移動(dòng)通訊基站天線電磁輻射的安全防護(hù)距離預(yù)測(cè)＊

張明海

（湘西自治州環(huán)境保護(hù)局，湖南吉首 416000）

移動(dòng)通訊基站天線電磁輻射的安全防護(hù)距離預(yù)測(cè)＊

張明海

（湘西自治州環(huán)境保護(hù)局，湖南吉首 416000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和通信技術(shù)的發(fā)展，城市中的移動(dòng)通信基站越來(lái)越密集，移動(dòng)基站所產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)周圍環(huán)境的影響，越來(lái)越受到人們的重視.為指導(dǎo)基站的規(guī)范化建設(shè)，消除市民的恐慌，采用理論預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，求解出GSM900移動(dòng)通信基站天線電磁輻射的安全防護(hù)距離：水平防護(hù)距離為26m，垂直防護(hù)距離劃6m.

移動(dòng)通信基站，電磁輻射，安全防護(hù)距離

隨著手機(jī)用戶日益增多，對(duì)移動(dòng)通信的基礎(chǔ)設(shè)施提出了越來(lái)越高的要求.城區(qū)基站建設(shè)速度明顯加快，基站分布密度逐漸加大，給部分市民帶來(lái)心理恐慌，基站輻射污染投訴大幅上升，加之媒體不明真相地報(bào)道，造成市民對(duì)基站的恐懼，不僅影響移動(dòng)通信質(zhì)量問題，而且給基站建設(shè)帶來(lái)困境.探討移動(dòng)通信基站電磁輻射的安全距離是減少基站投訴的有效方法之一.雖然國(guó)內(nèi)已有較多機(jī)構(gòu)針對(duì)移動(dòng)通信基站的電磁輻射影響開展了監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)研究［1－4］，但未針對(duì)其電磁輻射安全防護(hù)距離進(jìn)行充分論證.文中以GSM900移動(dòng)通信基站為例，對(duì)其產(chǎn)生的電磁輻射安全防護(hù)距離進(jìn)行求解.

1 GSM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由交換系統(tǒng)（SS），基站系統(tǒng)（BSS），操作維護(hù)中心（OMC）和移動(dòng)臺(tái)（MS）組成，該系統(tǒng)以各無(wú)線電小區(qū)相互鄰接構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，由這些小區(qū)共同來(lái)完成服務(wù)區(qū)的覆蓋.每個(gè)基站有1個(gè)基站控制器（BSC），控制1個(gè)或多個(gè)基站收發(fā)信臺(tái)（BTS），1個(gè)收發(fā)信臺(tái)由若干個(gè)收發(fā)信機(jī)組成，這些收發(fā)信機(jī)工作在一組與相鄰小區(qū)頻率不同的信道上.交換系統(tǒng)的移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）為多個(gè)基站控制器服務(wù)，完成與公用電話交換網(wǎng)（PSTN）、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）、公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLMN）等網(wǎng)絡(luò)之間的交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)服務(wù)區(qū)的覆蓋，構(gòu)成一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò).基站傳輸主要以光纜傳輸為主，輔以微波傳輸組成.

2 移動(dòng)天線

移動(dòng)通信是通過電磁波的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而電磁波的發(fā)射與接收是靠天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的.天線為了有效地將傳輸線送來(lái)的高頻傳導(dǎo)電流轉(zhuǎn)變成空間的電磁波或反變換，將空間的電磁波轉(zhuǎn)變成傳輸線中的信號(hào)功率，或?qū)l(fā)射機(jī)的輸出功率有效地轉(zhuǎn)換成在自由空間傳播的電磁波，或?qū)⒆杂煽臻g傳播的電磁波有效地轉(zhuǎn)換成接收機(jī)輸入端的功率.對(duì)于簡(jiǎn)單的便攜式移動(dòng)通信設(shè)備，天線往往直接和收發(fā)信設(shè)備裝在一起.在移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)中，天線所占的比重雖然不大，但其作用卻非常重要.天線的架設(shè)方式通常有落地塔（單管、四方、三管等）、屋頂塔（六方塔、拉線塔）、抱桿、美化天線等.

圖1 天線電磁波波束模擬

移動(dòng)通信基站天線的電磁波波束模擬如圖1所示，天線波束在水平方向和垂直方向上的剖面圖如圖2，3所示.由圖1，2，3知，天氣電磁波發(fā)射在垂直方向的剖面上呈棒槌形，并且具有明顯的方向性.

圖2 電磁波波束水平方向剖面

圖3 電磁波波束垂直方向剖面

3 基站電磁輻射分析及安全防護(hù)距離預(yù)測(cè)

3.1 預(yù)測(cè)范圍

按照《移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法》〈試行〉中的相關(guān)規(guī)定，測(cè)試點(diǎn)位一般布設(shè)在以距離發(fā)射天線為中心半徑50m的范圍內(nèi)，可能受到影響的保護(hù)目標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況可對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.所以，在環(huán)境影響預(yù)測(cè)中將預(yù)測(cè)范圍擬定為距離發(fā)射天線半徑100m的范圍內(nèi).

3.2 預(yù)測(cè)因子

預(yù)測(cè)因子為移動(dòng)通信基站在正常運(yùn)行情況下對(duì)周圍環(huán)境中電磁輻射的功率密度的貢獻(xiàn)值.

