靳士科 何占飛
(中核第四研究設(shè)計工程有限公司,河北石家莊 050021)
中波是世界各地最早且廣泛采用的廣播波段,主要用于國內(nèi)、省市、地區(qū)性的中等距離廣播。國內(nèi)典型中波天線基本為全向發(fā)射天線,頻率為531~1 602 kHz,波長為187~565 m。波長決定了中波廣播主要以地波方式進行傳播,具有傳播距離遠、繞射能力強、不受視距影響的特點。中波電磁波使人類的生活和生產(chǎn)變得更為便捷[1]。中波發(fā)射臺是現(xiàn)代生活不可缺少的信息傳播載體,在服務(wù)人們生活的同時,也會對人們的生存環(huán)境造成電磁輻射污染[2],因此電磁波的應(yīng)用也需要進行利弊方面的綜合考量。為了環(huán)境保護和公眾安全,中波天線近場區(qū)電磁輻射應(yīng)進行特別關(guān)注和研究。
在以中波天線為中心的近場區(qū),電磁能量尚未構(gòu)成輻射能,其不僅可以在電場和磁場之間進行轉(zhuǎn)換,還可以與天線發(fā)射的場源進行相互轉(zhuǎn)換[3],既有從天線發(fā)射出的電磁能,也有電磁能回到天線場源。由于受密集分布的電荷和高頻電流的控制,這些電磁能可形成強電場和強磁場。該區(qū)域會產(chǎn)生較強的電磁感應(yīng)場,存在較強的電磁污染問題。
以往中波廣播對環(huán)境和公眾的電磁輻射影響較多關(guān)注天線遠場區(qū),且有將遠場區(qū)預(yù)測模型用于近場區(qū)的情況,導(dǎo)致近場區(qū)電磁輻射場強出現(xiàn)偏差或與實際不符,這主要在于近場區(qū)電磁輻射分布較為復(fù)雜,電磁輻射環(huán)境影響方面研究成果較少,因此相對來講進行近場區(qū)電磁輻射場強的空間分布研究顯得尤為重要。
中波天線最大線尺寸一般小于波長,則λ/2π 為電抗近場區(qū)和輻射近場區(qū)分界處,3λ 為近場區(qū)和遠場區(qū)分界處[4]。根據(jù)中波波長范圍可知,中波天線近遠場區(qū)分界點最近為561 m 處。中波廣播電磁輻射的預(yù)測范圍一般以天線塔為中心,半徑500 m 的范圍,因此預(yù)測范圍均位于近場區(qū)內(nèi)。
中波廣播單塔天線輻射垂直極化波,在垂直面內(nèi)的大部分能量是沿地面?zhèn)鞑サ?,小部分能量以不同仰角向天空輻射,在晚間經(jīng)電離層反射后再回到地面,即為天波。在天線塔附近天波場強遠小于地波,因此從環(huán)境影響角度可只考慮地波場強。中波廣播天線近場區(qū)不同于遠場區(qū),其場強空間不均勻度較大,電場和磁場強度無恒定的比例關(guān)系,可采用復(fù)數(shù)模型分別預(yù)測該兩類場強值。
近場區(qū)電場強度預(yù)測模型如下:
式(1)中,E0為電場強度值,V/m;β 為2π/λ;h 為天線塔高度,m;P 為發(fā)射機標稱功率,W;R 為對電流波腹而言的輻射電阻,Ω;d 為預(yù)測點與塔底中心的水平距離,m;Z 為被測試天線離地高度,m,按0.005λ計算。
近場區(qū)磁場強度預(yù)測模型如下:
中波發(fā)射天線的主要形式為垂直振子,對于導(dǎo)電地面上的垂直接地天線,用坡印廷矢量法計算輻射功率和輻射電阻時,只需對包圍天線的上半球面進行積分[5],可得輻射電阻如下式:
輻射電阻變化趨勢見圖1。
圖1 輻射電阻變化趨勢
對于式(3),可采用數(shù)值定積分的方法計算輻射電阻值,由表1 和圖1 可知,當天線塔高和波長比值一定時,其輻射電阻值是固定的。一般中波天線塔高度為0.15~0.50 λ,則當0<h<0.45 λ 時,輻射電阻值逐漸增大;當0.45 λ<h<0.50 λ 時,輻射電阻值略有減小。
表1 中波天線輻射電阻值Ω
我國中波廣播有大、中、小功率相結(jié)合,以中、小功率為主的特征,1,3,10 kW 為常見功率,100 kW以上的較少。本節(jié)選取中波頻率為1 000 kHz,即波長為300 m;塔高為效率較高的0.5 λ,即150 m。采用該參數(shù)和上述模型得到不同功率下電場強度和磁場強度分布。不同功率下電場強度空間分布見圖2。
