任定高，翟 斌

（1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京101149；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司北京市分公司，北京100038）

1 引言

近年來，隨著通信事業(yè)日新月異的發(fā)展，大量通信基站也應(yīng)運而生，覆蓋了城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村，給人們帶來巨大便利，同時，電磁輻射問題也引起了越來越多的關(guān)注［1，2］。

我國20世紀90年代開始對于通信基站電磁輻射環(huán)境影響的研究［3～9］。北京市制定了移動通信基站建設(shè)項目電磁環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則（DB11／T 784－2011）［10］等，以對通信基站電磁輻射影響進行規(guī)范管理與控制。在理論預(yù)測方面，規(guī)范僅給出了基站發(fā)射天線遠場區(qū)主軸方向功率密度計算公式（式1）。通信基站所發(fā)出的電磁波具有很強的方向性，盡管主軸方向電磁輻射最強，對于基站附近地面上活動的人群而言，產(chǎn)生影響的往往是天線主瓣邊緣或旁瓣，其影響方式與大小目前尚無規(guī)范予以明確指導(dǎo)。為此，研究出一套相對準確的方法，系統(tǒng)地對通信基站電磁輻射空間分布進行預(yù)測，從而全面評價其環(huán)境影響是十分有必要的。

通過對聯(lián)通2013年647個WCDMA基站調(diào)查與監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用均勻直線天線陣函數(shù)對 WCDMA基站天線方向圖函數(shù)進行擬合，系統(tǒng)研究了在不同架設(shè)高度、下傾角、載波等因素影響下的電磁輻射水平、垂直及主軸方向的分布規(guī)律，采用實測數(shù)據(jù)與預(yù)測結(jié)果進行驗證。

2 現(xiàn)場調(diào)查與儀器

2.1 通信基站調(diào)查

聯(lián)通WCDMA基站現(xiàn)場調(diào)查時間為2014年6～10月，依據(jù)《移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測方法》（試行）（環(huán)發(fā)［2007］114號），以發(fā)射天線為中心，調(diào)查半徑50m范圍內(nèi)的環(huán)境保護目標并監(jiān)測電磁輻射功率密度（μW／cm2），同時記錄監(jiān)測時間、溫度、濕度、天線方向角及掛高等。相應(yīng)基站載頻數(shù)、增益、極化方式、俯仰角、天線水平及垂直半功率角等參數(shù)。

2.2 監(jiān)測儀器

監(jiān)測儀器為德國Narda公司NBM－550，性能與參數(shù)見表1。

表1 電磁環(huán)境檢測儀器性能與參數(shù)

2.3 驗證監(jiān)測

為對WCDMA基站電磁輻射預(yù)測結(jié)果進行驗證，選擇了1個聯(lián)通2013年新建WCDMA基站進行了實際測定。該基站架設(shè)方式為落地桿塔，具有單站、相對空曠干擾小、測定空間較大的特點，測定時以發(fā)射天線為中心，沿天線主瓣方向每隔5m測定一次，記錄電磁輻射功率密度變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 基站配置相關(guān)參數(shù)

通信基站的電磁輻射環(huán)境影響與其射頻裝置型號、發(fā)射功率、載頻配置、增益、架設(shè)高度及下傾角等參數(shù)密切相關(guān)。通過對聯(lián)通2013年647個WCDMA基站的現(xiàn)場調(diào)查與資料調(diào)研，其基站配置相關(guān)參數(shù)如表2所示，天線方向圖如圖1所示。

表2 聯(lián)通2013年WCDMA基站配置相關(guān)情況

3.2 天線軸向功率密度

通信基站發(fā)射天線主軸方向（圖2）的功率密度采用式（1）進行計算：

圖1 聯(lián)通WCDMA基站天線水平面（左）及垂直面（右）方向

圖2 聯(lián)通WCDMA基站天線主軸方向示意

式中：P d—遠場軸向功率密度，W／m2；P—饋入天線端口實際發(fā)射功率，W；G—天線增益，倍數(shù)（100.1dBi）；r—在天線軸向上，測量位置與天線的距離，m。

上式中，功率、增益與損耗常用dB表示，功率（W／cm2）與功率（dBm）、增益G（倍數(shù)）與G（dBi）之間關(guān)系按式（2）、式（3）進行換算：

