Безопасное расстояние

Возьмем несколько типов антенн, подадим на них одинаковую мощность и посмотрим на каком расстоянии от них безопасно находиться.

Разные типы антенн имеют разную форму диаграммы направленности и разное усиление и КПД. Отличаются также размеры, форма и энергетика ближней зоны (которая, собственно и обеспечивает излучение, а антенна лишь накачивает энергией пространство ближней зоны).

В данной статье рассматривается лишь один вопрос, связанный с энергетикой ближней зоны: на каком расстоянии безопасно находиться от работающей на передачу антенны?

Изучим этот вопрос на простых укороченных антеннах (направленные антенны с усилением обычно располагаются на соответствующей мачте и к ним близко при всём желании не подойдешь, а вот укороченные антенны используются от недостатка места поэтому могут оказаться вблизи оператора).

Для сравнения выберем 4 антенны диапазона 14 МГц:

  1. Простой проволочный λ/2 диполь 10,2 м.
  2. Укороченный проволочный диполь длиной 6 м с катушкой с добротностью 200 в центре.
  3. Сильно укороченный диполь, умещающийся в 1 кубометр пространства с габаритами 1 х 1 х 1 м.
  4. Квадратная магнитная рамка со стороной 1 м из медной трубы 20 мм с настроечным конденсатором с добротностью 2000.

Диаграммы направленности этих антенн показаны в сравнении на рис.1. Никаких чудес не наблюдается: чем короче антенна, тем ниже её усиление.


Рис. 1. Сравнение диаграмм направленности

 

Теперь подключим к каждой из этих антенн передатчик 100 Вт (считается, что согласование было сделано без потерь) и посмотрим, на каком расстоянии от антенны можно безопасно находиться.

В качестве критерия безопасности возьмем лимиты FCC (§ 15.209) на радиоизлучение для персонала. Под персоналом FCC понимает людей, знающих о том, что они находятся в электромагнитном поле и могущих им управлять или осознанно менять своё положение и длительность пребывания в поле. То есть, радиолюбитель, настраивающий свою антенну или работающий на ней в эфире – это персонал.

Для частоты 14 МГц при постоянном нахождении персонала в электромагнитном поле FCC ограничивает напряженность электрического поля значением 130 B/м (от 3 до 30 МГц рассчитывается по формуле 1842/F, где частота в МГц), а напряженность магнитного поля – 0,34 А/м (от 3 до 30 МГц рассчитывается по формуле 4,89/F, где частота в МГц).

Рассчитаем для всех вышеупомянутых антенн распределение поля и отметим на этих распределениях линии, соответствующие приведенным лимитам. Эти расчеты выполнены окном ”Near Field” программы MMANA-GAL PRO (аналогичное окно имеет и программа GAL-ANA). Для всех антенн поле считается в плоскости размерами 10 х 12 м (по осям X и Y соответственно)на нулевой высоте над антенной. На всех следующих диаграммах красными цифрами показаны координаты в метрах по оси X, синими – по оси Y.

 

Электрическое поле λ/2 диполя 10,2 м показано на рис. 2. Максимумы соответствуют (понятное дело) концам диполя. Напряженность поля достигает там 1700 В/м. Темной линией на распределении поля и на цветовой шкале отмечен безопасный уровень 130 В/м (аналогично этот уровень отмечен и на всех следующих рисунках). Видно что по электрическому полю к полуволновому диполю можно подходить до полуметра на краях, а в центре почти в упор.


Рис. 2. λ/2 диполя 10,2 м. Е-поле

На рис. 3 показано магнитное поле λ/2 диполя 10,2 м. Оно повторяет форму тока и максимально в центре диполя. Безопасный уровень 0,34 А/м отмечен темной линией (аналогично этот уровень отмечен и на всех следующих рисунках). Безопасное расстояние в центре 0,6 м.


Рис. 3. λ/2 диполя 10,2 м. Н-поле

 

Вывод: к полуволновому диполю 14 МГц при 100 Вт подведенной мощности не стоит подходить ближе 0,6 м.

 

Рисунки 4 и 5 сделаны для укороченного в центре катушкой диполя длиной 6 м. Они, в принципе, в принципе похожи на две предыдущие. Но т.к. диполь укорочен, то его добротность возросла. И возросла реактивная энергия ближней зоны (несмотря на меньшее усиление антенны в дальней зоне): максимумы осей на рис. 4 и 5 примерно вдвое выше, чем на рис. 2 и 3. Это привело к тому, что безопасное расстояние увеличилось до 1 м от антенны.


