祁 征,鐘志剛,馬紅兵,張方建,史慶飛(.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司,河南鄭州 0007;.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司,北京 0008;.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司,北京 000;.中國(guó)鐵塔股份有限公司河南省分公司,河南鄭州 0000;.中興通訊股份有限公司,廣東深圳 0000)
基站電磁輻射對(duì)公眾人身安全的影響一直是國(guó)際國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn),移動(dòng)通信基站由于信號(hào)覆蓋的要求,在居民區(qū)建設(shè)密集度不斷增加,電磁波輻射被越來越多的人了解并感到恐懼,國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起居民要求運(yùn)營(yíng)商拆除所在小區(qū)基站的事件,小區(qū)居民通過砍斷通信饋線阻止運(yùn)營(yíng)商再設(shè)新的基站。為保護(hù)公眾健康,防止電磁輻射對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染,美國(guó)、中國(guó)、國(guó)際非電離輻射委員會(huì)(ICNIRP)都制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn),但這些標(biāo)準(zhǔn)之間安全限值相差甚大,美國(guó)的安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定:正常環(huán)境條件下任何6 min 內(nèi),平均功率密度不能超過10 mW∕cm2;國(guó)際非電離輻射委員會(huì)(ICNIRP)制定的標(biāo)準(zhǔn)將受眾分為職業(yè)群體和公眾群體,對(duì)于公眾暴露限值,在2 000 MHz 的以上功率密度限值為50 μW∕cm2。我國(guó)也發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》(GB8702-2014),規(guī)定了相關(guān)限值來限制電磁輻射可能超標(biāo)的問題,在30~3 000 MHz 范圍內(nèi)的控制限值為40 μW∕cm2。
本文以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》(GB8702-2014)為依據(jù),以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的基站電磁輻射數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,通過大量的數(shù)據(jù)分析,對(duì)基站天線方向、角度等提出合理化建議,以減小對(duì)附近居民造成的電磁輻射超標(biāo)影響,并指導(dǎo)各運(yùn)營(yíng)商的基站建設(shè),減少因電磁輻射測(cè)量值不合格產(chǎn)生的糾紛。
天線的方向性越好,增益越高,波瓣越窄,能量也越集中。天線增益是指在相同輸入功率下,理想天線與參考天線在空間同一點(diǎn)處的功率密度之比。
一般移動(dòng)基站常見天線的增益如表1所示。
表1 移動(dòng)基站常見天線的增益
天線輻射電磁場(chǎng)分布在以天線為中心某一距離為半徑的球面上,其隨空間角度分布的圖形稱為輻射方向圖。在天線方向圖中,通常都有2個(gè)或多個(gè)瓣,其中最大的稱為主瓣。主瓣的2個(gè)半功率點(diǎn)(3 dB 點(diǎn))間的夾角被定義為天線方向圖的波瓣寬度,也稱為半功率(角)瓣寬(見圖1)。
圖1 天線方向圖每個(gè)天線都有垂直及水平2個(gè)方向的半功率角
目前移動(dòng)基站使用最多的定向天線就是水平半功率角為60~65°的板式天線,通?;咎炀€由一組3個(gè)方向角間隔120°的板式天線組成,正前方功率最大,任意2個(gè)天線過渡區(qū)的功率比正前方低10 dB。
基站電磁輻射測(cè)量通常在主波瓣范圍內(nèi)進(jìn)行。
天線周圍的空間電磁場(chǎng)根據(jù)特性不同又可劃分為3 個(gè)不同區(qū)域:電抗性近場(chǎng)、輻射近場(chǎng)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng),在進(jìn)行基站電磁輻射檢測(cè)時(shí),通常只考慮遠(yuǎn)場(chǎng)情況。
遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波功率密度計(jì)算公式如下:
式中:
P——發(fā)射功率(W)
G——天線增益(dBi)
r——天線與被測(cè)點(diǎn)的距離(m)
典型基站主波瓣方向的輻射計(jì)算結(jié)果如表2 所示。
表2 天線增益為17 dBi,不同發(fā)射功率情況下典型基站主波瓣方向輻射計(jì)算(單位:μW∕cm2)
常見的65o板式天線,在水平方向由主發(fā)射方向左右偏轉(zhuǎn)32.5o正好是天線的半功率點(diǎn),該點(diǎn)的功率密度為主方向的1∕2,而在120o的扇區(qū)邊緣,衰減為10 dB,只有主發(fā)射方向的1∕10。
65o板式天線典型的垂直半功率角為14o,主發(fā)射方向向下偏轉(zhuǎn)7o為半功率點(diǎn),向下偏轉(zhuǎn)15o為1∕10點(diǎn)。
以上計(jì)算結(jié)果均不超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》(GB8702-2014)規(guī)定的對(duì)應(yīng)限值40 μW∕cm2。計(jì)算天線不同方向不超過8 μW∕cm2的距離如表3所示。
表3 不同方向不超過8 μW∕cm2的距離值
