О ближнем поле случайных и суррогатных антенн

Владимир Поляков, г. Москва

В настоящее время уделяется все больше внимание экологии и безопасности. В статье рассказано о радиоволновой опасности, связанной с вторичным излучением радиоволн зданиями и другими конструкциями и намечены пути преодоления этих проблем.

За последние десятилетия мощность радиовещательных, телевизионных и других радиостанций значительно возросла и нередко достигает сотен киловатт. Напряженность их электромагнитного поля на много порядков превосходит естественный радиоволновый фон, всегда существующий у поверхности Земли. Вопрос о вреде (а иногда и возможной пользе) радиоволновых полей обсуждают и исследуют, информацию можно найти, например, в публикациях Российского Национального Комитета по защите от неионизирующих излучений, Центра Электромагнитной Безопасности и других организаций [1, 2].

Разработаны нормы на предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитных излучений (ЭМИ) радиочастотного диапазона [3, 4], превышение которых безусловно считается вредным для человека. Опираясь на них проектируют радиоцентры, устанавливают их мощность, протяженность защитных зон и т. д. Напряженность поля при этом рассчитывают, исходя из упрощенной модели гладкой поверхности земли, по простой формуле, приведенной в любом учебнике по распространению радиоволн:

где Е — напряженность электрического поля, В/м, к — коэффициент, зависящий от конструкции передающей антенны, Р — излучаемая мощность, кВт, г — расстояние от антенны, км.

В радиовещательном диапазоне длинных волн (150...450 кГц) коэффициент к для типовых ненаправленных антенн равен 0,3. В диапазоне средних волн (525... 1605 кГц) он больше благодаря более высокому отношению высоты мачты к длине волны и достигает 0,4. Для коротковолновых (3...30 МГц) и ультракоротковолновых (более 30 МГц) антенн, создающих максимум излучения в направлении горизонта, он может быть больше единицы.

Реальная техногенная среда обитания мало соответствует принятым идеализированным условиям. Люди живут в окружении металлоконструкций, к которым относятся арматура зданий, контуры заземлений, воздушные линии электроснабжения, связи, радиотрансляции, строительные краны, трубы, мачты и многое другое. Любой проводник, находящийся в поле радиоволн, является приемной антенной. Радиоволны наводят в проводниках радиочастотные токи, создающие вторичное поле, которое вблизи проводника может оказаться значительно сильнее первичного. И если для приходящего поля ПДУ соблюдены, для вторичных полей это совсем не так. Может случиться так, что первичное поле будет ослаблено или напротив усилено и превзойдет ПДУ. Особенно велико усиление, если проводник попадает в резонанс с колебаниями приходящих волн. Рассмотрим вопрос на примерах, используя элементарные сведения из теории антенн.

ПРИЕМНАЯ АНТЕННА И ЕЕ ВТОРИЧНОЕ (СОБСТВЕННОЕ) ПОЛЕ

Самая простая и эффективная приемная антенна — полуволновой диполь, который представляет собой прямолинейный отрезок проводника диаметром d и длиной l = λ/2, где λ — длина волны приходящего излучения, равная скорости света, деленной на частоту колебаний волны, λ = c/f. Для упрощения расчетов удобна формула:

λ(м) = 300/f/(МГц).

Например, телевизионный передатчик первого канала (49,75 МГц) излучает волны с длиной примерно 6 м. Для эффективного приема диполь располагают перпендикулярно направлению на станцию, но параллельно вектору напряженности электрического поля Е. Чаще всего ТВ передатчики излучают волны с горизонтальной поляризацией.

На рис. 1 упрощенно показано, как наводится напряжение в диполе от передатчика телевизионной станции.

Рис.1

Приемным диполем прекрасно послужит, например, металлическая труба или профиль длиной 3 м (карниз для штор), закрепленный на окне кирпичного или деревянного дома, относительно «прозрачного» для радиоволн. Длину диполя, равную половине волны, называют резонансной, поскольку сопротивление диполя активно и близко к 60...70 Ом, следовательно ток в полуволновом диполе максимален. При отличии длины волны от EQλ/2 в сопротивлении диполя появляется реактивная составляющая и ток уменьшается. Кратные резонансы возможны при длине диполя, равной целому числу полуволн. Распределение тока I и напряжения U по длине диполя (основной резонанс) показано на рис. 1. Если ток максимален в середине диполя, напряжение достигнет максимума на его концах.

