CC BY
196
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН ТРАНКИНГОВОЙ И СОТОВОЙ СВЯЗИ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ОБСТАНОВКУ
ВБЛИЗИ МЕСТ УСТАНОВКИ
Звездина Марина Юрьевна
д-р. физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой Донского государственного технического университета,
Россия, г. Ростов-на-Дону E-mail: zvezdina_m@mail. ru
Шокова Юлия Александровна
канд. физ.-мат. наук,
доцент Донского государственного технического университета,
Россия, г. Ростов-на-Дону
Шоков Андрей Викторович
аспирант Донского государственного технического университета,
Россия, г. Ростов-на-Дону
ANTENNA PARAMETERS INFLUENCE ON CLOSE UP ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT OR TRUNKING AND MOBILE COMMUNICATIONS
Zvezdina Marina
doctor of Physical and Mathematical Sciences, associate professor, head of the department of Don State Technical University,
Russia, Rostov-on-Don
Shokova Yuliya
candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor of Don State Technical University,
Russia, Rostov-on-Don
Shokov Andrey
postgraduate student of Don State Technical University,
Russia, Rostov-on-Don
Звездина М.Ю., Шокова Ю.А., Шоков А.В. Влияние параметров антенн транкинговой и сотовой связи на электромагнитную обстановку вблизи мест установки //
Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 2 (15) .
URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1961
АННОТАЦИЯ
В статье приводятся результаты исследований влияния параметров антенны (диаграммы направленности, коэффициента усиления, мощности передатчика, диапазона частот) на оценку электромагнитной обстановки в месте установки антенны на крыше жилого здания. Исследования выполнены для основных типов реальных антенн системы транкинговой связи стандарта CDMA, системы сотовой связи стандарта GSM, а также систем передачи данных WiMAX (LTE) и Yota. Приводятся предложения по снижению уровня плотности потока энергии, создаваемого антеннами в пределах жилого здания.
ABSTRACT
In the paper the research results for antenna parameters (directivity pattern, antenna gain power, transmitter power, and frequency range) influence on electromagnetic environment in the antenna displacement area on the rooftop of inhabited building are given. The research was carried out for basic antenna types of CDMA trunking communications, GSM mobile, and data transfer systems WiMAX (LTE) and Yota. The suggestions for lowering the antenna energy flux density within the building boundaries are given.
Ключевые слова: антенны транкинговой связи, антенны сотовой связи, плотность потока энергии от антенны, крыша здания, метод расчетного прогнозирования.
Keywords: trunking communications antenna, mobile communications antenna, antenna energy flux density, building rooftop, calculated forecast approach.
Современный этап развития информационно-телекоммуникационных систем, как показано в [10], характеризуется значительным увеличением трафика передаваемой информации, в том числе и по радиоканалам. В городских условиях, где наиболее велика плотность населения, данный процесс сопровождается существенным ухудшением экологической ситуации по электромагнитному фактору [12], усугубляющимся невозможностью
устранить данную проблему профилактическими мероприятиями. Как известно, например, из [4; 9], одним из значимых источников электромагнитного излучения в городе являются антенны сотовой и транкинговой связи, устанавливаемые для обеспечения большей зоны покрытия на крышах жилых зданий. Поскольку данные антенны являются не только приемными, но и передающими, то при их установке должны соблюдаться санитарные правила и нормы, в частности, [3; 11], а также осуществляться экологический мониторинг электромагнитной обстановки в местах их размещения. В методических указаниях [8], а также в работе [5] даются разъяснения о способах проведения инструментального мониторинга. Однако получаемые при этом измерительные данные носят дискретный характер, и для объяснения получаемых результатов, а также оценки их достоверности необходимо их сравнивать со значениями, полученными методами расчетного прогнозирования, модели для которых разработаны с учетом электродинамики. Для ряда антенн сотовой и транкинговой связи в документе [8] приводятся методики расчета значений плотности потока энергии (ППЭ). Известен ряд работ, например [5; 6], в которых выполняется анализ плотности потока энергии от антенн сотовой связи стандарта GSM. Однако в перечисленных работах анализ электромагнитной обстановки выполняется для усредненной модели антенны. Так, в работах [5; 6] все результаты приведены для антенны с диаграммой направленности, имеющей фиксированные значения: ширину главного лепестка в горизонтальной плоскости 65 градусов, в вертикальной — 10 градусов, максимальное
направление излучения которой образуется угол — 10 градусов относительно линии горизонта. Кроме того, высота подвеса антенны считается зафиксированной значением 30 м. В то же время необходимо иметь данные прогнозов для реальных антенн с учетом мест их размещения.
