наме- чаемым точкам измерения. 4. Выбор средств сигнализации между пунктами приема и пере- дачи (ракетница, радиостанции, использование имеющейся телефон- ной сети в пунктах измерения и т. п.). Работа 1. Задача оператора на передающем конце—• обеспечить доста- точную стабильность и непрерывность работы генератора. По коман- де или в условленное время антенну при необходимости покачивают. 2. Задача оператора на приемном конце — поиск максимума * Окончательный вариант методики разработан совместно с В .И. Краюшкиным, В. С. Блументалем и И. В. Кичаевой. 184
уровня сигнала в выбранной точке измерения путем подстройки антенны по направлению и приемника по частоте и отсчет показаний по шкале аттенюатора (при установке индикатора на заданный уровень). В § 5.2 мы рассмотрели в основном методы прове- дения второго очень важного этапа системы контроля радиобезопасности (СПКР, см. § 4.1). Как показывает опыт, наиболее точным и падежным из них является метол, основанный на определении свойств местности с помощью вспомогательного излучателя (п. 5.2.6). Иногда после второго этапа для уточнения ожидают окончательного включения РТС и проводят измерения ППМ на местности в реальных условиях работы излу- чателя. Но иногда, если разрыв во времени между строи- тельством антенны и наладкой передатчика достаточно большой, вместо собственного генератора РТС на вход антенны подключают маломощный генератор и допол- нительно с помощью чувствительного приемника уточ- няют распределение тюля па местности — уже с учетом конкретных характеристик антенны РТС. Этот, третий, этап СПКР проводится в соответствии с конкретными возможностями и подробно здесь не описывается. Расчетные методы определения временных парамет- ров воздействующего поля, которые будут рассмотрены в следующем параграфе, служат также прогнозу био- логической опасности. Они могут быть использованы при обычном методе нормирования — по уровню и совершен- но необходимы для прогноза при нормировании по дозе. 5.3. УЧЕТ ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИОПОЛЕЙ РТС С ПЕРЕМЕЩАЮЩИМИСЯ ДИАГРАММАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ В гл. 3 при обсуждении способов нормирования воз- действий мы отметили, что фактор времени является до- полнительным важным параметром воздействующего поля. Этот фактор в простейшем виде учтен в сущест- вующих нормативах, но более полно и точно может быть выражен через понятие «плотности падающей дозы», или просто «дозы», связывающей неразрывно плотность мощности и время. Мы рассмотрим некоторые практические случаи уче- та времени воздействия на точечный биообъект перио- дических облучений. Полученные данные могут быть использованы для расчета плотности падающей дозы 185
или мощности дозы (если характеризуется потенциаль- ная опасность периодически воздействующих излучений), а также средних ППМ и времени воздействия при оцен- ке поля по нормативам, нормирующим раздельно уро- вень поля и время. Расчет времени воздействия проводится по уровню 0,5 от макси- мального ППМ; за пределами этого значения интенсивность поля считается равной нулю, а внутри ППМ постоянна и равна макси- мальному значению. Эго допущение аналогично допущению равен- ства площадей S' и S"=S"o4-S"1-f-S',24- ... (рис. 5.3.1). Нетрудно Рис. 5.3.1. При расчетах времени воздействия луча пред- полагается S,=S"o+5,'l4-S,/2+ ... показать, что для широкого класса антенн равенство будет соблю- даться с отличием 1 ... 2 дБ. Считая, что реальная точность расчета временных параметров облучения не превосходит этих величин, для простоты расчета оставим это допущение в силе. Расчет энергетических и временных ‘параметров поля при непериодическом воздействии (например, программ- ный обзор пространства) при невыделенном облу- чении (большая изрезанность диаграммы, неглубокие минимумы) затруднителен, и в этом случае приходится прибегать к измерениям (или пользоваться приближен- ными методами на основании расчетных ППМ и пред- полагаемых временных характеристик воздействия). Итак, при расчете ограничимся определением двух параметров прерывистого излучения: средней за время непосредственного воздействия ППМ /7ер и скважности воздействия у. При наличии этих параметров облучения можно сравнить облучающее поле по существующим сейчас нормативам раздельно по ППМ -и времени, атак- 186
Же пересчитать их при необходимости в дозу. Вообще говоря, при определении Лср и требуется индивидуаль- ный учет особенностей воздействия поля в каждом кон- кретном случае, лучше всего учитываемом с помощью дозиметров. Однако опыт показывает, что времен- ные параметры можно учесть расчетным путем, при этом большинство практически используе- мых вариантов облучения может быть объединено в сходные по методике расчета группы. Несколь- ко из них будут рассмо- трены ниже. Зффенти.8ная тирана, луча Направление на расчетную точку 2 3 4 5-12 3 4 Вренн Рис. 5.3.2. Характер воздействия поля при обзоре по спи- рали (I, 2... —помер витка при обзоре). 5.3.1. Понятие скважности воздействия. При периоди- ческом воздействии можно воспользоваться понятием мощности дозы Л1 и попытаться определить ее через скважность воздействия. Под скважностью воздействия у будем понимать отношение времени воздействия ГВоза ноля по уровню 0,5 плотности мощности к общему /пери- 187
ОДу Изменения облучения Т: у-Т^/Т. (5.3.1) Если воспользоваться выражениями (3.2.4) и (3.2.7), то для общего случая можно записать: т y = ^n{t)dt!H^T. (5.3.2) и В некоторых случаях, например при сканировании по кольцу или по -спирали, за время Т происходит пери- одическое изменение интенсивности (рис. 5.3.2). В этом случае приходится воспользоваться понятием средней ПИМ: ^ср — -дГ (^1 + ^2 + ^3 + ••• + (5.3.3) где Л' — количество воздействий за время Т; П1г П2 — плотность мощности в каждый момент облучения. Тогда в выражении для мощности дозы и дозы подставляется вместо Лмакс величина /7ср. 5.3.2. Воздействие осевого поля. В простейшем случае воздействия осевого поля в дальней зоне скважность уо=20о,5/а, (5.3.4) Рис. 5.3.3. К расчету скважно- сти воздействия осевого даль- него поля. если сканирование происходит в вертикальной плоско- сти (угломестный сканер) или уо = 2(ро,5/а, (5.3.5) если сканирование—в гори- зонтальной плоскости (ази- мутальный сканер). Здесь а — сектор -сканирования (рис. 5.3.3). С приближением к ан- тенне появляется «дефоку- сировка» или угловое рас- ширение антенного луча (см. § 4.2), которую проще всего учесть с помощью коэффициента дефокусировки В, изме- няющего величину эффективного угла воздействия. Тогда То — 26o.^/?0-<z = 63W/<x. (5.3.6) или Тв = 2^,5/^.а = <рзфф/а, (5.3.7) 188
Где S8 и — коэффициенты дефокусировки в плоско- стях 0 и ф, определяемые на основании графиков рис. 4.2.3-^-4.3.5 (§ 4.2); 03фф и фЭфф — эффективные углы воздействия. 5.3.3. Боковое поле азимутального сканера. Для пря- моугольных апертур удаление точки наблюдения от оси в плоскости 0 азимутального сканера фактически не ска- зывается на величине у (т. е. уазпр = уо), между тем для круглых апертур определение скважности несколько осложня- ется. Задача состоит в определении эффективного угла луча круглой апертуры, сканирующего в гори- зонтальной плоскости. Эффектив- ный угол 0Эфф = 0х (рис. 5.3.4) определяется углом перемещения антенны сканера, при котором ППМ уменьшается вдвое по срав- нению с максимальной /7макс, за- регистрированной при положении луча в направлении на расчетную точку (на рисунке это положение показано сплошной линией; по- ложение луча при отклонениях, соответствующих ППМ в расчет- ной точке /7 —/7макс/2 показано пунктиром, центр его занимает положение О' и О"). Если перейти к приведенным углам п=*0/200,5 и воспользовать- Изолиная плотности. Изолиния плотности, мощности Рис 5.3.4. Эффективный угол луча круглой апер- туры при азимутальном сканировании: Т — расчетная точка с ма- ксимальной ППМ, равной Л. О, О', О" —положения цен- тра луча, сканирующего в горизонтальной плоскости. При перемещении луча на ±8ж/2 ППМ уменьшается вдвое. ся выражением для хорды круга [13], можно записать (рис. 5.3.4) пх = 2 J/2 (Дп) п’ - (Д«)2 = 2 /2 (Ап) п + (Д/г)2, (5.3.8) где п = 0ж/20о,5, Д/г = А0о,5/2Оо,5, п'=п-\- \п. Имея в виду (4.3.48), для п >0,66 можно записать Л?(п') ( п + Ьп у М («) \ ” / ‘ (5.3.9) где s = (81 -- 6,1)/4,02. 189
Отсюда 1 4- Lnln = 2}ls (5.3.10) или Ln — п (2I/S — 1). (5.3.11) Тогда в дальней зоне эффективный приведенный угол nx^2nV~^ls- 1. (5.3.12) Углы п отсчитываются из вершины, сдвинутой от обыч- ной оси вращения антенны (приблизительно центр апер- туры) на величину Лац- Учитывая это смещение, для азимутального сканера с круглой антенной апертурой можно записать Уазкр^ (200,5/u) нВкХаз кр> (5.3.13) где 1 +xaH/x= 1 +R&hJR учитывает уширение луча вследствие близости апертуры; хазкр — /гх//г — — 2 |/ 23/s — 1 определяет отношение горизонтального эффективного угла (в плоскости сканирования) к углу вертикального отклонения расчетной точки от оси излу- чения. Формула справедлива для п>0,66. 5.3.4. Боковое поле угломестного сканера. Скважность воздействия поля при удалении точки наблюдения от оси в плоскости 0 угломестного сканера с любыми антенна- ми для области боковых лепестков (/г>0,66) в общем Рис. 5.3.5. К расчету скважности воздействия поля угломестною сканера. 190
случае определяется выражением ®мин + а ТУ = С Га(0)№(вмиИ) (5.3.14) £j * мин где Л(0) —диаграмма излучения антенны в плоскости О; бини — угол, соответствующий нижнему положению ан- тенны. По определению, у у=Оэфф/ct = Д0/<х, (5.3.15) где АО—(0В—0n) —разность между углами наклона ан- тенны сканера, соответствующая уменьшению уровня поля на 3 дБ (рис. 5.3.5). Воспользуясь выражением 5.3.11, учитывая дефокуси- ровку луча, получаем Yy = ~ пн (2,/s - 1), (5.3.16) Рис. 5.3.6. Основные обо- значения з расчетах при обзоре по кольцу (разрез сделан в плоскости пендикулярно оси кого лепестка). — ________L [очка наблюдения где Пн — приведенный угол точки наблюдения в нижнем положении луча; Вн— 1 + хац/х = 1 4-/?а u/R. 5.3.5. Обзор по кольцу. При обзоре пространства по кольцу с постоянной угловой ско- ростью (и линейная скорость пере- мещения проекции лепестка на плоскость земли vf а следователь- но, и скважность воздействия на расчетную точку оказываются за- висимыми от положения расчет- ной точки относительно центра сканирования п^/пы. (рис. 5.3.6). За период сканирования точка подвергается облучению дважды: в нижнем и верхнем положениях луча (для упрощения задачи счи- таем, что одна из главных пло- скостей антенны совпадает с пло- скостью горизонта), когда уровни плотности мощности, соответст- венно Пп и /7В, будут определять- ся углами 0В и 0Я и соответствую- щими им значениями масштабной Случай воздействия поля при пер- глав- функции Л4В и обзоре по Мп. кольцу можно трактовать как удвоенное время воздействия при средней плотности мощности П*к— (Пп+Пв) /2, (5.3.17) 191
Если воспользоваться выражением (4.3.42), можно записать М («о) уЯн у /1В ) (5.3.18) Отношения Hq/пп и По/п» находятся в определенной зави- симости от положения точки наблюдения, т. е. от отно- шения Пт!пск (рис. 5.3.6). Действительно, при 0т=0 раз- ница в уровнях поля в нижнем и верхнем положении луча наибольшая, при перемещении точки наблюдения из центра проекции сканирующего луча к периферии она уменьшается. Представим по/пп как nQ/(nG—&п), где Дп может быть -определено на основании общих геометрических соображений: Are = /7CKsin-|-=nCKsin~(l — Тогда 1 _ sin Л. А _ (5.3.19) По л0 2 \ ncJ к ' Аналогично определяем (5.3.20) Имея в виду, что П^М (п0) —П (п^)—уровень поля при центральном положении луча, запишем П* 1 ‘ к (5.3.21) Определим зависимость для выражения в фигурной скобке (обозначим его 2хк) от пСкМо и 6t для 6т = 0, соответствующего наибольшей средней плотности мощ- ности х- = т[(' + -^)"+(1-^)"], (5-3-22) 192
тогда /7к = /7(Ио)хк. (5.3.23а) Это и есть средняя плотность мощности при сканирова- нии «по кольцу. Для углов сканирования /гСкМо^О,1 можно записать Лк ~Л (н0) , (5.3.236) при этом ошибка не превышает 3 дБ. Скважность воздействия поля при обзоре по кольцу может быть определена следующим образом (рис. 5,3.7): Ъ = (5.3.24) где Дф—Ц-С/— Ф"); |' = 2arccos fl——^1; Ф"~ 2arccos j 1------— \ / О' =._ 0ск 4- 03фф — 6" = 0ск — 0т. Тогда Тк a re cos Аск Т Арфф б? Аск “Ь 2 — arccos / 1-----------к- t -^т- \ Аск + “V / После несложных преобразований получаем выраже- ние для скважности воздействия поля па точку при обзо- ре пространства по кольцу: arccos (26т/9 8фф) 1 (20ск/6Эфф) 4~ 1 arccos— 2вт/вэ;И>)_+ 1 г Ь (2АсЛэФф) + 1 ‘ (5.3.25) При центральном положении точки наблюдения, т. е. 0т — 0, скважность наименьшая; для этого случая и следует проводить расчеты, 13-39? * 193
5.3.6, Обзор по спирали. При обзоре пространства по закону арифметической спирали (рис. 5.3.8) средняя за время воздействия 'плотность мощности /7С11 = "А (5.3.26) где /ги — число витков спирали; ППо/М(n}i), Па и Пк —(ПЛОТНОСТЬ мощности и приведенный угол расчетной точки соответственно для /г-го витка. Для подсчета /7СП можно вос- пользоваться рассчитанными зна- чениями 77к (5.3.21). Для пт = 0 Направление на расчетную точку Рис. 5.3.7. К определению скважности при обзоре по кольцу. Рис. 5.3.8. К определению сред- ней плотности мощности при сканировании по спирали. (т. е. точка наблюдения находится в центре проекции сектора сканирования) (5.3.27) где хк соответствует выражению (5.3.22); я'ск— текущее значение приведенного угла между направлением на точку наблюдения и витком k. Имея в виду, что практически всегда сектор скани- рования заполнен по крайней мере по уровню 0,5 (вне зависимости от ^закона заполнения, т. е. образуется 194
сплошной круг), выражение (5.3.27) можно переписать гак: (5.3.28) где £= НскМмакс; 2пМакс — сектор сканирования; 0^ ^л'СПмакс (рис. 5.3.8). Обозначим значения интеграла в выражении (5.3.28) через 2х(;п. Тогда средняя за время воздействия ППМ в точке 0Т11 = О будет /7с.н - П (/г0) хсц. (5.3.29) Следует отметить, что -во время сканирования при движении луча из центра к периферии сектора скани- рования почти никогда уровень первого бокового лепе- стка не остается постоянным. Поэтому при расчете сле- дует вводить эту зависимость уровня первого бокового лепестка от положения луча 6i=6i(s), которая, если заданы значения 61 в центре (dm) и на краях (diKp), может быть аппроксимирована, например, функцией типа ($) + (81КР -Т1Ц) $ (5.3.30) (здесь д| — в натуральных отношениях). Можно предположить еще более сложный случай: когда функции измерения уровня первого бокового ле- пестка «вверх» и «вниз» неодинаковы, тогда приходится вводить непосредственно в выражение (5.3.28) разные зависимости di(|) для первого и второго членов подын- тегрального выражения. Скважность воздействия для круговых заполненных разверток (типа спиралей) приближенно можно опреде- лить как отношение 5Яфф/5Сп (рис. 5.3.9), где .$Эфф« ~8:)ффОх; 0сп=л02сп. Длина хорды 0x=20cnsin ф/2, т.е. Ф 2всп^эФФ s’n 2 о д I Ycu =------=VT!bsi'n4- O-3-3') TcH r. jclI V" I где ij; = jt(l—nTMcn); — приведенное угловое расстоя- ние между центром сектора сканирования и направле- нием на расчетную точку. 13* 195
Рис. 5.3.9. Нормальный раз- рез сектора сканирования с точкой наблюдения в пло- скости разреза. При центральном поло- жении облучаемого объекта и формула (5.3.31) принимает вид Усп=’(2/л) (Оуфф/Осп)- (5.3.32) 5.3.7. Строчные методы обзора. При строчных, или «кадровых» методах обзора, как правило, применяют- ся горизонтальная строка и вертикальная кадровая развертка. При-сканировании по кад- ру обычно известна макси- мальная ППМ при самом нижнем положении луча П(nJ, сектор сканирования в горизонтальной плоскости а и общее за кадр число гори- зонтальных сканирований .V. Общая скважность воздействия поля (понятие, несколь- ко отличное от понятия скважности но времени) [см. вы- ражение (5.3.1)] укадр=/Лр/^(^0 будет зависеть от вер- тикального и горизонтального движения луча. Представим укадр как функцию с разделяющимися пе- ременными, т. е. укадр = у(0)у(9), где у(5р)=у0[см. (5.3.7)],а Тв, = /-7*9/Г7(«.). (5.3.33) При у(б) =--1, т. е. при сканировании по одной строке у -----*/(*?)-у 1кадр — i — io* Средняя за время всех воздействий луча, находя- щегося „над головой" (т. е. когда точка наблюдения на- ходится в проекции луча) плотность мощности /7*5 мо- жет быть определена прямым путем: N yj- Н (/гкадр)» (5.3.34) п=о имея в виду, что 0^/гкадр </V; Л7 — количество строк. Определение /7*стр можно упростить, если принять что влиянием строк выше 3-й можно пренебречь (угло- 196
Местное расстояние между строками обычно не менее ширины диаграммы направленности антенны, т. е. при нахождении луча па 4-й и выше строках интенсивность боковых излучений оказывается незначительной); тогда п* 1 Т* = 77-4) -ТПГЫ ™ + N-n Ы <">>1 = •V, + ЛГ. (-£)• + И, Y, (5.3.35) где ^2, ГЬ—плотность мощности в то-чке наблюде- ния при прохождении 1-, 2- и 3-й строк с приведенными углами пь пг, п3 относительно точки наблюдения, А;ъ ЛГ2, А;з—.количество обзо-ров за кадр по 1-, 2- и 3-й строкам. Таким образом, с учетом выражений (5.3.7) и (5.3.35) величина средней ППМ при кадровом обзоре простран- ства может быть определена так: (5.3.36) 5.3.8. О программном обзоре. При программном обзо- ре понятия скважности и средней плотности мощности не 'характерны, и при прогнозах приходится пользовать- ся вероятностными значениями времени облучения и ППМ, получаемыми на основании предполагаемой об- становки. 5.3.9. Применение расчетов скважности для решения конкретных задач прогноза. При решении конкретных задач можно интересоваться либо раздельно средней за время воздействия величиной плотности мощности /7* и скважностью воздействия у (пример ВДИ, построенной с учетом этих данных, приведен на рис. 5.1.2), которая позволяет найти время воздействия 7’воэл в течение всего времени работы РТС Т [см. формулу (5.3.1)], либо их произведением, определяющим мощность дозы: М=у11*. (5.3.37) Пример ВДИ с расчетом М для сканирующей РТС при- веден на рис. 5.3.10. В любом случае, при необходимости, 197
Можно определить плотность падающей дозы за время Т: [)~П*УТ=МТ. (5.3.38) Рис. 5.3.10. Пример построения ВДИ по данным мощности дозы. Практика радиопро-гноза включает в себя, прежде всего, использование методов расчета поля в свободном пространстве, учет влияния земли и местных предметов, а также охватывает ряд случаев, которые обычно не могут быть учтены точными методами. К таким случаям .следует отнести прогноз поля в зоне действия косеканс- квадратиых диаграмм, расчет поля вне главных плоскос- тей антенн, а также 'поля 'несимметрично возбужденных .апертур и антенн с перемещающимися диаграммами направленности. Учет влияния земли -и местных предметов является вторым, достаточно важным этапом СПКР. Третий этап — уточнение данных расчета поля в свободном про- странстве и учета влияния местности путем измерения поля чувствительным приемником в зоне излучения по- строенной антенны, работающей от маломощного пере- датчика— здесь не приводится. Обзор методов и средств радиометрии — четвертого, заключительного этапа СПКР— сделан в следующей главе. 198
6. ТЕХНИКА РАДИОИЗМЕРЕНИЙ. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ Несмотря на большой объем информации и достаточ- ную для радиогигиены точность, расчет поля не может заменить измерения по крайней мере в следующих слу- чаях: — при вынесении ответственного решения о снесении крупных населенных пунктов; — при оценке биологической опасности в условиях сложного формирования поля (особые диаграммы ан- тенн и т. п.); — при коррекции расчета ВДИ серийных станций. Задачи современной! радиометрии, или техники изме- рения основных параметров радиоизлучений, — это ин- струментальное определение энергетических и временных характеристик поля, в совокупности определяющих его биологическую активность. Пока лучше всего разрабо- таны методы и аппаратура измерения энергетических параметров поля — плотности потока падающей мощно- сти, а также величины электрической и магнитной со- ставляющих*. Приборы для измерения в явном виде вре- менных параметров воздействия пока не разработаны, и в практических работах вместо них, как правило, используются устройства, учитывающие этот параметр автоматически: дозиметры (регистрирующие накоплен- ную дозу) и измерители мощности дозы (см. и. 3.2.2), В соответствии с назначением радиометров их можно разделить па следующие группы. 1. Аппаратура оповещения персонала об опасности. Это могут быть индикаторы поля, дозиметры, если они выполнены с устрой- ствами автоматической сигнализации (например, индикатор и дози- метры СВЧ, разработанные в Институте физических проблем АН СССР [22]). 2. Контрольные приборы, предназначенные для регулярного кож троля превышения нормируемых параметров — обычно интснсимет- ры *, измеряющие ППМ, напряженность электрической и магнитной составляющих поля по средним или пиковым значениям амплитуды напряженности полей (в дальнейшем мы увидим, что в диапазоне СВЧ удается сочетать все эти виды измерений, применяя измерители пикового уровня лишь одной составляющей—магнитной). Примером * В общем случае называемых ниже интеисиметрамп или изме- рителями поля. Напомним, что здесь понятие «интенсивность», если пет особой оговорки, соответствует понятию «величина ППМ» или «напряженность одной из составляющих поля». 199
