Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 41 УДК 621.396:621.391.82 ВЛИЯНИЕ ДЕКОРАТИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ОБСТАНОВКУ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ СОВМЕСТИМОСТЬ РАДИОСИСТЕМ Канд. техн. наук МОРДАЧЕВ В. И., докт. техн. наук, проф. ЮРЦЕВ О. А., ЛИТВИНКО П. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Использование декоративных металличе- ских покрытий, в частности алюминиевого ли- стового покрытия, для улучшения внешнего вида зданий и их защиты от воздействий значи- тельно изменяет их электродинамические ха- рактеристики и способно существенно влиять на электромагнитную обстановку (ЭМО) в окрестности этих зданий, а также на электро- Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 43 магнитную совместимость радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС) различных служб, исполь- зующих эти здания для размещения приемопе- редающих антенн, либо РЭС, расположенных на небольшом расстоянии. Данное влияние, как правило, выражается в: • изменении диаграмм направленности (ДН) размещенных на здании антенн, включая изме- нение направлений главных лепестков ДН; • изменении условий дифракции радиоволн на элементах здания и увеличении коэффи- циента отражения радиоволн от его поверх- ности; • образовании вторичных интермодуляци- онных излучений (пассивной интермодуляции) при облучении здания мощным электромагнит- ным полем за счет нелинейного преобразования (детектирования) высокочастотных токов, наводимых на элементах металлического деко- ративного покрытия, на подверженных окисле- нию электрических контактах между этими элементами [1–3]. По реальным фактам влияния декоративно- го алюминиевого покрытия одного объекта, размещение антенн радиостанций на котором схематически приведено на рис. 1, располо- женного на небольшом расстоянии от мощного радиопередающего центра, на изменение ЭМО в окрестности этого объекта были предприняты исследования, направленные на определение причин возникших электромагнитных помех стационарным и мобильным радиостанциям диапазона ОВЧ, размещенным на этом объекте и в его окрестности. Численное моделирование ДН антенн с уче- том присутствия близкорасположенных про- водящих поверхностей. Геометрия объекта и варианты размещения на нем антенн радио- станций диапазона ОВЧ приведены на рис. 1. Рис. 1 Типовым для рассматриваемых ситуаций является следующее: • сложная многоуровневая геометрия верх- ней металлической поверхности, наличие вы- ступающих элементов (лифтовых надстроек, башен и т. п.) и наклонных поверхностей (ме- таллическая кровля); • размещение антенн на различных расстоя- ниях от граней, образуемых горизонтальными и вертикальными (наклонными) металлически- ми поверхностями. Практическое большинство радиостанций диапазона ОВЧ, включая радиостанции на рас- сматриваемом объекте, имеют вибраторные ан- тенны и полосу рабочих частот шириной ≈20 % от значения центральной частоты настройки. При этом типовыми вариантами размещения антенн являются: • размещение антенн на горизонтальной либо имеющей незначительный наклон плоской про- водящей поверхности на удалении от края не менее длины волны λ (антенны А и В на рис. 1); • размещение антенн в непосредственной близости от грани, образуемой горизонталь- ной и наклонной (антенна С на рис. 1) либо го- ризонтальной и вертикальной (антенна D на рис. 1) проводящими поверхностями; • взаимное размещение антенн в пределах прямой видимости (антенны В и С по отноше- нию к антенне D), а также в области радиотени (антенны В, С и D по отношению к антенне А). Численное моделирование ДН вибраторных антенн, размещенных на верхних поверхностях объекта, проведено методом моментов [4]. При его выполнении использованы две модели про- водящей поверхности (рис. 2): модель 1 – ме- таллическая поверхность аппроксимирована системой радиальных проводников; модель 2 – то же системой металлических проводников в виде решетки. Модель 1 Антенна C D A B Х Z Х Z