Введение

В соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологии их переработки на ближайшие 20 лет [1] большое внимание в работах [2–4] уделено композиционным и функциональным материалам и их применению в авиа- и ракетостроении. Однако в последнее время композиционные и функциональные материалы, ранее применявшиеся практически только в авиа- и ракетостроении, все шире начинают применяться в быту.

Данная статья посвящена вопросам уменьшения уровня излучения базовых станций сотовой радиосвязи в помещениях, находящихся вблизи этих станций. Базовые станции (БС) – один из основных элементов системы сотовой радиосвязи. Они поддерживают связь с находящимися в зоне их действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала. В зависимости от стандарта связи БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц, а в последнее время и выше. В статье рассматриваются наиболее широко используемые поддиапазоны частот: 860–960 и 1710–1880 МГц.

Антенны БС устанавливают на уже существующих постройках (общественных, служебных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах промышленных предприятий и т. д.) или на специально сооруженных мачтах. Исходя из требований построения системы сотовой связи основная энергия излучения (˃90%) сосредоточена в довольно узком «луче». Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы. Тем не менее из-за относительно коротких длин волн, используемых в сотовой связи (33 и 17 см), возможно их отражение, преломление. Это может приводить к тому, что, отражаясь от поверхности зданий, построек, стен в помещениях, они могут концентрироваться и создавать в жилищах так называемые «горячие пятна». Особенно опасно их сосредоточение в области расположения спальных мест, мест отдыха в квартире и мест длительного пребывания людей.

Согласно накапливающимся данным наибольшую опасность для человека представляет пульсирующее микроволновое излучение. Из принятых в РФ стандартов к последним относятся GSM-900 и CDMA-2000 – это так называемая цифровая техника. Она обеспечивает гораздо лучшее качество связи, обладает лучшей помехозащищенностью, предоставляет пользователю дополнительные сервисные возможности. Поскольку основу цифровой техники составляет представление информации в виде чередования и комбинации нулей и единиц, то в системе сотовой связи роль единицы выполняет импульс несущей составляющей. Их чередование и количество и приводит к появлению пульсирующего напряжения. Опасность пульсирующего микроволнового излучения в том, что оно способно проявлять так называемое информационное воздействие. Частота передачи сигналов по средним волокнам нервных пучков организма человека составляет 250 Гц, а по тонким: 2000 Гц. Эти частоты совпадают с теми частотами повторения импульсов, которые генерируют базовые станции сотовой связи и, следовательно, их совпадение может быть сопряжено с определенными нарушениями в функционировании нервной системы.

В настоящее время подавляющее большинство ученых считают, что электромагнитное излучение отрицательно влияет на здоровье человека и является причиной целого ряда заболеваний, в первую очередь онкологических, нервной и сердечно-сосудистой систем. Особенно подвержены воздействию электромагнитного излучения дети, беременные женщины и люди, страдающие аллергией.

Возможное негативное влияние электромагнитного поля (ЭМП) базовых станций сотовой связи на здоровье населения является реальной проблемой, активно обсуждаемой как специалистами и учеными, так и общественностью во всем мире. К настоящему времени сложилась ситуация, когда практически все крупные города и значительная часть территорий вне города «накрыты» электромагнитным излучением сотовой связи. Численность базовых станций только в Москве уже в 2001 году была больше 2300 штук, т. е. 23 БС на 1 км².

Хотя интенсивность излучаемого ЭМП БС мала по сравнению, например, с интенсивностью излучения радиолокатора или телевизионного центра, но ситуация, в которой происходит непрерывное и тотальное облучение населения ЭМП является новой для гигиены и радиобиологии, поэтому однозначного ответа о его потенциальном вреде пока никто дать не может. Возможные последствия могут проявиться через несколько лет продолжительного облучения, и особенно на новом поколении. С учетом недостаточных знаний о возможных последствиях воздействия ЭМП Всемирная организация здравоохранения рекомендует придерживаться предупредительного принципа и избегать ситуаций повышенного риска облучения ЭМП.

Более подробно вопросы вредности излучения БС изложены в работах [5–13]. В данной статье проблему уменьшения уровня СВЧ излучения БС сотовой связи предлагается решать путем введения радиопоглощающих компонентов в отделочные материалы.