因此，式（1）可以等價換為式（4）：

式中：P d—遠場軸向功率密度（μW／cm2）；P—饋入天線端口實際發(fā)射功率（dBm）；G—天線增益（dBi）；L—天饋系統(tǒng)損耗（dB）；r—在天線軸向上，測量位置與天線的距離（m）。

上式預(yù)測結(jié)果為發(fā)射天線遠場軸向方向功率密度（圖2），遠場區(qū)定義為輻射強度角分布基本上與距天線的距離無關(guān)的區(qū)域，在輻射遠場區(qū)，將天線上各點到測量點的連線可看做平行，所引入的誤差小于一定的限度。其計算公式如式（5）：

式中：R為遠／近場劃分距離，單位為m；D為天線最大截面尺寸，單位為m；λ為發(fā)射基站工作波長，單位為m，對于WCDMA基站，基站發(fā)射工作頻率為2 110～2 170 MHz，即波長λ為138～142 mm。按照WCDMA系統(tǒng)定向天線長度1.3 m計算，其遠場軸向功率密度的起始計算點為24 m。

軸向方向為發(fā)射天線電磁波最集中的區(qū)域，也是污染最大的區(qū)域。對軸向方向電磁輻射的預(yù)測，能評價發(fā)射基站電磁輻射的最大環(huán)境影響。

聯(lián)通2013年WCDMA基站多采用愛立信RBS6601分布式基站，單載扇標稱功率為20 W，對于S333配置，標稱功率可達60 W。同時，WCDMA基站實行嚴格的功率控制，超過設(shè)定的門限將會限制接入和業(yè)務(wù)。根據(jù)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，除極個別業(yè)務(wù)繁忙地區(qū)功率負荷可達50%外，平均的功率負荷約在20%～30%之間。此外，發(fā)射功率還存在饋線損耗，饋線兩端還需要連接跳線、避雷器等，相應(yīng)的器件有對應(yīng)的插入損耗，綜合各因素，聯(lián)通WCDMA整個天饋路徑損耗為6.8 dB。因此，在最大的發(fā)射功率（60 W×50%，）及功率負荷下，WCDMA基站在軸向方向上功率密度計算參數(shù)如表3。

表3 聯(lián)通WCDMA基站天線軸向功率密度計算參數(shù)

因此，根據(jù)式（4）及表3，WCDMA遠場軸向功率密度計算分別如式（6）：

根據(jù)式（6），軸向方向功率密度隨軸向距離變化如圖3所示。

根據(jù)圖3，基站天線軸向功率密度隨距離的增加不斷衰減，當軸向距離為19 m時，功率密度值即已低于HJ10.3－1996中對于單個項目電磁輻射的評價限值（8 μW／cm2），當軸向距離為30 m 時，功率密度為3.12 μW／cm2。軸向功率密度的變化規(guī)律可以為制定天線水平防護距離提供依據(jù)。

3.3 水平地面電磁輻射功率密度

圖3 WCDMA基站天線軸向功率密度變化

目前，對于基站電磁輻射環(huán)境影響多采用軸向功率密度計算（式1），但事實上，由于天線架設(shè)具有一定高度，并且下傾角較小，對于基站附近活動的人群而言，受到影響更多的是基站天線旁瓣，而且監(jiān)測時，也往往難以達到天線主軸的高度，監(jiān)測的值多為天線旁瓣的輻射值。因此，需要對式（4）中天線增益做出修正，以計算在垂直方向上基站天線非軸向功率密度分布規(guī)律。設(shè)修正函數(shù)為f（θ）·f（φ），則式4可以修正為：

式中：Ph—水平地面功率密度（μW／cm2）；P—饋入天線端口實際發(fā)射功率（dBm）；G—天線增益（dBi）；L—天饋系統(tǒng)損耗（dB）；rh—水平地面上監(jiān)測點與基站天線距離（m）。

對于函數(shù)f（θ）·f（φ），其中θ、φ分別為垂直面與水平面上與天線軸向的夾角，當f（θ）與f（φ）為1時，式（7）與式（4）等同，即式（7）可以看做式（4）的拓展，是一種實用性更廣的公式。根據(jù)圖1中WCDMA基站天線方向圖，水平面變化近似圓，f（φ）變化較小，而垂直面變化較大，因此f（φ）＝1，式（7）可簡化為：