контрольного измерителя поля может служить разработанный п СЛИЛ прибор B86BI [84]. 3? Инспекторские и исследовательские приборы — интенсиметры (и дозиметры), предназначенные для широкого круга научных, про- изводственных и инспекторских работ. Эти приборы во многом по- добны приборам контрольной группы, но имеют больший динамиче- ский диапазон и лучшую точность; они не приспособлены для мас- совых измерений. В настоящее время проведение некоторых подобных работ удается значительно упростить и даже автоматизировать. При- мером универсального измерителя поля может служить комплект аппаратуры ПО-1, которую часто неверно используют для кон- трольных работ. 4. Аппаратура узкоспециального назначения (например, для автоматического или полуавтоматического снятия вертикального раз- реза поля антенн в целях прогнозирования биологической опасности в строящихся зданиях, на летательных объектах и т. п.). Аппаратура этой группы серийно не выпускается, и для подобных работ чаще всего применяют видоизмененные измерители второй или третьей групп. Сегодня существует широкий ассортимент аппарату- ры для измерения уровней радиоизлучений СВЧ, исполь- зуемой при решении самых -различных задач (антенные измерения, служба радиоконтроля и т. п.), однако, как ни странно, достаточно освоенными можно считать только крайние участки диапазона интенсивностей: очень больших, порядка 10“4 ... 10 Вт/см2, и очень малых, по- рядка Ю-18 ... 10-10 Вт/см2 и менее. Эти области обслу- живаются аппаратурой, построенной -на совершенно раз- личных принципах (-первые обычно используют тепловые методы детектирования, вторые — супергетеродинный прием). Соответственно реализуются разные точности (±50 ... 30% и ±4 .. 8 дБ соответственно) и инерцион- ность (10"*2... 10 и 10-8... 10-6 с). Приборы, предназначенные для защиты -человека, за- нимают промежуточное положение почти по всем показа- телям, и этот диапазон интенсивностей, как оказывается, наименее всего освоен. Существующие приборы этой группы, как правило, используют тепловые методы де- тектирования, поэтому для повышения реальной чувст- вительности в них приходится применять большие по размерам антенны «классического» типа, ограничиваю- щие возможность измерений вблизи радиоотражающих поверхностей (внутри помещений, у шкафов с аппара- турой и т. д.). К недостаткам измерителей поля с тепловыми детек- торами можно отнести и их высокую инерционность. Появление электронного сканирования в технике излу- 200
чающих антенн, повышение требовании к скорости об- следования облучаемости больших территорий ставит вопрос о снижении инерционности (времени установле- ния показаний) измерителей до значений 10~6 ... 10-4 с, которые известными тепловыми методами реализовать пока не удается. Аппаратура, постепенно заполняющая существующий пробел, построена в основном на использовании мощных полупроводниковых диодов, малоинершюнных индика- торов и к тому же обладает необходимыми показателя- ми при малых габаритах и массе. Особо 'перспективны- ми в этом отношении являются дозиметры СВЧ энергии, применяемые для массового индивидуального контроля. Ниже -мы вкратце рассмотрим основные принципы, используемые в радиометрии полей СВЧ, потенциально опасных для человека, функциональные и конструктив- ные особенности приборов, а также основные правила их применения в технике измерений. Большое внимание в этой »гла®е будет уделено описанию экспериментальных моделей приборов -и приборов, которые нашли примене- ние па предприятиях отдельных ведомств (например, типа ИП-3425, ИЛ-3445, все дозиметры, приборы разра- ботки Института физических проблем АН СССР и т. д.). Такое внимание вполне оправдано, так как 'многие из них являются перспективными и в самое короткое время, очевидно, получат распространение. В п. 1.2.2 мы коснулись вопроса об электромагнитной структуре полей, представляющих опасность для орга- низма человека. Мы увидели, что поле в свободном про- странстве па большом расстоянии от излучателя является бегущим и для его оценки достаточно измерить любой из параметров: /7, Е или Н. В замкнутых объемах, а также, например, вблизи от больших антенн незави- симые от координат в свободном пространстве соот- ' ношения между этими параметрами .нарушаются, так что измерителями ППМ можно пользоваться с больши- ми оговорками. Вблизи излучателей результаты измере- ний ППМ можно применять только после соответствую- щих пересчетов. В двух последних случаях наиболее пол- ную оценку биологической опасности могут дать только измерения как £, так и Н. Такие измерения техни- чески довольно трудны, и поэтому на практике изме- ряют один параметр. Выполнение измерителей поля с магнитными зондами оправдано тем, что поле такого 201
распространенного источника внутренних полей, как щель, имеет варажелпую магнитную структуру; кроме того, как мы увидим ниже, реализация магнитных зон- дов с устойчивыми характеристиками в интересующем нас диапазоне оказывается задачей технически легко выполнимой. 6.1. МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ИНТЕНСИМЕТРИИ СВЧ ПОЛЕЙ БИОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ УРОВНЕЙ Измерение энергетических параметров воздействую- щего -поля, интенсиметрия, как неразрывное целое вклю- чает в себя следующие фазы: -прием энергии ноля, детек- тирование, т. е. преобразование выходного сигнала зонда в форму, удобную для дальнейшей обработки его уси- ление (если эю оказывается необходимым) и реги- страция. 6.1.1. Параметры интенсиметрической аппаратуры. Наиболее важные из них следующие. 1. Диапазон длин волн должен соответствовать тому участку диапазона СВЧ, который используется в тех- нике генерации достаточно «высоких мощностей. Даже беглое рассмотрение занятости спектра СВЧ подобными установками (см. п. 1.2.1) убеждает нас в том, что уча- стков спектра, свободных от возможного облучения человека мощными полями, к настоящему времени фак- тически нет. Некоторое исключение составляет участок СВЧ диапазона выше 3 ГГц, где самолетные и судовые радиолокаторы занимают сравнительно узкие участки. Поэтому здесь допустима разработка узкополосных из- мерителей, тем более что широкополосная аппаратура тля этого участка спектра сложна и дорога. 2. Чувствительность аппаратуры полностью опреде- ляется нормированными уровнями. В соответствии с нор- мативами США, поля с уровнем ниже 100 мкВт/см2 из- мерять считается нецелесообразным, и вся американская интенсиметрическая аппаратура строится из расчета измерения уровня не ниже этого значения; обычными также являются измерители с основным показанием 10 'мВт/см2 и регистрацией небольшого отклонения (2... 4 дБ) за пределами этого значения. В соответствии 202
с сегодняшними отечественными нормативами, минималь- ный уровень, подлежащий измерению, равен 10 мкВт/см2 и с учетом намечаемой тенденции -нормативов для насе- ления—1 мкВ т/см2 3. Термин «динамический диапазон» (ДД) аппара- туры включает в себя по крайней -мере три различных понятия: «шкальный» диапазон интенсивностей, уклады- вающихся на шкале регистратора (например, стрелочно- го показывающего прибора); «разовый» ДД—диапазон интенсивностей, которые могут быть -измерены без слож- ной перестановки элементов аппаратуры (например, внешних аттенюаторов, антенн и т. п.), и наконец, общин ДД — диапазон интенсивностей, которые вообще -могут быть измерены данным измерителем. Общий 'динамиче- ский диапазон определяет пригодность аппаратуры для заданных целей. Например, для контрольных целей вполне достаточно обеспечить диапазон 20...25 дБ (5 ... 2 000 м'кВт/ом2). Контрольные приборы (назовем их приборами груп- пы К) удобно выпускать однотипными сериями, пред- назначенными для включения в состав каждой РТС или узла. Задача другой группы (инспекторские -и исследо- вательские приборы — группа Н) — обследование облу- чае-мостп больших территорий в зоне работы станций. Динамический диапазон этих приборов составляет по крайней мере 40.. .60 дБ: от 0,5 ... I «мкВт/см2 до 0,1... ... 1 Вт/см2. Таким образом, интервал интенсивностей приборов этих типов должен быть намного выше, чем контрольных приборов. С учетом неравномерности ам- плитудно-частотных характеристик ВЧ тракта измери- телей приведенную величину динамического диапазона приходится увеличивать на 5... 10 дБ. Шкальный и разовый ДД определяют удобство рабо- ты с аппаратурой, от них зависит и скорость проведения измерений. В идеальном случае все три диапазона долж- ны совпадать, но часто это невыполнимо. Поэтому при обеспечении общего ДД свыше 20... 30 дБ даже в по- следних моделях измерительной аппаратуры приходится пользоваться дополнительными плавно-переменными ат- тенюаторами, обеспечивающими разовый диапазон 40 ... ...50 дБ, а свыше 50 ... 60 дБ — дополнительными по- стоянными аттенюаторами по 20 ... 30 дБ. Следует упомянуть еще один параметр—устойчивость к перегрузкам, который проще .всего нормировать в де- 203
цибелах к мощности в рабочей точке на характеристике чувствительного элемента п-рибора —детектора. 4. Высшая точность измерения интенсивности в сво- бодном СВЧ поле, полученная в настоящее время (еди- ницы процентов), достигается за счет высокой сложно- сти и стоимости аппаратуры, требованиехМ создания осо- бых условий (исключением влияния 'побочных факторов и т. п.) и очень малой производительностью. С другой стороны, помещение в поле любого биологического тела с обычной пространственной структурной анизотропией настолько искажает это -поле, что выдержать достигае- мую в свободном полЪ точность, тем более при различ- ных ракурсах освещения, оказывается фактически невоз- можным и не имеющим смысла. Поэтому приведенную выше (§ 4.1) точность измерений интенсивности ±3 дБ (для некоторых случаев даже ±4 дБ) при всех видах измерительных работ, связанных с защитой человека, можно считать вполне достаточной. В зоне действия одной или нескольких РТС интен- сивность поля в различных точках обследуемого участ- ка изменяется по столь сложному закону, что се можно рассматривать как случайнуюфункцию координат обсле- дуемого объекта. Поэтому одиночное измерение, произ- веденное в той пли иной точке участка, мало о чем говорит. Для характеристики интенсивности поля в ок- рестностях обследуемой точки должны быть проведены измерения в возможно большем количестве точек и в ка- честве действующего значения интенсивности па данном участке должно быть принято среднее значение. Необхо- димая массовость измерений может быть получена толь- ко с помощью высокоскоростной или автоматизирован- ной аппаратуры. Наконец, большое значение для правильной оценки облучао-мости имеет выбор методики, вернее методоло- гии, обработки результатов. Например, ранее мы гово- рили о полной необоснованности оценки облучаемости территории несинхронно вращающимися антеннами ио сумме максимумов ППМ от всех станций. В этом отно- шении одним из перспективных методов обработки результатов измерений можно считать оценку на осно- вании известных лозных принципов, тем более с исполь- зованием массовых измерений автоматизированными приборами —дозиметрами и измерителями мощности дозы. 204
5. Быстродействие* 'полностью определяет возмож- ность проведения массовых измерений (имея в виду, что время измерения как правило ограничено), оно находит- ся в прямой зависимости от функционального и конст- руктивного решения. Применение прямопоказывающей системы регистрации (индикации), негюляризованный прием в широком телесном угле позволяет до минимума сократить время измерения. Степень эксплуатационных удобств, необходимость тщательной пространственной и поляризационной ориентации антенны также в значи- тельной -степени влияют на быстродействие аппаратуры. Приборы, использующие тепловые принципы детекти- рования, регистрацию с помощью инерционных стрелоч- ных микроамперметров и косвенный отсчет, являются наименее быстродействующими измерителями. Быстро- действие современных иптенсиметров составляет 50 ... .. .100 измерений в час. 6. Инерционность является «внутренним» параметром пнтепсиметрической аппаратуры, но тем не менее она является одним из основных параметров, определяющих быстродействие аппаратуры при из-мерении полей стан- ций с перемещающимися диаграммами. Инерцион- ность—это минимальное время действия сигнала, кото- рое обеспечивает регистрацию результата с заданной точностью; инерционность современных лучших боломет- ров и термопар оценивается величиной 10~4. ..10-3 с, и поэтому инерционность аппаратуры, использующей эти элементы, в принципе не может быть меньше этой вели- чины. Применение диодного детектирования совместно с за- поминанием и индикацией па электролюминесцентных приборах позволяет обеспечить инерционность аппара- туры порядка 10"А . .10~5 с. Это даст возможность произ- водить измерения «на проходе», без остановки переме- щения диаграммы излучателя, часто нс меняя обычного режима работы станции. * Здесь это понятие применяется для оценки скорости проведе- ния всего цикла измерений, включающего обычно следующие фазы: пространственный и поляризационный поиск (поляризационный поиск — поиск такого положения приемной антенны, когда устанав- ливается заданное направление поляризации), проверка нуля, под- готовка к отсчету и отсчет показаний. Быстродействие опреде- ляется количеством измерений в- единицу времени, например в час. При этом время на смену точек измерения, на изменение режимов излучения и другие процессы обычно не учитывается. 205
7. Минимальное -расстояние зонда от металлических предметов, ограничивающее возможность использования данного типа измерителей для измерения полей внутри помещений -с аппаратурой, — важная характеристика прибора. Основным элементом схемы, определяющим способность работы вблизи радиоотражающих предме- тов, является приемная антенна-зонд. Введение зонда в исследуемое ноле вызывает эффекты по меньшей мере трех видов: — искажение первичного поля; при этом заранее предугадать такую структуру зонда, чтобы исключить или сильно уменьшить эти искажения, оказывается за- дачей достаточно трудной, если вообще возможной; — ‘пространственное усреднение поля по приемной поверхности. Этот эффект -проявляется в полях с явно выраженной пространственной неоднородностью (внутри помещений с радиоаппаратурой и т. п.). Неу чет этого эффекта приводит к значительной отрицательной погре- шности в измерениях уровня поля, хотя на точности измерения лозы почти не сказывается; — появление погрешности оценки биологической эф- фективности поля на основании данных измерений из-за несоответствия электромагнитной структуры -поля и того поля, для которого она рассчитана. Под этим углом зре- ния «черное» тело в виде абсорбирующих шариков (на который возлагали большие надежды при разработке зондов с высокой пространственной и поляризационной изотропностью [151]) больше не кажется идеальньим зон- дом для электромагнитного поля с явно вы-раженной электромагнитной неоднородностью, так как нагрев абсорбирующих шариков зависит от ряда причин и в общем случае не пропорционален ни одному из изме- ряемых параметров поля: П, Е или II. Вообще говоря, можно предположить, что создание зонда, исключающего все три эффекта, в будущем едва ли возможно; разработка малогабаритных зондов с эф- фективной поглощающей подложкой позволила в некото- рой степени снизить -влияние перечисленных эффектов, во всяком случае по сравнению с обычными полуволно- выми антеннами, применяемыми в «интепсиметрической аппаратуре первых типов; но до идеального решения, очевидно, еще далеко; Поэтому и сейчас продолжаются поиски датчиков для безантепных вариантов измерите- лей, ‘Которые, возможно, со временем заменят сегодняш- 206
ййе приборы, -построенные по традиционным схемам: ан- тенна— детектор— (усилитель) —регистратор. методов построения изме- Рис. 6.1.1. Измеритель плотности мощности ти- па В86В1. об использовании тер- 6.1.2. Краткий исторический обзор разработки измерительных приборов и средств обнаружения излучений. Вкратце все этапы пути, пройденного конструкторами интенсиметров за последние полтора десятка лет, можно охарактеризовать так: обнаружение излучения с помощью простейших индикаторов — слуховых сигнализаторов или неоновых лампочек; использование известных методов и приборов (измеритель мощности, антенна) для измерения уровней полей; раз- работка на основе известных методов специальной измерительной аппаратуры и, наконец, применение новы рительной аппаратуры. Хронологически это выглядит приблизительно так. 1953 г. — первое сообщение об ис- пользовании для индикации неоновой лампочки, помещенной под козырьком головного убора оператора [179]. Приме- нение неоновой лампочки для индикации было описано и позже [89, 138]. В 1958 г. был выпущен слуховой индикатор по- ля [166]. 1956—1959 гг. — успешное использо- вание стандартных приборов: измерите- лен мощности и антенн с известной эф- фективной поверхностью для целей из- мерения полей СВЧ ![8]. 1957—1960 гг. — первые сообщения о разработке специальных приборов — интенсиметров (80, 174, 193]. Все эти приборы были основаны на использова- нии известных методов детектирования принятого антенной СВЧ сигнала с по- мощью термисторов, включенных в цепь сбалансированного моста. Сообщения мисторпых детекторов в зарубежных разработках интенсиметров поступают и сейчас. На этом же принципе построен и отечественный измеритель плотности мощности типа ПО-1. 1960 г. и далее — разработка новых принципов конструирования измерительной аппаратуры [65, 75а, 91, 93, 104 и др.]. Фото внешнего вида нескольких характерных моделей интенси- метров показаны на рис. 6.1.1—6.1.3; параметры некоторых зарубеж- ных и отечественных интенсиметров приведены в табл. 6.1.1, содер- жащей также данные о требуемых па сегодня значениях этих пара- метров, Из таблицы видно, что ни один из этих приборов не удовлетворяет современным требованиям [104]. Одним из универсальных приборов, предназначенных специально для радиогигиены СВЧ, является измеритель ППМ СВЧ типа ПО-1 (рис. 6.1.3). Он предназначен для измерения СВЧ излучений практически во всем используемом спектре СВЧ: от сантиметрового до метрового диапазона. Детектором в нем служит термистор, обес- печивающий усреднение импульсов от 20 мс и меньше (период следования импульсов выше 50 Гц), если пиковая мощность не вы- ходит за пределы 50 Вт (паспортные данные). Прибор предназначен 207
для измерения полей в свободном пространстве й закрытых объемах. Весь динамический диапазон (30 ... 49 дБ) перекрывается использо- ванием аттенюаторов и сменных антенн с разной эффективной по- верхностью. Несмотря па большую массу измерителя мощности (около 10 кг), прибор удобен в работе, хотя требует большого времени для пространственной и поляризационной наводки антенны излучателя и отсчета показаний. Основные особенности работы Рис. 6.1.2. Измеритель плотно- сти мощности 3-см диапазона. Рис. 6.1.3. Отечественный изме- ритель плотности мощности ПО-1. с прибором ПО-1 будут даны ниже (и. 6.2.2). Здесь мы коснемся лишь принципов его работы. Прибор ПО-1 является основ- пым измерительным прибором, при- меняемым в настоящее время в СССР для радиогигнепы [23] *. По принципу действия он представля- ет собой комбинацию термисторно- го измерителя мощности и измери- тельной антенны (антенны, у ко- торой эффективная площадь из- вестна с гарантированной точ- ностью). Измерение ППМ состоит в том, что измеряется мощность СВЧ на выходе антенны, а ППМ вычисляется как отношение мбгц-' пости к эффективной площади ан- тенны. Прибор ПО-1 перекрывает большой диапазон частот (см. табл. 6.1.1), поэтому он комплекту- ется пятью термисторными голов- ками и одиннадцатью антеннами, а также комплектом аттенюаторов для расширения динамического диапазона. В том случае, если при- бор предназначается для работы в более узком диапазоне частот, количество термисторных головок, антенн и аттенюаторов соответ- ственно уменьшается. В диапазоне частот от 150 до 1 800 МГц исполь- зуются две логонсриодпческие ан- тенны, в остальной части диапазо- на — рупорные антенны. Антенны и термисторные головки устанавли- ваются на поворотном устройстве на треноге, что позволяет наводить антенну на источник излучения. Как следует из таблицы, точ- ность прибора ПО-1 достаточно * В самое последнее время пашей промышленностью выпущена модификация 110-1—прибор ПЗ-9, более легкий и широкополосный измеритель поля. В нем, в частности, применимы широкополосные антенны (разработка Л. II. Лука), мост с использованием всего лишь одного стрелочного прибора и ряд других новшеств. 208
14—393 Параметры интенсиметрической аппаратуры to о СС Таблица и. 1 Л США Англия СССР Параметр Требуемое значе- ние В86В1 NF-I57 По-1 тип А тил Г Рабочий диапазон частот, ГГц Непрерывно 0,2...3,2; дискретно до 10... 17 0.4...Ю 0,2...10 *»1 0,15...2,7 0,15...16,7 Чувствительность, мВт/см2 Ю-з 10 0,1 10-3-Ю-2 (0,02...0,07)Х Ю-з (0,02... 1)Х10*** Динамический диапазон, дБ группа группа 'К И общий разовый 25 70 • 25 50 6...8 40 *>30 49 29 30-49 шкальный 5...25 J — — 8,7 Устойчивость к перегрузкам 10 — — 8 Точность измерений, ±дБ 3...4 2 — — 1 (в свободном пространстве)» Быстродействие, измерений в час 50...100 50...100* 5...10* 5...10* 5... 10 Инерционность, с 10~e... 10"5 (для изме- рителя мощности до- зы 1...10) 0,5...2 0,5...2 0,5...2 ( Время запоминания результатов, с 1 и более нет нет нет нет Минимальное расстояние до точеч- ного излучателя, см 10 *>75* * 75* *3* (1...2) X Количество антенн Не более 2.. .3 1 3 1 3 11 Масса комплекта, кг »*« Г 1 » to • • сл 0,9 4,9...5,8 о О') 92 ♦ Предположительно.