Y Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 44 Модель 2 Рис. 2 Ниже приведены результаты моделирования для: • случая 1: вертикальный вибратор распо- ложен в глубине горизонтальной металлической поверхности, использована модель 1 (рис. 2) при следующих исходных данных: длина вибратора четверть длины волны (0,224λ), длина аппрок- симирующих проводников ограничена длиной волны λ. ДН в вертикальной (плоскости Е) и горизонтальной (плоскости Н) плоскостях показаны на рис. 3. На этом рисунке приведены также значения КНД, входного сопротивления (R + iX), КСВН в линиях с волновым сопротив- лением 50 и 75 Ом и неравномерность ДН в горизонтальной плоскости; • случая 2: вертикальный вибратор распо- ложен на краю горизонтальной металлической поверхности, переходящей в наклонную прово- дящую поверхность с углом наклона β = 60º по отношению к горизонтали, использована мо- дель 1 (рис. 2) при исходных данных, соответ- ствующих предыдущему случаю. ДН в верти- кальной (плоскости Е) и горизонтальной (плос- кости Н) плоскостях показаны на рис. 4. На этом рисунке также приведены значения КНД, входного сопротивления, КСВН в линиях с вол- новым сопротивлением 50 и 75 Ом и неравно- мерность ДН в горизонтальной плоскости; Частота – 150,0 МГц 0 КНД – 2,40 дБ R = 31,3 Ом Х = –0,1 Ом КСВ/50 = 1,597 КСВ/75 = 2,395 Частота – 150,0 МГц 0 КНД – 2,40 дБ R = 31,3 Ом Х = –0,1 Ом Неравномерность ДН – 0,00 Рис. 3 Частота – 150,0 МГц 0 КНД – 2,79 дБ R = 58,4 Ом Х = 1,5 Ом КСВ/50 = 1,171 КСВ/75 = 1,285 Частота – 150,0 МГц 0 КНД – 2,79 дБ R = 58,4 Ом Х = 1,5 Ом Неравномерность ДН – 0,57 дБ Рис. 4 • случая 3: вертикальный вибратор распо- ложен на краю горизонтальной металлической поверхности, переходящей в вертикальную проводящую поверхность, использована вторая модель 2 (рис. 2) при исходных данных, соот- ветствующих предыдущим случаям. ДН в вер- тикальной (плоскости Е) и горизонтальной (плоскости Н) плоскостях показаны на рис. 5. На этом рисунке также приведены значения КНД, входного сопротивления, КСВН в линиях с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом и нерав- номерность ДН в горизонтальной плоскости. Антенна Х Z Пл. Н Пл. Е Пл. Н Пл. Е Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 45 Частота – 150,0 МГц 0 КНД – 2,20 дБ R = 45,6 Ом Х = 10,7 Ом КСВ/50 = 1,274 КСВ/75 = 1,698 Частота – 150,0 МГц 0 КНД – 2,20 дБ R = 45,6 Ом Х = 10,7 Ом Неравномерность ДН – 0,92 дБ Рис. 5 Анализ полученных в результате моделиро- вания ДН (рис. 3–5), а также оценка измене- ний этих ДН при изменении рабочих частот, соответствующих РЭС, свидетельствуют о сле- дующем: 1) расположение антенны в глубине прово- дящей поверхности сопровождается «отжима- нием» главного лепестка ДН вверх, что приво- дит к увеличению усиления антенны в направ- лениях (20–60)º по углу места. Это может ухудшить ЭМС РЭС на объекте при размеще- нии антенн этих РЭС на различных уровнях, когда взаимные углы визирования РЭС попадают в указанный диапазон значений угла места; 2) расположение антенны у края горизон- тальной проводящей поверхности, переходя- щей в наклонную (металлическая кровля) либо вертикальную (вертикальная стена с декора- тивным металлическим покрытием) поверх- ность, приводит к существенному отклонению на (20–60)º вниз главного лепестка ДН в направлении «от объекта» и на (20–40)º вверх в направлении «в глубь объекта» при заметном снижении усиления антенны в горизонтальной плоскости. Это также может являться причиной ухудшения ЭМС РЭС на объекте и в его окрестности при размещении антенн этих РЭС на различных уровнях, когда взаимные углы визирования РЭС соответствуют указанным значениям угла места, а также уменьшить дальность связи за счет снижения усиления ан- тенн в горизонтальной плоскости на 1,5–2,5 дБ. При размещении антенн на различных уровнях отклонение их ДН вверх от горизон- тальной проводящей поверхности и вниз «вдоль» вертикальной либо наклонной прово- дящей поверхности в сочетании с улучшением условий отражения радиоволн от поверхности объекта и их