很多基站內(nèi)分別安裝有多套系統(tǒng),如2G(900 MHz、1 800 MHz)、3G、4G 等,也常有多運(yùn)營(yíng)商共站或相鄰的情況,這時(shí)基站周圍電磁場(chǎng)是多系統(tǒng)信號(hào)相互疊加在一起。
根據(jù)電磁波理論,多信號(hào)電波在空間疊加時(shí)形成復(fù)合場(chǎng)強(qiáng),總功率密度等于各信號(hào)功率密度之和,總場(chǎng)強(qiáng)的平方等于各信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)平方和。
即總功率密度:
總場(chǎng)強(qiáng):
常見計(jì)量單位換算及導(dǎo)出如下。
a)場(chǎng)強(qiáng)與功率密度的導(dǎo)出關(guān)系為:
式中:
S——功率密度(W∕m2)
E——電場(chǎng)強(qiáng)度(V∕m)
b)磁場(chǎng)強(qiáng)度與功率密度的導(dǎo)出關(guān)系(遠(yuǎn)場(chǎng)):
式中:
S——功率密度(W∕m2)
H——磁場(chǎng)強(qiáng)度(A∕m)
以上電磁波的能量疊加關(guān)系也在實(shí)際測(cè)試中得到驗(yàn)證。例如:某地區(qū)選取了30個(gè)多運(yùn)營(yíng)商共站或相鄰的站址,用選頻場(chǎng)強(qiáng)儀同步檢測(cè)各系統(tǒng)信號(hào)功率密度和800~2 400 MHz 帶寬內(nèi)的總功率密度;除一列因帶內(nèi)有較強(qiáng)其他干擾信號(hào)外,其余29處空間各通信信號(hào)功率密度之和是總功率密度的98%~100%。以上測(cè)試中各運(yùn)營(yíng)商信號(hào)包含GSM、WCDMA、CDMA2000、TD-CDMA、LTE等不同制式,但疊加效果并沒有區(qū)別。
以某站測(cè)試數(shù)據(jù)為例(見表4),該站天線高度為12 m,檢測(cè)距離為10~20 m。分別測(cè)試了8個(gè)頻段的功率密度值和總頻段的功率密度值,8 個(gè)分頻段的功率密度值相加為5.43 mW∕m2,總頻段的功率密度值為5.47 mW∕m2。
表4 基站分頻段與總頻段測(cè)試對(duì)比
測(cè)試人員乘坐高空作業(yè)車,首先在正對(duì)天線處,在天線等高面上分別測(cè)量與天線距離5、10、15 m 等處的輻射值,然后下降一段距離,比如下降3 m,在此高度處再分別測(cè)量與天線距離為5、10、15 m 等處的輻射值,依次下降直到接近地面。
測(cè)試采用2種儀表。
a)narda公司生產(chǎn)的NBM550寬帶輻射測(cè)量?jī)x,采用100 kHz~3 GHz 的專用探頭,可測(cè)試輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度和功率密度。寬帶輻射測(cè)量?jī)x的測(cè)試主要是了解基站周邊電磁輻射的分布,測(cè)量方式與《移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法》一致。
b)narda 公司生產(chǎn)的SMR3006型選頻式輻射測(cè)量?jī)x,可以分別(或同時(shí))測(cè)量現(xiàn)有移動(dòng)通信頻段內(nèi)各頻段輻射值。選頻式輻射測(cè)量?jī)x的測(cè)試主要研究多系統(tǒng)信號(hào)疊加及背景輻射源等。
4.2.1 測(cè)試依據(jù)
測(cè)試依據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》(HJ∕T10.3-1996)中4.1 條和4.2條。
4.2.2 輻射限值
GB8702-2014 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)公眾照射的要求為:在1天24 h 內(nèi),環(huán)境電磁輻射場(chǎng)的參數(shù)在任意連續(xù)6 min內(nèi)的平均值應(yīng)滿足如表5所示要求。
表5 環(huán)境電磁輻射場(chǎng)公眾暴露控制限值
通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的篩選,選擇最高值作為功率基準(zhǔn),計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)值比值的對(duì)數(shù)來表示信號(hào)功率變化情況,并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算取平均值,得出定向天線電磁場(chǎng)空間分布規(guī)律如表6 所示,衰減曲線如圖2所示。
表6 定向天線電磁場(chǎng)的空間分布
圖2 電磁場(chǎng)空間分布衰減曲線示意圖
從圖2可以看出,靠近天線距離越近,電磁輻射隨偏離主軸距離衰減越快,距離天線越遠(yuǎn),隨偏離主軸距離衰減越慢。
通過對(duì)基站定向天線的選頻測(cè)量分析,發(fā)現(xiàn)電磁輻射超標(biāo)的現(xiàn)象只在小范圍內(nèi)出現(xiàn),小范圍通常指近場(chǎng)區(qū)域或人群很難接觸到的區(qū)域,人群能接觸的高度的測(cè)量值都很小。天線下方是輻射死角,衰減很大,因此靠近天線下方反而電磁輻射值很小。
通過對(duì)空間磁場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出了定向天線電磁場(chǎng)空間分布衰減趨勢(shì)。與理論計(jì)算的絕對(duì)值有較大差異,實(shí)際輻射測(cè)量值由于傳輸或者線纜的衰減小于理論計(jì)算值,但是衰減規(guī)律與理論計(jì)算相符,靠近天線距離越近,電磁輻射隨偏離主軸距離衰減越快,距離天線越遠(yuǎn),隨偏離主軸距離衰減越慢,通信運(yùn)營(yíng)商可參考以上衰減關(guān)系根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整天線方向,減少因電磁輻射測(cè)量值超標(biāo)產(chǎn)生糾紛。