利用均勻直線天線陣可以很好地模擬圖1中WCDMA基站天線垂直方向圖四旁瓣特點，其擬合公式和擬合圖分別如式（9）、圖4所示。

圖4 WCDMA基站天線垂直方向圖（左）及均勻直線天線陣模擬圖（右）

根據(jù)式（8）及式（9），即可預(yù)測出在地面水平方向上某點（圖5）的電磁輻射功率密度：

從圖5中可以推算出式（9）中的θ計算公式為：

式中：H為測點距離天線的垂直高度（m），d為測點距離天線的水平距離（m），α為天線下傾角。根據(jù)式（8）、式（9）及式（10）即可對基站天線在水平方向的電磁輻射影響進行預(yù)測，分析評價其影響。

3.3.1 不同高度的水平方向電磁輻射分布

取2013年聯(lián)通647個基站天線下傾角平均值10°，架頂實際最大功率44.77 dBm，天饋系統(tǒng)損耗6.8 dB，天線增益17.5 dBi（表3），在一定的架設(shè)高度下，當測點距離天線垂直距離分別為3、4、5、10、15、30 m 時，根據(jù)式（8）、式（9）、式（10）可計算出基站電磁輻射在這些高度上的水平分布規(guī)律，如下圖6所示。

圖5 基站附近水平面電磁輻射功率密度計算簡化模型

圖6 WCDMA基站天線不同垂直距離水平面上電磁輻射分布預(yù)測

由圖6可知，隨著垂直距離的增大，電磁輻射呈下降趨勢。在某一垂直距離的水平面上，以H＝10 m為例，由于WCDMA基站天線的四旁瓣特點，在水平距離＜25 m時，電磁輻射強度雖然整體在下降，但有三個波峰，為跳躍式的變化。每個水平面的最高值并非出現(xiàn)在距離天線最近處，而是在天線主瓣與該平面的交點，并隨著垂直距離的增大，波峰向后移動，這是與基站天線具有較強方向性相對應(yīng)的。

當H＝3 m時，水平距離13～18 m處功率密度超過了HJ10.3－1996中對于通信基站單個項目電磁輻射強度的評價限值要求（8μW／cm2）。當垂直距離＞4 m時，通信基站單個項目電磁輻射強度低于限值要求（8μW／cm2），因此，對于基站天線的防護而言，不僅需要根據(jù)其軸向變化規(guī)律，制定水平防護距離（圖3），而且需要根據(jù)不同垂直距離處電磁輻射在水平方向的分布，確定垂直防護距離。依據(jù)本文的結(jié)果，對于WCDMA基站而言，垂直距離＞4 m是可行的。

3.3.2 下傾角對電磁輻射在水平面分布的影響

與上述預(yù)測參數(shù)相似，設(shè)架頂實際最大功率44.77 dBm，天饋系統(tǒng)損耗6.8 dB，天線增益17.5 dBi（表3），天線假設(shè)高度為15 m，當天線下傾角分別為5°、10°與15°時，水平地面電磁輻射功率密度分布如圖7。

圖7 不同下傾角時基站天線水平地面電磁輻射分布預(yù)測

由圖7可知，與圖6相似，在近距離處，輻射強度受旁瓣的影響，也是跳躍式下降。隨著天線下傾角的增大，水平地面上電磁輻射最大值向距離減少的方向移動，并且最大值有變小的趨勢。這是由于下傾角越大，主軸上電磁波在越近的范圍達到地面，并且衰減途徑變短，因此其值會增大。這說明，在實際的基站建設(shè)與管理中，下傾角也是影響電磁輻射的重要因素，增大下傾角，天線影響范圍變小，但監(jiān)測值會升高，減小下傾角，天線影響范圍會增大，但由于衰減途徑變大，最大值也會相應(yīng)降低，需要在綜合考慮基站信號覆蓋度、周圍敏感建筑、發(fā)射功率及到達地面功率的基礎(chǔ)上，設(shè)置合適的下傾角。

3.4 現(xiàn)場實測與驗證

為對預(yù)測公式進行驗證，選擇了聯(lián)通2013年一新建WCDMA基站進行了實際測量，并與理論預(yù)測結(jié)果進行了驗算。該基站位于北京市朝陽區(qū)北五環(huán)路北朝來高科技產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，天線架設(shè)高度20 m，下傾角6°，方向角0°／120°／240°，0°方 向 有 一 廣 場 與 園 內(nèi) 道 路 （圖8a）。測定時在此方向每隔5 m布點，直至150 m，實際測定結(jié)果與理論預(yù)測值見圖8b。