ййсока и обеспечивает все виды работ в области радиогигиены, однако инерционность измерителя, громоздкость и большая масса всего комплекта весьма затрудняют его использование в полевых условиях при измерениях полей современных средств. Успехи, достигнутые в технике ин теней мст-рии СВЧ за послед- ние 15 лет, позволяют считать, что сейчас практически в любой си- туации можно оценить опасность воздействия СВЧ поля и принять необходимые меры для се устранения. Между тем, рост требований практики выявляет ошибки, допу- щенные при конструировании интепсиметров-первенцев, заставляет искать новые технические решения. Например, прибору 110-1 прису- щи некоторые, недостатки: большая инерционность (из-за исполь- зования термисторных детекторов и, глазное, электромеханических показывающих приборов), невозможность проводить измерения вблизи металлических предметов из-за использования полуволновых антенн, трудность баланса моста, значительная масса; прямой отсчет, предусмотренный в приборе, по ряду причин фактически не применяется. 6.1.3. Принципы детектирования СВЧ энергии. Параллельно с со- вершенствованием техники интенсиметрии продолжался поиск .новых путей приема и регистрации СВЧ поля. Один из них заключается в исследовании эффектов взаимодействия электромагнитного поля с веществом, которые могут быть использованы в датчиках •безантев- ных радиометров. Такие датчики предлагалось строить в виде объемов с инертным газом (пеон и др.), пленочных болометров и термопар и т. и. Неко- торые. характерные данные исследований датчиков электромагнитных воли приведены в табл. 6.1.2. Полученные результаты показали, что выявленные эффекты либо мало изучены (как, например, взаимо- действие с жидкими монокристаллами, изменение светополяризацион- ных свойств веществ), либо выражены слабо, (взаимодействие с ферритами), либо условия их проявления реализовать в мало- габаритных приборах технически трудно (например, эффект Холла и др.). Не оправдались надежды па создание на основе таких эффектов датчиков, обладающих высокой пространственной, поля- ризационной и частотной изотропностью. Как правило, датчики вклю- чаются в цепь системой проводов, создающих общую высокую ани- зотропию и искажающих конечный результат. В одном из типичных экспериментов для измерения температуры нагрева «черного шара» — шарика, наполненного соответствующим радиопоглощающим веществом, использованы шесть отводов, кото- рые, как считают сами авторы [151], радикально меняют условия абсорбции поля. Исключение здесь могут составить, пожалуй, дат- чики с бесконтактным съемом данных, например, основанные на эффектах изменения поляризационных свойств кристаллов. Но такие эффекты находятся еще в стадии начального изучения. Частотная зависимость датчиков с использованием «черного шара» появляется, не только из-за влияния проводов, высокой радиоконтрастности и конечных размеров датчиков на частотах, близких или кратных к частоте несущей, но также из-за влияния конечной длины про- водов. Особые надежды возлагаются на тепловые эффекты, возникаю- щие в тонких пленках под воздействием поглощенной СВЧ мощности [7]. Многие из результатов исследований в этой области сейчас 21 О
успешно используются в волноводной технике для измерения боль- ших мощностей. Между тем, минимум две особенности ограничивают возможность широкого использования болометрических пленок и пленочных термопар в радиометрии СВЧ полей: необходимость вы- сокой тсплорадианноннон защиты от внешних тепловых воздействий и относительно высокая постоянная времени пленок, которая нахо- дится в пределах доле!! миллисекунды и более. Кроме того, как уже говорилось, изотропные свойства исследованных датчиков недоста- точны (даже в пределах полусферы). Таким образом, шока единственным видимым путем реализации современных требований к интенепметриче- ской аппаратуре остается конструирование антенных систем с -разделением функций приема, детектирования, усиления и регистрации сигналов. Примером такого интенсиметра, как мы видели, яв- ляется измеритель поля ПО-1 и другие приборы (см. табл. 6.1.1), применяемые в иитенсиметрии полей био- логически опасных уровней. Основные недостатки этих приборов, обусловленные инерционностью и малой чув- ствительностью использованных детекторов (термисторов и болометров) мы (рассмотрели выше. Следует отметить, что аппаратура, как правило, сконструирована весьма тщательно, с максимальным использованием всех техни- ческих возможностей своего -времени (например, коэф- фициент стоячей волны в тракте высокой частоты интен- симетра ПО-1 допускается не выше 1,5 ... 2), поэтому отмеченные недостатки можно считать следствием при- мененного принципа измерения. Единственным чувствительным элементом, пригод- ным для использования в малоинерционной радиомет- рической аппаратуре, оказались полупроводниковые де- текторы, осуществляющие непосредственное преобразо- вание СВЧ энергии в постоянный ток, однако и они не- пригодны там, где принципиально необходимо усредне- ние сигналов в большом динамическом диапазоне; в этом случае целесообразно применять термопары, луч- ше всего с раздельным нагреванием и съемом (о таких приборах вкратце будет сказано ниже, в п. 6.1.6). Идея использования полупроводниковых приборов в иитенсиметрии ВЧ и СВЧ разрабатывается очень давно [172, 174]. Полупроводниковые диоды обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью, в нашем случае, как правило, даже полностью не реали- зуемыми. Коэффициент передачи современных диодных детекторов составляет (по мощности) 10‘4...10“2, ча- стотный диапазон диодов часто определяется только 14* 211
ю to Некоторые результаты исследования датчиков йоля Таблица 6.1.2 Используемый эффект Основной из- мерный параметр поля Пример конкретного вы- полнения Условия испытания Полученные результаты Авторы (источники) Р мпн р макс инерцион- ность выход Взаимодействие с полу- проводником (эффект Хол- ла) Тепловое взаимодействие с однородными металличе- скими пленками То же Тепловое взяи.чодейст- ппе с термопарой: пленочной точечной Нагрев слоя желатины Нагрев „черного шара* Воздействие на нелиней- ные сегнетоэлектрики То же Изменение электрическо- го сопротивления ферритов П П П П П П П Е Е Н л-гермаиий с удельным сопротивлением 14 0м-см; 5X10X0,5 мм» Пленка платины с по- верхностным сопротивле- нием 70...490 Ом ТВБ-3,4 и др. Слой желатины с тер- модатчиками Диаметр шарика 3 мм с шестью термопарами Сегнетокерамика ВК-1 в волноводе Варикапы ВК-10, BK-t-l, ВК-1-2, ВК-1 Б и др., ем- кость до 0,2 мкФ, толщи- на менее 200 мкм, дпа- метр 9 мм; /гевератор.4= =1 кГц Г1-о5разный резояатоэ, f=4 ГГц 1=3 см 1=1...10 см f=O...I6 ГГц свч ГГц f=27 МГц Используется постоянное смещение 0,01 Вт 10 мкВт 10 мкВт 0,4 мВт 0J-®. мм 2 Вт 0,4 Вт/см'2 203 мВт 5...7 мВт • •'в 10 мВт sJL мм 4 с 6 мин 34 с 10 с-» w * 1 мВ/Вт 0,5 Ом/.мВт 0,1 мВ/мВт 3...10 мВ/мВт 250 МКВ'С1'2 мВт 2,5 кГц/мВт Удвоение емкости при изменении напряжения от 30 до 5 В 172] 17. 143] (49] ]17. 143] [190] [151] [161] 1U [10]
213 Используемый эффект Основ ЧОЙ пз- меряеый параметр поля Пример конкретного выполнения Условия испытания Воздействие магнитного поля на жидкие кристал- лы Н Твердые растворы кри- сталлов HgSe.-.HgTe -— Взаимодействие с опти- чески прозрачными среда- ми Н МВ -— Изменение плоскости по- ляризации световых волн Е Кристалл NH4H2PO4 — Пироэлектрический эф- фект П — — Пироэлектрическое взаи- модействие с монокристал- лами П Монокристалл (NHaCH4COOH)3HASO4 f=9,4 ГГц Взаимодействие с холод- ной плазмой Е инк — — То же Е пик Сфера с гелием /<50 МГц f=500 МГц То же р пик Неоновая лампа Ne-5l, фотолампа СВЧ То же
Продолжение табл. 6.1.2 1 Полученные результаты Авторы (источники) Р мин р макс инерцион- ность выход 0,08 А/м — Ю-a— Ю-‘°с — 1191 — — — •—— (13Ц 100 в- с.м — — — [1571 — — — — (181 -10 Вт 4000 Вт 10"6с — [2001 — — — — [114| 15...82 — см — — — [80] 9,5-2- СМ — — — _ мВт 5 с.м« — — 1381 СМ4 — — — 138]
конструкцией патрона-держателя и в необходимых слу- чаях может составить несколько октав. Большим недостатком полупроводниковых диодов, ограничивающим применение их в измерительной техни- ке, является температурная и временная нестабильность. В пнтепсиметрической аппаратуре, рассматриваемой ни- же, их удалось применить только после того, как были найдены способы нейтрализации указанных недостат- ков. Применение диодного детектирования позволяет вы- полнить как самопоказывающис измерители, если требуе- мый динамический диапазон уровней относительно не- велик, так п измерители с наводкой (93], т. е. с отсчетом уровня по шкале ручного регулятора. 6.1.4. Варианты функциональных схем интенсиметров. В настоящее время разработаны схемы радиоинтепси- метров с применением преобразователя СВЧ на полу- проводниковых диодах и термопарах. В обоих случаях чаще применяются схемы с наводкой, хотя в одном из последних вариантов измерителя поля удалось выпол- нить прибор с прямым дискретным отсчетом (самопо- казывающий) в диапазоне интенсивностей порядка 20 дБ (см. л. 6.1.6). В измерителях с наводкой процесс измерения вклю- чает в себя три фазы: наводку, отсчет по шкале уров- ней и отсчет отклонений от калиброванного уровня для внесения поправки к основному отсчету. Наводка (и от- счет) может осуществляться как до, так и после детек- тирования. В первом случае общий ДД прибора, кото- рый определяется пределами работы СВЧ аттенюатора и экранировкой схемы, достаточно широк (обычно пре- вышает 50.. .60 дБ). Детектор же работает в пределах небольшого участка амплитудной характеристики. При наводке после детектирования (по низкочастотному аттенюатору) динамический диапазон определяется, с одной сто-роны, шумами усилителя, с другой — верх- ним амплитудным пределом работы диода. Реализуе- мый практически диапазон уровней не превышает 20... ...25 дБ, однако стоимость прибора оказывается зна- чительно ниже, уменьшаются его вес и габариты. В приборах обоих типов (самопоказывающего и с наводкой) при неавтоматизированном съеме данных отсчет абсолютного или относительного уровня произво- дится отсчетом показаний индикатора, находящихся 214
в определенной зависимости от входного сигнала. Эта зависимость и определяет характер (регистрации сигна- ла (по среднему или пиковому уровню, пропорциональ- но интегралу входного сигнала и т. и.). Наиболее простой способ усиления сигнала после детектирования —с помощью инерционных усилителей постоянного тока (УНТ)—здесь, очевидно, непригоден. Действительно, при уровне пиковой мощности на входе детектора порядка 10”4 Вт, допуская к. п. д. детектора порядка 10~3, скважность сигнала 103, постоянное напря- жение на выходе детектора, нагруженного на сопротив- ление 103 Ом, составляет около 10”* В. С помощью таких устройств нельзя измерить амплитуду отдельных импуль- сов при приеме импульсных сигналов высокой скважно- сти; появляется перегрузка диодов. Для сужения динами- ческого диапазона работы ди ода-детектора сейчас исполь- зуется регистрация сигнала по пиковому уровню и уси- ление сигнала широкополосными видеоусилителями. Как будет показано ниже, это позволяет упростить защиту кристалла от выгорания, повышает надежность работы детектора в условиях воздействия нолей с высокой скважностью, упрощает калибровку индикатора и детек- тора. Для измерения сигналов СВЧ с разнообразными ви- дами модуляции (от им=пульсно-модули|рованных с вы- сокой скважностью до «смодулированных) на входе усилителя включается сверхвысокочастотный переключа- тель-манипулятор для импульсной модуляции сигнала с глубиной, близкой к единице, и регистратор пикового уровня [93]. Можно сравнить этот способ обработки сигнала с обычным, когда сигнал после манипулирования со скважностью qM^2 и после усиления регистрируется но среднему уровню. Применение регистрации по среднему уровню при поддержании па входе постоянной средней II1L4 приводит к вариациям пиковой мощности па входе детектора в Xq раз (Д7 — изменение скважности импуль- сов входного сигнала). Это также приводит к перегруз- кам диода и в некоторых случаях (при воздействии им- пульсов с высокой скважностью) к выходу его из строя. Кроме того, вследствие появления «мертвых зон» вблизи частоты манипуляции (или кратной ей) приходится пре- дусматривать дополнительный орган регулировки часто- ты манипуляции. 215
Пиковая регистрация совместно с предварительной манипуляцией сигнала со скважностью, близкой к еди- нице (большую часть времени канал усиления остается открытым), позволяет до минимума снизить требование к стабильности -параметров манипуляции, по крайней мере в [2(1—^м)]-1 раз* снижает вероятность появле- ния мертвых зон и повышает устойчивость работы дио- да-детектора. Применение пиковой регистрации автома- тически решает задачу снижения инерционности прибо- ра до-необходимого уровня 10~6...10~5 с. Относительно высокий коэффициент передачи диода-детектор а позво- ляет выполнить измерительные приемники для диапазо- на уровней 10 6 Вт/см2 и выше по схеме прямого усиле- ния. Задача создания высокочувствительных измерите- лей поля облегчается возможностью применения в них видеоусилителей. * Уменьшение вероятности появления мертвых зон в 7г (1—I/Qm)"1 раз (по сравнению со случаем- манипуляции сигна- ла па входе при </м — 2) произойдет уже только из-за уменьшения вре- мени, когда вход усилителя оказывается закрытым. Между тем, ве- роятность рм фактически оказывается еще меньше (в Куу. раз),если учесть, что при попадании какого-либо входного импульса в момент, когда вход усилителя оказался закрытым, даже при незначительной разности частот повторения импульсного сигнала и манипуля- ции Гм через некоторое время i импульсы сигнала выйдут «из-под прикрытия», и пиковый детектор зафиксирует максимальную ампли- туду измеряемых импульсов. Если эта возможность будет хотя бы раз за время (время памяти пикового детектора), то режим рабо- ты индикатора не будет, нарушаться. Для Кум можно записать: , -11L.4-I ^^мН/Ес-1/Ам| , 1 (1/Лм__Тм) (I-1.7/J где 7м-1/тм^м; Ты—время, соответствующее открытому входу уси- лителя за период манипуляции 1/FM. Таким образом, за счет памяти пикового детектора вероятность Рм снижается до величины (J ~ 1;?м) ______(1 " ! W________ Кум ^Л,|Еи/Гс-1 | + В качестве примера рассчитаем pyi для двух случаев, когда при <7м = 1,1, Л1=1 с: 1) Ес=-/’м=1 кГц и 2) Гс-ГкГц, Гм=1,05 кГц. В первом случае при равенстве частот Гс и Гм, вероятность оказы- вается равной приблизительно 0,1, во втором при Ёс—Гм=50 Гц — всего 2 • 10~4. 216
В обычных схемах измерителей поля детекторного ти- па, если они не предназначены для измерения только импульсных излучений, применяются усилители постоян- ного тока (УНТ). Применяются они и в интенсиметрах с использованием инерционных детекторов* (например, на термопарах). Эти усилители обычно капризны в рабо- те и зависят от температуры. Для измерения импульсно- модулированных излучений и при использовании интенси- метров с предварительной манипуляцией сигнала могут быть использованы относительно ’простые высокочувст- вительные схемы усилителей видеоимпульсов, позволяю- щие реализовать необходимые требования к иптенсимет- рической аппаратуре. При одинаковых геометрических размерах коэффициент усиления видеоусилителей, как правило, на 20.. . 30 дБ выше коэффициента усиления УПТ и составляет 50... 70 дБ. В самопоказывающих интенсиметрах с наводкой по цепи постоянного тока чувствительность устанавливают в процессе производства, или это делает оператор перед работой с определенными излучателями (по расчетным данным или в поле путем сравнения с более точными приборами) Устройства предустановки чувствительности обычно выполняются в виде полупеременных СВЧ атте- нюаторов с небольшими пределами затухания, их регу- лировка выводится «под шлиц». В приборах с наводкой по цели СВЧ имеется, как правило, орган подстройки чувствительности по собственному генератору стабиль- ного уровня. Применение высокочувствительных схем усиления и регистрации (по сравнению с обычными моста ми постоянного тока и тепловыми датчиками) позволяет по-новому рассмотреть вопрос о необходимых и достаточных параметрах антенны-зонда. До сих пор к наиболее важным параметрам антенн относили величину эффективной поверх- ности, которая из-за ограниченной чувствительности должна быть достаточно высокой и стабильной в заданном диапазоне частот. Сей- час требования к зонду в значительной степени меняются. Вот наи- более важные из параметров, которые приходится нормировать при конструировании зонда для работы в составе детекторных интенси- метров: стабильность направления максимума и гладкость диа- граммы но диапазону, удобство механического, электрического и эстетического сопряжения с блоком усилителя. Требуемая широко- полосность антенн-зондов составляет 3 ... 4 октавы, геометрические размеры антенны не должны превышать нескольких сантиметров, от- клонение осп диаграммы от нормали к плоскости апертуры не должны превышать 10 ... 20° во всем диапазоне частот. * Такие интенсиметры необходимы при нормировании ППМ, усредненной за определенное время (порядка секунд или минут). Л7
Особо следует упомянуть здесь необходимость ограничивать гео- метрические размеры зонда. Геометрически большие антенны инте- грируют уровень поля по всей приемной поверхности. В условиях очень высокой неравномерности внутренних полей это приводит к значительному занижению результатов, иногда в десятки раз. Для повышения точности измерении внутренних полей в измерителях поля применяют геометрически малые зонды. При этом не ставится специально цель учесть реактивный характер поля: ведь реактив- ность поля проявляется начиная с расстояний порядка Х/2л, т. е. на расстояниях очень малых во всем диапазоне СВЧ. По этой же при- чине, несмотря на то, что малые зонды имеют, как правило, индук- тивный (реже емкостной) характер, можно считать, что с их по- мощью измеряется именно величина ППМ. Рекомендации по учету реактивного характера поля па очень малых расстояниях от щелей приведены ниже, в п. 6.2.6. 6.1.5. Основные элементы схем интенсиметров. Перей- дем к рассмотрению основных элементов схем интенси- метров. В связи с тем, что элементы серийной аппарату- ры рассмотрены достаточно подробно в литературе, наи- большее внимание нам придется здесь уделить принци- пам работы и конструированию элементов новой интен- симетрической аппаратуры, многие из которых описаны в литературе недостаточно полно или вообще имеются только в виде патентных материалов. В соответствии с принципом работы детекторных ин- тенсиметров, рассмотреных выше, в интенсиметр долж- ны входить следующие каскадпо соединенные элементы: антенна — как правило, малогабаритная, малочувстви- тельная, но достаточно широкополосная и удобная в кон- структивном отношении; аттенюатор СВЧ — обычно плав- нопеременный, обладающий заданными пределами регу- лировки; прерыватель (манипулятор) — экономичный и достаточно широкополосный; детектор — элемент со ста- бильными характеристиками, пригодный для детектиро- вания относительно высоких уровней мощности; усили- тель, обеспечивающий высокий коэффициент усиления при малом дрейфе, и регистратор, позволяющий произ- водить отсчет результатов измерений или фиксировать заданий уровень сигнала для отсчета по шкале аттеню- атора. Антенна. Как правило, для измерения применяются либо антенны с размерами, близкими или большими длины волны («большие» антенны), либо антенны-зонды с -размерами, не превышающими десятых долей длины волны. Измерительные антенны первой группы доста- точно разработаны и широко применяются в самых различных областях измерительной техники. К ним qt- 218
носятся различные рупорные, вибраторные полу- и чет- вертьволновые антенны и т. д. Сюда же входят и так называемые логопериодические антенны — большой класс широкополосных антенн, появившихся в 50-х годах [5, 127, 178]. В них на каждой рабочей частоте из всего набора диполей различной длины, включенных парал- лельно, «работает» один или небольшая группа диполей с длиной около половины длины волны. Передние виб- раторы (более короткие) играют роль директоров, зад- ние (более длинные)—роль рефлекторов [14]. Общий вид одной из таких антенн (Г16-22) см. па рис. 1.2.4,в. Анало- гично работают и круглополяризованные антенны. На основе квазиисриоднческих структур, используе- мых в логолериодических антеннах (в 'простейшем слу- чае— набор линейных вибраторов различной длины), мо- гут «быть разработаны малогабаритные антенны-зонды, пригодные для применения в детекторной интенсиметри- ческой аппаратуре (об этих антеннах более подробно будет сказано ниже). «Большие» антенны имеют достаточно большую эф- фективную поверхность и поэтому применяются с тер- мисторными измерителями мощности относительно невы- сокой чувствительности (например, в ПО-1). Однако в некоторых случаях их применение ограничено. Дейст- вительно, исходя из формулы для дальней зоны антенн (4.3.3) и электрического размера антенны (0,5...!) X, минимальное расстояние между антенной и исследуемым излучателем не должно быть меньше (1...2) %. На меньших расстояних погрешность измерения быстро рас- тет. Зависимость ошибки от расстояния до радиоотра- жающей плоскости носит квазипериодический характер с выбросами в положительную и отрицательную обла- сти; на малых расстояниях ошибки всегда отрицатель- ные и достигают 50% и более. Это является существен- ным ограничением в применении больших антенн на от- носительно низких частотах (можно считать, от 500 ... ...1000 МГц и ниже). Вторым ограничением примене- ния таких антенн © интенсиметрической аппаратуре яв- ляется их относительная узкополосность. Исключение составляют логопериодические антенны [112, 127, 177]. Наконец, важным ограничением применения в интепси- метрах СВЧ 'больших антенн является значительная масса и габариты, затрудняющие работу с аппаратурой. Максимальный .размер логопериодических антенн,вы- 219
полненных в виде двойных плоских спиралей, определя- ется соотношением между диаметром антенны 2рМакс и наибольшей длиной волны, для которой коэффициент бе^ гущей волны и эллиптичность поляризации (мера откло- нения от круговой поляризации) находятся в допустимых пределах, обычно не более 1,5 ... 2 раз: Хмакс ~ 2лрмакс* (6-1 • 1) Диапазон частот, в котором работают логопериоди- ческие антенны, определяется только максимальным ди- аметром антенн и устройством ввода и практически не зависят от способа за- Рис. 6.1.4. Внешний вид печатных антенн с плавным замедлением фазо- вой скорости (я) и с выделенным уча- стком для работы в узком диапазоне частот (б). полнения («в некоторых источниках [5, 171] от- мечается, что антенны с более плотной намот- кой имеют более одно- родные диаграммы и мепьши й коэфф и ци ент эллиптичности на край- них частотах). Это относится не только к плоским спи- ральным конструкциям антенн, но и к непла- нарным, например, ко- нусным вариантам би- и полиспиральных си- стем, а также к лога- рифмически периодиче- с к и м ли не hi {о -п о л я р и - зованным антеннам, ко- торые появились не- сколько позже спираль- ных [134, 177]. Антенны, подпадающие под по- нятие «логарифмические периодические», должны опреде- ляться более широким понятием «квазипериодические» антенны (КПА), так как соблюдение логарифмического закона в формированиях структуры (конструкции и рас- положения) их активных элементов благодаря само- устанавливаюшемуся режиму излучения необязательно. Двухспиральиые квазипериодические антенны не являются ма- логабаритными, так как при изменении частоты до /мип^с/2лрмакс 220
