Страница 3 из 11
При вытекании ЭМП из антенны обычно рассматриваются три области пространства. При этом границы областей иногда могут быть довольно неопределенными, а соответствующие формулы являются весьма приближенными.
Реактивная область ближней зоны – область пространства, непосредственно граничащая с поверхностью антенны (встречаются также названия: область статического поля, область реактивного поля, квазистационарная область). В этой области ближней зоны преобладают реактивные электромагнитные процессы, характеризующиеся тем, что энергия ЭМП сохраняется в данной области путем перетекания электрической составляющей (ЭП) в магнитную составляющую (МП) и обратно. Поэтому здесь нужно оценивать отдельно ЭП и МП (проводить измерения или расчеты Е и Н). По сути дела, ЭМИ здесь практически отсутствуют. В реактивной области МП и ЭП с расстоянием меняются очень резко, например, E может изменяться пропорционально 1/r3, а H – пропорционально 1/r2, где r – расстояние от антенны до точки наблюдения.
Внешняя граница реактивной области (если размеры антенны малы по сравнению с длиной волны) приближенно описывается выражением:
где λ – длина волны; π ≈ 3,14; R – расстояние от границы области до антенны.
Радиационная область ближней зоны – область пространства, которая располагается между реактивной областью ближней зоны и дальней зоной. Иногда эта область называется зоной Френеля. Другие названия: область излучаемого ближнего поля, ближнее радиационное поле, индукционное поле, переходная область, переходная зона.
Размеры этой области зависят от наибольшего геометрического размера антенны и длины волны. В этой области преобладают процессы излучения электромагнитного поля (ЭМИ передает энергию в форме волн от антенны в пространство). При этом, однако, реактивными процессами пренебречь нельзя.
Внутренняя граница данной области описывается выражением (1.1). Внешняя граница определяется выражением (1.2), если размеры антенны малы по сравнению с длиной волны, или выражением (1.3), если наибольший геометрический размер антенны больше длины волны:
где D – наибольший геометрический размер антенны.
Дальняя зона – область пространства, в которой ЭМП существуют практически только в форме ЭМИ (электромагнитных волн). Внутренняя граница дальней зоны описывается соответственно выражениями (1.2) или (1.3), а расстояние до внешней границы равно бесконечности.
Встречаются и другие названия этой зоны: зона Фраунгофера, дальнее радиационное поле. В этой зоне векторы Е, Н и вектор направления распространения ЭМИ взаимно перпендикулярны. Затухание ЭМИ здесь минимальное, так как Е и Н уменьшаются с расстоянием пропорционально 1/r. ЭП и МП в этой зоне жестко связаны посредством выражения
поэтому здесь достаточно вычислять и измерять только Е или Н. На практике в этой области чаще производится измерение энергетической (точнее, мощностной) характеристики ЭМИ. Она обычно называется «плотность потока мощности» (ППМ) и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) или (мкВт/см2, мкВт/м2). Иногда ППМ ошибочно называют «плотность потока энергии», ведь из контекста часто следует, что речь идет о плотности потока мощности, а не о плотности потока энергии.
ППМ жестко связана с Е и Н и уменьшается с расстоянием пропорционально 1/r2.
1 Вт/м2 = 100 мкВт/см2 = 1000000 мкВт/м2.
Для реактивной области ближней зоны в низкочастотном диапазоне 1 Гц – 100 кГц несложно выполнять измерения Е и Н, тогда как в радиочастотном диапазоне 100 кГц – 300 ГГц иногда возможны только расчеты Е и Н или удельного коэффициента поглощения (англ. Specific Absorption Rate, SAR) мощности ЭМП (например, в теле человека).
Для радиационной области ближней зоны в радиочастотном диапазоне 100 кГц – 300 ГГц также предлагается [2] использовать при измерениях ППМ, потому что в этой области доминируют ЭМИ.
Измерение полей в низкочастотном диапазоне для радиационной области ближней зоны и для дальней зоны не актуально (за некоторыми исключениями).
Для лучшего понимания вышеприведенных сведений целесообразно рассмотреть простое ЭМП, состоящее из одного синусоидального волнового электромагнитного процесса.
Известно, что длина электромагнитной волны и частота связаны соотношением:
где: с ≈ 300000 км/с – скорость света; f – частота.
ЭМП промышленной частоты 50 Гц, согласно выражению (1.4), будет иметь λ = 300000 (км/с)/50 (1/с) = 6000 км. Ясно, что размер антенны будет обычно намного меньше этой длины волны. Значит, согласно выражению (1.1), для внешней границы реактивной области ближней зоны R = 6000 (км)/6,28 = 955 км. Это означает, что ближе 955 км еще нет ЭМИ с частотой 50 Гц. Аналогично, для внешней границы радиационной области ближней зоны и внутренней границы дальней зоны необходимо использовать выражение (1.2), тогда R = 12000 км. Значит, только на удалении свыше 955 км будет ЭМИ с частотой 50 Гц, но его интенсивность там ничтожна.
Таким образом, ЭМП промышленной частоты 50 Гц, для подавляющего числа практических приложений (на расстояниях ближе 955 км), существует только в форме ЭП и МП. Именно поэтому в большинстве публикаций и в этой книге рассматриваются раздельно низкочастотные электрические и магнитные поля. Наличие же пренебрежимо слабых ЭМП (в форме ЭМИ на удалении свыше 955 км) не является актуальным.
В этой связи вызывает сожаление утверждение [4] о том, что ВОЗ якобы классифицировала ЭМП КНЧ (ELF EMF) как возможный канцероген, тогда как в действительности классификация касается только магнитных полей – это МП КНЧ (ELF MF), а ЭП КНЧ вообще не классифицировались [5].
Исключением для низкочастотной области являются волны Шумана, которые существуют в своеобразном резонаторе, образованном поверхностью Земли и ионосферой. Электромагнитные волны с частотой около 8 Гц возбуждаются в этом резонаторе грозами, но интенсивность этих ЭМИ у поверхности Земли чрезвычайно мала.
Тем не менее волны Шумана, по-видимому, влияют позитивно на поддержание здоровья человека. В открытом космосе отсутствие этих волн может стать проблемой для космонавтов. Возможно, это связано с тем, что частота волн Шумана приближенно совпадает с альфа-ритмом мозга человека.
Если чрезвычайно слабое природное ЭМП с частотой 8 Гц влияет на человека, то неужели антропогенные ЭМП с другими частотами и гораздо более мощными интенсивностями не повлияют на человека?
Другой пример – это ЭМП с частотой 900 МГц (приблизительно) от мобильного телефона.
λ = 3∙1010 (см/с) /9∙108 (1/с) = 33,3 см, затем, согласно выражению (1.1), для внешней границы реактивной области ближней зоны R = 33,3 (см)/6,28 = 5,3 см.
Для внутренней границы дальней зоны из выражения (1.2) R = 2∙33,3 (см) = 66,6 см.
Таким образом, вызывают сожаление попытки измерения ППМ от мобильного телефона на расстоянии менее 5,3 см, потому что там ППМ отсутствует. Вблизи телефона необходимо измерять раздельно Е и H, но, к сожалению, и это не всегда возможно. Это объясняется тем, что измерительный зонд может значительно исказить ЭМП от антенны мобильного телефона. Ведь антенна и зонд становятся единой антенной системой. Вот по этой причине предлагаемые МКЗНИ и некоторыми странами расчеты SAR (для случая, когда телефон излучает прямо у макета головы человека) представляются иногда оправданными.