Рис. 4. Диполь 6 м с катушкой. Е-поле

 


Рис. 5. Диполь 6 м с катушкой. Н-поле

 

Вывод: к укороченному катушкой в центре до 6 м диполю 14 МГц при 100 Вт подведенной мощности не стоит подходить ближе 1 метра. Кроме того, из-за вдвое более высоких значений полей в ближней зоне такой диполь вчетверо чувствительнее полуволнового к потерям в ближней зоне (например, стены, деревья, чужие провода). Последнее проще всего понять на примере.

Допустим, около максимума электрического поля расположен резистор 1 Мом, длиной 10 см (например влажный, или закопченный кусок камня). Если антенна λ/2 диполь, то на нашем резисторе будет 1700 B/м * 0,1 м = 170 Вольт. Это приведет к выделению на резисторе активной мощности 1702 В/1 МОм = 28,9 мВт, т.е. очень маленькой. А для укороченного до 6 м диполя, напряженность поля составит 4000 В/м, чо на нашем резисторе даст 400 В и 0,16 Вт, т.е. в 5,5 раз больший нагрев.

0,16 Вт, конечно тоже немного, по сравнению со 100 ваттами. Но таких ”резисторов” может быть много (скажем, близкие стены или антенна в кустарнике). И к тому же мы не учитывали тепловые потери от магнитного поля (нагрева наведенными токами замкнутых контуров с потерями).

 

Но двинемся еще дальше по пути укорочения и посмотри картинки поля для сильно укороченного диполя, умещающегося в 1 кубометр пространства с габаритами 1 х 1 х 1 м. Они показаны на рис. 6 и 7:


Рис. 6. Диполь 1 х 1 х 1 м. Е-поле

 


Рис. 7. Диполь 1 х 1 х 1 м. Н-поле

 

Укорочение привело к дальнейшему росту добротности (максимумы шкал на рис. 6 и 7 составляют 9500 В/м и 50 А/м соответственно) и, связанному с этим, увеличению безопасного расстояния до 1,5 м и дальнейшему квадратичному росту чувствительности к потерям в ближней зоне.

Взяв наш 10-ти сантиметровый резистор 1 МОм, находим, что в максимуме электрического поля он отберет в тепло мощность 0,9 Ватта. Иначе говоря, несколько десятков таких резисторов по краям нашего очень короткого диполя (например, бетонные стены) съедят половину мощности передатчика. И это еще не считая тепловых потерь в самой антенне и потерь магнитного поля в ближней зоне ближней зоне. А максимум магнитного поля тут вырос в 50 А/м / 3,8 А/м = 13,16 раз по сравнению с полуволновым диполем.

 

В завершение посмотрим картинки поля квадратной магнитной рамки со стороной 1 м из медной трубы 20 мм с настроечным конденсатором с добротностью 2000. Поскольку, в отличие от предыдущих диполей магнитная рамка не имеет выраженной протяженности только по одной из осей, то построим диаграммы поля для двух положений рамки: горизонтального (рис. 8 и 9) и вертикального (рис. 10 и 11):


Рис. 8. Горизонтальная магнитная рамка. Е-поле.

 


Рис. 9. Горизонтальная магнитная рамка. H-поле.

 


Рис. 10. Вертикальная магнитная рамка. Е-поле.

 


Рис. 11. Вертикальная магнитная рамка. H-поле.

 

Электрическое поле рамки (рис. 8 и 10) хотя и очень велико (в основном около места подключения настроечного конденсатора), но быстро убывает, достигая безопасного уровня уже на расстоянии 1,5 м. Наш тестовый резистор 1 МОм/10 см, помещенный в максимум электрического поля, нагреется на 12 с лишним ватт.

Но Е-полем и его потерями дело не заканчивается. Магнитная рамка оттого и называется магнитной, что Н-поле вокруг нее очень велико. Посмотрите на рис 11, его максимум шкалы 150 А/м в ~40 раз выше, чем на рис. 3 у полуволнового диполя на рис. 3 (3,8 А/м). Это, несмотря на быстрое убывание поля, отодвигает безопасную границу до 2-х метров в направлении, перпендикулярном плоскости рамки. А кроме того, если в ближнем поле имеются пути для кольцевого тока (например, электропроводка, сети, соединительные кабели между приборами, железная арматура в стенах, и т.д), то из-за огромного магнитного поля рамки в них наводятся большие токи, и возникают заметные потери, снижающие КПД рамки.

