Anteny mikrofalowe. Technika i środowisko

ISBN 978-83-206-1665-1
Autor: Roman Kubacki
Wydawnictwo:WKŁ

O książce

Monografia poświęcona podstawom teoretycznym, budowie i działaniu anten mikrofalowych z uwzględnieniem wpływu promieniowania elektromagnetycznego na środowisko. Opisano różne rodzaje anten mikrofalowych (m.in. dipol Hertza, liniowa, tubowa, reflektorowa, mikropaskowa, sektorowa, telefonów komórkowych), charakterystyczne obszary pola promieniowania i syntezę charakterystyki promieniowania, propagację fal elektromagnetycznych oraz prawną ochronę zdrowia ludzi w polach elektromagnetycznych, w tym m.in. krajowe dopuszczalne wartości natężenia pól elektromagnetycznych, ochronę przed elektromagnetycznymi polami impulsowymi oraz ochronę zdrowia ludzi w polach elektromagnetycznych w Unii Europejskiej.
Odbiorcy książki: pracownicy naukowi i studenci wydziałów elektroniki i telekomunikacji wyższych uczelni technicznych, studenci studiów podyplomowych o kierunku telekomunikacyjnym oraz wszyscy zainteresowani antenami mikrofalowymi i ich wpływem na środowisko.

Spis treści:
Wstęp 9
Wykaz oznaczeń 13

1. Anteny mikrofalowe 15
1.1. Wprowadzenie 15
1.2. Elementarny dipol Hertza 15
1.2.1. Ogólne wyrażenia na pole elementarnego dipola Hertza 15
1.2.2. Pole bliskie elementarnego dipola Hertza 17
1.2.3. Strefa daleka elementarnego dipola Hertza 18
1.3. Anteny liniowe 20
1.3.1. Informacje podstawowe 20
1.3.2. Anteny półfalowe 20
1.3.3. Anteny krótkie 22
1.4. Anteny tubowe 23
1.5. Anteny reflektorowe 25
1.5.1. Specyfika pracy anten reflektorowych 25
1.5.2. Równanie zasięgu radiolokacyjnego 30
1.5.3. Charakterystyka promieniowania radaru 32
1.5.4. Narażenie ludzi na promieniowanie wytwarzane przez radary 35
1.5.5. Anteny linii radiowych 38
1.6. Anteny mikropaskowe 40
1.7. Układy antenowe 43
1.7.1. Opis działania układów antenowych 43
1.7.2. Układy antenowe współfazowe 47
1.7.3. Układy antenowe fazowane 48
1.7.4. Superkierunkowość w układach antenowych 51
1.8. Anteny sektorowe telefonii komórkowej 56
1.8.1. Systemy telefonii komórkowej 56
1.8.2. Specyfika promieniowania w systemach GSM i DCS 57
1.8.3. Specyfika promieniowania w systemie UMTS 61
1.8.4. Bilans mocy w systemie GSM na obszarach wiejskich oraz wzdłuż dróg 62
1.8.5. Specyfikacja elementów toru doprowadzającego 65
1.8.6. Bilans mocy w systemie GSM na obszarach miast 66
1.8.7. Konfiguracja nadawania w systemie DCS 67
1.8.8. Konfiguracja nadawania w systemie UMTS 70
1.8.9. Konfiguracja stacji bazowych w pomieszczeniach zamkniętych 73
1.8.10. Uwarunkowania pomiarów pól elektromagnetycznych anten sektorowych 75
1.9. Anteny telefonów komórkowych (terminali) 79
1.9.1. Opis działania 79
1.9.2. Promieniowanie wytwarzane przez telefony komórkowe 81

2. Charakterystyczne obszary pola promieniowania 85
2.1. Uwagi ogólne 85
2.2. Strefa daleka 87
2.2.1. Uwagi wprowadzające 87
2.2.2. Kryterium fazowe strefy dalekiej 88
2.2.3. Strefa daleka popularnych anten mikrofalowych 91
2.2.4. Strefa daleka a charakterystyka promieniowania anteny 92
2.3. Pole bliskie 95
2.3.1. Omówienie ogólne 95
2.3.2. Charakterystyka pola bliskiego anteny mikrofalowej 96
2.4. Uwarunkowania metrologiczne strefy dalekiej 97
2.5. Obszar przejściowy 98
2.6. Obszar przybliżenia Fresnela 100

3. Energia elektromagnetyczna 102
3.1. Podstawowe parametry pola elektromagnetycznego 102
3.2. Wektor Poyntinga 103
3.2.1. Zależności algebraiczne na wektor Poyntinga 103
3.2.2. Zespolony wektor Poyntinga 105
3.2.3. Strumień energii elementarnego dipola 107

4. Potencjały wektorowe i pole promieniowania apertury 112
4.1. Uwagi ogólne 112
4.2. Zastosowanie potencjałów elektrodynamicznych do wyznaczania pola anteny 113
4.3. Określenie postaci potencjału wektorowego 116
4.4. Wirtualne prądy magnetyczne 117
4.5. Pole apertury prostokątnej 118
4.6. Pole apertury w strefie dalekiej 121
4.7. Określenie wyrażeń na charakterystykę promieniowania 124
4.8. Wyrażenia na pole promieniowania wybranych anten 127
4.8.1. Pole promieniowania anteny półfalowej 127
4.8.2. Pole anteny z pobudzeniem 128
4.8.3. Impedancja falowa wokół anteny liniowej 132