резко изменяются параметры излучаемого поля из-за увеличений отражений от концов спирали. Это приводит к увеличению реактив- ной составляющей входного импе :анса, и эффективность антенны быстро снижается. Кроме того, несколько раньше начинает прояв- ляться осевая асимметрия внешних витков спирали и появляется явно выраженная эллиптичность излучения (до трех и более). Для уменьшения габаритов антенн с квазипериодической струк- турой используется известный принцип увеличения электрической длины вибраторов путем включения в их ветви укорачивающих эле- ментов в виде сосредоточенных реактивностей или замедляющих структур. В обычных вибраторных антеннах применить укорочение более чем в 1,25 ... 1,4 раза обычно не удается из-за заметного ухудшения электрических характеристик антенны (снижения к. п. д, и др.), по применение замедляющих цепей в квазипериодических структурах с самоустанавливающимся режимом излучения оказалось весьма эффективным. Здесь имеет смысл хотя бы вкратце описать принципы работы и конструирования КПА, в активных цепях кото- рых применяются замедляющие структуры. Обычно нас интересуют не только малые габариты, по и достаточно широкие пределы работы в высокочастотном участке диапазона, поэтому в КПА центральные витки конструируют без замедления, а внешние выполняются в виде спиралей или плоского зигзага с переменным монотонно убывающим по длине шагом. Внешний вид печатных антенн с замедлением при- веден на рис. 6.1.4,а, б. Ирл исследовании антенн с замедлением применяется противо- фазное питание плечей, что соответствует осевому режиму излучения. Обычно ширина диаграммы таких антенн находится в пределах 40 ... 70°, неперпендикулярность оси диаграммы к плоскости антен- ны зависит от частоты, но не превосходит 10 ... 20° (обычная вели- чина для логопериодических антенн); коэффициент эллиптичности печатных антенн выше намотанных, эффективная площадь в боль- шой степени зависит от коэффициента замедления и составляет единицы квадратных сантиметров. Эллиптически поляризованные антенны были использованы в одной из первых экспериментальных моделей измерителя поля *. В конструкциях интенсиметров с достаточно чувстви- тельной схемой усиления применяются электрически ма- лые вибраторы, чате всего магнитные. Это обусловлено простотой согласования таких зондов с фидером, отсут- ствием необходимости в симметрировании, а также ма- лым влиянием тела оператора па его основные характе- * Недавно удалось использовать двухспиральные квазипернодн- ческие структуры в акустических излучателях, работающих в зву- ковом диапазоне частот. Такой излучатель представляет собой уло- женные в виде периодической структуры полые звукопроводы в виде ммогозаходнои спирали с четным количеством ветвей. К центру структуры подключен- дифференциальный звуковозбудитель. Для уменьшения габаритов периодическая структура снабжена элемента- ми замедления, коэффициент замедления которых увеличивается к периферии структуры (100). Подобный излучатель, дополненный устройством формирования продольной волны, работает как громко- говоритель с очень гладкой частотной характеристикой. 221
Рис. 6.1.5. Конструкция малогаба- ритной антенны-зонда. р-истики. Кроме того, та- кие зонды в какой-то ме- ре учитывают индуктив- ный характер щелей и других неплотностей в эк- ранах с аппаратурой и трактах. Для измерения состав- ляющих дальнего поля или поля, локализованно- го внутри замкнутых объ- емов (типа волноводов или резонаторов), датчи- ки, ‘выполненные в виде простейших электриче- ских и магнитных диполей размерами много меньше длины волны [199], ока- зываются непригодными по крайней мере по двум причинам. Первое — это нестабильность диаграм- мы зонда: даже в сво- бодном пространстве диаграмма обычного электри- чески малого зонда —из-за влияния питающих проводов и аппаратуры — в значительной степени отличается от идеальной вплоть, например, до появления пуля в обла- сти предполагаемого максимума. Вследствие малой эф- фективной поверхности самой антенны образовавшаяся «диаграмма» сильно зависит от частоты, положения оператора, близости радиоотражающих предметов и т. д. Второе — это искажения исследуемого ноля из-за влия- ния элементов питания и конструкции измерителя. В аппаратуре, предназначенной для исследования радиополей в свободном пространстве, электрически ма- лые вибраторы применяются с дополнительными устрой- ствами формирования диаграммы. Рассмотрим одну из таких конструкций, используемых нами в последних ип- тенсиметрах [97] (рис. 1.2.4,г.) Антенна-зонд (|рис. 6.1.5) содержит вибратор в виде рамки 1 с компенсирующим устройством 2 (такие ком- пенсаторы нашли распространение в технике волновод- ных измерений [152]). Рамка подключена, к коаксиаль- ной линии 3. В задней нерабочей части полусферы рас- 222
положена подложка 4 из радиопоглощающего материа- ла и металла 5. С рабочей стороны устройство закрыто крышкой 6 из (радиопрозрачного материала. Переменный аттенюатор. В зависимости от назначения и типа интенсиметров аттенюаторы могут выполнять: отсчет, предварительную установку (предустановку) чувствительности, подстройку чувствительности. Отсчетные аттенюаторы обычно стремятся выполнять таким образом, чтобы их градуировка не зависела от ча- стоты во всем рабочем диапазоне и имела бы вид ли- нейной функции затухания в децибелах от положения указателя. Это упрощает применение различных пере- счетных устройств для съема (результатов измерений (на- пример, в единицах ПГШ) непосредственно со шкалы аттенюатора. Необходимый диапазон затуханий отсчет- ного СВЧ аттенюатора определяется отношением чувст- вительности и максимального измеряемого уровня ППМ, частотной неравномерностью антенны-зонда и т. д. Исхо- дя из этого он обычно выбирается нс меньше 50 ... ... 60 дБ. Если отсчет производится по аттенюатору, включен- ному в цепь низкой частоты (т. е. после детектора), то для предотвращения перегрузки детектора применяются аттенюаторы с .максимальным затуханием нс более 25.. . 30 дБ, при этом требования к их частотным свой- ствам значительно ниже и выполняются они более про- стыми, легкими и малогабаритными. В качестве отсчетных СВЧ аттенюаторов исполь- зуются промышленные диссипативные — типа Д2-17, Д2-18 и т. д. Отсчетные НЧ аттенюаторы выполняются тоже поглощающего типа, но упрощенной конструкции. Принцип работы этих аттенюаторов [ИЗ, 119] состоит в сле- дующем. Основным функциональным элементом аттенюаторов является изоляционная пластина с полупроводящей пленкой. Поверх пластины, часто выполняемой в виде подковки, наносится слой се- ребра / (рис. 6.1.6,а), замкнутый на корпус по всей длине. Контакт? соединяется с центральной жилой входного разъема, скользящий контакт 3 — с центральной жилой выходного разъема. Перемещение контакта 3 вдоль активного луча I аналогично перемещению ползун- ка П на рис. 6.1.6,б. При этом затухание зависит от отношения /ДА и в принципе не зависит от поверхностного сопротивления слоя рн, которое определяет входное и выходное (одинаковые) сопротивле- ния аттенюатора. В процессе регулировки они остаются практиче- ски постоянными — это является одним из глазным достоинств та- ких конструкций. Важно и то, что в них имеется принципиальная возможность работы на начальном участке без опасности возник- новения каких-либо резонансных явлений плюс возможность ис- 223
пользования по всем диапазоне частот единой шкалы, отградуи- рованной на постоянном токе или на низких частотах. Постоянную затухания для круглой пластины с однородным за- туханием В' в децибелах на единицу угла перемещения ползунка можно рассчитать следующим образом; 0,1 - дБ град (6.1.2) 1g (Л'>о) где г, гп — наружный и внутренний радиусы пластины (рис. 6.1.6,а). Диссипативные аттенюаторы типа /12-17, Д2-18 и подобные им работают в диапазоне частот 0...3000 МГц, рассчитаны на макси- мальное затухание 60 (или 120 дЬ), масса их составляет 1,5... 2 кг. Обычно при отсчете по низкой частоте перед детек- торами необходимо -применять предустановку чувстви- а Рис. 6.1.6. Диссипативный аттенюатор: а — обычное выполнение; б — принцип действия; в — условное обо- значение. тельности, выполняемую на диссипативных или предель- ных аттенюаторах СВЧ. В них постоянство градуировки во всем диапазоне частот может и не соблюдаться, диа- пазон регулировок обычно снижен до 10... 20 дБ, по зато они должны быть просты и компактны. Обычно ре- гулировка таких аттенюаторов выводится под шлиц и опечатывается после настройки в условиях специальных лабораторий. Примером такого аттенюатора может слу- жить конструкция, приведенная -на рис. 6.1.7 [96, 99]. Основой аттенюатора является пластина 1 с поглощаю- щим слоем 6 (рис. 6.1.8) с нанесенными на нее контак- тами 2, 3, 4 в виде пленки из высокопроводящего мате- риала (например, серебра). Контакту 2 ц 3 используют- 224
ся для подключения к схеме, контакт 4 подключен к «земле», подвижный контакт 5 также подключен к «земле» и перемещается в направлении, пересекающем направление вход—выход. При этом он перекрывает фак- тически весь участок проводимости между входом и выходом. В реальных конструкциях аттенюаторов, одна- ко, -верхний предел затухания заметно ограничен двумя Рис. 6.1.7. Конструкция полуперемепного аттенюатора с детекторной камерой: / — «ход; 2 — ось вращения указателя; 3—механизм перемещения; 4—мжчо- контахтный ползунок; 5 —пластина с поглощающим слоем; 6 детектор; 7 — выход детектора. факторами: «дискретностью» контактов и емкостными связями через свободную полость 9. Для исключения этих связей в аттенюаторах часто применяется дополни- тельный ползунок 7. Оба ползунка (5 и 7) имеют хоро- ший контакт с внутренней плоскостью корпуса 8. Для удобства регулировки в простых аттенюаторах линейное •перемещение контакта 5 часто заменяется вра- щательным (рис. 6.1.8). Зависимость затухания такого аттенюатора от угла поворота ротора приведена на рис. 6.1.9. Масса аттенюатора около 120 г, габариты 50X31 X 13 мм. Прерыватели. К прерывателям (иногда их называют манипуляторами или модуляторами), предназначенным для работы в интенсиметрической аппаратуре, исполь- зующей пиковую индикацию (см. п. 6.1.3), предъявляют- ся относительно мягкие требования в отношении глуби- 15-393 225
ны модуляции (опа должна быть не менее 0,95... 0,9) и тем более стабильности параметров модуляции (требо- вания к стабильности частоты и скважности фактически отсутствуют). Параметры импульсо-в манипуляции: вре- мя паузы — доли миллисекунды, длительность фрон- тов— десятки микросекунд. Требованиями, общими для всех элементов интенсиметрической аппаратуры, явля- ются: широкополосность, малые габариты и масса, ма- лое потребление энергии. В качестве активного элемента в Рис. 6.1.8. К объяснению принципа работы полулвременного аттенюатора: а — при движении ползунка 5 вверх происходит перекрытие проводимости между контактами 2 и 3; б — для улучшения технологичности конструк- ции контакт ползунка выполняется в виде набора гофрированных пластин; в — для уменьшения частотной зависимости конструкции применяются сдвоенные ползунки; г—аттенюатор с круговым перемещением ползунка. Позиции 1, 4—9 см. рис. 6.1.7. в манипуляторах -применяются обычные полупроводни- ковые детекторные диоды, специальные p-i-n структуры, газоразрядные 'Приборы и т. п. Схемы диодных выключателей достаточно подробно рассмотрены как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Особенностью примененной в эксперимен- тальном образце измерителя поля схемы является непо- средственное последовательное включение диода-детек • тора и диода-модулятора, что значительно упрощает конструкцию камеры, по требует конструирования единст- венного разделительного элемента между чувствитель- ным входом усилителя и выходом управляющего генера- 226
тора прямоугольных импульсов (дросселя) с предельно малыми активными потерями. Теория и расчет выключа- телей (прерывателей) на полупроводниковых диодах изложены в ряде работ (см. например, [140]). Полупроводниковые детекторы. В детекторных интен- симетрах используются полупроводниковые диоды и тер- мопары. Кроме диапазона частот, наиболее важными па- раметрами применяемых в современной интенсимстриче- ской аппаратуре диодов являются чувствительность и электрическая прочность. Чувствительность видеодиодов (Зд определяется как отношение выпрямленного тока или напряжения (соот- ветственно при короткозамкнутом или разомкнутом вы- Угол поворота ротора, отн. ед. Рис. 6.1.9. Зависимость затухания от угла поворота ротора одного из экспериментальных образцов полупеременных атте- нюаторов. ходе) к поглощенной диодом СВЧ мощности. В лучших диодах чувствительность по току достигает 5,5 A/Вт и более, по напряжению — до 5 мВ/мкВт (см. [125, 196] и табл. 6.1.3). Устойчивость диодов к электрическим перегрузкам принято характеризовать предельно допустимыми значе- ниями непрерывной Рнепр или пиковой Рпик СВЧ мощно- сти, а также энергией импульсов W (ели они очень ко- роткие, не более 10~8 с). Выходное сопротивление детек- тора (видеосопротивление) #ВЫх определяет характер входных цепей усилителя. Температурная нестабильность существующих диодов, несмотря на значительный прогресс в этой части, остает- ся все же относительно высокой, поэтому на практике ее приходится нейтрализовать схемными и конструктивны- 15* 227
ми методами. Диод, как правило, помещен в глубине прибора, и быстрые колебания температуры сглажива- ются тепловой массой конструкции, медленные колеба- ния выбираются периодической поверкой усиления тракта с помощью встроенного генератора стабильного уровня; кроме того, в интспсиметрах, как -правило, не применяются усилители постоянного тока. т. е. здесь имеет значение только стабильность дифференциаль- ной чувствительности диода, которая во много раз выше стабильности прямого сопротивления диода по постоянному току (схемы и конструкции приведены в <п. 6.1.6). Конструктивно детекторы выполняются либо совмест- но с камерой манипулятора, либо отдельно. В последнем случае габариты устройства несколько увеличиваются, но условия согласования в диапазоне частот улучшаются, Рис. 6.1.10. Характеристика диодов МА-424 и МА-425. упрощается «процесс замены диодов. Чувствительность со входа манипулятора при ис- пользовании диодов-детекто- ров типа Д604 оказывается равной 0,05... 0,2 мВ/мкВт. В интенсимет-рах, предна- значенных только для изме- рения «плотности непрерыв- ной мощности, возможно ис- пользовать простейшие схе- мы детектор—усилитель то- ка— микроамперметр, обес- печивающие здесь достаточ- В США для этих це- ную точность и чувствительность. лей разработаны специальные диоды (типа МА-424 и МА-425), для которых гарантируется высокая повторяе- мость зависимости выходного напряжения от входной СВЧ мощности в широком диапазоне значений от 10~5 до 10 2 Вт (рис. 6.1.10). Верхняя граничная частота этих диодов — 10 ГГц. Параметры некоторых отечествен- ных СВЧ диодов приведены в табл. 6.1.3 [32а]. В иптенсиметрах, усредняющих излучение за боль- шее время —доли секунды и более, применяются тепло- вые преобразователи: болометры, термисторы, термопа- ры. Главным недостатком термисторов является необхо- димость включения их в мост (постоянного или перемен- ного тока). Основное достоинство термопреобразовате- 228
Т а б ли ц а 6.1.3 Параметры некоторых серийно выпускаемых диодов СВЧ Тип диола Чувствитель- ность пи току, А/Вт Ви деосип ро- тивление Я ,v кОм Допустимые перегрузки Р, Вт Д603 Д604 Д607 Д608 Д608А Д609 2А201А 2А202А 4 2,5 4 4 4 4 5,5 2,5 О С7> СМ СЧ О) iC - гГ ’Т’ О О О О О о о I 0,2 (кратковременно 2 Вт) 0,3 (кратковременно 1 Вт) 0,1 0,15 0,2 0,15 0,3 0,3 лей («термопар») — отсутствие сигнала на выходе при отсутствии сигнала на входе. Шумы термопары обычно очень низки и чувствительность устройств изме- рения на них определяется совершенством тепловой изоляции термопары. В этом смысле наиболее под- ходят вакуумные термопары, у которых, к тому же, как .правило, разделены цепи входа и выхода. Сущест- венным недостатком термопар является относительно низкая чувствительность по сравнению с болометрами и термисторами (приблизительно на порядок), чго ограни- чивает их применение -в измерителях мощности без уси- лителя. Параметры некоторых вакуумных термолреобра- зювателей приведены в табл. 6.1.4. Усилители. В зависимости от назначения интенсимет- ра (предназначен ли он для измерения только импульс- ных или также и непрерывных колебаний), а также нали- чия предварительной манипуляции сигнала на входе, в измерителях поля с диодами применяются как усилители постоянного тока, так и видеоусилители (см. л. 6.1.3). В интенсимет|рах с пиковой индикацией выход усили- теля подключается ко входу пикового детектора с диод- но-емкостной запоминающей ячейкой или амплитудного дискриминатора и расширителя импульсов на триггерах Шмидта (см. ниже). Для последних вариация длитель- ности входных импульсов в пределах от постоянного тока до единиц или даже долей микросекунды (т. е. весь необходимый -при измерениях диапазон длительно- стей) несущественна, поэтому чтобы амплитуда посту- пающих на его вход импульсов не зависела от их дли- тельности, усиление после детектора необходимо прово- 229
Таблица 6.1.4 Данные отечественных термопреобразователей* ВХОД выход Коэффициент преобра- зования в номиналь- ном режиме, 10"’ Тип термопары Номинальный тск нагревателя *вх ном’ м'^ Сопротивление на- гревателя Ом Входная мощность мвт Допустимая пере- грузка Номинальная э.д. с. на выходе А' т мВ якх ном Сопротивление термопары ^термон’ Ом Выходная мод- ность Р „ . мкВт Р.ЫХ Чувствительность __ Евых МВ — •’ мВт вх ТВБ-1 1 600 0,6 1.50 25 40 0,039 4,3 65 ТВБ-2 3 200 1.8 1,50 5 35 0,18 2.8 100 ТВБ-3 5 150 3.7 1,50 10 35 0,71 2,8 192 ТВБ-4 10 60 6 1,50 12 15 2,4 2 400 ТВБ-5 30 13 11,7 1.50 12 15 2.4 1 202 ТВБ-6 50 . 7 17,5 1,50 12 5 7,2 0,63 410 ТВБ-7 100 3 30 1.50 12 5 7,2 0,4 240 ТВБ-8 300 1 90 1,50 12 3 12 0,13 133 ТВБ-9 500 0.8 203 1,2 12 2 18 0,06 90 ТВ-4 50 12 30 1,2 33 12 18.7 1 620 В-5 75 8 45 1,2 30 8 28 0,68 620 1В-2 100 6 60 1,2 30 6 37,5 0,5 630 ТВ-14 250 2 125 1,2 30 2 113 0,25 910 ТВ-15 500 1,1 275 1,2 20 1.1 225 0,1 820 ГВ-16 1000 0.6 603 1,2 30 0,6 375 0,05 630 * Исходные дачные для расчета этой таблицы в^яты из работы В. И. Червякова „Термоэлектрические приборы'1. М.—Л., Госэлергонздаг, 1963. дить широкополосным усилителем (с шириной полосы для длительностей 1 мкс около 1 МГц). При использо- вании же диодно-емкостной ячейки в безламповых ма- логабаритных устройствах ее постоянную заряда не удается сделать менее 10"4... 10“5 с, поэтому в них гра- • ничную полосу усилителей можно выбирать не выше 10... 100 кГц. Если исходить из чувствительности детек- тора порядка 0,2 мВ/мкВт, начального затухания атте- нюатора 10 дБ и эффективной площади зонда 2 см2, чув- ствительность усилителя для минимальной (средней) НИМ 1 мкВт/см2 должна составлять: по напряжению около 10”5 В и по току (при входном сопротивлении 1 кОм) 10“8 А. Такие усилители по своим параметрам относят к усилителям постоянного тока средней чувст- вительности [111], и их конструирование не представляет особой трудности. При конструировании УПТ для работы в схемах из- мерителей поля, использующих термопреобразователи (в частности, в измерителях мощности дозы, -см. ниже н. 6.1.6), к усилителям постоянного тока предъявляются 230
•более жесткие требования в отношении чувствительно- сти: опа должна быть на один-два порядка выше, чем в УПТ измерителей поля с полупроводниковыми диода- ми. Такие усилители удается конструировать только с предварительной модуляцией сигнала на входе усили- теля после термопреобразователя. Для инерционных термоп|реобразователей (с постоян- ной времени единицы секунд) можно использовать обыч- ную схему усилителя с периодическим преобразованием (по типу «меандр»), усилением -по переменному току в узкой полосе частот и последующей демодуляцией. Для получения чувствительности по постоянному току порядка единиц микровольт (соответственно на СВЧ де- сятков микроватт) используют балансные диодные или транзисторные модуляторы. Для повышения чувстви- тельности и стабильности усиления приходится приме- нять обычные меры теплового выравнивания элементов схемы модулятора, а в некоторых случаях разрабатывать оптические или малоииерционные механические прерыва- тели. Общим недостатком таких УПТ является узкая поло- са частот —ниже частоты модуляции (это не -позволяет применять их для работы с малоинерционными термо- датчиками); относительно недавно [6,62] найден способ уменьшения этого существенного недостатка. Он заклю- чается в том, что используется не один, а два канала усиления и «двухсторонний» преобразователь: за период частоты прерывания сигнал попеременно подается на входы каналов и синхронно снимается с их выходов. Однако это требует увеличения вдвое элементов усиле- ния (соответственно и габаритов, и энергии питания); кроме того, в момент коммутации сигналов на выходе появляются биполярные импульсы напряжения, что за- ставляет применять для индикации либо осциллограф, либо усредняющий микроамперметр (ненужное инерци- онное звено). Для широкополосного усиления сигналов, форму ко- торых сохранять пет необходимости (а именно такой вариант мы имеем в нашем случае), можно применить манипуляцию сигнала со скважностью, близкой к едини- це, и индикацию сигнала -па выходе видеоусилителя по пиковому уровню. Подобные системы, работающие с мо- дуляторами СВЧ, описаны выше (в п. 6.1.4). Рассмот- рим вкратце работу этих систем на низких частотах. 231
Нижняя граничная частота видеоусилителя (ВУС) /ЗУСн выбирается несколько ниже частоты модуляции (Лм), верхняя (/ВУСв) —полностью определяется верх- ней частотой усиливаемого сигнала /св. Время выклю- чения сигнала /выкл= 1/(3 ... 5) /ВУСв, скважность выбирается равной 1,!...1,3. Для уяснения принципа действия усилителя рассмотрим основные режимы его работы: Мвусв Обычная работа внутреннего уси- лителя; модулятор 'практически не мешает процессу фик- сации амплитуды сигнала индикатором. 2. fc b<Fm. Именно для работы в этом режиме и при- меняется на выходе ВУС индикатор пикового уровня с памятью (ИПУ). Время запоминания сигнала ИПУ Гп^>1/?’м. При значениях допустимого запаздывания мо- мента отсчета (наблюдения) ^ = ^==0,2 ... 0,5 с частота модуляции обычно выбирается равной 50... 100 Гц. Та- ким образом, за время /и= 0,2 ... 0,5 с индикатором пико- вого уровня будет зафиксировано наибольшее из 10... ...50 значений амплитуды сигнала. Для сниже- ние чувствительности системы возможно только при по- стоянном попадании сигнала в короткие паузы, когда вход видеоусилителя отключен. Это возможно -при со- блюдении условия длительной синхронности и синфазно- сти усиливаемого сигнала и модуляции. Имея в виду, что в общем случае они друг от друга не зависимы, это условие можно считать практически не выполнимым, а вероятность появления ошибки по этой причине очень малой; она оценивается величиной __________(1- 1/7м)2 ГпГм|Гм//^с-1| + (1-1/?м) (см. сноску на стр. 216). В усилителях измерителей поля можно применять как обычные «линейные» усилители, так и усилители с логарифмированием амплитудной характеристики [25]. В первом случае для повышения шкального динамиче- ского диапазона (более 8...10 дБ) приходится приме- нять источники питания с высоким напряжением (9 ... ... 24 В вместо обыч-ных 4... 6В), либо выводы от про- межуточных каскадов усилителя и специальные регист- раторы, обычно с индикацией сигнала по пиковому уровню. 232
Пиковые регистраторы. Уровень ППМ, измеренный с помощью СВЧ интенсиметр-ов, может быть зарегист- рирован дискретными или аналоговыми устройствами. Аналоговая индикация на пиковых детекторах с при- менением стрелочных индикаторов (рис. 6.1.11,а) удоб- на для наблюдения, особенно в момент поиска макси- мума при облучении антенны интенсимет-ра медленно- нестационарными полями. Схемы регистраторов с диод- но-емкостной ячейкой относительно просты -[82], однако им присущи -некоторые недостатки, ограничивающие их запоминаний напряжения а Амплитуд- Визуальные ные индикаторы б дискриминаторы Рис. 6.1.11. Схемы пиковой регистрации, применяемые в интен- симетрах СВЧ. использование в интенсиметричсской аппаратуре: труд- ность регистрации -простыми схемными методами -пико- вого напряжения одиночных импульсов в интервале дли- тельностей Ю"3 с и ниже при запоминании на 1 .. .2 с (воемя запоминания ограничивается здесь не столько временем визуального отсчета, сколько инерционностью стрелочных приборов); малый динамический диапазон (шкальный ДД ограничивается отношением -напряжения источника питания к минимальному выходному напря- жению, при котором обеспечивается работа запоминаю- щей ячейки; для обычных диодов это напряжение равно 0,5... 4 В); необходимость применения стрелочных по- казывающих приборов и связанные с этим эксплуатаци- онные заботы: необходимость оберегать прибор от тряс- 233
Сравнительная характеристика устройств визуальной [в пиковых Тип показы- вающего при- бора (визуа- лизагора) Подтипы Характеристи- ка по т<жу или напряже- нию Инерцион- ность сра- батывания. с Внутренняя память Яркость шка- лы (экрана), кт Цвет свечения Стрелочные магнитоэлек- трические Ma.noftiiepiU!- онные Обычные Ударопрочные Линейная, редко—почти логарифмиче- ская 0,3...0,5 I...2 2..Л Нет С внешним осве- щением Электронно- оптические Сетевые Батарейные Пснгти линей- ная Пороговая или Ш’чти линей- ная !0-« Нет 200... 1000 5...10 Зеленый Газоразряд- ные Диоды Триоды 1Пороговая 10-»...10-* Есть 10»...10» Оранжево- красный Электролюми- несцентные Порошковые индикаторы 10-* Нет 20...100 От синего до красно- го Квадратичная 5...500 Красный- 700 нм зеленый— 565 нм оранже- вый— 620 нм Инжекцион- ные электро- люминесцент- ные ячейки 10”*...10-* Электрохими- ческие Диоды 104 Нет С внешним осве- щением ки, регулярная проверка и т. п. Применение в качестве показывающих индикаторов электронно-оптических при- боров ограничено низкой экономичностью, необходи- мостью в источнике высокого напряжения и т. д. (см. далее). Использование дискретной регистрации (рис. 6.1.11,6) ухудшает реальную точность интенсиметра на величину, приблизительно равную интервалу индикации, однако в ряде случаев это не имеет существенного значения, ес- ли интервал регистрации не превышает 1 ... 3 дБ. Не- сомненным преимуществом дискретной индикации явля- ется возможность получать большой шкальный динами- 234