дифракции на многочисленных острых гранях, образуемых проводящими по- верхностями, может обеспечить совокупное сни- жение потерь распространения радиоволн меж- ду антеннами, расположенными в пределах прямой видимости, до 3–4 дБ и более, а для ан- тенн, располагаемых в области тени, – до 5–10 дБ, что способно привести к существенному усиле- нию паразитных электромагнитных связей между РЭС объекта и недопустимому увеличению уров- ней непреднамеренных помех между ними. Результаты моделирования отражения радиоволн. Численное моделирование отраже- ния электромагнитного поля, создаваемого виб- раторной антенной, от декоративного метал- лического покрытия, также выполненное мето- дом моментов, позволяет сделать следующие выводы: 1) применение декоративного металличе- ского покрытия сопровождается увеличением уровней радиоволн, отраженных от соответ- ствующих поверхностей (стен, кровли) зданий, сооружений, на 2–3 дБ и более. Это также спо- собно привести к существенному усилению паразитных электромагнитных связей между РЭС объекта и недопустимому увеличению уровней непреднамеренных помех между ними. Использование в качестве материалов покры- тия металлических сплавов с относительно ма- лой электрической проводимостью, в частности нержавеющей стали различного состава или непроводящих декоративных материалов с по- верхностной металлизацией, практически не дает эффекта по сравнению с отражением от широко используемого покрытия на основе алюминия; Пл. Н Пл. Е Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 46 2) увеличение экранирующей способности стен зданий за счет применения декоративного металлического покрытия способно ухудшить внутри этих зданий качество мобильной радио- связи различного назначения, а также эколо- гичность сотовой связи внутри этих зданий. Последнее обусловлено увеличением излучае- мой мощности абонентских станций, компен- сирующим увеличение базовых потерь при распространении радиоволн между базовой и абонентскими станциями сотовой сети. Результаты экспериментальных исследо- ваний ЭМО на объекте. Экспериментальные исследования ЭМО на объекте, выполненные с использованием измерителя напряженности поля в комплекте с измерительным прием- ником SMR4518 и измерительной антенной П6-61, позволили обнаружить присутствие весьма редко встречающейся в наземных груп- пировках РЭС нестационарной пассивной ин- термодуляционной радиопомехи с уровнями, на 20–25 дБ превышающими уровень чувстви- тельности типовых радиостанций диапазона ОВЧ. На рис. 6 приведена спектрограмма по- меховой обстановки (по среднему и пиковому значениям напряженности поля в полосе анали- за 9 кГц), наблюдаемой на выходе приемной антенны одной из радиостанций, размещенных на объекте. Подавляющее большинство узко- полосных компонент этой спектрограммы представляет собой пассивную интермодуля- цию, образуемую на полупроводящих контак- тах элементов алюминиевого декоративного покрытия объекта. Эта помеха наблюдалась периодически в течение 10–20 с в период сов- падения сеансов «подсветки» объекта мощным электромагнитным полем от ряда РЭС, распо- ложенных на различном удалении от объекта. Спектрограмма ЭМО в периоды существенно меньшей интенсивности внешнего электромаг- нитного поля приведена на рис. 7. Исходя из требований конфиденциальности на спектро- граммах указаны условные значения частот, принадлежащих диапазону двухметровых волн. 145 146 148 150 152 МГц 154 155 Рис. 6. 1 – АV; 2 – PK 145 146 148 150 152 МГц 154 155 Рис. 7. 1 – АV; 2 – PK В Ы В О Д Ы 1. Использование металлических декора- тивных покрытий зданий на объектах, насы- щенных большим числом РЭС, может суще- ственно повлиять на внутри- и межобъектовую ЭМС РЭС за счет существенного изменения характеристик электромагнитных связей между антеннами, изменения условий интерференции и дифракции радиоволн за счет существенного увеличения электрической проводимости по- верхности зданий. 