圖2 不同功率下電場強度空間分布
不同功率下磁場強度空間分布見圖3。
圖3 不同功率下磁場強度空間分布
本節(jié)選取中波廣播發(fā)射功率為常用的10 kW,天線塔高為0.5 λ,在波長為200,300,400,500 m時,采用上述模型得到不同波長下電場強度和磁場強度分布。
不同波長下電場強度空間分布見圖4。
圖4 不同波長下電場強度空間分布
不同波長下磁場強度空間分布見圖5。
圖5 不同波長下磁場強度空間分布
由圖4 可知,近場區(qū)0~50 m 范圍內(nèi)相同距離處電場強度隨波長變化不明顯,但場強值降低幅度較大,50 m 以外降幅緩慢;50~250 m 范圍場強值隨波長增大略有降低,250 m 以外差別較小。由圖5 可知,近場區(qū)0~250 m 范圍內(nèi)相同距離處磁場強度隨波長變化明顯,基本上波長越小場強值越大,250 m以外變化幅度緩慢,場強值相差較小。各波長下滿足電場場強限值的距離較為接近,均在50 m 范圍以內(nèi);對于磁場強度當波長為200 m 時,距離20 m 以內(nèi)超過場強限值,其他波長情況基本滿足場強限值。電場強度和磁場強度值在200 m 外已遠低于限值,此時不同波長天線的電磁輻射場強值均相差較小。
天線塔波比是中波廣播中重要的設(shè)計和建設(shè)指標,能夠直接影響廣播覆蓋和電磁輻射效果。本節(jié)選取中波廣播發(fā)射功率為常用的10 kW,波長為300 m,在塔波比為典型的0.50,0.30,0.18 時,采用上述模型得到不同塔波比下電場強度和磁場強度分布。
不同塔波比下電場強度空間分布見圖6。
圖6 不同塔波比下電場強度空間分布
不同塔波比下磁場強度空間分布見圖7。
圖7 不同塔波比下磁場強度空間分布
由圖6 和圖7 可知,近場區(qū)場強值隨塔波比變化不呈現(xiàn)統(tǒng)一的空間分布,整體上在近距離區(qū)域(約100 m 內(nèi))分布情況較為復(fù)雜,遠距離分布變化較小。對于電場強度,0~50 m 范圍塔波比0.50 和0.18對應(yīng)的場強值明顯大于0.30 的情況,在10 m 范圍內(nèi)可達塔波比0.30 對應(yīng)場強值的2 倍以上;50~200 m范圍內(nèi)隨塔波比的降低場強值變化規(guī)律不明顯;200 m 以外隨塔波比降低場強值逐漸降低。對于磁場強度,0~100 m 范圍塔波比0.50 對應(yīng)的場強值明顯小于另兩種情況;100 m 以外區(qū)域隨塔波比的變化場強值相差較小。對于電場強度,各塔波比下滿足場強限值的距離較為接近,均在50 m 范圍以內(nèi);對于磁場強度,塔波比為0.50 時基本滿足場強限值,當為0.30 和0.18 時,距離約70 m 以內(nèi)超過場強限值。電場強度和磁場強度值在200 m 外已遠低于限值,此時不同塔波比天線的電磁輻射場強值均相差較小。
通過本研究可得出如下結(jié)論:
(1)發(fā)射功率、波長和塔波比對中波近場區(qū)電磁輻射場強空間分布均產(chǎn)生一定影響,其中發(fā)射功率從整體空間上影響場強值大小,波長主要影響近距離磁場強度值,而塔波比的影響主要局限于天線近距離范圍內(nèi)。
(2)從電磁輻射控制限值角度考慮,能夠滿足電場強度和磁場強度限值的空間區(qū)域是不同的,這充分說明了在中波近場區(qū)同時進行電場強度和磁場強度預(yù)測與監(jiān)測的必要性,二者均應(yīng)格外關(guān)注。
(3)本文主要對單塔天線進行理論分析,現(xiàn)實中波臺站可能涉及多個天線塔和頻率,對同一點位進行場強疊加后滿足限值要求的空間區(qū)域?qū)U大,對于10 kW 以下的發(fā)射天線250 m 范圍以外綜合場強值基本能夠滿足限值要求,這與有關(guān)研究[7]結(jié)果是一致的。