индикации, рекомендуемых для использования регистраторах Таблица 6.1.5 Мощность по цепи управле- ния. Вт МОЩНОСТЬ цепи питания, Вт Напряжение управляюще- го сигнала. В Напряже- ния источ- ника (<в) пнгания. В Об । ем прибора (Лриблил) СМ* Срок службы, тыс. а Обычная схема преобразователя импульсного сигнала Источник 10-*.. л f 20... 150 1 100...300 Пиковый детектор или линейка ампли- тудных дискри- минаторов |36, 801 3...6 0,2...0,4 6...10 3...I5 6,3.-250 1,1...90 20...40 I...4 0,5...! Повышающий трансформатор ч- 1 4- диолни-емкост- ная ячейка [197| 0,01...1 0,1..Л 60...80 2...20 150...320 I...4 1...100 Повышающий трансформатор и делители PH Зависит от ты. Вход CMKOCTI JOO...IOOOC часто- 1кая ь пФ 15...80 0.1...I Нс ог- рани- чен ! Делители 4- линей- ка амплитудных дискриминаторов (4*1 (0,02...1)10"* 1.8...3,5 10’» ОД (631 1-10-» 10...50 10Ч...10-» [641 ческий диапазон (до 20... 30 дБ), малая инерционность (интенсиметры фактически становятся моноимпульсны- ми измерителями поля), простота в эксплуатации. Амплитудные дискриминаторы для регистрации пре- вышения заданного уровня применяются в измеритель- ной технике довольно часто [36, 56, 111]. Триггеры Шмид- та на транзисторах с граничной частотой по а 200 ... 400 МГц, используемые в режиме пиковой амплитудной дискриминации, надежно срабатывают во всем диапазо- не длительностей (от 2-10“2 до 10-6 с) и позволяют рас- ширить импульс до необходимых 0, 3 ... 1 с. Они просты по устройству и надежны в работе. По данным [111], 235
временной дрейф такого триггера при работе в схеме индикатора отклонений не превышает 1 % за 24 ч и до- полнительно 1% от температуры в диапазоне от 10 ... 47 °C. Реализация всех преимуществ дискретной регистрации оказы- вается возможной только при использовании малоинерционной ви- зуальной индикации» например, на электрооптических (ЭОП), газо- разрядных (ГЗ) или электролюминесцентных (ЭЛМ) приборах. Несомненным достоинством ЭОП индикаторов является воз- можность наблюдения сигнала в предпороговой (предотсчетной) области (во время поиска максимума сигнала, при настройках и т. п.) и экономичность по цепи управления, однако они дороги и неэкономичны по цепи питания. Яркость свечения батарейных ЭОП индикаторов недостаточна для наблюдения даже при умерен- ном свете (см. табл. 6.1.5). Сетевые варианты индикаторов могут применяться только в устройствах с внешними источниками пита- ния. Газоразрядные приборы (лампы с холодным катодом) приме- няются в основном в схемах с высоковольтными цепями питания, если стабильность и точность отсчета не имеют решающего значе- ния. Эти приборы относительно дешевы, могут работать при дли- тельностях управляющих импульсов порядка 10~8...Т0~6 с и токе 1О~12...1О”8 А, но весьма неэкономичны по цепи питания, трудно сопрягаются с транзисторными схемами; в частности, для повы- шения управляющего напряжения приходится применять трансфор- маторы, резко ухудшающие частотные свойства всего устройства. Достоинством газоразрядных приборов является возможность за- поминания информации. Из всего имеющегося к настоящему времени арсенала электро- люминесцентных приборов [44] для работы в схемах транзисторных пиковых регистраторов подходят инжекторные электролюминесцент- ные ячейки на основе фосфида галлия и карбида кремния. Фос- фид-галлиевые светодиоды излучают в широкой полосе частот с мак- симумами в красно-оранжевой (720 ммкм) и зеленой (565 ммкм) части спектра. Эффективность зеленого излучения значительно ниже красного, но из-за особенности субъективного восприятия цвета яркость «зеленого» диода -почти такая же, как и красного. Началь- ное напряжение свечения фосфид-галлиевых диодов — около 1,8...2,05 В. Яркость GaP-диодов оказывается в пределах от несколь- ких десятков до нескольких сот нит. Карбид-кремниевые ячейки работают при начальном напряже- нии 2,3...3,5 В и при желтом излучении обеспечивают 10...20 нт. Мгновенная яркость при длительности импульса 100 -мкс, частоте повторения 1 Гц и пиковом токе несколько ампер достигает 104 нт. Отечественной промышленностью серийно выпускаются светодиоды типа АЛ-102 и КЛ-101, излучающие свет в красном, зеленом и жел- том частях спектра. Лучшие из известных светодиодов обеспечива- ют непрерывную яркость до 400 пт при мощности по цепи питания 1,5 мВт, токе 10 мА, напряжении 1,5 В [45]. Несмотря на явно выраженную прямую и достаточно «гладкую» зависимость яркости свечения электролюминесцентных приборов от тока, их удается использовать только как пороговые элементы (хотя применение светодиодов в линейном режиме в общем-то известно [94]). Выбор показывающего индикатора во многом зависит от дан- 236
кых схемы предварительного преобразования сигнала. Ориентиро- вочные данные о структуре таких схем вместе со сравнительными характеристиками индикаторов включены в табл. 6.1.5. Стрелочные индикаторы могут применяться и совместно с ампли- тудными дискриминаторами. В этом случае напряжение с выхода каждого такого дискриминатора (их количество не менее 10... 15 во всем требуемом шкальном динамическом диапазоне прибора) по- дастся через соответствующий делитель на вход миллиамперметра. Это позволяет использовать преимущества стрелочных приборов (простота отсчета, эстетичность и т. п.) при минимальных требова- ниях к самим приборам: он может быть весьма грубым, малочув- ствительным и т. д. Время памяти дискриминаторов при этом уве- Схема запоминания напряжения МТ-2 Дете к тор СВЧ Интегратор ГВЧ »-оч>- стабильного уровня С П Логарифма, руюш, и а элемент Рис. 6.1.12, Функциональная схема измерителя поля ИП-3425: / — пленочный аттенюатор; 2—’антенна; 3 — радиопоглощающий материал; 7— экран; 5 — аттенюатор; 6 — показывающий прибор; С — «стационарное поле»; П — «на проходе»; М — «мощность дозы». личивается до 2...3 с (время одного цикла измерения, включая уста- новку направления и поляризационный поиск) или делается неогра- ниченным с принудительным сбросом. Кроме визуальных регистраторов могут применяться и слухо- вые индикаторы, включенные таким образом, что в предотсчетной области, при поисках максимума, можно прослушивать прямой сиг- нал с выхода усилителя, а в точке отсчета на вход слухового ин- дикатора подключается напряжение с выхода основного измери- тельного устройства — амплитудного дискриминатора отсчетного уровня. 6.1.6. Применение принципов конструирования аппа- ратуры на примере нескольких приборов. Рассмотрен- ные принципы работы измерителей поля реализованы в нескольких типах конкретных приборов — интенсимет- ров и мозиметров. Один из первых разработанных интенсиметров — из- меритель поля ИП-3425 — выполнен по принципу изме- 237
рительных систем с наводкой, с отсчетом по шкале ат- тенюатора СВЧ (рис. 6.1.12). Заданный уровень фикси- руют стрелочным показывающим прибором, проградуи- рованным, как и шкала отсчетного аттенюатора, в де- цибелах. Для удобства работы прибор выполнен таким образом, что угол отклонения стрелки приблизительно пропорционален логарифму тока. Поль шкалы аттенюа- тора (в децибелах) соответствует предельной чувстви- тельности прибора, определяемой в мкВт/см2 для каж- дого типа излучателя по имеющимся графикам или сравнением с измерителем поля ПО-1. Интенсиметр Ri Й2*в.2х Tf 0106 СЧ ,1.1 R24 1Zx 72 0106 €5 0,05 —<н Отсчет- - wC ахгтеню- а тер ‘77’1 ci 0,05 120 —гЧЬ R12,2х р— *8680 75 58ZK ЯЧЮк R591 Rti) CS 5630.0 Д2 Д808А Антенна СВЧ <ZJ Р14 1,5 4*150,15 I Тб ГП1ОЗ ГТГ Б-^ОР-З ДБОЧ 500 ~С10 6800 RZ2 53* Кх „гала&ебха \R1t to Г Lw 1S* П/?/Р , Юк 1ДЗД7Б1 R1S л ЮС 07 50,0-7 1F П-КД R20180* JRfZURH to 1470 72д *21'430х J 78 ] —ZT1 I LJ J5.W 01 Z 300 Т SC6 50.0 Ri? 1,8к BWt „ВХ/Г^Д13 Рис. 6.1.13. Принципиальная схема ИП-3425. имеет три режима работы: измерение стационарного поля, измерение антенных полей «на проходе», т. с. без остановки перемещения диаграммы антенны, и, наконец, измерение мощности дозы периодического поля с не- большими пределами изменения уровня. В первом режи- ме два усилителя постоянного тока, входящие в состав схемы измерителя, включены последовательно; в режиме измерения «на проходе» второй УПТ используется в схе- ме пикового детектора; в третьем режиме один из кас- кадов первого УПТ включается по схеме интегратора с глубокой отрицательной обратной связью через допол- нительную емкость база — коллектор. Генератор высокой частоты (ГВЧ) стабильного уровня используется для контроля усиления схемы в за- данной рабочей точке» В приборе применена Широко- ва
Полосная квазипериодическая антенна, выполненная в виде плоской двухзаходной спирали с замедляющей структурой. Антенна помещена в поглощающую полость, представляющую собой открытый с одной стороны круг- лый цилиндр, заполненный радиопоглощающим мате- риалом. Такая конструкция антенного узла позволяет значительно уменьшить заднюю половину диаграммы антенны, уменьшить эксцентриситет эллипса поляриза- ции диаграммы направленности и улучшить направлен- ные характеристики зонда. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 6.1.13. Пер- вый У ПТ с термокомпенсацией выполнен на транзисторах Т1...ТЗ. Эмиттерный повторитель на транзисторах Т4, Т5 при работе в ре- Рис. 6.1.14. Внешний вид ИП-3425. Слева внизу видна подвижная номограмма для пересчета затухания аттенюатора в значения ППМ. жиме измерения полей на проходе обеспечивает необходимый заряд- ный ток конденсатора С6, который совместно со вторым усилителем постоянного тока (на транзисторах Тб и Т7) обеспечивает запомина- ние амплитуды сигнала на время, необходимое для успокоения стрелочного прибора (около 1 с). Конденсатор С4 включается в ре- жиме измерения мощности дозы. Генератор стабильного уровня со- бран на транзисторе Т8. Конструктивно прибор выполнен в едином штампованном алю- миниевом корпусе, открытом со стороны приемной антенны. Внутри корпус разделен на два отсека: антенный и монтажный. Все необ- ходимые ручки управления (установка чувствительности, регулиров- ка аттенюатора), кнопка включения контрольного генератора, пере- 239
ключатели режимов работы и крышка камеры источника питания находятся со стороны оператора (рис. 6.1.14). Кроме того, на ли- цевой панели прибора находится пересчетное устройство, помогаю- щее по данным (в децибелах) на шкалах аттенюатора и показы- вающего прибора снимать .показания ППМ в микроваттах па квад- ратный сантиметр. Для контрольных целей при работе только с импульсными по- лями применять приборы типа ИП-3425 нецелесообразно (прежде всего из-за плохой температурной стабильности схемы). В этих случаях используются измерители поля ИП-3466, -позволяющие из- мерять интенсивность поля в диапазоне длительностей импульсов от 3 мкс до 20 мс. Как и ИП-3425, прибор выполнен ло типу систем с наводкой и фиксацией заданного уровня с помощью стрелочного показывающего прибора. В приборе ИП-3466 (схема приведена на рис. 6.1.15) применен только один режим работы — по пиковому уровню, но при это-м вследствие повышенного входного сопротивления второго У ПТ (транзисторы Тб, Т7, Т8) оказалось возможным снизить емкость Рис. 6.1.15. Принципиальная схема измерителя поля ИП-3466. цА — показывающий прибор типа М-4203; Б — 4 элемента РЦ-83Х; /// — кнопка проверки чувствительности; RJ2 — установка чувствитель- ности; Атт — предустановка чувствительности на СВЧ; 1<2 — отсчетный аттенюатор. конденсатора памяти С9 до 1 мкФ и значительно повысить эконо- мичность схемы заряда, поэтому режим измерения по пиковому уровню можно использовать для измерения как полей «на проходе», так и стационарных излучений. Видеоусилитель прибора выполнен на двух ячейках с динами- ческой нагрузкой [51], обеспечивающей усиление около 50 дБ. Осо- бенностью схемы прибора является отсчет показаний по шкале низ- кочастотного аттенюатора R2. Градуировка шкалы оказалась близ- кой к логарифмической и почти не зависимой от длительности вход- ных импульсов. Предустановка чувствительности выполняется СВЧ аттенюатором диссипативного типа, выполненным совместно с де- текторной камерой. Допущение значительной частотной зависи- мости к вывод регулировки «под шлиц» позволило заметно упро- стить конструкцию аттенюатора, в несколько раз уменьшить его габариты и вес. 240
В приборе применена антенна-зонд в виде одповит- ковой рамки диаметром 15 мм с компенсацией электри- ческой составляющей (конструкция антенны рассмотре- на выше). Управление прибором максимально упроще- но. Па лицевой панели прибора (рис. 6.1.16) введены только регулировка отсчетного аттенюатора (шкала гра- дуирована непосредственно в мкВт/см2) и тумблер вклю- чения. Показывающий прибор выполняет три функции: индикацию напряжения питания (левая часть шкалы; Рис. 6.1.16. Внешний вид измерителя поля ИП-3466. Справа — отсчетная шкала аттенюатора. показания устанавливаются сразу же при включении питания), фиксацию момента точного отсчета (положе- ние «1») и отклонения от отсчетного уровня (правая часть шкалы). В последнее время разработаны варианты интенси- метров с применением в качестве визуальных индикато- ров электролюминесцентных фосфид-галлиевых диодов. Па рис. 6.1.17 приведена функциональная схема такого интенсиметра (ИП-3445*). В нем люминесцентные диоды используются для наблюдения отсчетного уровня (при котором производится отсчет по шкале аттенюатора) и отклонение от него в пределах до 6 раз. Отсчет уровней производится по шкале плавно-переменного аттенюатора (типа Д2-18). Аттенюатор, включенный после детекто- ра, используется только для подстройки чувствительно- * В разработке интенсиметров ИП-3466 и ИП-3445 принимали участие В. С. Блументаль, И. Ф. Смолькин, Л. В. Толстой и Н. II. Фе- лиции (см. также [93]). 16—393 241
to 4^ to ' Предуста- Манату- Де те к- но Ока ляция таро- чувства- вание тельности Прием Отсчет уровней СВЧ да me ль «X) И мп уль сный ГНЧ X 4#*1 фя tj ч У * НЧ ----- аттенюатор । вадеоде- \текторгу_ i—/ — СВЧ аттенюатор прерьм § § 8УС Отсчет относитель ных отклонений ) > антенны- . зонды т ’5d —I'V *2 Регистрация x 7,5 x5 Амплитудные Сдетодиоды дискриминаторы >с расширением > * импульсов f СС <5> С5> X X Рис. 6.1.17. Функциональная схема универсального интенсиметра группы И. Внизу приведены ориентировочные значения функциональных уровней. c: r
Рис. 6.1.18. Принципиальная схема измерителя поля ИП-3445. Ett
R11 510
Рис. 6.1.19. Внешний вид измерителя поля ИП-3445. сти. Видеоусилитель и антенна-зонд ИП-3445 не отличаются от ис- пользованных в прибо- ре ИП-3466. Принципи- альная схема ИП-3445 приведена на рис. 6.1.18, а внешний вид на рис. 6.1.19. Отличительной особенностью схемы ИП-3445 является включение -перед детек- тором прерывателя на диоде, управляемом и мп у л ь сн ы м ген ер а то - ром НЧ. Применение в качестве детекторов сигнала по- лупроводниковых диодов позволило в значительной сте- пени поднять чувствительность аппаратуры, увеличить шкальный динамический диапазон, ио ее применение определенным образом усложнило обработку результа- тов измерений, ибо там, где кроме пиковых уровней не- обходимо знать средние значения ППМ, приходится ставить задачу измерения или расчета скважности воз- действия, а это не всегда просто выполнить. Полный переход на нормирование по дозе и по мощности дозы требует создания специальной аппаратуры, автоматиче- ски учитывающей временные факторы. Измерение дозы нами отнесено к классу автоматических или автомати- зированных методов и описывается ниже (см. § 6.3). Здесь мы кратко остановимся на методах реализации задачи измерения мощности дозы, т. е. ППМ, усреднен- ной за определенное время (от долей секунд до десят- ков минут, в зависимости от возможностей и принятых нормативов). Применение для измерения мощности дозы полупро- водниковых диодов неизбежно приводит к значительным ошибкам усреднения, так как заставляет использовать очень широкий участок амплитудной характеристики диода, что снижает запас его прочности и затрудняет согласование диода с трактом. Наилучшим детектором для этих целей оказывается термопара. В связи с отно- сительно низкой чувствительностью термопар (около 1 мВ/мВт) приходится использовать чувствительные усилители с преобразованием сигнала на входе 244
Блок управления и отсчета, 1 Г Предустановка, чувствительности. Блок оБраБитки Регистрация сигнала I h S’ < 1 « § Рис. 6.1,20. Функциональная схема измерителя мощности дозы с преобразованием сигнала на входе УПТ и с пиковой дискретной регистрацией. Внизу — ориентировочные значения функциональных уровней.
(рис. 6.1.20). Некоторая усложненность узла преобразо- вателя компенсируется большим удобством по синтезу схем амплитудного дискретного логарифмирования сиг- нала. Это позволяет достаточно просто реализовать пря- мой отсчет, уместив на одной шкале регистратора диа- пазон амплитуд, соответствующих двум-трем декадам изменения входного сигнала. Основным, если не единственным, усредняющим зве- ном в измерителе мощности дозы ’является термопара, поэтому выбор ее типа в значительной степени пред- определен требованиями нормативов, точнее, величиной нормируемого времени усреднения ППМ Тц (см. п. 3.2.2). В идеальном случае постоянная времени термопары ттп должна полностью соответствовать времени Тп, однако обычно Ттп<^7н, поэтому результаты измерений прихо- дится подвергать некоторой обработке, хотя она несрав- ненно проще, чем при работе с детекторными интенси- метрами. В схемах с 'использованием термопар регистрация сигнала также может быть выполнена как по пиковому уровню с памятью, так и по среднему уровню, однако первая предпочтительнее для облегчения отсчета макси- мальных значений ППМ при поиске мест просачивания (обычный режим работы при измерении внутренних по- лей), а также совершенно необходима для регистрации кратковременных сигналов. 6Л.7. Поверка измерителей ППМ. В настоящее время поверка измерителей плотности потока СВЧ мощности и измерителей напря- женности поля производится путем измерения поверяемым прибо- ром образцового поля (метод образцового поля) или попеременным измерением образцовым и поверяемым приборами поля, созданного вспомогательной антенной (метод образцовой антенны). Метод образцовой антенны состоит в том, что стабильное поле, излучае- мое вспомогательной антенной, поочередно измеряется поверяемым прибором и образцовым измерителем. Различия между результа- тами и характеризуют погрешность поверяемого прибора. Достоин- ством методов являются относительно высокая точность, хорошая разработанность (теории и аппаратуры), а для метода образцовых антенн — возможность относительно простой реализации. Точность поверок по указанным методам достигает 5...7% в свободном поле и 10... 12 %, если в помещении находятся какие- либо предметы [15]. Эта точность вполне достаточна для поверки ПО-1. Для измерителей типа ИП-3425, ИП-3445 и т. д. эта точность излишняя, тем более если иметь в виду, что она оплачивается высо- кой стоимостью аппаратуры и очень низкой производительностью. Возможность уменьшить точность поверки измерителей позволяет применять упрощенные методы, один из которых состоит в том, что поверка проводится методом образцовой антенны, но излучаю- 246
|Цая и приемная антенны располагаются па малом расстоянии друг от друга, а для уменьшения взаимодействия между антеннами про- странство между ними заполняется радиопоглощающим материалом (РИМ). В результате этого мешающее действие окружающих пред- метов делается пренебрежимо малым, а площадь рабочего помеще- ния фактически не имеет значения. Способ поверки измерителей при заполнении пространства меж- ду антеннами предложен относительно недавно и сейчас находится в стадии изучения 177], поэтому здесь мы рассмотрим только прин- ципы, на которых он основан. В процессе поверки методом образ- цовой антенны возникают два типа переотражепий: переотражевия между излучающей и приемной антеннами и псрсотражсния между антеннами и окружающими 'предметами. При помещении между пе- Рис. 6.1.21. Влияние побочных переотражений на систему «антенна—РИМ—антенна». Tj—точка встречи лучей при работе антенны на РПМ; Тч — точка встречи лучей при работе антсн.1 на свободное пространство. редаюшей Л1 и приемной /12 антеннами поглощающего материала М (рис. 6.1.21) взаимное влияние антенн уменьшается. Нетрудно видеть, что коэффициент уменьшения связи между антеннами пря- мо пропорционален затуханию в материале Км, а влияние поверяе- мой антенны на излучающую снижается в К2м раз. При этом влия- ние на точность сравнения неравенства геометрических размеров об- разцовой Lo и поверяемой антенн оказывается не большим, чем в свободном поле. Действительно, при одинаковой конструкции и при относительно близких размерах и форме образцовой и по- веряемой антенн отношение мощностей на выходе антенн /)выхо//)выхп практически не зависит от структуры поля, а опре- деляется только отношением их коэффициентов усиления. Следует особо подчеркнуть, что если поглощающий материал обладает так- же и преломляющими свойствами (материалы с<е>1, н>1), то про- исходит уплощение фронта, поля в раскрыве приемных антенн и как следствие — уменьшение погрешностей даже при усилении не- равенства L02/£n2=/=l. 247
Наконец, применение материалов с г>1 и ц>1 приводит к сни- жению влияния внешних полей вследствие увеличения «угла встре- чи» с апертурой антенн: a2><Xi (рис. 6.1.21) и уменьшения расстоя- ний, па которых побочную связь между антеннами из-за переот- ражений от находящихся вблизи антенн посторонних предметов можно считать существенной (па рис. 6.1.21 /г2>Л1). Стремление получить большую развязку между антеннами за- ставляет увеличивать затухание в РПМ, а стремление снизить влияние побочных переотражепий заставляет это делать, увеличи- вая не толщину материала А, а его удельное по глубине затуха- ние. Последнее не может не привести к изменению условий согла- сования антенны с рабочей средой. Хотя эти изменения фактически постоянны и не изменяются при смене образцовой антенны на по- веряемую, в некоторых случаях (например, из-за рассогласования антенн с генератором или приемником) эти изменения оказываются нежелательными. В этом случае применяется РПМ с изменяющими- ся по толщине параметрами затухания таким образом, что в плоско- стях раскрывов обеих антенн свойства материала близки к свой- ствам рабочего пространства антенн, а в центре значения парамет- ров, характеризующих затухание, максимальны. 6.1.8. Краткий обзор методов визуализации радиополей. В по- следние годы появилось большое количество сообщений патентного и исследовательского характера о разработке ряда способов визуа- лизации радиополей и их реализаций в конкретных технических проектах, которые позволяют использовать их для решения задачи поиска мест просачивания СВЧ энергии через электромагнитные не- плотности в конструкциях шкафов генераторов и фидеров, для изу- чения распределения поля в фантомах, применяемых для биофизиче- ских исследований, и некоторых других целях. Предложенные до сих пор способы визуализации позволяют говорить о получении не столько количественных, сколько качественных характеристик поля, и они могут быть отнесены к иитенсиметрии только условно. Используемые для целей визуализации радиополей способы и устройства (см., например, [42, 65, 69, 105, 108, 116, 119а, 137, 148, 157]) как правило, весьма теплочувствительны, требуют дополни- тельной последующей обработки материалов или имеют другие существенные недостатки и поэтому не могут служить целям экспресс-визуализации, т. е. наблюдению распределения энергии поля непосредственно во время опытов. Кроме того, эти методы весьма грубы: для их реализации требуются весьма высокие плот- ности мощности (0,1... 10 Вт/см2 непрерывной мощности); таким образом, для облучения, например, площади 0J...1 м2 требуются генераторы мощностью 1О3...1О5 Вт; как известно, получение таких мощностей весьма сложно. Перспективным для экспресс-визуализации радиополей является метод использования распределенных в пространстве или плоскости микрообъемов инертного газа, помещенных в светорадиопрозрачную оболочку. При увеличении электрической составляющей облучающе- го поля до определенного порога газ начинает светиться. Зави- симость яркости свечения инертного газа от напряженности поля носит ступенчатый характер, поэтому для получения необходимого динамического диапазона работы устройства облучение должно производиться с огибающей, близкой по форме к треугольной. Тогда микрообъемы газа, находящиеся в области с высокой интенсивно- стью, будут гореть значительно дольше тех, что находятся в «тени», 248