2. При размещении слабонаправленных ан- тенн диапазонов ВЧ–УВЧ на зданиях с метал- лическим декоративным покрытием следует учитывать искажения их диаграмм направлен- ности в вертикальной и горизонтальной плос- костях в зависимости от характера размещения антенн по отношению к проводящим плоско- стям объекта (здания, сооружения). 3. В связи с увеличением опасности возник- новения пассивных интермодуляционных по- мех следует воздерживаться от использования декоративных металлических покрытий зданий и сооружений, располагаемых вблизи мощных 40 dBµV 20 0 –20 1 2 40 dBµV 20 0 –20 1 2 Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2009 47 радиопередатчиков и радиопередающих цен- тров, особенно функционирующих в нижней части освоенной полосы частот (диапазоны ОНЧ–УВЧ), и на относительно небольшом уда- лении от высокочувствительных радиоприем- ных комплексов (магистральной радиосвязи, радионавигации, радиолокации и т. п.). 4. Для уменьшения опасности возникнове- ния пассивных интермодуляционных помех за счет возникновения нелинейных свойств элек- трических контактов элементов декоративного металлического покрытия при его коррозии под воздействием внешней среды (атмосферного кислорода, осадков, росы и т. п.) необходи- мо разработать специальные технологические приемы закрепления металлических покрытий на поверхности зданий, сооружений, которые исключали бы электрические контакты между элементами декоративного покрытия либо, наоборот, обеспечивали бы хорошо защищен- ное контактное соединение этих элементов по- крытия, например, сварным швом. 5. Декоративное металлическое покрытие зданий способно существенно усилить экрани- рование внутренних помещений по отношению к внешним источникам электромагнитных из- лучений (ЭМИ) и, как следствие, ухудшить качество сотовой связи внутри помещений, а также ухудшить ее экологичность в силу того, что вносимое дополнительное затухание при распространении радиоволн между внешней базовой станцией сотовой связи и абонентски- ми станциями, располагаемыми внутри поме- щения, будет компенсировано системой сото- вой связи адекватным увеличением мощности ЭМИ абонентских станций за счет имеющейся в сетях сотовой связи второго и третьего поко- лений стандартов GSM, CDMA (IMT-MC), UMTS (IMT) системной регулировки мощности ЭМИ абонентских станций. 6. Экранирование внутренних помещений по отношению к внешним источникам ЭМИ способно улучшить условия ЭМС радиосистем, используемых в помещениях, и внешних ра- диосистем, использующих те же полосы час- тот, в частности ЭМС сетей беспроводного ши- рокополосного доступа, расположенный внутри зданий и сооружений (Wi–Fi) с сетями беспро- водного широкополосного доступа, функциони- рующими вне зданий и сооружений (WiMAX), в полосах радиочастот 2400–2483,5 МГц [5, 6]. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Siwiak, K. Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications. Second Edition / K. Siwiak. – Bos- ton, Artech House, 1998. – 418 p. 2. Распространение радиоволн за счет дифракции: рекомендация МСЭ-R 526-9. – 37 с. 3. Catrysse, J. Passive Intermodulation / J. Catrysse // Post-graduate course on International Symposium on Electro- magnetic Compatibility «EMC Europe 2006», Spain, Barcelo- na, Sept. 4–8, 2006. – 20 p. 4. Митра, Р. Вычислительные методы электродина- мики / Р. Митра. – М.: Мир, 1977. – 485 с. 5. Об использовании полосы радиочастот 2400–2483 МГц для эксплуатации оборудования беспроводного ши- рокополосного доступа на безлицензионной основе: ре- шение Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) Респ. Беларусь № 14/06 от 29.03.2006. 6. Об использовании полосы радиочастот 2400–2483 МГц для строительства и эксплуатации технологических сетей беспроводного широкополосного доступа на без- лицензионной основе: решение ГКРЧ Респ. Беларусь № 15/06 от 29.03.2006. Поступила 21.11.2008 УДК 531.3; 796.01 ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СПОРТИВНОГО СНАРЯДА ПОКАТИЛОВ А. Е., докт. пед. наук, доц. ЗАГРЕВСКИЙ В. И., ЛАВШУК Д. А. Могилевский государственный университет продовольствия,