Материалы и методы

Проведены исследования возможности разработки структур на основе обычных отделочных строительных материалов (штукатурка, шпатлевка, грунтовка и краска). Для придания этим материалам экранирующих и радиопоглощающих свойств предложено ввести компоненты, в которых происходит поглощение энергии электромагнитных волн (ЭМВ). Введение металлических элементов может обеспечить экранирование от СВЧ излучения БС только за счет отражения ЭМВ, что приводит к переотражению от стен зданий и возможному фокусированию лучей отраженной волны в определенных точках. Введение же элементов, поглощающих электромагнитную энергию, обеспечит дополнительное уменьшение энергии СВЧ излучения и устранит эффект фокусирования.

Полученные материалы можно использовать при строительстве и отделке жилых и административных комплексов с пониженным уровнем воздействия СВЧ излучения. В первую очередь удобно использовать штукатурки, шпатлевки и в меньшей степени грунтовки и краски. На основе штукатурок и шпатлевок можно создать материалы как экранирующие, так радиопоглощающие, принимая во внимание, что штукатурка наносится довольно толстым слоем ~5–15 мм, а шпатлевка – от 1,5–2 до 5–6 мм. Краски и грунтовки имеют небольшую толщину нанесения ~0,1 мм, а иногда и меньше, поэтому на базе красок и грунтовок можно создать материалы экранирующего типа. Правда, в последнее время в строительной индустрии стали применяться дорогие лакокрасочные покрытия, толщина которых ˃1 мм, для окрашивания фасадов и отделки офисных помещений. При такой толщине покрытий возможно создание уже достаточно эффективных радиопоглощающих материалов.

В качестве добавок, обеспечивающих поглощение электромагнитной энергии, можно вводить наполнители диэлектрического типа, например, углеродсодержащее волокно определенной длины и концентрации [14–16]. Наполнители такого типа характеризуются удельным сопротивлением и диаметром волокна. Чем меньше удельное сопротивление волокнистого наполнителя, тем больше должна быть длина элементарного волокна и меньше его объемная концентрация. При разработке радиопоглощающих и экранирующих материалов используются, как правило, науглероженное или углеродсодержащее волокно (УСВ) и металлические волокна на основе микропровода из металлов и сплавов. Из вышеуказанных наполнителей самое высокое удельное сопротивление имеют науглероженные волокна и, следовательно, меньшую длину резки по сравнению с углеродными волокнами и микропроводом при работе материала в одном и том же частотном диапазоне. Малая резка наполнителя позволяет использовать его при создании экранирующих материалов на основе красок и грунтовок. Наполнитель на основе микропровода является наиболее перспективным для экранирующих материалов, но достаточно дорог по сравнению с УСВ.

Радиопоглощающий материал можно также создать, вводя в связующее на базе штукатурки или шпатлевки магнитный наполнитель, например, порошок феррита. Количество магнитного наполнителя ограничивается изменением физико-механических свойств исходного раствора [17].

Стена здания, штукатурка, шпатлевка и краска для проходящей ЭМВ представляют собой многослойную структуру с диэлектрическими характеристиками каждого слоя, отличающимися друг от друга. Введение в эти слои таких радиопоглощающих компонентов, как сажа, науглероженное волокно, феррит, порошок карбонильного железа, приведет к тому, что при прохождении ЭМВ через эти слои, ее энергия будет убывать. Таким образом, уменьшение энергии ЭМВ при ее прохождении через стену здания (экранирование) происходит частично из-за ее отражения от стены, частично из-за поглощения. Степень отражения ЭМВ от стены и между слоями определяется величиной их диэлектрической и магнитной проницаемости, а поглощения – углами диэлектрических и магнитных потерь. При исследовании процессов, связанных с переменными токами и электромагнитными волнами определенной частоты, величины токов, напряжений, напряженности электрического и магнитного поля выражают комплексными величинами. Это позволяет при выполнении операций с этими величинами с целью расчетов электродинамических параметров математических моделей структур учитывать разность фаз этих величин. Отношение комплексных напряжений и токов или напряженности электрического магнитного поля тоже является величиной комплексной – комплексное сопротивление или проводимость. Наличие потерь энергии ЭМВ в среде определяется комплексным характером величины ее диэлектрической и/или магнитной проницаемости. Для придания отделочному материалу экранирующих и радиопоглощающих характеристик в него вводили нарезанное углеродсодержащее волокно и/или порошок феррита. Относительная диэлектрическая проницаемость композиции материала штукатурки, шпатлевки и краски, наполненных волокном, является комплексной величиной со значительной мнимой частью, которая и определяет ослабление энергии ЭМВ при ее прохождении через среду. Относительная магнитная проницаемость штукатурки и шпатлевки, наполненных порошком феррита, тоже имеет значительную мнимую часть.