Теория позволяет оценить ток, наводимый в диполе, как ЭДС, деленную на сопротивление, а ЭДС — как произведение напряженности поля на действующую длину, для полуволнового диполя равную EQλ/π. Напряжение между концами диполя в Q раз больше ЭДС:

U = EQλ/π,

I = Еλ/60π,

где Q — добротность диполя, Q = Z/60, Z — волновое сопротивление проводника диполя, равное 300...600 Ом, оно увеличивается с уменьшением диаметра проводника d. Q составляет 4...5 для сравнительно «толстых» проводников (d = λ/10) и около 10 для «тонких» (d < λ/100).

В нашем примере полуволновой диполь длиной 3 м имеет действующую длину 2 м и может находиться в поле напряженностью 3 В/м, что меньше ПДУ (5 В/м). Такую напряженность создаст, например, ТВ передатчик первого канала мощностью 50 кВт на расстоянии 2,5...3 км или передатчик мощностью 10 кВт на расстоянии 1 км. ЭДС, наведенная в диполе, достигнет 6 В, ток — 0,1 А, а напряжение между концами трубы — 60 В. Собственное электрическое поле диполя в Q раз больше внешнего и составит 30 В/м, что в 6 раз больше ПДУ. Правда, при удалении от диполя оно быстро падает и на расстояниях порядка λ/п (около 2 м) становится равным внешнему.

Нормативных документов на ПДУ магнитного поля в нашей стране не существует. Однако поскольку электрическое и магнитное поля связаны уравнениями Максвелла, выполняется соотношение:

Н = E/W,

где Н — напряженность магнитного поля, А/м, W — волновое сопротивление, для свободного пространства равное 12071 или 377 Ом.

ПДУ электрического поля 5 В/м соответствует Н = 0,013 А/м. Напряженность магнитного поля на расстоянии b от прямолинейного проводника с током рассчитывают по формуле:

Н = I/2пЬ.

При b = 0,1 м она составит 0,1/6,28-0,1 = 0,16 А/м, т. е. в 12 раз больше указанной, и даже при b = 1 м она все еще больше нормы.

Итак, мы выяснили, что находиться рядом с металлическим карнизом для штор, если его длина совпадет с длиной резонансной антенны для частоты близлежащего ТВ или УКВ ЧМ передатчика, может быть просто опасно.

Арматура железобетонных зданий, как правило, хорошо экранирует помещения от внешних излучений, образуя так называемую «клетку Фарадея». Наводимые токи значительны лишь на внешней поверхности клетки, и они же компенсируют поле внутри нее. В таких зданиях целесообразно говорить даже о дефиците ЭМИ, поскольку их уровень обычно ниже естественного фона, но есть и исключения. Резонансной антенной может оказаться оконный проем здания, окруженный проводящим кольцом арматуры, если его периметр равен одной (основной резонанс) или нескольким длинам волн. Для частот первого ТВ канала резонансным будет стандартный оконный проем 140x160 см. Замкнутого металлического обрамления, например, из хорошо проводящего алюминиевого профиля, на таком проеме лучше не делать. Образовавшуюся рамку можно рассматривать как два диполя, изогнутых в виде буквы П и соединенных концами. Добротность системы, а, следовательно, и коэффициент усиления поля, может достигать 20...25.

ДЛИННОВОЛНОВЫЕ АНТЕННЫ

Обратимся теперь к радиовещательным диапазонам ДВ и СВ. На этих длинах волн (0,2...2 км) земля служит неплохим проводником, что исключает применение волн с горизонтальной поляризацией. На передающих станциях используют вертикальные антенны высотой около λ/4 (рис. 2). Это половина полуволнового диполя, другую половину заменяют токи, растекающиеся в земле (рис. 2, а).

Рис.2

При невозможности постройки высокой мачты ее верхнюю часть располагают горизонтально (рис.2, 6) или заменяют иной емкостной нагрузкой, например, «зонтиком» из радиально расходящихся от вершины мачты проводов. Такие антенны в силу принципа обратимости хорошо работают и на прием. На рис.2 показано распределение тока в антенне, близкое к синусоидальному, с максимумом у поверхности земли. Если его заменить равномерным распределением тока с той же площадью под кривой, получим действующую высоту антенны. Для вертикальной мачты hд равно 64% от ее высоты, для антенн с емкостной нагрузкой она приближается к высоте.

ПДУ электрического поля Е в диапазоне частот 0,3...3 МГц равен 15 В/м. Соответствующая напряженность магнитного поля — 0,04 А/м. Такое поле создает СВ передатчик мощностью 100 кВт на расстоянии менее 300 м. При r = 1 км Е - 4 В/м, убывая далее обратно пропорционально расстоянию.