В связи с этим целью статьи является исследование влияния параметров антенн (диаграммы направленности, коэффициента усиления, мощности передатчика), а также конечных размеров крыши, на которой антенны сотовой
и транкинговой связи устанавливаются, на электромагнитную обстановку вблизи мест их установки.
При проведении исследований используется пакет программ,
разработанный авторами и базирующийся на основных соотношениях, приведенных в работах [8; 12]. Пакет позволяет при проведении расчетного прогнозирования учесть следующие параметры антенны: мощность
передатчика, сечения объемной диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях (паспортные характеристики), коэффициент усиления. Кроме того, задаются размеры крыши, высота здания, на которой она устанавливается, а также высота подвеса антенны относительно поверхности крыши. Электродинамическая модель базируется на применении известных решений, получаемых при использовании двухлучевой модели отражения, а также решением задачи дифракции на бесконечном клине. Правомерность использования данных моделей подтверждается большими электрическими размерами расстояний от антенны сотовой (транкинговой) связи до поверхности крыши. В качестве ограничений разработанной модели выступает невозможность проведения расчетов для точек, линия соединения с фазовым центром антенны для которых не проходит через угол крыши.
При анализе электромагнитной обстановки, создаваемой вблизи антенны сотовой и транкинговой связи, используем характеристики антенн, приведенные в [1; 2] и сведенные в таблицу 1. Поскольку при оценке электромагнитной обстановки в соответствии с рекомендациями из работ [8; 12] расчет следует проводить для наихудших случаев, то из приведенных в таблице 1 данных выберем для каждого стандарта связи несколько вариантов исполнения антенн. В качестве таковых далее будем рассматривать модели антенн RAO-2U-60 (наибольшая мощность передатчика), RAO-11GL-60 и RAO3-10GH-60 (два частотных диапазона стандарта GSM), RAS-12X-60 (более широкий лепесток диаграммы направленности в горизонтальной плоскости), RAX-14Yota-70 (единственный вариант из приведенных в таблице).
В таблице 2 приведены результаты исследований распределения плотности потока энергии в двух главных плоскостях — горизонтальной, проходящей на уровне 2 метра от поверхности крыши, и вертикальной, проходящей параллельно, но ниже на 2 метра от направления максимального излучения антенны. Ограничение на высоту сечения в вертикальной плоскости обусловлены особенностями среды реализации программы (языковой среды MathCad 15, не позволяющей устанавливать уровни проведения сечений в диаграмме уровней).
Таблица 1.
Характеристики излучения типовых антенн систем связи
Модель антенны Диапазон Коэффициент Ширина главного Мощность
частот, МГ ц усиления G, лепестка, град передатчика,
дБ Е-пл. Н-пл. Вт
Транкинговая связь, стандарт CDMA
RAV-2UL-90 400-430 8 37 90
RAV-4UL-90 400-430 11 18 90
RAO-4U-120 400-470 8 36 120 400
RAX-2UL-70 400-430 9 36 70
RAX-4UL-70 400-430 12 18 70
RAO-2U-60 380-440 10 36 60 500
Системы сотовой связи GSM
RAO-11GL-60 860-970 11 30 60
RAO3-10GH-60 1710-1880 13 18 60 50
RAO-14GL-70 860-970 14 15 70
Системы сотовой связи и передачи данных WiMAX (LTE)
RAS-12X-60 12 30 60
RAS-15X-60 3400-3600 15 12 60 10
RAS-18X-60 18 6 60
Системы сотовой связи и передачи данных Yota
RAX-14Yota-70 2400-2700 14,2 8 65 50
При проведении моделирования полагалось, что фазовый центр антенны размещался на высоте 3 метра от поверхности крыши, на середине одной из кромок крыши, что соответствует типичному расположению антенны [9]. Геометрия крыши и высота здания были взяты из работы [12] для оценки корректности получаемого решения для частного случая размещения расчетных точек.