Если обозначить комплексные диэлектрическую и магнитную проницаемость среды соответственно ε*=ε′+iε″ и μ*=μ′+iμ², где ε′ и μ′ – действительные части комплексных диэлектрической и магнитной проницаемости соответственно; ε″и μ″ – мнимые части комплексных диэлектрической и магнитной проницаемости соответственно, а i – комплексная единица, то коэффициент потерь или поглощения равен  – мнимая часть корня из произведения комплексных проницаемостей. При этом ослабление энергии волны, прошедшей расстояние d в среде, будет составлять величину e^-4παd/λ, где λ – длина волны в свободном пространстве. Коэффициент потерь (α) в основном определяется мнимыми частями проницаемостей и их отношением к действительным частям (тангенс угла диэлектрических потерь) [18–20].

Для оценки экранирующих и поглощающих свойств строительных конструкций путем введения в отделочные материалы радиопоглощающих компонентов проведены сравнительные расчеты коэффициента прохождения отдельных элементов математических моделей этих конструкций с радиопоглощающими компонентами и без них, а также – коэффициента прохождения и коэффициента отражения примера математической модели структуры, изображенной схематически на рисунке.

Коэффициент прохождения – K_пр=P_пр/P_пад, где P_пр и P_пад – плотность потока мощности, прошедшей и падающей ЭМВ соответственно; коэффициент отражения – K_отр=P_отр/P_пад, где P_отр – плотность потока мощности отраженной ЭМВ.

При расчете коэффициентов прохождения и отражения использовали расчетные формулы, приведенные в работе [18]. Диэлектрическую и магнитную проницаемость отделочных материалов рассчитывали на основе формул, полученных в работе [19] методами, описанными в статьях [21–25]. В этих формулах учитывается диэлектрическая проницаемость отделочных материалов, объемная концентрация радиопоглощающих компонентов, их геометрические и электрофизические параметры. Расчеты проводили в частотных диапазонах сотовой связи: 850–1000 и 1700–1880 МГц. Результаты расчетов коэффициентов прохождения и отражения различных вариантов структур штукатурки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчетов коэффициентов прохождения/отражения различных вариантов структур штукатурки

* Величина % соответствует объемному содержанию.

Анализируя, результаты расчетов, приведенных в табл. 1, видно, что применение феррита эффективно только при содержании не менее 40%, но практически при введении ˃20% структура теряет свою прочность и становится значительно тяжелее. Применение углеродсодержащего волокна эффективно даже при его небольшом количестве, которое не может привести к изменению физико-механических, весовых и противопожарных характеристик по сравнению с обычной штукатуркой. При выборе содержания наполнителя следует выбирать его оптимальное количество, при котором энергия прошедшей волны достаточно уменьшается, но при этом энергия отраженной волны достаточно убывает, чтобы устранить фокусирование отраженных лучей и резонансы в помещении. С этой точки зрения вариант 5 наиболее оптимален.

Пользуясь тем, что штукатурка имеет достаточную толщину и ее можно разбить на два слоя, а также использовать шпатлевку как радиопоглощающий слой, введя в нее радиопоглощающий наполнитель, можно оптимально подобрать содержание наполнителя по слоям, которое обеспечит минимальное прохождение волны при минимальных отражениях от стенки. Пример расчета такой радиопоглощающей структуры приведен в табл. 2. Эта структура близка к изображенной на рисунке, но штукатурку наносят в два слоя, при этом в слой, прилегающий к стене, и в шпатлевку вводится сравнительно небольшое количество волокна УСВ – например, 0,5% (объемн.), а в слой штукатурки, прилегающий к шпатлевке, – значительно больше, например, 2% (объемн.).