Для примера рассмотрим фабричную трубу высотой 70 м, на вершине которой имеется металлическое кольцо с молниеотводами (небольшая емкостная нагрузка) и от него к хорошему заземлению вдоль стенки трубы проложена металлическая шина. Это весьма эффективная антенна, настроенная на частоту около 1 МГц, т. е. на середину СВ диапазона (в Подмосковье, например, расположено несколько мощных передатчиков с суммарной мощностью около 5000 кВт, вещающих на ДВ и СВ). Сопротивление антенны, как показало компьютерное моделирование, равно 35 Ом, добротность — около 20, а выигрыш G — более 5 дБ (1,8 раза по напряжению). Этот выигрыш объясняется преимущественным приемом волн, приходящих со стороны горизонта, т. е. направленными свойствами антенны.

Пусть эта труба-антенна удалена на 4 км от передатчика, где Е = 1 В/м и, казалось бы, не представляет никакой опасности. В зоне вокруг трубы с радиусом 70... 100 м будет действовать ее собственное ближнее поле, которое в Q раз сильнее внешнего и достигнет 20 В/м (это больше ПДУ). Действительно, ЭДС, наведенная в антенне будет Еhд = 1*70*0,64 = 45 В, напряжение на верхнем кольце в Q раз больше — 900 В (почти киловольт), а собственное поле 900 В/45 м = 20 В/м. Ток в заземляющей шине у земли будет равен 45 В/35 Ом = 1,3 А, и чтобы не превзойти упомянутые Н = 0,04 А/м, надо отойти от трубы не менее, чем на 5 м. Особенно опасно находиться вблизи заземляющей шины, где магнитное поле может быть очень сильным.

ПРИМЕРЫ ОПАСНЫХ БЫТОВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Молниеотводы и заземления крыш

Ситуация, сходная с рассмотренной выше, возникает, если на диэлектрическом (деревянном, кирпичном) строении установлен молниеотвод, заземленный одним проводом. Ничем не лучше случай, когда по периметру крыши дома установлено металлическое ограждение, соединенное с землей одним проводом (рис. 3).

Рис.3

Компьютерное моделирование показало, что для указанных на рисунке размеров частота основного резонанса этой «антенны» равна 912 кГц, добротность — 21, сопротивление — 20 Ом. Если крыша дома цельнометаллическая, понизится лишь резонансная частота системы. В случае типичной для городов напряженности поля 0,1 В/м (при расстоянии 40 км от радиостанции мощностью 100 кВт) наведенная в антенне ЭДС равна 4 В, а высокочастотное напряжение на верхней части «антенны» (крыше) достигнет 84 В. Тем не менее, напряженность собственного поля (2 В/м) меньше ПДУ. Но даже в случае этого относительно слабого поля опасен ток, протекающий по вертикальному заземляющему проводу (4 В/20 Ом = 0,2 А) и создающий предельно допустимое магнитное поле на расстоянии 0,8 м от него (представьте, что провод проходит по внешней стороне стены, а рядом с внутренней стороной находится изголовье кровати). Значительно ослабить магнитное поле можно, установив несколько заземляющих проводов от разных частей ограждения или крыши. Суммарный высокочастотный ток при этом не уменьшается, но в каждом из проводов он будет соответственно меньше.

Провода воздушных линий

Таких линий очень много между крышами домов в районах жилой застройки, причем они служат прекрасными антеннами. Не имеет значения, что концы линии соединены с контурами заземления домов, просто получаются эффективные заземленные антенны. Компьютерное моделирование простой П-образной заземленной с двух сторон рамки (рис. 4) показало, что она имеет резонансную частоту 1,23 МГц в верхней части средневолнового диапазона, сопротивление, отнесенное к максимумам тока около заземлений, равное 55 Ом, и добротность — 17,5.

Рис.4

Диаметр провода при моделировании был принят равным 3,2 мм. Распределение тока имеет нуль в середине горизонтальной части, там же оказывается и максимум напряжения. Такую рамку можно представить как две Г-образные антенны (рис. 2, 6), повернутые навстречу друг другу и соединенные концами горизонтальных частей.

При случайном совпадении резонансной частоты антенны с частотой местной радиостанции электрическое поле под средней частью провода возрастет в 17,5 раз. Магнитное поле усиливается около вертикальных сторон рамки. Если провод заземления один, по нему может протекать значительный ток, создающий большое магнитное поле в непосредственной близости от него. Лучше, если провод воздушной линии соединен на крыше с контуром заземления здания, а тот, в свою очередь, заземлен несколькими вертикальными проводами.

Строительные подъемные краны

Для приходящих радиоволн они представляют собой большую Г-образную антенну (рис. 2, б) с действующей высотой, практически равной высоте стрелы крана над землей. Ситуация усугубляется тем, что с конца стрелы свешиваются тросы, перемещающие максимум напряжения, расположенный на крюке, ближе к земле. Напряженность поля под крюком при этом возрастает примерно пропорционально отношению высоты стрелы к высоте крюка.