а это из-за инерционности глаза и фотографической аппаратуры (при съемках картины поля) даст эффект изменения яркости свече- ния. При облучении «ковра» с микроэлементами инертного газа доля- ми с модуляцией прямоугольными импульсами фиксируемый дина- мический диапазон весьма невелик, и этот метод можно использо- вать только для простейших случаев, например, для обнаружения утечек в аппаратуре. Средние мощности генератора на 2...4 порядка ниже используемых при других способах визуализации и легко могут быть получены в лабораторных условиях. Методы визуализации могут быть использованы для обнаруже- ния утечек СВЧ энергии, создающих потенциальную опасность пере- облучения личного состава, и исследования распределения поля внутри биообъектов при экспериментальном облучении (см. также «Методы неразрушающих испытаний». М., «Мир», 1972, с. 447). 6.2. ПРАКТИКА ИНТЕНСИМЕТРИИ ПОЛЕЙ В зоне действия мощных РТС группа контроля об- лучаемости выполняет ряд задач по подготовке, обеспе- чению и проведению измерений. Существенная доля всего времени, отведенного на вы- полнение комплекса измерительных работ внешнего (антенного) поля радиотехнических средств, выделяется на работы, связанные с выбором точек измерения, рас- становкой опознавательных знаков на трассе, подготов- кой средств связи, плана управления устройствами пере- мещения антенны, обеспечения безопасности операто- ров, работающих с измерительной аппаратурой. После подготовки и согласования с персоналом излучающей станции планов проводятся сами измерения. Как пока- зывает опыт, вносить в процессе измерений изменения в разработанный план крайне нежелательно, и на это надо идти в самых крайних случаях. Такие изменения обычно влекут за собой резкое удлинение сроков изме- рений, часто сопровождаются грубыми промахами при количественном описании результатов измерений. После обычной обработки результаты измерений используются для оценки опасности отдельных точек либо всей терри- тории. Для дальнейшего использования результатов из- мерений бывает удобно строить границы нормирован- ных зон—линий на местности, на которых ППМ равна 10, 100, 1000 мкВт/см2. Результаты измерений, прове- денных с необходимой тщательностью, могут быть ис- пользованы для коррекции ВДИ. Измерение внутренних полей требует известных на- выков. В особенности это относится к измерению полей 249
в длинноволновом участке СВЧ диапазона. К трудным следует отнести условия измерения на борту кораблей и особенно летательных аппаратов (вертолетов, самоле- тов), снятие разреза поля с помощью измерителей, уста- новленных на шарах-зондах, и т. п. На некоторых из этих случаев мы коротко остановимся. 6.2Л. Выбор мест измерения на местности и подго- товка к работе. Измерение полей па местности можно отнести к разряду обычных работ, однако законченного свода правил пока нет. Выбор места измерения обусловливается характером предстоящей работы (определение опасности в отдель- ных точках, общая гигиеническая характеристика мест- ности, общая характеристика радиополя и т. п.), релье- фом в зоне станции и техническими возможностями. К наиболее простым задачам можно отнести опре- деление потенциальной опасности в отдельных точках: в местах возможного скопления людей, в обращенных к антеннам станций окопных проемах жилых зданий и т. п. Измерения проводят на верхнем, одном-двух средних, нижнем этажах здания и обязательно на зем- ле на уровне человеческого роста. Однако по горизон- тали, если территория облучается станциями с вращаю- щимися антеннами, выбор мест можно ограничить толь- ко точками, находящимися на существенно различных расстояниях от антенны передатчика или в радиотени различной плотности (разная густота деревьев перед до- мом и т. п.). Обычно измерения проводятся только при прямой видимости антенны, но при очень высоких воз- можных ППМ и при отсутствии прямой видимости. Для излучателей, работающих на нижнем участке СВЧ диа- пазона, причиной повышения уровня плотности мощно- сти в области тени может явиться дифракция, величину которой Вдиф можно подсчитать по графикам, приведен- ным па рис. 5.2.7. При измерении интенсивности поля по радиальной трассе выбор определяется следующими требованиями: — трасса не должна иметь значительной вертикаль- ной неравномерности; средний наклон ее должен быть не ниже среднего наклона местности в наиболее ответ- ственных направлениях; — трасса должна быть открытой, т. е. с любой точ- ки трассы должна быть прямая видимость антенны стан- ции; желательно, чтобы на трассе отсутствовали боль- 250
шие металлические сооружения (мачты высоковольтных передач и т. п.), искажающие общую картину поля; — в выбранном угловом направлении должно доста- точно просто обеспечиваться управление антенными при- водами; — трасса должна быть проходима для транспорта, если в процессе измерений используются автосредства. Выбор расстояния до точек измерения на трассе про- изводится но закону, близкому к логарифмическому (на- пример, 50, 100, 200, 500, 1 000 м и т. д.). Следует рекомендовать выбор направления прохода трассы от станции’, это позволит избежать различных не- доразумений, неизбежных при измерении вдали от точ- ки излучения при малом уровне сигнала (тем более в от- сутствие прямой связи пункт приема — передатчик). При работе на трассе измерения обычно проводятся на одной (1,6 ... 2 м) или двух (1,6 и 3 м) высотах относительно земли. Снятие вертикального разреза поля — наиболее тру- доемкий вид измерительных работ на местности. Изме- рения проводят на трассе, которая должна удовлетво- рять обычным требованиям (см. выше), но в каждой точке трассы измерения проводятся на четырех-восьми высотах до 15 ... 20 м относительно уровня земли. По- следнее заставляет предъявлять особые требования к трассе в отношении проходимости для больших авто- машин с подъемниками; значительно увеличивается вре- мя измерений, но зато па основании таких измерений оказывается возможным прогнозировать облучаемость высотных объектов, находящихся еще в стадии строи- тельства, а также определять, хотя бы приближенно, эффект от качания луча или изменения высоты ан- тенны. Разработка системы связи — ответственный момент в подготовке к измерениям. Чаще всего прибегают к ра- дио-, телефонной связи или визуальной сигнализации с помощью сигнальных флажков. Как показывает опыт, всегда удобнее применять радиосвязь, тем более, если измерения проводятся на автомашинах. В некоторых случаях, особенно если для измерений применяется ма- лоинерционная аппаратура и если в процессе измерений режим излучений не меняется, можно обойтись без спе- циальных средств связи. Например, измерительные ра- боты в зоне действия РЛС кругового обзора с постоян- 251
ным углом наклона антенны могут быть проведены во- обще в режиме нормальной работы, и подготовка станции к измерениям будет заключаться только в том, чтобы было выполнено единственное требование — не выключать передатчик и не изменять его мощности до конца измерений. К подготовительному этапу относится также провер- ка измерительной аппаратуры, проводимая в соответст- вии с инструкцией по эксплуатации, а также расчет сте- пени биологической опасности для лиц, проводящих из- мерения (при этом можно рассчитывать поле или при- менять готовые ВДИ). Считая, что воздействие поля па операторов носит прерывистый характер и не превосхо- дит двух часов в сутки, можно допустить работу без защитной одежды при ППМ не более 1 000 мкВт/см2. При превышении этого уровня следует пользоваться за- щитной одеждой, уменьшать в несколько раз выходную мощность передатчика или в крайнем случае работать на углах наклона антенны несколько выше рабочих. 6.2.2. Измерения в поле антенны. Начало измерений целесообразно планировать на время, наиболее свобод- ное от специальных работ на станции. Если передающая аппаратура может работать в режиме периодического сканирования или вращения, то при использовании ма- лоинерционных измерителей направление излучающей антенны па точку измерения (обычно только в горизон- тальной плоскости) может быть выбрано весьма при- близительно *. При работе с инерционной аппаратурой (например, приборы ПО-1) обычный режим сканирования или вра- щения исключается. Во время работы антенна направ- ляется на точку измерения и в течение всего процесса измерения остается неподвижной или покачивается в сек- торе относительно выбранного направления. При мед- ленном сканировании фиксируется наибольшая ППМ. Работа с ПО-1 при работе в таком режиме излучателя несколько затруднена тем, что в соответствии с принци- пом работы измерителя мощности компенсацию разба- * Влияние земли приводит к появлению значительного эксцен- триситета эллипса поляризации у земли при падении даже волны с поляризацией, близкой к круговой. Например, при отражении от земли, поросшей травой, эксцентриситет доходит до 2000 [191], по- этому поляризационный поиск даже для станций с круговой поляри- зацией всегда обязателен. 252
покачивании*антенны Рис. 6.2.1. Определение баланса по биссектрисе угла качания стрелки нуль-индикатора измери- теля мощности прибора ПО-1 (сектор кача- ния 2а). ланса моста следует проводить при поддержании неиз- менным направления излучения в течение по крайней мере 3 ... 5 с, т. е. фактически приостановленной антенне. Работа при остановленной антенне не дает уверенности в том, что фиксируется максимум поля, поэтому во всех случаях режим периодического покачивания более пред- почтителен. При этом рекомендуется пользоваться сле- дующим приемом: при медленном передатчика следует отметить наибольший разбаланс по инди- катору нуля, а затем, закрыв при- емную антенну (или отсоединив ее, а иногда просто положив на землю и направив от станции), ручкой установки нуля выставить такой же разбаланс искусствен- но и в дальнейшем произвести обычные операции для компенса- ции разбаланса и отсчета мощ- ности. Следует отметить, что при фиксации баланса по биссектри- се утла качания стрелки нуль- индикатор (рис. 6.2.1) прибором ПО-1 можно проводить.измерения средней плотности мощности излучения сканирующих антенн, даже если частота сканирования значительно ниже гарантируемых 50 Гц—вплоть до 1 ... 2 Гц. Как показал эксперимент, при длительностях импульсов до 0,5 мс дополнительная ошибка измерения при этом не превышает ±1 дБ. Перед измерениями ППМ медленно- периодических излучений импульсных РЛС необходимо проверить выполнение условия электрической прочности термистора, допускающего импульсную мощность 50 Вт: Г/изм^эффб/уЮ-6 <50, (6.2.1) где /Уизм —предполагаемый уровень средней ППМ, мкВт/см2; 3Эфф — величина эффективной поверхности измерительной антенны, см2; q — скважность импульсов, генерируемых РЛС; у — скважность сканирования. Для работы на больших (обычно до 15 ... 20 м) вы- сотах можно использовать подъемники, смонтированные на автомашинах. При этом поднимается либо оператор с прибором, либо только антенны прибора. Например, 253
если измерения проводятся прибором ПО-I, поднимать можно только антенну; при этом ее подключают к нахо- дящейся внизу термисторной головке через высокоча- стотный кабель (его затухание определяется заранее и учитывается при обработке результатов измерений). Если пределы изменения уровня поля по высоте отно- сительно невелики, можно поднимать антенну и терми- сторную головку, соединенные непосредственно или че- рез аттенюатор. В этом случае никакие дополнительные потери низкочастотного кабеля, естественно, не учиты- ваются. Для станций с эллиптической поляризацией и при значительном влиянии побочных отражений приходится осуществлять поляризационный поиск, вращая приемную антенну, измеряя интенсивность в максимуме и мини- муме. Более удобно проводить измерения с помощью неполяризованных зондов, которые позволяют эффектив- но применять систему автоматической записи результа- тов измерений обычными самописцами, дополненными устройством записи меток высоты. При измерении полей от станций, имеющих две или несколько одинаковых антенн, не следует полагаться на их идентичность (например, по данным измерений диа- граммы в дальней зоне); нередко разница в уровнях ближнего поля таких антенн превосходит 5 или даже 10 дБ, т. е. измерения (так же, как и расчет) необходимо проводить индивидуально для каждой антенны. 6.2.3. Обработка результатов измерений внешних по- лей. После проведения измерительных работ иногда приходится прибегать к дополнительной обработке ре- зультатов измерений. Эта обработка заключается в сле- дующем. 1. При существенном различии в результатах повтор- ных измерений, проводимых в одних и тех же точках, если эти различия обусловлены несовпадением условий излучения и измерения (а не промахами — их удается диагностировать в процессе измерений и сейчас же пере- проверять данные), необходимо сделать выборку макси- мальных значений ППМ и уже их использовать в даль- нейшем для заключения о потенциальной опасности об- лучения полем в данной точке. 2. Приведение измеренных ППМ к номинальной мощ- ности, если для обеспечения безопасности операторов группы контроля и посторонних лиц, снижения нагрузки 254
па передатчик и т. п. измерения проводились при сни- женной в Кр раз мощности излучения, заключается в простом умножении ППМ на Хр. 3. Иногда, опять-таки для обеспечения безопасности при измерениях и в некоторых особых случаях, прихо- дится производить измерения при угле наклона электри- ческой оси антенны, значительно большем рабочего угла. Иногда приходится использовать имеющиеся результа- ты измерений для оценки влияния изменения высоты антенны, например, при проектировании защиты мето- дом подъема излучающей антенны на эстакаду. Во всех подобных случаях речь идет об изменении приведенного угла в дп раз. Приближенно оценить влияние этого из- Рис. 6.2.2. График пересчета измеренных ППМ для изменения приведенного угла в бп раз. менения углов и высот для апертурных антенн можно на основании аналитических выражений графиков для масштабной функции М(п) (см. рис. 4.3.6) или по графи- ку рис. 6.2.2., где изменения огибающей поля kn даны в виде функции аргумента би для нескольких целых зна- чений уровня первого бокового лепестка 61 в децибелах. При использовании этих графиков следует на осно- вании формулы («5.1.1) определить отношение би при- веденных углов — начального и измененного — и затем по графику определить значение &п, соответствующее известному уровню первого бокового лепестка 6t. 4. Пересчет единиц измерения встречается па прак- тике крайне редко, например, при сравнении данных из- мерений ППМ в диапазоне 0.15 ... 0,3 ГГц, полученных измерителем ППМ (прибором ПО-1) с нормативами, установленными для этого диапазона в СССР в едини- цах напряженности электрического поля, или при оценке 255
потенциальной опасности облучения энергией СВЧ в ре- активном поле на основании измерений напряженности одной из составляющих ноля. Во всех этих случаях для пересчета можно пользоваться известными соотношени я ми л = £2.102/377, £— 1,94/77, (6.2.2а) (6.2.26) где П .[мкВт/см2]; Е [В/м] (эффективные значения). 6.2.4. Особенности условий облучаемости на борту корабля. К особенностям условий облучаемости в этом случае следует от- нести очень высокую насыщенность радиоизлучателями и высокую степень влияния на формирование ноля металлических предметов, имеющих очень широкий диапазон электрических размеров: от сотых долей до единиц и десятков длин волн. Первая особенность осложняет не столько условия измерений (здесь, как и везде, считается обязательным во время измеритель- ных работ включение на излучение только проверяемой антенны, остальные должны быть выключены), сколько оценку потенциальной опасности полей, уровни которых уже известны. Если считать обыч- ной существенную нестабильность положения экипажа и пассажи- ров относительно излучающих антенн, то оказывается, что здесь наиболее целесообразно оценивать облучаемость методами дози- метрии -(вкратце рассмотренными ниже, § б.З). Вторая особенность, влияние близкорасположенных металличес- ких поверхностей с размерами элементов, меньших, равных и больших длины волны, приводит к количественным и качественным изменениям первичного поля [53]: к снижению контрастности карти- ны пространственного распределения поля из-за исчезновения глу- боких теней и к появлению значительной качественной неоднород- ности поля из-за реактивного характера поля осциллирующих (пе- реизлучающих) элементов и установления четко выраженных стоя- чих волн в пространстве. Наконец, к особенностям обстановки на плавсредствах следует отнести возможность резкого повышения уровня поля во время качки (особенно килевой) от передающих антенн с автосопровож- лением. Поэтому заключение о потенциальной опасности на осно- вании результатов измерений, проводимых от таких антенн во время спокойной погоды, не является полным. При невозможности про- вести измерения ППМ в условиях качки следует пользоваться либо расчетными методами, либо методами и средствами индивидуальной дозиметрии. 6.2.5. Определение облучаемости на борту летательных аппара- тов. Летный состав самолетов и вертолетов может подвергаться радиовоздействию от полей наземных РЛС (наиболее опасные из них — с автосопровождением) и собственных передающих антенн [162]. Обычно применение специальных мер защиты позволяет до необходимого минимума уменьшить собственное радиополе, поэтому измерение его интенсивности достаточно проводить только на этап0 наземных испытаний. 256
Внешнее поле в приаэродромной зоне и вблизи мощных радио- локационных станций отличается большим временным и спектраль- ным разнообразием при плотностях, которые могут представить гласность для летчика. Поэтому вопросу безопасности приходится •уделять здесь особое внимание. Из-за малого времени и высокой стоимости полетов для измерений полей в кабине летательного аппа- рата можно применять только малоинерционную интенсиметриче- скую аппаратуру, лучше всего — с прямым отсчетом. В общем слу- чае, если число трасс заранее не ограничено или измерить ППМ от всех источников заранее невозможно, целесообразно пользовать- ся средствами дозиметрии или полагаться на результаты расчета (см. § 5.1). 6.2.6. Специфика измерений внутренних полей. На точность измерения внутренних полей влияют прежде всего: — размер приемной антенны вследствие высокой про- странственной неоднородности распределения падающего поля по апертуре антенны вблизи радиоотражающих поверхностей (происходит как бы пространственное усреднение уровня); — несовпадение структур того поля, для измерения которого предназначена антенна, и реактивного поля излучающих щелей и переизлучающих вибраторов как на малом от них расстоянии (расстояния значительно меньше длины волны), так и на сравнительно больших расстояниях в поле стоячей волны, образующемся в за- мкнутом пространстве. Известно, что при сферической волне допустимое расстояние от излучателя для зонда размером L будет 2Л2/%, на меньших расстояниях фазовая неоднородность будет больше, чем л/8, что приведет к значительным ошибкам измерения. Таким образом, для обычных одпо- волновых или полуволновых антенн-зондов минимально допустимое расстояние не превышает X ... л/2. Па мень- ших расстояниях использовать для оценки биологиче- ской опасности результаты измерений плотности падаю- щей мощности обычными антеннами недопустимо вслед- ствие появления признаков реактивного поля вблизи осциллирующих щелей (см. также п. 1.2.2, •§ 3.1 и 6.1). Выше (§ 3.1) мы рассмотрели электромагнитную структуру поля электрически малых вибраторов. Пред- положим, что эта структура некоторым образом соответ- ствует картине поля вблизи единичных отверстий (не- плотностей) в экранах шкафов, внутри которых нахо- дятся источники электромагнитной энергии, падающей на экран с отверстиями. Если бы задача определения 17—393 257
момента диполя в выражении (3.1.8) была практически решаема, можно было бы определить величину дифраги- ровавшего на отверстии поля прямым путем на основа- нии полученного нами выражения для /7ср. Между тем, ни измерить, ни рассчитать эту величину на практике Излучающая аппаратура Измерительная антенна Экран с осциллирующим отверстием Ко входу измерителя мощности Рис. 6.2.3. К расчету биологической опасности вблизи шкафов с мощной СВЧ аппаратурой: <г — расстояние, на котором следует оценить потенциальную опасность; R — расстояние, разрешенное для измерения данной антенной с активным вибратором L^K/2. не удается, и поэтому пока можно рекомендовать поль- зоваться после соответствующего пересчета результатами измерений плотности падающей мощности, проведенны- ми на расстояниях далее (0,5... 1)Х. Как сделать этот пересчет? Считая щель точечным источником излучения (в боль- шинстве практических случаев это вполне допустимо), пересчет ППМ из значений, определенных на расстоянии R, в значении ППМ на расстоянии г (рис. 6.2.3) можно вести по квадрату расстояний. С расстояний Л/2л и ближе учет реактивного характера поля можно прово- дить с помощью так называемого «коэффициента ре- активности» (см. § 3.1), полученного после несложных преобразований выражения (3.1.8). Окончательное вы- ражение для расчета уровня поля ПТ на расстоянии г при измерении поля антенной, активный вибратор кото- рой на данной частоте находится на расстоянии R от 25S
Источника геометрически малых размеров (рис. 6.2.3), записывается так: ^=/7«(4)Г*+Ж’ <623) где flR — измеренный уровень поля, п=2 для точечного источника, /1=1 для щели. 6.3. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РАДИОБЕЗОПАСНОСТИ. ДОЗИМЕТРИЯ СВЧ * Традиционные методы одноразового или периодиче- ского контроля облучаемости с помощью интенсиметров неудобны по двум причинам. Во-первых, неавтоматиче- ские интенсимстры требуют специального выделения времени и группы людей, способных произвести необхо- димый минимум измерений и правильно их обработать. Во-вторых, даже при самом удачном выборе методики измерения и обработки полученных данных результатов обследования приходится надеяться на типичность усло- вий измерений по крайней мере в статистическом плане; иначе говоря, при существенном разнообразии радиаци- онной обстановки результатам периодического и тем более разового контроля приходится доверять с особыми оговорками. Наконец, интенсиметрия не позволяет пер- сонализировать данные контроля облучаемости. Данные об условиях облучения рабочего места могут служить только характеристикой этого рабочего места, но никак не характеристикой облучаемости работающих. Если да- же исключить требование интегральной оценки облучае- мости всего тела, здесь нс учитывается по крайней мере два необходимых параметра: время пребывания под из- лучением и реальный уровень воздействующего поля. Обычно же во время контрольных проверок, особенно неквалифицированным персоналом, фиксируется уровень поля при таких невероятных, наверняка неправильных положениях антенны измерителя, что данные измерений можно считать завышенными во много раз. * В разработке ряда вопросов дозиметрии принимали также участие Н. И. Бабкин, Г. Я. Воронков, А. М. Гуревич, Е. А. Лепор- ская, А. Г. Неделяев, Л. В. Толстой. 17* 259
Цель введения автоматического контроля — снижение трудоемкости измерений, объективизация и персонализа- ция оценки биологической опасности. По порядку воз- растания трудности технической реализации и приблизи- тельно по степени возрастания объема и ценности полу- чаемой информации приборы автоматического контроля можно перечислить в таком порядке: Индикаторы (сигнализаторы) превышения заданного уровня ППМ. Выполняются в индивидуальном (носи- мом) и коллективном (стационарном) вариантах. Такие приборы уже давно применяются в лабораториях П. Л. Каницы (Ин-т физических проблем АН СССР) [22]. Дозиметры радиоколебаний, осуществляющие инди- видуальный или коллективный контроль облучаемости с учетом времени воздействия. В необходимых случаях такие дозиметры могут иметь выводы для сигнализации о степени опасности (по накопленной дозе или но уров- ню). Дозиметры применяются как у нас, так и за рубе- жом [22, 101, 190]. Зачастую они выполняются с малым временем усреднения без устройств накопления резуль- татов. Такие приборы принято называть измерителями мощности дозы. Интенсиметры-самописцы для непрерывной записи уровня ППМ во времени. Основная задача применения таких приборов — автоматизация измерений ППМ и, кроме того, получение данных для вероятностной оценки временных характеристик облучаемости местности. Ин- тенсиметры-самописцы принципиально мало отличаются от обычных интенсиметров с прямым отсчетом и поэтому здесь не рассматриваются. Общим для автоматических контрольных приборов является требование высокой общей (амплитудно- поляризационной) изотропности* приемного зонда. Изве- стно [180], что для поперечных волн даже только про- странственно-изотропную антенну получить нельзя, по- этому для увеличения изотропности в стационарных устройствах применяются различные технические прие- мы (например, периодическое сканирование антенн-зон- дов) либо используется предварительная информация о преимущественном направлении прихода волны и ее поляризации. В индивидуальных дозиметрах, использу- ющих простейшие антенны типа одиночных вибраторов, * См. сноску на стр. 268. 260