Таблица 2

Расчет содержания радиопоглощающего наполнителя по слоям

Схема математической модели структуры из строительных материалов:

1 – стена здания толщиной 500 мм; 2 – штукатурка толщиной 10 мм; 3 – шпатлевка толщиной 3 мм; 4 – краска толщиной 0,1 мм

Для проверки теоретических расчетов изготовили образцы и провели их исследования. На базе обычной штукатурки изготовлены следующие структуры.

Образец №1

– 1% (объемн.) цемента марки М-500;

– 3% (объемн.) песка;

– 1% (объемн.) магнитного наполнителя.

Образец №2

– 1% (объемн.) цемента марки М-500;

– 2,5% (объемн.) песка;

– 1,5% (объемн.) магнитного наполнителя.

Образец №3

– 1% (объемн.) цемента марки М-500;

– 2,5% (объемн.) песка;

– 1,5% (объемн.) магнитного наполнителя;

– 0,1% (объемн.) волокнистого наполнителя на основе УСВ с длиной резки 3 мм.

Образец №4

– 1% (объемн.) цемента марки М-500;

– 4% (объемн.) песка;

– до 1% (объемн.) волокнистого наполнителя на основе УСВ определенной длины резки.

Все образцы изготавливали в виде плит размером 400×400 мм разной толщины и концентрации наполнителя – всего 17 вариантов. Первый и второй варианты образцов готовили по технологии обычного штукатурного раствора; третий–седьмой варианты – в приготовленный штукатурный раствор вводили волокнистый наполнитель. Перед введением наполнителя в штукатурный раствор его перемешивали с поверхностно-активным веществом (ПАВ), это необходимо сделать для равномерного распределения наполнителя в растворе. При прямом введении наполнителя в раствор происходит комкование наполнителя и не достигается его равномерное распределение.

Изготовлены также образцы на основе шпатлевки «Святозар», в которую вводили волокнистый наполнитель УСВ – плиты размером 300×300 мм и толщиной 1,5 и 3 мм каждого варианта.

Восьмой и девятый варианты – шпатлевка «Святозар» с УСВ длиной резки 3 мм и объемной концентрацией 0,5% при толщине слоя 1,5 и 3 мм.

Варианты 10 и 11 – шпатлевка «Святозар» с УСВ длиной резки 3 мм и объемной концентрацией 1% при толщине слоя 1,5 и 3 мм.

На основе грунтовки и краски «Святозар» изготовлены структуры с волокном УСВ, которое после термообработки малыми дозами вводится в краску или грунтовку, следующего состава:

– варианты 12 и 13 с 0,05% наполнителя;

– варианты 14 и 15 с 0,1% наполнителя;

– варианты 16 и 17 с 0,2% наполнителя.

При исследовании радиотехнических характеристик (РТХ) образцов структур (коэффициенты прохождения и отражения) использовали радиотехническую аппаратуру, применяемую при разработке и исследованиях материалов радиотехнического назначения: СВЧ анализатор цепей векторный N5230А/С-420 фирмы Agilent Technologies и измерительные антенные устройства П6-23.

На изготовленных образцах проведены измерения коэффициентов прохождения и отражения в основных рабочих диапазонах станций сотовой связи: 850–950 и 1710–1880 МГц.

Коэффициент отражения характеризует экранирующие свойства материала, а коэффициент прохождения – как экранирующие, так и поглощающие свойства и определяется отношением

K_пр=1-|R|²-|S|²,

где |R|² – коэффициент отражения от материала (K_отр); |S|² – коэффициент поглощения материала.

Оценку коэффициента прохождения всех вариантов изготовленных образцов производили в частотном диапазоне работ базовых сотовых станций: 850–950 и 1750–1850 МГц.

Результаты оценки коэффициента прохождения приведены в табл. 3.

Таблица 3

Коэффициенты прохождения образцов в диапазоне частот базовых сотовых станций

Результаты

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований подтвердили возможность создания радиопоглощающих материалов на базе строительных отделочных материалов.

Выявлено, что наиболее эффективным является использование штукатурок и шпатлевок в силу их значительной толщины и возможности введения в них значительного количества магнитного и диэлектрического наполнителей или их комбинации.

Теоретически и экспериментально показано, что, применяя штукатурки и шпатлевки в многослойных структурах, можно получить ослабление проникающего СВЧ сигнала в диапазонах работы БС в 10 и более раз.