監(jiān)測結(jié)果表明，實測值與理論值有較好的符合關(guān)系，在50 m范圍里，由于旁瓣的影響，呈跳躍式的變化，并且在主瓣的作用下，預(yù)測值與實測值最后一個波峰均出現(xiàn)在140 m處。由此可見，本文中采用的預(yù)測模型與公式能較好地反映WCDMA基站對水平方向的電磁輻射影響。

3.5 基站電磁輻射防護建議

圖8 實際監(jiān)測點位（a）及水平地面電磁輻射預(yù)測值與理論值（b）

（1）計算結(jié)果表明，通信基站電磁輻射功率密度最大區(qū)域集中在軸向方向，該方向電磁輻射的防護是主要對象?？刹扇〉拇胧橐环矫鏋楹侠碓O(shè)置天線朝向，防止保護目標進入主瓣影響范圍，但在復(fù)雜的城市環(huán)境下，往往難以實現(xiàn)；另一方面為設(shè)置足夠的防護距離或根據(jù)“可合理達到盡量低”的原則，降低發(fā)射功率，使天線主瓣到達保護目標時，功率密度已經(jīng)降低到控制標準以下。

（2）根據(jù)預(yù)測結(jié)果可設(shè)置聯(lián)通 WCDMA基站的水平與垂直防護距離。由圖3可知，當軸向距離超過19 m時，功率密度值已經(jīng)低于HJ10.3－1996中對于單個項目電磁輻射的評價值（8μW／cm2），由于天線下傾角一般較?。ǎ?0°），在目前聯(lián)通 WCDMA基站運行參數(shù)下，該距離可以看作水平的防護距離。根據(jù)圖6，在垂直距離為3 m的水平方向上，有超過限定值8μW／cm2的空間，而4 m時已沒有超標空間，因此，4 m可以認為是WCDMA基站的垂直防護距離。

（3）計算結(jié)果表明，通信基站電磁輻射影響的敏感區(qū)域主要為軸向與垂直距離＜3 m的空間內(nèi)，因此在基站建成后，應(yīng)當加強此區(qū)域的監(jiān)測，如正對天線的受保護目標或架設(shè)在城市樓頂基站，一方面考察其水平與垂直方向是否預(yù)留了足夠的保護空間，另一方面進行輻射監(jiān)測。此外，在公眾活動的水平地面上，電磁輻射最大值往往不出現(xiàn)在基站附件，而是在天線主瓣達到地面處，雖然在垂直距離超過4 m的水平方向上，沒有超標空間的出現(xiàn)，但在實際監(jiān)測時，應(yīng)對這一現(xiàn)象予以考慮。

最后，需要說明的是，本文是在理想狀態(tài)下進行的預(yù)測，旨在為通信基站電磁輻射環(huán)境影響提供一定的理論依據(jù)與參考，沒有考慮實際環(huán)境中障礙物對電磁輻射的吸收、電磁波自身的反射、衍射及繞射等因素，這也是一個復(fù)雜的體系，需要更系統(tǒng)、全面地研究。

4 結(jié)論

根據(jù)聯(lián)通2013年WCDMA基站建設(shè)與運行參數(shù)，采用軸向功率密度預(yù)測公式與均勻直線天線陣對其電磁輻射環(huán)境影響進行了預(yù)測。結(jié)果如下。

（1）天線軸向方向是 WCDMA基站電磁輻射功率密度的集中區(qū)域，當軸向距離超過19m時，功率密度值已經(jīng)低于HJ10.3－1996中對于單個項目電磁輻射的評價限值（8μW／cm2）；

（2）當垂直距離＜3m時，水平距離13～18m處功率密度超過了HJ10.3－1996中對于通信基站單個項目電磁輻射強度的評價限值要求。而當垂直距離＞4m時，水平方向上已經(jīng)沒有超標空間；

（3）增大天線下傾角，其影響范圍變小，但監(jiān)測值會升高，減小下傾角，天線影響范圍會增大，但由于衰減途徑變大，最大值也會相應(yīng)降低；

（4）實際監(jiān)測與預(yù)測結(jié)果相對照表明，本文采用的預(yù)測模型與公式與實際監(jiān)測值符合性較好，能夠反映通信基站電磁輻射的環(huán)境分布及影響。

（5）本文是在理想狀態(tài)下進行的預(yù)測，在實際過程中，還存在諸多干擾因素，如障礙物對電磁輻射的吸收、電磁波自身的反射、衍射及繞射等，需要更系統(tǒng)、全面地研究。

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