 

Вывод: к магнитной рамке размерами 1 х 1 м из медной трубки 20 мм и настроечным конденсатором с добротностью 2000 на частоте 14 МГц при 100 Вт подведенной мощности не стоит подходить ближе 2 м. Кроме того, из-за более чем вдесятеро высоких значений полей в ближней зоне, рамка в сотни раз более чувствительнее полуволнового диполя к потерям в ближней зоне.

Выводы

Для полноразмерных антенн зона, где поле превышает норму для персонала, довольно мала. Нормы для населения (не знает о излучении и не может его контролировать) жестче норм для персона примерно вдвое (в 2,25 раза точнее говоря, в полосе от 3 до 30 МГц рассчитываются по формулам 824/F В/м для электрического поля и 2,19/F А/м для магнитного, частоты в МГц).

Мысленно убавьте на цветовых шкалах ~6 дБ (т.е. 2 раза) и по полученному цвету, посмотрите насколько изменится граница. Например, для λ/2 диполя 14 Мгц граница безопасной зоны для населения будет -28 дБ по шкалам рис. 3 и рис. 4, т.е. около 0,9 м при 100 ваттах. Если мы увеличим мощность, то по шкале надо соответственно сдвинуться еще вниз. Например, если мы дадим киловатт (т.е. на 10 дБ выше 100 Вт), то по шкалам рис. 3 и 4 надо сдвинуться вниз еще на 10 дБ, до - 38 дБ. Безопасная граница (для населения) при этом отодвинется от диполя ~ на 4 м. Это немало, но вряд ли кто-то в здравом уме будет вешать λ/2 диполь с киловаттом ниже 6 м там, где под ним ходят люди.

Следовательно, полноразмерные антенны, размещенные относительно вменяемым образом (не низко у земли или крыши, не вдоль стены, и т.п.), даже при большой мощности не создадут проблем с повышенным уровнем поля не только вам как оператору, но и соседям, случайным прохожим и прочему населению.

Даже если что-то вынуждает вас залезть за границы безопасной зоны, почти прямо к полноразмерной антенне (например, надо подстроить СУ), в катастрофически больших полях вы не окажетесь. Даже обняв λ/2 диполь 14 Мгц при 100 ваттах мощности вы окажетесь в поле лишь в 12 раз (рис. 2 и 3) выше допустимого. А это не так страшно, если учесть, что все вышеуказанные лимиты FCC, это не пиковые, а усредненные величины (для персонала время усреднения 6 минут, для населения – 30). Поэтому, если вы простоите в обнимку с антенной 30 секунд, а потом на 5 мин 30 сек выйдете из поля (далеко отойдете) или выключите его, то допустимую норму вы не превысите.

 

А вот с укороченными антеннами совсем не так. Опасная зона у них больше и напряженности поля в ней выше, чем у полноразмерных антенн. И чем короче, тем больше и выше. А применяют укороченные антенны не от хорошей жизни, а от нехватки места. И поэтому вынуждено располагают их не так далеко от людей, как полноразмерные (тем более, что маленькие размеры укороченных антенн тому способствуют).

И тут начинаются проблемы. И с КПД антенны (нагрев предметов в ближней зоне). И с людьми (и с персоналом, и с населением): они могут попадать в опасную зону вокруг антенны.

Например, диполь 1х 1х 1 м при 100 Вт и 14 МГц обязан находиться не ближе 1,5 м (считая от центра антенны) от вас (рис. 6. и 7). И не ближе 2 м от ничего не подозревающих соседей. Это еще как-то можно достичь вынося антенну за габарит балкона (типа сушки для белья). Если же антенна целиком на балконе, то придется снижать мощность передатчика.

Еще хуже ситуация с магнитной рамкой. Особенно, если её использовать внутри дома. При 100 Вт и 14 МГц даже оператору нельзя находиться ближе 2 м от центра рамки. А населению – ближе 3 м. То есть магнитную рамку категорически нельзя эксплуатировать на передачу внутри дома из-за сильного превышения норм облучения электромагнитным полем и себя, и соседей.