5. Synteza charakterystyki promieniowania 134
5.1. Uwagi ogólne 134
5.2. Warunki istnienia rozwiązania i jego jednoznaczność w zagadnieniach syntezy 135
5.3. Rozwiązywanie zagadnień syntezy 138
5.3.1. Metoda przekształcenia Fouriera 138
5.3.2. Metoda fal elementarnych 140
5.4. Przybliżone metody rozwiązywania zagadnień syntezy 143
5.4.1. Ogólne omówienie problemu 143
5.4.2. Metoda Woodwarda 145
5.4.3. Zastosowanie metody Woodwarda do syntezy charakterystyk promieniowania 148
5.4.3.1. Przypadek charakterystyki sektorowej 148
5.4.3.2. Przypadek charakterystyki typu kosekans 149
5.4.4. Praktyczne obliczenia z zastosowaniem metody Woodwarda 150
5.4.4.1. Synteza charakterystyki promieniowania anteny telefonii komórkowej 150
5.4.4.2. Synteza charakterystyki promieniowania anteny radaru 153
5.4.5. Modyfikacje metody Woodwarda 155
5.4.5.1. Przesunięcie punktów próbkowania. 155
5.4.5.2. Uwzględnienie zależności fazowych charakterystyki promieniowania 157
5.4.5.3. Uwzględnienie punktów próbkowania w zakresie pozawidzialnym 159
5.4.6. Synteza charakterystyk promieniowania metodą fal nieortogonalnych 160
5.4.7. Charakterystyka mocy biernej w obliczeniach syntezy charakterystyki 166

6. Propagacja fal elektromagnetycznych 168
6.1. Wprowadzenie 168
6.2. Propagacja w wolnej przestrzeni ze źródła izotropowego 170
6.3. Pole anteny z zyskiem kierunkowym 171
6.4. Odbicie fali od powierzchni ziemi 174
6.4.1. Uwagi ogólne 174
6.4.2. Odbicie fali na granicy ośrodków 174
6.4.3. Pole wypadkowe dla polaryzacji poziomej 176
6.4.4. Pole wypadkowe dla polaryzacji pionowej 177
6.4.5. Uproszczony wzór interferencyjny 178
6.5. Modele propagacyjne 179
6.5.1. Uwagi ogólne 179
6.5.2. Specyfika propagacji w terenie zurbanizowanym 181
6.5.3. Współczynnik tłumienności trasy 182
6.5.4. Propagacja w wolnej przestrzeni 182
6.5.5. Wzór Wwiedeńskiego 184
6.5.6. Model Okumury-Haty 186
6.5.7. Model Ikegami 189
6.5.8. Model propagacyjny JTC 190
6.6. Promieniowanie anten aperturowych 191
6.6.1. Zasada dualizmu 191
6.6.2. Rozkład promieniowania na podstawie zadanych pól na aperturze 193
6.6.3. Rozkład promieniowania na podstawie zadanych prądów 199
6.6.3.1. Ogólne przedstawienie problemu 199
6.6.3.2. Zależności matematyczne dla polaryzacji pionowej 200
6.6.3.3. Warunki stosowalności potencjałów wektorowych 204
6.6.3.4. Pole elektromagnetyczne anteny radaru AVIA 206
6.6.3.5. Zasięgi pola elektrycznego radaru trójwspółrzędnego 208
6.6.3.6. Pole anten sektorowych telefonii komórkowej 211
6.6.3.7. Zasięgi dopuszczalnych wartości natężenia pola elektrycznego wokół anten telefonii komórkowej 214
6.6.3.8. Optymalna lokalizacja anten telefonii komórkowej na dachach budynków 217
6.6.3.9. Obszary ponadnormatywnego oddziaływania anten systemów DCS oraz UMTS 219
6.7. Uwarunkowania metrologiczne stosowania mierników gęstości mocy w pobliżu anten 221
6.7.1. Przedstawienie problemu 221
6.7.2. Impedancja pola elektromagnetycznego 222
6.7.3. Błędy pomiarów gęstości mocy w obszarze przejściowym 223

7. Prawna ochrona zdrowia ludzi w polach elektromagnetycznych 226
7.1. Wprowadzenie 226
7.2. Oddziaływanie pól elektromagnetycznych z obiektami biologicznymi 227
7.3. Efekt termiczny 228
7.4. Efekty nietermiczne 229
7.5. Krajowe dopuszczalne wartości natężenia pól elektromagnetycznych 230
7.5.1. Koncepcja ustalania dopuszczalnych norm na pola elektromagnetyczne w Polsce 230
7.5.2. Ochrona pracowników przed działaniem pól elektromagnetycznych 231
7.5.3. Ochrona ludzi i środowiska przed działaniem pól elektromagnetycznych 236
7.6. Ochrona przed elektromagnetycznymi polarni impulsowymi 237
7.6.1. Charakterystyka pól elektromagnetycznych modulowanych impulsowo 237
7.6.2. Uwarunkowania biofizyczne oraz limity dopuszczalnych wartości pola w impulsie 239
7.7. Ochrona zdrowia ludzi w polach elektromagnetycznych w Unii Europejskiej 240
7.7.1. Informacje wprowadzające 240
7.7.2. Ochrona populacji generalnej w polach elektromagnetycznych 242
7.7.3. Ochrona pracowników w polach elektromagnetycznych 244
7.7.4. Ochrona przed polami impulsowymi 249
7.8. Porównanie przepisów ochrony zdrowia ludzi w polach elektromagnetycznych w Polsce i proponowanych przez Unię Europejską 251

Dodatek 1. Charakterystyka promieniowania anteny i płaszczyzny charakterystyki 254
Dodatek 2. Zysk energetyczny anteny 259
Dodatek 3. Równoważna moc promieniowana izotropowo 263
Dodatek 4. Powierzchnia skuteczna i długość skuteczna anten 265
Dodatek 5. Polaryzacja fali elektromagnetycznej 267
Dodatek 6. Przyrost energii absorbowanej — SAR 271

Literatura 274
Skorowidz 276