Моделирование взаимодействия электромагнитного излучения радиодиапазона с экраном биологической защиты

Введение

Эксплуатация мощных радиолокационных комплексов, в особенности с фазированными антенными решётками (ФАР), работающими в сантиметровом диапазоне, создаёт интенсивные сверхвысокочастотные электромагнитные поля в окружающем пространстве. Длительное воздействие таких полей на персонал представляет серьёзную биологическую опасность. В Российской Федерации безопасность регламентируется СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 [1], устанавливающим предельно допустимый уровень (ПДУ) плотности потока энергии для постоянного облучения на уровне 10 мкВт/см².

Задача защиты усложняется спецификой работы РЛС: прямое экранирование сплошными отражающими преградами в секторе рабочего излучения недопустимо, так как отражённые волны, возвращаясь к ФАР, вызывают паразитные эффекты – нарушение когерентности, изменение входного сопротивления, риск пробоя усилительных элементов. Следовательно, для защиты зон в прямой видимости антенны требуются решения, минимизирующие обратное отражение.

В данной работе представлена разработка и всестороннее обоснование Устройства биологической защиты (УБЗ), представляющего собой инженерное сооружение, которое за счёт комбинации поглощающих и специально ориентированных отражающих свойств обеспечивает безопасный уровень поля в служебных помещениях, не влияя на работу РЛС.

1. Постановка задачи и выбор стратегии защиты

Основополагающим принципом является пространственное экранирование – создание барьера между источником излучения и защищаемой зоной [2]. Исходя из физики работы РЛС, для экранирования в главном и боковых лепестках диаграммы направленности выбрана стратегия применения экранов с радиопоглощающим покрытием (РПП) [3, с. 34-38]. Это позволяет трансформировать энергию падающей волны в тепловую, существенно снижая коэффициент отражения.

На основе анализа типов экранирующих систем был сделан вывод о целесообразности создания УБЗ в виде металлического ограждения с нанесённым высокоэффективным РПП [3, 10]. Геометрия, материал и покрытие экрана подбираются на основе электродинамического моделирования для гарантированного снижения уровня поля ниже ПДУ [1].

2. Конструкция и принцип функционирования УБЗ

УБЗ представляет собой комплексное сооружение, состоящее из двух взаимосвязанных систем: силовой несущей конструкции и функционального радиопоглощающего экрана (ЭБЗ).

Силовая конструкция включает фундаментное основание, вертикальные стойки из металлопроката, горизонтальные балки и раскосы, образующие пространственно-жёсткую ферменную конструкцию, устойчивую к ветровым и весовым нагрузкам [7, 8].

Функциональный экран выполнен из стальных листов толщиной 5 мм, обеспечивающих как механическую прочность, так и необходимое экранирование отражением за счёт скин-эффекта [2]. На внешнюю (обращённую к РЛС) поверхность нанесено многослойное радиопоглощающее покрытие на основе специализированной краски [4]. Это покрытие обеспечивает каскадное поглощение энергии СВЧ-поля за счёт диэлектрических и магнитных потерь, характеристики подобных материалов детально изучены в работах [10].

Критически важным элементом является система заземления и уравнивания потенциалов, которая обеспечивает электробезопасность и эффективный сброс наведённых токов, повышая общую эффективность экранирования [9].

3. Расчётные обоснования и моделирование

Оценочный расчёт плотности потока энергии от РЛС с заданными параметрами показал, что уровень поля в зоне расположения служебных помещений может превышать ПДУ [1] в сотни раз, подтвердив необходимость установки ЭБЗ.

Для верификации конструкции проведено электродинамическое моделирование в специальной программной среде [5]. Моделирование сравнивало распределение поля без ЭБЗ и с учётом установленного экрана. Результаты наглядно продемонстрировали, что предложенная конфигурация ЭБЗ создаёт выраженную зону радиотени, снижая уровень СВЧ-поля в защищаемой области до значений, значительно ниже санитарной нормы [1].

Отдельное внимание уделено анализу краевой дифракции – явлению, приводящему к проникновению поля в область геометрической тени. Для его количественной оценки применён аналитический метод, основанный на теории дифракции на полуплоскости с использованием спирали Корню [6]. Этот метод позволяет рассчитать остаточный уровень поля в любой точке за экраном, что необходимо для точного определения границ защищённой зоны и оптимизации габаритов УБЗ.

4. Конструкторско-строительные решения

Конструкция ЭБЗ выполнена как сборно-сварной металлокаркас. Все элементы проектировались в соответствии с действующими нормами для стальных конструкций [7]. Выполнен расчёт нагрузок на конструкцию, в частности, ветровой нагрузки в соответствии с актуальными строительными правилами [8]. Установлено, что снеговая нагрузка для экрана с углом наклона 60 градусов равна нулю.

Программа испытаний готового УБЗ предусматривает измерения плотности потока энергии в серии контрольных точек за экраном. Критерием успешного прохождения испытаний является соответствие измеренных значений ПДУ 10 мкВт/см² [1]. Методика контроля и требования к помехоустойчивости систем регламентированы соответствующими стандартами [9].

Заключение

В работе представлен научно обоснованный и инженерно проработанный проект Устройства биологической защиты от СВЧ-излучения мощных РЛС. Предложенное решение основано на применении комбинированного экрана с радиопоглощающим покрытием [3, с. 34-38; 4; 10], что позволяет эффективно ослаблять электромагнитное поле без создания паразитных отражений, нарушающих работу радиолокационного комплекса [2, 9]. Комплексный подход, включающий анализ санитарных требований [1], электродинамическое моделирование [5], учёт дифракционных эффектов [6] и прочностной расчёт [7, 8], обеспечивает создание технически совершенного и безопасного сооружения. Разработанная методология может быть использована при проектировании аналогичных защитных систем для объектов, использующих мощные источники электромагнитного излучения.