Таблица 2.
Характеристики исследуемых антенн
Модель антенны Расчетная частота, МГ ц Коэффициент усиления G, дБ Мощность передатчика, Вт Максимальная ППЭ, мкВт/см2
RAO-2U-60 410 10 500 465
RAO-11GL-60 810 11 50 32,9
RAO3-10GH-60 1810 13 36,7
RAS-12X-60 3500 12 10 4,26
RAX-14Yota-70 2550 14,2 50 2,42
Анализ полученных результатов показывает, что антенны систем передач данных стандартов WiMAX (LTE), а также стандарта Yota не превышают предельно допустимый уровень излучения в 10 мкВт/см2 [3; 8; 11]. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, для указанных стандартов применяется более высокий диапазон частот, вследствие чего получаемые электрические расстояния R от фазового центра антенны до расчетных точек на поверхности крыши и за ее пределами (в вертикальной плоскости) соответствуют дальней зоне излучения, когда излучаемая мощность затухает
__о
как R . Во-вторых, либо малой шириной диаграммы направленности в вертикальном сечении при относительно большой мощности передатчика 50 Вт, либо при большей ширине главного лепестка (порядка 30 градусов) малой мощностью передатчика 10 Вт. В связи с этим выполним более подробный анализ полученных результатов для трех оставшихся антенн из таблицы 2.
На рисунках 1 и 2 приведены распределения плотности потока энергии в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно для моделей RAO-2U-60, RAO-11GL-60 и RAO3-10GH-60. Следует отметить, что
на вертикальном сечении показан вид сзади. Розовым цветом показано положение антенны, а голубые линии на рисунках с индексами «б» обозначают кромки крыши. На рисунках 3—5 приведены сечения диаграммы направленности антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рисунки с индексами «а» и «б») по паспортным данным, приведенным в [1].
а
б
в
Рисунок 1. Распределение ППЭ в вертикальной плоскости
а
б
1111
Г^-.к -—У
СГ 20 15 25 10 30 к- 5 1 ч 20 ^4 yj U==^ _4f
зо - 25 \ 5 2 4\
Щв,, -1 1 ' id 74 3 - 50 - , JU У' 0 f I4 - 2
t, 20 f1 .p-' V — 2 j
ti . - 4 i
— TJ
в
Рисунок 2. Распределение ППЭ в горизонтальной плоскости
б
Рисунок 3. Сечения диаграммы направленности антенны RAO-2U-60
а б
Рисунок 4. Сечения диаграммы направленности антенны RAO-11GL-60
а б
Рисунок 5. Сечения диаграммы направленности антенны RAO3-10GH-60
Анализ полученных результатов показывает, что на высоте расчета санитарно-защитной зоны (2 метра над поверхностью крыши [3; 8; 11]) все три исследуемые антенны создают плотность потока энергии, величина которой для рассматриваемого диапазона частот превышает предельно допустимый уровень в 10 мкВт/см2. Следует отметить, что если антенны стандарта GSM только образуют ряд областей, где наблюдается это превышение, то транкинговые антенны стандарта CDMA на всей крыше создают поле, во много раз превышающее по уровню предельно допустимое значение. Кроме того, получаемые результаты хорошо иллюстрируют электродинамические эффекты, обусловленные как процессом излучения антенны, так и процессом дифракции на кромке крыши. В частности, на рисунке 1,а несложно наблюдать процесс образования интерференционных волн, образуемых на кромке крыши в направлении заднего излучения антенны. В направлении максимального излучения (в переднее полупространство в сторону от здания) распространяются сферические волны от источника. Распределение плотности
потока энергии в горизонтальной плоскости отображает связь с формой диаграммы направленности антенны, выражающееся в создании потока энергии в заднем направлении в нижнее полупространство, где размещается крыша.