Но если соседям еще может повезет и бетонные перекрытия между этажами поглотят часть поля, то оператору, находящемуся близко от рамки будет совсем нехорошо. Причина: чрезвычайно высокая напряженность поля. Допустим, вам надо подойти к рамке подстроить её конденсатор. Вы можете это сделать с расстояния 0,5 м. По рис. 11 видим, что вы пр этом попадете в поле 50 А/м. Даже если вы это сделаете за 10 секунд, а потом уйдете от рамки очень далеко (а куда из комнаты-то?), то все равно, средняя доза за 6 минут вдвое превысит норму для персонала.

Поэтому, в отличие от полноразмерных, у укороченных антенн не рекомендуется даже кратковременно соваться в опасную зону. И чем больше укорочена антенна, тем сильнее не рекомендуется. Для сильно укороченных антенн из-за огромных значений реактивного поля даже кратковременное пребывание внутри опасной зоны может повредить здоровью. Если вам что-то надо сделать с укороченной антенной (подстроить её, например) то делайте это при неработающем передатчике, или на предельно малой его мощности.

 

С укороченными антеннами есть парадокс: может показаться, что чем сильнее мы укорачиваем антенну, тем меньше излучатель. На самом деле – ничего подобного (речь тут о настроенных укороченных антенна с относительно небольшими потерями). Антенна да, становится меньше. Но она не излучатель. Излучателем является возбужденный антенной объем пространства ближней зоны. Точнее говоря, реактивные поля, возбужденные антенной в этом объеме. Антенна занимается только накачкой энергией этого объема, а излучателем является именно этот объем.

Посмотрите на рисунки 2 – 11. Суммарные площади, ограниченные кривыми безопасных границ Е и Н для разных антенн оказываются одного порядка: несколько квадратных метров. Значит, примерно одного порядка оказываются и размеры (объемы) истинного излучателя: реактивной ближней зоны (хотя формы получаются разные). Несмотря на то, что размеры антенн меняются на этих рисунках в 10 раз.

Если вы не в состоянии разместить укороченную антенну так, что ее ближняя зона окажется свободой от предметов с потерями (включая людей), то ничего хорошего из этой затеи не получится. Ни по КПД, ни по соблюдению норм облучения. А ближняя зона эффективно работающей антенны все рано будет большой, как бы вы ни укорачивали антенну.

Если же вы в состоянии очистить ближнюю зону от всего, то подумайте: а зачем вам маленькая антенна? Не лучше ли в очищенное пространство установить полноразмерную или лишь немного укороченную антенну? Заодно выиграете и в КПД и в полосе, и в снижении напряженности поля внутри ближней зоны.

 

В завершение не вполне научная, но прозрачная акустическая аналогия.

Допустим, мы хотим сделать НЧ колонку. Возьмем сначала большой динамик диаметром сантиметров 50 (одолжим для эксперимента в концертном зале). Он неплохо звучит на НЧ сам по себе, возбуждая диффузором большой объем воздуха непосредственно. На глаз его большой диффузор почти неподвижен. А если потрогать пальцем ощущается слабая вибрация. Но динамик слишком большой. Поменьше бы.

Теперь берем другой динамик, поменьше, скажем 20 см. И удивимся: при тех же паспортных частотах этот динамик сам по себе на НЧ звучит ощутимо хуже. Низкие частоты почти не слышны. Засунем его в деревянный полуметровый ящик-колонку и услышим, что НЧ появились. При той же мощности ход диффузора на глаз заметен, палец на диффузоре чувствует заметную вибрацию. А нельзя ли еще уменьшить динамик?

Можно. Возьмем динамик диаметром 7 см с большим (> 10 мм) ходом диффузора. В паспорте обещают, что НЧ он воспроизводит. Но сам по себе он только хлопает диффузором, а НЧ не слышны вовсе. Необходим тот же самый ящик-колонка. В нем хорошо зазвучит и наш маленький динамик. Но ход диффузора у него будет очень заметен (попробуйте не заметить болтания на сантиметр), а по прислоненному пальцу он будет изрядно бить. Итого: для воспроизведения НЧ звука нам требуется полметра пространства: или его занимает сам большой динамик, или деревянный корпус колонки сопоставимого размера.

А теперь замените выше: ”динамик” на ”антенна”, ”диаметр динамика” на ”размер антенны”, ”полметра пространства” на ”ближняя зона”, ”НЧ” на ”электромагнитную волну”, ”ход диффузора” на ”напряженность поля в ближней зоне” и вы хорошо поймете укороченные антенны.



Bonn, 30.01.2014

На главную - Main page