Вся система имеет основной резонанс на длине волны, очень приближенно равной учетверенной сумме длин башни, стрелы и тросов до крюка. Для размеров, показанных на рис. 5, оценка дает длину волны 440 м (частота около 700 кГц).

Рис.5

Более точное компьютерное моделирование (условный диаметр башни — l м, стрелы — 0,6 м и двух тросов к крюку — 0,2 м) дало резонансную частоту 830 кГц, выигрыш 4,8 дБ, сопротивление 15 Ом и добротность 16. Следовательно, на резонансной частоте электрическое поле под крюком возрастает в 16-50/10 = 80 раз.

Беда еще в том, что при работе крана изменяется высота крюка, а следовательно и резонансная частота всей системы. Вероятность настройки ее в резонанс с частотой местных радиостанций значительно возрастает. Чтобы превзойти ПДУ, достаточно напряженности внешнего поля 0,2 В/м (расстояние 20 км от условного передатчика мощностью 100 кВт). В Москве, например, близкую к такой напряженности создают почти все ДВ и СВ радиовещательные станции.

Если же кран работает вблизи радиостанции, напряженность его собственного поля может достигать смертельно опасных значений. В [5] был описан случай, когда около подмосковного г. Электросталь, где расположен мощный радиопередающий центр, под опущенным крюком крана происходила ионизация воздуха и была слышна радиопередача. Необходимая для этого напряженность поля достигает многих киловольт на метр.

В [6] рассказано о том, как строители канала на Гавайских островах получали сильные электрические удары, прикасаясь к крюку крана. Проверка электрооборудования не выявила неисправностей или утечек. Виновницей оказалась радиовещательная станция, находящаяся на том же острове. Американцы немедленно внесли в правила строительных работ пункт, обязывающий при опускании крюка крана заземлять его специальным гибким тросом.

В Японии обнаружили тот же эффект, и при работе крана в нескольких километрах от радиовещательной СВ станции оценили напряжение на крюке в 6,5 кВ [7]. Для борьбы с опасностью они предложили другой путь — устраивать на башне крана специальные запирающие дроссели, выполненные в виде металлических конструкций и препятствующие протеканию ВЧ токов по башне крана, т. е. нарушающие его работу в качестве антенны.

РЕКОМЕНДАЦИИ

Рассмотренные случаи — не «страшилки». Автор далек от того, чтобы призывать к отказу от радиовещания или строительной техники. О существующей опасности надо знать и уметь с ней бороться. Когда в Англии появились первые автомобили, скорость их передвижения в городах ограничили пятью километрами в час. Перед автомобилем должен был идти человек с флагом (ночью — с фонарем) и предупреждать прохожих об опасности, но это не остановило прогресс в автомобилестроении.

Прежде всего, необходимы многочисленные измерения напряженности поля на нескольких частотах и в разных условиях для набора экспериментальных данных и статистики. Необходимые приборы для этого существуют, но они довольно дороги. В то же время огромную пользу могли бы принести простейшие индикаторы, позволяющие на качественном уровне сравнить напряженность поля на открытом месте и вблизи подозрительных металлоконструкций. Ими могут служить обычные портативные радиоприемники, оснащенные дешевым стрелочным индикатором силы сигнала.

В практике автора был случай, когда самодельный транзисторный радиоприемник отказался работать внутри железобетонного административного здания (ослабление внешнего поля из-за экранирования арматурой стен), зато очень громко работал вблизи алюминиевого обрамления окон и, как ни странно, около угла лифтовой шахты в глубине здания. Именно такие случаи резкого улучшения приема на определенных частотах и в ограниченных местах и должны на-сторажить.

Приемник с ферритовой антенной может служить индикатором лишь магнитного поля. Для оценки электрического поля нужны приемники со штыревыми антеннами. Лучше всего измерять обе компоненты электромагнитного поля.

ЛИТЕРАТУРА:

1. http://www.pole.com.ru/action.htm.

2. http://www.tesla.ru/publication/files/003.doc.

3. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ). СанПиН 2.2.4/2.1.8.055- 96. — М.: Госсанэпиднадзор России, 1996.

4. http://www.pole.com.ru/norm.htm.

5. В. Поляков. Радиоприем... без радиоприемника. — Радио, 2003, N 4, с. 21.

6. Т. Denton. Radiofrequency Energy Poses Unseen Hazard. http:/www.occupationalhazards.com/safetyjzones/54/article.php?id=5283.

7. Y. Kasashina. Theory of Attenuator for High Voltage in a Large Crane Near a Broadcasting Antenna. www.kajima.co.jp/tech/katri/technical/annual/vol_49/49-50.html.

8. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2005, JVs 11, с. 62—65. www.stroymat21.ru.

Схемотехника 4-2007