Таким образом, для обеспечения требуемых значений плотности потока энергии в пределах крыши жилого здания для антенн транкинговой связи стандарта CDMA и сотовой связи стандарта GSM необходимо либо размещать их на высотах более 3 метров над поверхностью крыши, либо осуществлять работу с помощью передатчиков меньшей мощности. Данный вывод хорошо согласуется с известными методами, применяемыми в системах сотовой связи [9]. Кроме того, еще одним из возможных направлений снижения ППЭ в область заднего полупространства является управление ее формой диаграммы направленности.
Антенны сотовой связи, используемые для передачи данных (стандарты WiMAX (LTE) и Yota) не создают в пределах крыши уровней поля, превышающих предельно допустимый, вследствие работы в более высоком диапазоне частот, а также меньших мощностях передатчика.
Список литературы:
1. Базовое антенно-фильтровое оборудование / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://www.radial.ru (дата обращения: 9.02.2015).
2. Воскресенский Д.И. [и др.] Антенные системы базовой станции системы сотовой связи стандарта GSM и 3G (обзор) // Антенны. — 2008. — № 6 (133). — С. 43—52.
3. Гигиенические нормативы ГН 2.1.8./2.2.4.019-94. Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://www.docload.ru/Basesdoc/5/5222/index.htm (дата обращения: 29.01.2015).
4. Гуревич Е.С., Попова Т.С., Моисеенко О.А. Актуальные задачи санитарноэпидемиологических экспертиз размещения базовых станций беспроводной радиотелефонной связи // Здоровье. Медицинская экология. Наука. — 2014. — Т. 58, № 4. — С. 80—83 / [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://yadi.sk/i/vX4p-x7mZKuuU. (дата обращения: 9.02.2015).
5. Елягин С.В. Анализ плотности потока мощности (НИМ) вблизи излучающих антенн // Вестник УлГТУ. — 2008. — № 4. — С. 51—54.
6. Елягин С.В. Измерение плотности потока мощности с помощью мобильного измерительного терминала // Вестник УлГТУ. — 2008. — № 2. — С. 56—58.
7. Елягин С.В., Дементьев В.Е. Анализ плотности потока энергии (ППЭ) вблизи антенн стандарта GSM // Вестник УлГТУ. — 2009. — № 3. — С. 29—33.
8. МУК 4.3-1167-02. Методические указания по определению плотности потока
мощности электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазонах частот 700 МГц — 30 ГГц. Утв. Председателем Гос. санитарно-эпидемиологического надзора РФ 7.10.2002 г. / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://bestpravo.ru/rossijskoje/so-
instrukcii/t5r.htm. (дата обращения: 30.01.2015).
9. О базовых станциях GSM, 3G и LTE — доступно и просто / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://tele2life.ru/1/content/view/69/66/ (дата обращения: 29.01.2015).
10. План деятельности Министерства связи и массовых коммуникаций на период 2013—2018 годов — связь / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://2018.minsvyaz.ru/#-plan (дата обращения: 2.02.2015).
11. СанПин 2.1.8/2.4.1383-03. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов. Утв. Главным гос. санитарным врачом России 9 июня 2003 года. Регистрационный номер 4710. Дата введения 30 июня 2003 года.
12. Сподобаев Ю.М., Кубанов В.П. Основы электромагнитной экологии. — М.: Радио и связь, 2000. — 240 с.