достаточно высокая пространственно-поляризационная изотропность реализуется в статистическОхМ понимании, в расчете на существенную неопределенность перемеще- ний антенны приемника вместе с корпусом человека. Для условий, когда место оператора относительно постоянно, дозу легко рассчитать на основании падающей ППМ и среднего времени облучения, и поэтому использовать дозиметры нецелесообразно. Кстати, антенны типа оди- ночных вибраторов имеют диаграммы с очень узкими минимумами, поэтому возможность искажения результа- тов индивидуальной дозиметрии даже для неподвижно- го человека можно не принимать во внимание. 6.3.1. Существующие индикаторы поля. Функциональ- ная схема индикаторов [22, 166] такова: антенна— (атте- нюатор) — детектор — (усилитель) — амплитудный дис- криминатор 4-расширитель импульсов — генератор сигна- ла опасности — звуковой сигнализатор. Порог опасности устанавливается изменением затухания СВЧ аттенюато- ра или порога срабатывания амплитудного дискримина- тора. Для получения многопороговой индикации приме- няют набор амплитудных дискриминаторов, переключаю- щих либо амплитуду выходного сигнала, либо его ча- стоту. Практические схемы обычных индикаторов-сигнали- загоров относительно просты. Основное внимание при их разработке приходится уделять экономичности устройст- ва в ждущем режиме. Необходимость формировать и из- лучать достаточно мощный сигнал опасности не позво- ляет выполнить их совсем без источника питания, по ток в холостом режиме удается снизить до пренебрежи- мо малых величин. Детекторные схемы индикаторов являются сейчас основными для фиксации относительно небольших уров- ней непрерывных колебаний. Для работы в импульсных полях высокой пиковой интенсивности (выше 60 ... 320 мВт/см2) используются газонаполненные лампы [89]. Работа таких датчиков возможна в диапазоне 50 ... 3 000 МГц (см. табл. 6.1.2). Вследствие возможного психологического влияния на персонал считается целесообразным применять приборы с немедленной сигнализацией опасности только в особо доказанных случаях, когда возможно воздействие уров- ней или доз, безусловно опасных и требующих немед- ленных мер защиты. В соответствии с современными 261
нормативами безусловно опасным уровнем следует счи- тать величину 1 ... 10 мВт/см2 или даже более [85, 119а]. Применение системы сигнализации о кратковременном облучении полями меньших плотностей следует считать нецелесообразным. Одна из практически применяемых схем одпопорогового инди- катора-сигнализатора [22] включает в себя антенну в виде элемен- тарной рамки, диод-детектор (ДК-В4), однокаскадный усилитель постоянного тока, однополупериодный мультивибратор и затормо- женный генератор низкой частоты, нагруженный на звуковой излу- чатель ДЭМ-4. При достижении заданного уровня облучающего поля система выдает громкий звуковой сигнал на частоте 800...1000 Гц. Схема собрана в небольшом корпусе, питается от ба- тарей типа КБС и ФБС. Вследствие того, что в режиме ожидания потребляемый ток оказывается одного порядка с током саморазряда батарей, выключатель питания в приборе не предусмотрен. Прибор предназначен для работы в комнатных условиях. Дополнение индикаторов уровня счетчиками времени (по каж- дому уровню отдельно) позволяет получить простейшие устройства, фиксирующие время воздействия поля. Однако практического рас- пространения такие индикаторы-дозиметры не получили: достаточно сложные схемио, обязательно с источниками питания, эти приборы, между тем, грубы и неточны; несмотря на кажущуюся простоту формы результатов измерения, объективная оценка опасности с по- мощью таких приборов практически невозможна. Поэтому в на- стоящее время для учета временных характеристик воздействия используются дозиметры, показания которых пропорциональны ин- тегралу плотности потока мощности по времени. 6.3.2. Дозиметры радиоизлучений. Дозиметры радио- излучении в зависимости от принципа отсчета дозы можно разделить на два типа в соответствии с прин- ципами нормирования, принятыми в обеих странах, раз- рабатывающих дозиметры: в СССР и США. В дозимет- рах обоего типа фиксируется величина накопленной дозы за некоторое время. В СССР величина этого времени ненормирована, и все отечественные дозиметры строятся по типу накопителей за более или менее про- должительное время. В США величина Та строго нор- мирована. До недавнего времени отдельными ведомства- ми США она была установлена равной 30 с [101]. С введением в 1966 г. единого стандарта США (USAS С.95.1 —1966 [85]) она была увеличена до 6 мин. Таким образом, при сокращении времени воздействия Тп от 7н=6 мин и менее допустимая ППМ /7ДОц возрастает от /"/,!= 1 ... 10 до 80 мВт/см2 и более при времени разо- вого (за каждые 6 мин) воздействия доли минут и менее. Схемы дозиметра, построенные по этому тину, берут пробы ППМ за выбранное время усреднения и перио- 262
дически сравнивают ее с нормативной величиной: тН птлиму -%. 6 Левая часть неравенства — это фактически выраже- ние для мощности дозы, поэтому приборы, работающие по такому принципу, правильнее называть измерителями мощности дозы. Эти приборы уже построены и исполь- зуются, в частности, в США, но непригодны для исполь- зования в соответствии с принятыми у нас нормативами. Действительно, измерители мощности дозы с регистра- цией дискретных доз, или дискрет-дозиметры, имеют кратковременную память, соответствующую установлен- ным ДЕ и Ти (обычно 0,3 Дж/см2 при TV^IO2... 103 с и поэтому'' не могут дать представление об облу- чаемости человека в течение сколько-нибудь длительно- го времени. Эту функцию могут выполнить дозиметры второго типа, фиксирующие плотность падающей дозы в реальном времени, т. е. определяющие величину, про- порциональную ( Il(t)dti где Т — время измерения. о В зависимости от назначения, память таких реал-дози- метров может составлять от нескольких единиц до сотен джоулей на квадратный сантиметр при времени непре- рывной регистрации единицы и сотни суток. Общим в конструкциях дозиметров и измерителей мощности дозы является наличие элементов памяти инте- грала уровня по времени. Элементы памяти реализуются, в основном, двумя способами: с помощью интегрирова- ния тепла, выделяемого при абсорбции электромагнитной энергии телами с высокой тепловой инерцией (антенные и безантенные варианты) или с помощью интегрирова- ния тока детектора (термистора, термопары, кристалли- ческого диода и т. п.), включенного на выходе антенны- зонда. Достоинством приборов, выполненных первым способом, является возможность обойтись без детектора и даже без антенны, однако безантенные варианты до- зиметров имеют очень низкую чувствительность и под- вержены влиянию внешних тепловых помех. Действи- тельно, в среднем тепловые потоки от тела «стандарт- ного» человека в спокойном состоянии и дополнитель- ный поток энергии при облучении его средней плотно- 2(53
стыо мощности порядка 10 мВт/см2 считается равным соответственно 77 ... 89 и 57,5 Вт, а тепловой поток от человека, выполняющего умеренную работу — 293 Вт*, поэтому выполнить безантенные дозиметры для индиви- дуального пользования не удается (даже при лучшем ре- шении вопроса нейтрализации антенного эффекта устройств ввода температурных датчиков). Насколько можно судить по данным, имеющимся в доступной ли- тературе, испытания первого безантенного бездетектор- ного индивидуального измерителя мощности дозы — «дозиметра Ричардсона» — не оказались успешными [190]. Практические конструкции антенных бездетекторных дозиметров пока не созданы. Для получения более высокой (но сравнению с безантенными вариантами) чувствительности и помехозащищенности эти дозиметры требуют применения высокоэффективных и, следова- тельно, высоконаправленных антенн, а поэтому тоже могут быть реализованы только в виде стационарных конструкций, предназначенных для регистрации излуче- ний с одного заранее известного направления. Все известные к настоящему времени реал-дозимет- ры в носимом или стационарном исполнении сделаны в виде антенно-детекторных устройств. Динамический диапазон диодных детекторов (тем более по пиковым уровням) намного шире, чем, например, термопар или термисторов, однако это достоинство, как известно, реа- лизуется только при использовании высокочувствитель- ного усилителя. Возможность и необходимость работы при относительно высоком входном сигнале благоприят- ствует применению в диодных детекторных дозиметрах малочувствительных, но зато широкополосных антенн- зондов вместе с согласующими аттенюаторами, сглажи- вающими частотные характеристики зондов. 6.3.3. Элементы памяти реал-дозиметров. Детекторные антенные и безантепные дозиметры используют внешние элементы памяти, выполняемые па отдельных элементах: химических или механиче- ских интеграторах. * В одной из известных работ Мамфорда [85] определение стан- дартного человека дано так: площадь поверхности его тела равна 1,858 м2 (такова поверхность тела мужчины ростом 1,73 м и весом 69,85 кг) с температурой кожного покрова 35 °C. Эквивалентная по- верхность тела, через которую осуществляется теплообмен путем конвекции и испарения, составляет 1,81 м2 и, кроме того, 1,44 м2 для теплообмена, обусловленного всенаправленным излучением. 264
Механические интеграторы (накопители) выполняются обычно как электромагнитные счетчики импульсов с декадными дисками. К основным достоинствам механических счетчиков относят цифро- вой вывод и высокую точность счета: при объеме памяти 1О4...1О5 единиц дискретность счета составляет одну единицу. Однако для биологической защиты высокая абсолютная точность не имеет зна- чения, поэтому из-за явных недостатков механических счетчиков (сложности и неэкономичности схемы управления, больших габари- тов и массы чувствительности к механическим воздействиям и ма- лой надежности) в новых разработках они, как правило, ле при- меняются. Рассмотрим несколько типов химических интеграторов, пригод- ных для работы в дозиметрах СВЧ. Электрохимические (химотронные) интеграторы (кулометры) [76], основанные ла изменении концентрации вещества в опреде- ленном объеме в зависимости от протекающего через него количе- ства электричества, называются диффузионными и выполняются обычно в виде двух-, трех- или четырехэлектродных систем, по- мещенных в электролит (например, типа йод-йодид: раствор кри- сталлического йода в йодиде калия KJ). В двухэлектродных интеграторах отсчет показаний производит- ся наблюдением за цветом раствора или измерением возникающего между электродами так называемого концентрационного напряже- ния, которое находится в определенной функциональной зависимо- сти от интеграла протекавшего тока по времени. Величина этого напряжения находится в пределах —10...4-80 мВ; его можно изме- рить после окончания цикла работы внешними милливольтметрами. Интеграторы-триоды позволяют вести непрерывное считывание интеграла измерением сопротивления электролита в анодкамере, однако они обладают относительно небольшой памятью и для «улуч- шения» памяти применяют четвертый (экранный) электрод. Недо- статком тетродов, особенно заметных в схемах, предназначенных для работы в течение длительного времени, является необходимость в источнике питания как в режиме считывания, так и в режиме записи. Во многих случаях наличие на входе концентрационного напряжения является недостатком прибора. Интеграторы дискретного действия предназначены для регистра- ции определенного количества электричества, прошедшего через прибор. Такие интеграторы выполняются в виде герметичной за- полненной электролитом (обычно раствором хлористого натрия) стеклянной ампулы с двумя или тремя электродами, на один из которых нанесено определенное количество вещества. После пере- носа всего количества этого вещества резко изменяется падение напряжения на электродах; это изменение напряжения и исполь- зуется для отсчета заданного количества заряда. Интегрируемые токи таких интеграторов (с использованием в качестве активного вещества хлористого серебра) составляют 0,01... 1000 мкА, в импульсном режиме до 1 А. Для одного типа интеграторов от ношение максимальных -и минимальных рабочих то- ков находится в пределах 20 и более. Мемисторы — химотронные интеграторы, основанные па измене- нии сопротивления проводника в результате осаждения на него металла или анодного растворения. В одном из типов мемистров используется осаждение меди из раствора медного электролита на пленку или проводник из металла с высоким удельным сопротив- 265
лёнием. Для измерения сопротивления провода или пленки при счи- тывании применяются мосты переменного тока. Мемисторы отличаются очень высокой памятью (потери порядка 0,02% в сутки), высокими входными токами (в пределах несколь- ких миллиампер) при входной мощности по цепи входа порядка 1 мВт. Обычные пределы изменения сопротивления — от единиц до десятков и сотен ом. Мемисторы по сравнению с интеграторами диффузионного типа весьма температуростабильны и устойчивы к ударным нагрузкам и вибрациям. Основной режим работы меми- сторов— счет импульсов постоянной амплитуды; известно также применение мемисторов для высокочастотной модуляции и в каче- стве управляемых сопротивлений. Ртутные капиллярные кулометры (РКК), или ртутные счетчики времени, весьма интересны с точки зрения применения в СВЧ ра- диометрах. РКК состоит из стеклянного заполненного ртутью ка- пилляра. Между столбиками ртути находится капля электролита, содержащего одновалентные или двухвалентные ионы ртути. При протекании через систему ртуть — электролит — ртуть тока столбик ртути с положительной полярностью будет уменьшаться в резуль- тате анодного растворения, а столбик ртути с отрицательной поляр- ностью увеличиваться в результате осаждения на нем ртути. Для отсчета длины перемещения электролита на капилляре нанесены риски. Если необходима регистрация определенных количеств элек- тричества, в капилляр впаиваются электроды, позволяющие осуще- ствлять дискретный электрический съем показаний. РКК нормально работают в режиме интегрирования тока не более 100...300 мкА, при особо чистых растворах — до 5 -мА. Их со- противление зависит от температуры (отрицательный температур- ный коэффициент около 2 Ом/°С), силы тока (см. ниже) и даже положения относительно вертикали, поэтому для работы в обычных схемах линейного интегрирования тока последовательно с РКК должен быть включен резистор с большим сопротивлением. Чув- ствительность РКК с одновалентной ртутью составляет около 70 000 мм/А • ч при капилляре диаметром 0,1 мм и уменьшается пропорционально квадрату диаметра. С двухвалентной ртутью чув- ствительность РКК снижена вдвое. Погрешность работы РКК — единицы процентов; этой же величины пе превышает дискретность визуального отсчета. Водородные кулометры основаны на использовании выделения или поглощения газа в результате электролиза. В водородных ку- лометрах используется выделение водорода в результате электро- лиза водных растворов щелочи или кислоты. Водородный кулометр состоит из встроенной в замкнутую стеклянную трубку системы платиновых электродов, между которыми находится фильтр, про- питанный раствором серной кислоты. При прохождении между элек- тродами тока на катоде будет выделяться водород; па аноде водо- род с такой же скоростью будет поглощаться. Появившаяся раз- ность давлений фиксируется по перемещению столбика жидкости, помещенного в капилляр. К числу важных достоинств газовых ку- лометров относится очень малое входное сопротивление (единицы ом) и его независимость от температуры и силы тока. Следует отметить, что все химотроняые интеграторы являются реверсивными счетчиками, т. е. при изменении направления тока изменяется и направление отсчета интеграла. 266
6.3.4. Применяемые конструкции дозиметров СВЧ. Описаний конструкций дозиметров СВЧ в литерату- ре можно найти немного. Из д.искрет-дозиметров извест- ны фактически только два. Уже упоминавшийся нами дозиметр Ричардсона [190] выполнен па материале (же- латине), близком по структуре к телу человека. Посто- янная времени дозиметра — всего 6 мин, поэтому он принципиально не может быть использован для долго- временного контроля. Основным недостатком прибора является очень высокая зависимость показаний от внеш- них тепловых помех. Например, при выносе прибора из комнаты наружу или прикосновении руки оператора изменения показаний оказываются во много раз боль- шими, чем при облучении. Дискрет-дозиметр, описанный в [101], — антенный детекторный прибор с кратковременной памятью на тет- род-солиопе. Дискретность по времени — 30 с, номиналь- ный средний уровень—10 Мвт/см2 Индикация световая и звуковая. Имеется три порога срабатывания по 30-с дозе, соответствующие трем степеням опасности при на- коплении 0,3; 0,6 и 3 Дж/см2. В прибор встроена система плавной индикации доз с использованием сложной элек- тромеханической системы отслеживания на сериесном двигателе. Сложность схемы, громоздкость конструкции, низкую чувствительность (всего 0.1 мВт/см2), простран- ственную и поляризационную зависимость показаний (в общем крайне нежелательную для стационарного автоматического радиометра) следует отнести к явным недостаткам прибора. Долговременные дозиметры, разрабатываемые в на- шей стране последние 10—12 лет, являются антенными детекторными приборами. Начиная с 1962 г. в Институ- те физических проблем АН СССР дозиметрические мето- ды используются для оценки облучаемости во время лабораторного эксперимента. Для этого в физической лаборатории института разработаны и построены два типа реал-дозиметров [221: стационарный для работы в диапазоне уровней от 20 мкВт/см2 до 200 мВт/см2 с объемом памяти 10 Дж/см2 и карманный, интегриру- ющий величину падающей плотности мощности от 0,1 до 10 мВт/см2 с объемом памяти 100 Дж/см2. Дозимет- ры предназначены для измерения непрерывной СВ1! мощности в диапазоне 0,3... 3 ГГц, точность измерения дозы ±3 дБ. 2G7
В стационарном дозиметре для увеличения амплитудно-поля- ризационной изотропности * применяется периодическое сканирование антенны-зонда (магнитной рамки) с помощью моторчика и криво- шипно-шатунного механизма. За основу усилителя постоянного тока положен фотокомпенсационный усилитель типа Ф17/1, нагру- женный на микроамперметр (для наблюдения за величиной плот- ности облучающего поля) и предварительный накопитель тока на емкости. При каждом сбросе накопленного заряда отсчитывается одна единица, соответствующая 0,001 Дж/см2. Для регистрации всей накопленной дозы служит механический счетчик. Особенностью конструкции является наличие сигнализаторов по двум параметрам: плотности мощности — пороговый уровень 20 мкВт/см2 и дозы — 8 Дж/см2, а также наличие устройств отклю- Рис. 6.3.1. Внешний вид кар- манного дозиметра радиоколе- баний, разработанного в Ин- ституте физических проблем АН СССР. чемия облучающего генератора при превышении заданных пороговых значений плотности мощности (600 мкВт/см2) и дозы (9 Дж/см2). В карманном дозиметре применена одна неподвижная антенна- зонд того же типа, что и в стационарном, и механический декад- ный счетчик. Схема выполнена полностью на транзисторах. Размеры и вес дозиметра позволят носить его в нагрудном кармане. Для наблюдения результата сбоку в верхней части прибора расположено окно счетчика с четырьмя цифрами (рис 6.3.1). Необходимость в источнике питания, ненадежность конструкции из-за наличия относительно сложной схемы и, главное, механического счетчика, большие габариты и масса не позволяют использовать оба типа дозиметров за пределами научно-исследовательских лабораторий. Поэтому в последнее время появился ряд конструкций долговременных дозиметров на химических интеграторах тока, обладающих существенными преимуществами пе- ред приборами с механическими счетчиками. Использо- вание в одном из таких дозиметров высокочувствитель- * Амплитудно-поляризационная изотропность — произведение коэффициента изотропности диаграммы на коэффициент поляризации. 268
него водородного интегратора значительно упростило схему прибора, которая состоит из трех основных эле- ментов: антенный узел — выпрямитель (детектор)—ин- тегратор. Антенный узел выполнен в виде двух элемен- тарных рамок, плоскости поляризации которых сдвину- ты одна относительно другой на 90°; сложение сигнала происходит уже после детектора. Таким образом, дози- Рис. 6.3.2. Схема индивидуального дозиметра на водородном инте граторе. выполняющими роль пред- Антенны нагружены на Рис. 6.3.3. Характер зависимо- стей э. л. с. <5 на выходе де- тектора от СВЧ мощности Р и сопротивления кулометра R от тока в цепи /. метр (рис. 6.3.2) имеет две антенны /, 2, закрытые полу- проводящими чехлами 3 и 4, варительпых аттенюаторов, детекторы, к выходам кото- рых через 7?С-цепочки под- кл ю чен электр ох и мич ески й интегратор 5. Калибровка дозиметра производится ин- дивидуально для каждого прибора подбором величин ограничивающих 'Сопротив- лений. Несмотря на ряд несом- ненных достоинств, дозимет- ры на ‘водородных 'интегра- торах в «индивидуальном ис- полнении не применяются, гак как они очень чувстви- тельны к тряскам. Кроме того, из-за нелинейности ха- рактеристик диода детектора точность измерения дозы сильно зависит от динамического диапазона сигнала *. * Вообще говоря, нелинейность интегрирования является только одним из нескольких недостатков конструкций дозиметров, разрабо- танных к настоящему времени. В частности, пока приходится ми- риться с существующей амплитудно-поляризационной анизотропией диаграмм зондов, с необходимостью калибровки дозиметров раздель- но для импульсных и непрерывных колебаний и т. д. 269
Для компенсации этих искажений предложено, напри- мер, в цепь интегратора включать варистор, характери- стики которого подбираются в соответствии с использо- Рис. 6.3.4. К расчету, ком- пенсации нелинейностей ку- лометра и детектора. ванным диодом. По-иному решена задача компенсации нелинейности цепи детектор-интегратор в СВЧ дозиметре с РКК [27,95]. Для этого используется обрат- ный характер зависимостей: с одной стороны, сопротивле- ния или напряжения от тока РКК, а с другой — тока от входной мощности полупровод- никового диода (рис. 6.3.3). Рассмотрим возможность взаимной компенсации нели- нейностей диода и куломет- ра при их последовательном соединении. Ток 1 в цепи последовательно соединенных диода Д (представлен- ного в виде источника с э. д. с. <§, зависящей от вход- ной мощности Р и внутреннего сопротивления п), куло- метра с внутренним сопротивлением /?(/) и добавочного сопротивления гд (рис. 6.3.4): /= б (?)/[/?(/) 4-гг + гл]. (6.3.1) Анализ экспериментально снятых характеристик ку- лометров показал, что, как правило, зависимость /?(/)=/?(/) +(Гг + Гд) на определенном интервале токов можно аппроксимировать относительно простой функ- цией, удовлетворяющей уравнению /?(/)/п = с, (6.3.2) где л, с — некоторые положительные числа (см. ниже). Тогда уравнение (6.3.1) можно переписать так: 1=АРЧп!су (6.3.3) где APh= £ (Р); т. е. APh = cP~ri\ возможность аппрок- симации <§(Р) в виде APh также определена экспери- ментально. Можно показать, что при полной компенсации раз- мах величины погрешности 2Д для случая, когда отно- шение максимальной интегрируемой величины ППМ ЯмаКс к минимальной 77мин равно 100 (обычное значе- ние), будет выражаться формулой 2Д[дБ] —20 1 - f (6.3.4) 270
При калибровке приборов^в точке Pq -— Р ^макс^ мин (6.3.5) погрешность интегрирования (накопления) оказывается равной ±Д. Таким образом, при практически реализуемых k = = 0,6; /г = 0,25... 0,35 для Лмип» (g + Гд) при компен- сации Д = ±(0,7 ... 2) дБ, вместо ±4 дБ без компенса- ции. При с^77 РмИн=1,4-10-6 Вт, РМакс= 140* 10~б Вт. Очевидно, такие значения РМакс и Рмин для диапазо- на плотностей потока мощности 10~5 ... 10~3 Вт/см2лег- ко получить с помощью элементарных зондов. При эффективной поверх- ности зонда 5Эфф=10 см2 оказывается, что необхо- димая развязка между диодом и антенной долж- на быть в пределах 15 дБ, т. е. оказывается возможным довольно про- сто получить необходи- мое шунтирование выхо- да вибратора, уменьшить влияние тела человека и уменьшить частотную за- висимость устройства от параметров диода, до ми- нимума снизить опас- ность .выгорания диода при электрических пере- грузках. Расчетное значе- ние «прочности па выго- рание» диода при работе с генераторами непрерыв- ных колебаний порядка 20 000, равен 2...20 при длительном Рис. 6.3.5. Конструкция реал-до- зиметр а на РКК. 103... 102 он и 20...200 в импульсном поле со скважностью воздействии при кратковременных перегрузках (все для диодов типа Д604). Увеличение полного объема памяти в 10 раз дает дополнительное увеличение запаса электрической проч- ности на порядок. Конструкция дозиметра на РКК, представленная на рис. 6.3.5, включает в себя ангенну-зонд, нагруженную 271
на высокочастотное шунтирующее сопротивление #ш, и диод Д. Низкочастотная цепь диода-детектора состоит* из дополнительных сопротивлений Гд и РКК- В схему входит также конденсатор развязки С. Конструктивно дозиметр выполнен в виде прямоугольной одновитковой рамки с полыми вибраторами, внутри которой разме- щена вся схема дозиметра (рис. 6.3.5). Это позволило до минимума снизить влияние на характеристики при- бора антенного эффекта элементов схемы и сохранить в «чистом» виде диаграмму зонда даже вблизи тела человека. Основные данные дозиметра ла РКК Чувствительность............ Объем памяти ............... Средняя ошибка интегрирования Верхний предел по частоте . . Габариты ................... Масса....................... . . 0,01 мм/мкВт-ч/см2 . . 4000 мкВт-ч.см2 или 14,4 Дж/см2 . . 0,12.. .0,19 дБ на каж- дый децибел отклоне- ния от калибруемого уровня . . 1 ГГц • • 70Х40ХЮ мм3 • . 75 г Внешний вид дозиметра показан на рис. 6.3.6. В заключение параграфа о дозиметрии СВЧ следует подчеркнуть, что в некоторых наиболее простых случаях для реал- и дискрет-до- зиметрии используются уже хорошо разрабо- танные методы иитен- симетрии. Дозимет- рия без дозиметров мо- жет быть применена в экспериментах в лабо- раторных условиях при относительно стабиль- ном поле, при оценке облучаемости на неко- Рис. 6.3.6. Внешний вид икдивидуаль- торых производствах, лого реал-дозиметра. когда уровень поля и время воздействия под- даются относительно простому учету, и т. д. Во -всех этих случаях используются основные соотношения меж- ду дозой, временем и уровнем поля, который в этом случае считается либо неизменным в течение всего опы- 272’
та, либо изменяющимся дискретно. Естественно, неавто- матизированный подсчет дозы — процесс весьма трудо- емкий и намного менее точный, чем с помощью дози- метрической аппаратуры. Результаты оценки индивидуальной облучаемости при использовании дозиметров чаще всего оказываются намного ниже по сравнению с оценкой, полученной на основании данных интенсиметрии, которые обычно по- лучаются при измерениях в таких местах, где человек бывает крайне редко либо вообще не бывает. Это нс может не привести к предубежденности определенной части гигиенистов и особенно обследуемого персонала против широкого использования индивидуальных дози- метров, хотя в общем трудно не видеть, что дозиметрия как основа оценки облучаемости позволяет наиболее объективно подойти к определению реальной опасности воздействия радиоволн и других факторов (рентгенов- ских излучений, шумов и т. д. — см. п. 7.4.2, 7.4.3). С другой стороны, при измерениях внутренних полей вблизи излучающей аппаратуры индивидуальные дози- метры работают гораздо эффективнее обычных интен- симетров, так как используют малогабаритные антенны. Последнее обстоятельство несколько компенсирует ка- жущуюся недооценку облучаемости, полученную с по- мощью дозиметров. Разработанная к настоящему времени техника радио- метрии позволяет быстро и с необходимой точностью определить энергетические параметры облучения чело- века в зоне действия внешних и внутренних полей. Наи- более перспективным методом радиометрии является дозиметрия излучений, позволяющая автоматически учесть интенсивность и время воздействия поля. Основная цель организации системы последователь- ного контроля радиобезопасности (СПКР), т. е. методов прогноза и радиометрии, — представление достаточно обоснованных исходных данных для проведения в зоне работы мощных радиоисточников комплекса защитных мероприятий, обеспечивающих безопасность человека. Рассмотрению этого вопроса посвящена гл. 7. 18-393 273
1. ТЕХНИКА ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВЧ ПОЛЕЙ. СОПУТСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ Защита — это заключительный этап всего цикла ра- бот, направленных на обеспечение безопасности персо- нала и населения, находящихся в зоне действия мощных радиотехнических средств СВЧ. В большинстве случаев иод защитой понимаются любые мероприятия, направ- ленные на снижение эффективности воздействующего фактора. К настоящему времени разработано и освоено много разнообразных способов и средств (конструкций, мате- риалов), предназначенных для защиты людей от СВЧ радиоизлучений. Многие из них уже заняли прочное место в промышленности, другие находятся пока еще в стадии разработки и испытания. Здесь мы попытаемся дать некоторые сведения об основах защиты от СВЧ. Разными исследователями предлагаются различные принципы классификации защитных мероприятий. Один из них приведен в схеме на стр. 275. Из схемы видно, что все средства и методы защиты разделены условно на три группы: организационные, инженерно-тех- нические и лечебно-профилактические. Первая из них направлена на оптимизацию проектирования взаимного расположения облучающих и облучаемых объектов, а также на такую организацию работы и отдыха, при которой удается снизить до минимума время нахож- дения людей под облучением и предотвратить их по- падание в зоны с высокой ПИМ. Цель лечебно-профи- лактических мероприятий (уже рассмотренных в гл. 2) — повышение сопротивляемости (резистентности) организ- ма к воздействию поля СВЧ и лечение (обычно после стрессорных воздействий при аварийных ситуациях). Инженерно-технические методы и средства направлены на прямое снижение интенсивности поля до допустимого уровня и потому, на наш взгляд, являются основными. Многие из них известны широкому кругу специалистов (см., например, [35, 39, 74, 75, 139, 162, 163]) и поэтому здесь, в гл. 7, рассмотрены лишь вкратце. Другие, на наш взгляд, менее известные или относительно недавно разработанные, рассмотрены более подробно. В главе приведены также некоторые сведения по защите от шу- ма и рентгеновских излучений — наиболее частых из сопутствующих факторов на РТС СВЧ. 274
ос Классификация защитных методов и средств Защита от электромагнитных излучений СВЧ Орга низа ц ионные мероприятия Инженерно-технические методы и средства _____________t____________ Ле чебно-профи ла к та. чески е мероприятия Рациональное размещение излучающих и облучающих объектов Ограничения места и времени нахождения в поле при эксплуатации. Коллективная защита Локальная защита Индивидуальна я защита -у. _________ ___ J Дифракционные экраны •У § И > £ о S I е Аз <5 £ ь «а Лесина саэюдениэ $ * Подъем антенн а диаграмм I § £ ! ЭкранироЗание стен и оконных проемов ________ ______~ • * к •м их Секторное блокирование излучения сканеров Использование радиопоглсщающих объемов Зкранирование источников радиоизлучения^
7Л. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ Проектирование любой системы защиты начинается со сравнения допустимого максимума ППМ, определен- ного в соответствии с принятыми нормативами, с уров- нем поля, полученным методами прогноза или измере- ния. В результате такого сравнения получают величину необходимого ослабления электромагнитной энергии. Искусство выбора методов защиты состоит в поиске оптимума по экономической целесообразности с учетом сроков ввода в строй станции, влияния на характеристи- ки антенны, эксплуатационных удобств и т. д. Нетрудно себе представить систему защиты, реализующую степень ослабления 20, 30 или даже 50 дБ, но в большинстве случаев из-за высокой стоимости, неудобства эксплуата- ции она оказывается практически неприемлемой. Пожалуй, наименее дорогостоящей является защита, использующая естественные экраны: существующие не- жилые постройки, лесные полосы, насыпи и возвышен- ности. Правильный учет распространения и распределе- ния радиоволн дает возможность здесь сочетать защит- ные свойства, эстетику и гигиену, особенно если речь идет о лесных полосах. В связи с этим любой инженер- ный расчет системы защиты начинается с изучения мест- ности. Опытный инженер-проектировщик, например, ни- когда не допустит, чтобы антенна РТС, работающая с малыми углами места, была расположена ниже насе- ленного пункта, тем более если между ними прямая ви- димость. Проектировщик должен проверить эксперимен- тально или рассчитать затухание имеющихся лесных по- садок и заставить строителей сохранить их по возмож- ности неприкосновенными. Важно уметь использовать для защиты и естественные складки местности. Напри- мер, поставив излучающую станцию за пригорок и ис- ключив прямую видимость населенный пункт — антенна станции, интенсивность облучающего поля можно сни- зить от нескольких раз до нескольких десятков раз фак- тически без всяких дополнительных затрат. Методы и средства защиты удобно (хотя и не обще- принято) делить по объему (или масштабу) на коллек- тивные, предполагающие защиту группы домов, жилых районов или даже целого населенного пункта, локаль- ные (защита отдельных строений, квартир и помещений) и средства защиты индивидуального пользования. 276
Вообще говоря, при прочих равных условиях всегда предпочтительнее применять коллективные методы и средства, позволяющие решать задачу охраны целого жилого массива, включая людей, находящихся вне по- мещений. Эта система защиты допускает использование относительно простых методов контроля, обычно проще обслуживается и имеет ряд других достоинств. Между тем, система коллективной зашиты далеко не всегда реализуется, она нецелесообразна при защите небольших населенных пунктов, поэтому в таких случаях исполь- зуют локальные методы защиты, т. е. прибегают к экра- нированию отдельных помещений и излучателей. Проводить защиту людей от внутренних источников излучений наиболее целесообразно непосредственно в месте проникновения электромагнитной энергии из экранирующих кожухов улучшением методов радиогер- метизации стыков и сочленений. При экранировании излучений открытого конца волновода или антенны, ра- ботающей на передачу прямо в помещении, обычно используются специальные насадки с радиопоглощаю- щей нагрузкой, создающей для антенны эффект, близкий к эффекту свободного пространства. При защите помещений от внешних излучений с успе- хом применяются оклеивание стен специальными метал- лизированными обоями, засетчизание окон, применение специальных металлизированных штор и т. п. Наконец, в некоторых случаях наряду с применением обычных металлических «окружающих» экранов реко- мендуется применять дополнительные небольшие объемы радиопоглощающих материалов, снижающих «доброт- ность» помещений. Применение поглощающих объемов хорошо известно в акустике как способ уменьшения времени реверберации и «смягчения» частотных харак- теристик помещений, приспосабливаемых для звукозапи- си и вещания. Целесообразность применения радиопо- глощающих объемов в технике СВЧ должна быть опре- делена в каждом конкретном случае. Пока индивидуальные средства защиты, поскольку они стесняют движения работающего и несколько ухуд- шают гигиенические условия в «подзащитном» простран- стве, особенно при пользовании костюмом, могут быть рекомендованы для применения только в особых слу- чаях: для прохода через особо опасные зоны, при ре- монтных работах в аварийных ситуациях, во время крат- 277
повременных настроечных и измерительных работ в антенном столе и т. п. Одновременно с разработкой средств защиты разра- батываются и способы контроля их защитных свойств. Некоторые из них предполагают использование обычных интенсиметров, но чаще всего требуют создания аппара- туры, отвечающей особым требованиям в отношении чувствительности, динамического диапазона, характери- стик зондов и т. п. Поэтому о некоторой разработанной и уже используемой аппаратуре контроля кратко будет рассказано ниже. В § 7.2 и 7.3 изложены только основы радиотехниче- ского расчета средств защиты, без описания вопросов технологии, подробно описанной в литературе. 7.2. КОЛЛЕКТИВНАЯ ЗАЩИТА В этом параграфе мы рассмотрим в основном во- просы, связанные с расчетом экранов на местности, у ко- торых, как правило, высота ограничена (экономическими и технологическими соображениями) и для которых не- обходим специальный учет дифракционного поля через верхнюю (реже боковые) кромку. Опыт показывает, что постановка этих экранов (будем называть их дифрак- ционными) без учета эффекта дифракции, только с уче- том коэффициента затухания материала, приводит неиз- бежно к значительным ошибкам, вплоть до случаев, ког- да интенсивность поля за экраном вследствие дифракции на кромке оказывается близкой к интенсивности неза- щищенного объекта. К этому же эффекту иногда приво- дит наличие побочных переотражателей, не влияющих, казалось бы, на поле :в глубокой тени экрана. Выше (п. 5.1.5) мы уже упоминали о возможности расчета необходимого подъема антенны или диаграммы для снижения интенсивности поля на местности. Здесь мы дадим краткий расчет по формулам и номограмме, позволяющий в этом случае обойтись без специального построения ВДИ. Будет также кратко рассмотрен вопрос расчета сектора выключения станций со сканирующей диаграммой. Вопросы технической -реализации этого спо- соба полностью зависят от конкретных особенностей станций и потому здесь не рассмотрены. 278
7.2,1. Дифракционные экраны. При разработке ди- фракционных экранов приходится учитывать по крайней мере три фактора: уровень дифракционного затухания (через верхнюю кромку), сквозное затухание, обуслов- ленное -проникновением энергии сквозь материал экрана, и -наличие боковых дифракционных связей (при ограни- ченной длине экрана), рассчитываемых по обычным формулам дифракции. Кроме того, необходим учет влия- ния отдельно расположенных больших радиоотражаю- Рис. 7.2.1. Защита объекта экраном на местности (вид сверху, общий случай). щих поверхностей и одиночных излучателей, в некоторых случаях увеличивающих уровень поля в глубокой тени (рис. 7.2.1). Сквозное затухание материала может быть определе- но несколькими путями. При использовании металличе- ской сетки очень удобно применять номограмму, приве- денную в работе Мамфорда [84]. Затухания (в децибе- лах) для некоторых стандартных типов сеток, рассчитан- ные по этой номограмме, будут приведены в табл. 7.3.1. В табл. 7.2.1 приведены данные затухания некоторых строительных материалов. При расчете затухания сплош- ных металлических листов (применяемых, правда, очень редко) приходится учитывать не затухание чистого ли- ста (оно всегда оказывается очень большим), а затуха- •ние листа в конструкции, т. е. с учетом элементов креп- ления, неплотностей в стыках и т. п. Затухание таких экранов лучше всего определять экспериментально. Как правило, оно оказывается не меньше затухания сетчатых экранов. Расчет дифракционного затухания был приведен вы- ше, в л. 5.2.3, где даны графики для определения поля дифракции на полубесконечном клине с ровной гладкой 279
Таблица 7.2.1 Защитные свойства различных строительных материалов в децибелах |23| Материал и конструкции Длина волны сантиметровые метровые Кирпичная капитальная стена 20 12 толщиной 70 см Внутренняя оштукатуренная 10...12 2,5 переборка толщиной 15 см Деревянная переборка из одно- 1.. .2,5 го слоя сосновых досок толщиной 30 мм Оконное'стекло толщиной Змм 1...3 Окно с целой одинарной рамой 4,5 3 То же с двойной рамой 7 3,5 кромкой. Обычные экранные конструкции не являются полу-бесконечными, но если учесть, что (размеры экрана значительно больше длины волны, толщина кромки зна- чительно меньше длины волны, нижний край экрана углублен в землю на .расстояние, обеспечивающее доста- точно высокое затухание «через землю», длина экрана Рис. 7.2.2. Выбор превышения Но (рис. 5.2.7) в зависи- мости от величины необходимого параметра Л/? для нескольких значений В\ ---- вектор Е параллелен кромке;------вектор Е перпенди- кулярен кромке;----общий случай. 280
выбрана значительно больше высоты, то оказывается, что дифракционное затухание Вдаф в можно определять на основании классических формул и графиков. График, приведенный в п. 5.2.3, получен экспериментально Иоко- то Кэпъити и в отличие от известных © оптике учитывает •поляризацию волны [57] (в этой же работе приведены экспериментальные данные влияния изрезанное™ кром- ки). Для эффективной защиты необходимо, чтобы кром- / ка экрана была выше оптической оси источник — об л у- i чаемый объект. На рис. 7.2.2 приведена зависимость / величины этого превышения от заданной величины зату- { хания В для нескольких значений X/?. На практике наиболее трудным для учета оказывает- ся влияние побочных персизлучсний, возникающих из-за отражений от находящихся на относительно небольших расстояниях гладких радиоотражающих поверхностей (например, стен крупных строений), больших массивов леса и даже отдельных металлических элементов (дета- лей сооружений и т. п.), резонирующих на рабочей дли- не волны. Если имеется более или менее выраженная отражаю- щая поверхность, расчет затухания может быть проведен обычными методами, учитывающими коэффициент отра- жения и диаграмму направленности отражающей по- верхности. При попадании расчетной точки точно в отра- женный луч интенсивность поля оказывается зависимой только от расстояния и потерь при отражении, учитывае- мых коэффициентом отражения /ь. В этом случае общее затухание при отражении 50тр — (/?отр/-/?лр)2Еэ, (7.2.1) где /?Пр—прямое расстояние источник — точка наблюде- ния, 7?отр — расстояние источник — отражающая плос- кость— точка наблюдения. Формула (7.2.1) показывает, что при попадании за- щищенного экраном объекта в отраженный от больших поверхностей луч снижение интенсивности поля по срав- нению с уровнем-поля без экрана незначительно превы- шает Лкр. Методы учета влияния одиночных переизлучателей, приемлемые для практического использования, в настоя- щее время нс найдены. Интенсивность отраженного луча таких излучателей зависит от очень многих причин и прежде всего от отношения длины переизлучателя к дли- 281
не падающей волны, от угла ее падения, материала пе- реизлучателя и т. п. Вообще говоря, на практике расчет ВОт<р (тем более от одиночных переизлучателей) неизбежно связан с использованием ряда допущений и носит чисто качест- венный характер, поэтому для получения достоверных данных он может быть рекомендован как предваритель- ный этап перед инструментальной проверкой. Конструк- тивно дифракционные экраны представляют собой ме- * 'а 1 53 § дереза, сосна,- ель лист8вин и и,а, рябина, 7 липа. осина береза, ель г л ядцчи я___ клен__________ абрикос_______ ясень_________ софорс,_______ лох___________ скумпия_______ акация желтая Сирень W_____________ вяз у................ злядичия _______ дереза европейская 'ясень зеленый__ ясень обыкновенный Абрикос 'dyb берешчагпый акация бела я шелковица Я I-------1________L 0 2 4 -J------< ' -____Г.___- I— -____i_______L_____ L- 6 8 10 12 14 16 18 20 ТЕЗ высота hi— 1 f s гз <4 § i § § II - в возрасте 2 года \J- 8 возрасте влет X" в возрасте 10лет -ввозрасте 20-00лет Х~ -X - разброс Рис. 7.2 3. Высота деревьев в отдельных районах СССР (по данным табл. 7.2.2). 262
Таблица ?.2.2 Высота (в метрах) древесных пород (чистых и в смешанном лесу) по данным различных авторов Древесные породы Возраст, лет 2 5 ю 20 ... 30 О Береза 6.1 14...18 о X Сосна 4 9...14 о X Лиственница 6 9...17 S о <с Ель 2,8 6 Рябина 3 6 Ф S 3 Береза 2.5 6...16 S ’ Ель 2 7 О 2 s 1 X 3- X X Липа Сосна 0,6...1,4 2 4 7 13 >) Е( О Сосна 2,1 •• 0,0 15 • CQ CL. Лиственница 3,1 7,6 19 о о Сосна 3,6 7.8 14 о Ель 2 6.5 13 Лиственница 3,1 9,0 12 ч 03 Осина 2...4 6...7 10 Ю S о Береза .g-uO Ель - то ex S Насаждения кислично- с з н черничные с елью, о осиной и березой 4...7 9...17 г» ч ”Т :Х ГС О- Гледичия (50... 118*) 3,1...4,5 X Клен 3,1 >х X Абрикос (8... 129) 2,8...4 X о Ясень 2,5 г; Софора 2.1 о г: Лох (30.. .70) 1 1,9...2,5 о Оч Скумпия 1,6 Q ГС Акация желтая 1 .4 Сирень Дуб (17...75) 0,8 ! 2,4 CL Вяз мелколистный 2.5 О (60...Ill) о 283
/7 родолжение табл. 7.2.2 США» Великие равнины [154] ГДР [165] СССР, Молдавия [73] Возраст, лет Древесные породы 2 5 10 20...30 Дуб 0,6 Береза европейская Дуб 0,5 1,5 Ясень зеленый 2,5 Дуб 3 Дуб 2.8 Абрикос Дуб 0,6 4,1 Ясень обыкновенный 1.2 Береза европейская 0,5 Дуб черешчатый Акация белая 1...2 2,5.-.5 4,8 10...14 Акация белая 3,2 Ясень зеленый 1,0 Береза европейская Акация белая 0,5 5,5 Шелковица 1,5 Ясень обыкновенный 2,9 Акация белая 1,8...3 6 8 14 Береза бородавчатая 0,3 11...15 до 1 м в год Береза бумажная Осина 0,6...! 3...9 11 13...18 Тополь 6...7 10...12 18...23 Рябина 3 4 6...11 Белая акация 5...8 7...10 13...16 Тополь 5 8 Вяз сибирский 3,6 5,8 Вяз американский 2,4 5 Ива 3 4,3 Ясень зеленый 2,4 4,2 Клен ясенелистный 3,2 3.6 Сосна обыкновенная 2,5 7 Ель колючая 1.7 4 Сосна желтая 1.7 4 Ель голубая 1.2 3,8 Сосна смолистая 1,7 3 Акация желтая 1,8 3 Черемуха виргинская 2.2 2,6 Слива американская 1,7 2,2 * Цифры в скобках показывают прирост в год (в см) 284
Таблица 7.2.3- Средняя высота, ширина кроны и выживаемость отдельных древесных пород по данным американских авторов [154J Возраст, лет Древесные породы 5 10 15. . .30 5 10 15 . . . 30 5 10 15. . .30 средняя высота, м ширина кроны, м выживаемость, проценты Лиственные породы: ясень зеленый L6 2,7 4,4 0,8 1,6 2,3 88 78 57 клен ясенелистный 2,3 3,1 3,7 1,3 2,5 3.2 89 71 44 тополь равнинный 3,3 4,8 3,9 — • 4,1 81 15 12 вяз американский 1 ,4 2,8 5,1 0,8 1,4 2,9 65 62 48 вяз сибирский 2,2 3,7 6,0 1,3 3,1 3,9 72 67 53 гледичия 0,9 - —— 0,7 — — — — тополь 2,6 5,5 6,8 3,6 80 45 3 ивы 1,5 3,2 4,5 — — 3,5 28 16 2 Хвойные породы: сосна желтая 0,6 1,5 3,9 4,2 0,9 2,3 15 7 6 сосна обыкновенная 0,9 2,6 6,8 1,5 2,8 12 10 4 можжевельник красный 0,6 1.2 —< • 0,6 1.9 —— 49 49 — ель голубая 0,6 1,2 3,9 0.3 0,9 2 36 24 11- ель сизая 0,8 1,5 4,5 0,7 1,1 2,6 35 34 31 ель западная 0,6 1,2 —> — 0,9 1 !- 4 81 24 Лиственничное кустарники: • крушина даурская 1 > — — 0,9 — - — 68 1 жимолость татарская 0,9 - - 0,6 62 — — клен татарский 1,6 1,7 * 2,2 —~ ' — 1,7 69 33 10 желтая акация 1,2 1,8 3 0,6 1,3 2,5 84 81 81 черемуха виргинская 1,5 2,2 1,7 1,5 1,2 92 75 34 IX' со о». лох узколистный 1,6 2.4 3.4 1 .9 2.1 2.8 74 55 45
таллинскую сетку (чаще всего стальную) толщиной 1...2мм, натянутую на металлическую или деревян- ную раму, для прочности разделенную на отдельные секции. Рама врыта в землю с соблюдением необходи- мых предосторожностей против гниения дерева и ржав- ления стали. 7.2.2. Искусственные и естественные лесонасаждения. Искусственные лесонасаждения могут быть использова- ны для получения небольших затуханий (находящихся в пределах 3 ... 10 дБ, зачастую в профилактических целях), когда сроки экранирования могут быть растяну- ты па 5 ... 7 лет. Это обусловлено тем, что скорость роста деревьев в наших условиях не превышает 0, 2... 1 м/год (см.табл.7.2.2 и 7.2.3, а также рис. 7.2.3). Лесонасаждения, устраиваемые для радиозащиты, как правило, располагаются в непосредственной близости от защищаемых объектов, поэтому здесь нет смысла учиты- вать дифракционное затухание и защитные свойства лесной полосы можно рассчитать па основании только сквозного затухания. В редких случаях, когда защищае- мый -населенный пункт имеет большую протяженность в глубину при очень густой полосе высоких деревьев, не- обходим расчет дифракционного затухания. Анализ данных роста и густоты кроны деревьев и кустарников позволяет увидеть возможность успешного использования зеленых -насаждений для защиты от ра- диоизлучений. При этом, однако, приходится учитывать следующее: 1. Величины затухания, которые можно получить в реальных условиях, довольно ограниченны и обычно не превышают на сантиметровых волнах значений 15...25 дБ; с уменьшением частоты затухание умень- шается. 2. Имеются довольно четкие ограничения почвенно- климатического характера, предопределяющие выбор сортов насаждений и скорость их роста. 3. Минимальные сроки получения «защитного эффек- та» от защитных насаждений находятся в пределах 3 ... 7 лет после их закладки. В некоторых случаях эти ограничения не являются существенными, и зеленые насаждения, заложенные с началом строительства объекта, уже к концу обычного срока строительства могут служить хорошим укрытием на переходах между зданиями, в местах скопления и 286
отдыха персонала и т. п. Одновременно посадки зеленых насаждений, как правило, приводят к заметному улуч- шению микроклимата на всей территории объекта; нема- ловажен и такой фактор, как улучшение общей эстетики объекта. При выборе сортов пород данные, приведенные в таблицах, следует считать ориентировочными. Кон- кретные рекомендации по выбору сортов, условиям по- садки и т. и. следует получить у местных специалистов. Рис. 7.2.4. Сквозное затуха- ние леса зимой и летом; для хвойных пород расчет ве- дется только по кривой, со- ответствующей летним усло- виям *. Расчет сквозного затухания может быть проведен на осно- вании рис. 7.2.4, обобщающего ряд экспериментальных и расчетных данных (см.