3.3 預(yù)測(cè)模式

根據(jù)《電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》（HJ／T10.2－1996）中的相關(guān)規(guī)定以及移動(dòng)通信的工作原理，文中選用《電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》（HJ／T10.2－1996）中的遠(yuǎn)場(chǎng)軸向功率密度公式為

其中：P為雷達(dá)發(fā)射機(jī)平均功率（單位：mW）；G為天線增益；r為監(jiān)測(cè)位置與天線軸向距離（單位：cm）

3.4 電磁輻射功率密度預(yù)測(cè)分析

（1）式表明，基站發(fā)射參數(shù)決定了所產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度，典型GSM900基站發(fā)射功率為20W，天線增益為18dBi.從基站設(shè)備到發(fā)射天線需要使用饋線聯(lián)接，典型基站需要用15m長(zhǎng)的1／2軟跳線和40m長(zhǎng)的7／8硬饋線.根據(jù)設(shè)備資料，1／2軟跳線在900MHz頻段每100m衰減6.9dB；7／8硬饋線在900 MHz頻段每100m衰減3.8dB.饋線中還需要增加避雷器和饋線接頭等的損耗，典型的GSM900MHz基站的饋線損耗為3dB.根據(jù)上述參數(shù)，可以得出該類型移動(dòng)通信基站對(duì)周圍環(huán)境中電磁輻射的功率密度的貢獻(xiàn)值如表1.

表1 GSM900移動(dòng)通信基站電磁輻射功率密度與距離關(guān)系表

（1）預(yù)測(cè)點(diǎn)處無(wú)遮擋時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果.在不考慮現(xiàn)狀背景值及預(yù)測(cè)點(diǎn)位處無(wú)遮擋的情況下，各距離點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表1.預(yù)測(cè)結(jié)果表明，GSM900型基站的電磁輻射功率密度隨著距離的增加而衰減，當(dāng)距離超過25m時(shí)，基站電磁輻射的功率密度已經(jīng)小于8μW／cm2.

（2）預(yù)測(cè)點(diǎn)處有遮擋時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果.經(jīng)調(diào)查，基站周圍環(huán)境敏感點(diǎn)的公眾常常是處于有建筑物遮擋的情況下從事生活、工作、學(xué)習(xí)等活動(dòng).基站的射頻信號(hào)在穿透建筑物時(shí)是有穿透損耗的，穿透損耗隨建筑物的結(jié)構(gòu)材料、建筑布局、公眾在建筑物內(nèi)的位置、與基站的接近程度和方向而變化，范圍一般在6～40dB之間.表2給出了典型建筑物材料的穿透損耗數(shù)值：

表2 典型建筑物材料的穿透損耗dB

根據(jù)預(yù)測(cè)模型及GSM基站的技術(shù)參數(shù)，在不考慮現(xiàn)狀背景值的情況下，位于各距離點(diǎn)處各類典型建筑物材料后預(yù)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表3（均按該類材料最小損耗計(jì)算，厚度同表2）.

表3 有遮擋時(shí)距基站天線各距離點(diǎn)的功率密度理論預(yù)測(cè)值μW·cm－2

從表3可知，在考慮有遮擋損耗的情況下，天線電磁輻射衰減很快，一般在10m均能達(dá)到單系統(tǒng)8 μW／cm2的限值要求.

3.5 安全防護(hù)距離預(yù)測(cè)

對(duì)于單系統(tǒng)而言，其電磁輻射限值為8μW／cm2.在天線主瓣方向上，功率密度大于或等于8μW／cm2范圍為超標(biāo)區(qū)，該區(qū)域外功率密度小于8μW／cm2，可視為安全區(qū)，如圖4所示.可計(jì)算出相應(yīng)水平防護(hù)距離和垂直防護(hù)距離.

圖4 基站天線安全防護(hù)區(qū)

參數(shù)選擇：某GSM900基站天線俯角為6°，垂直半功率角為7°；根據(jù)（1）式，天線主瓣軸方向上功率密度等于8μW／cm2處，所對(duì)應(yīng)的直線距離rmax為

結(jié)合相應(yīng)的參數(shù)可計(jì)算GSM900基站的水平防護(hù)距離L＝25.1m，垂直防護(hù)距離D＝4.2m.此外，考慮到人的身高因素，嚴(yán)格來(lái)說，可將該設(shè)計(jì)參數(shù)的GSM900基站的水平防護(hù)距離劃定為26m，垂直防護(hù)距離劃定為6m.

4 GSM基站實(shí)際測(cè)試

基站下方的路面通常是公眾活動(dòng)場(chǎng)所，是公眾關(guān)注目標(biāo)之一.由于電磁波散射和反射的復(fù)雜性，目前常用的電磁輻射預(yù)測(cè)模型為天線主瓣軸向方向的預(yù)測(cè)模型，難以對(duì)公眾活動(dòng)場(chǎng)所路面的電磁輻射環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，因此采用實(shí)際測(cè)試方法對(duì)基站天線下方路面電磁輻射強(qiáng)度進(jìn)行分析.為了解GSM基站正常運(yùn)行時(shí)的地面電磁場(chǎng)在水平方向的分布規(guī)律，選取了一座典型GSM基站進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試時(shí)段選擇在話務(wù)量較大時(shí)段（18：00－19：00），從天線下方開始，距地面1.7m、每5m為一段進(jìn)行電磁輻射測(cè)試.基站周圍無(wú)其他干擾設(shè)備（如高壓電線、其他移動(dòng)基站、電臺(tái)等）.基站具體參數(shù)見表4.

表4 基站參數(shù)

電磁輻射測(cè)量結(jié)果隨水平距離變化情況見圖5，從圖5可知該基站周圍電磁輻射水平處于很低狀態(tài)，功率密度最大值為0.51μW／cm2.因此，在電磁輻射防護(hù)距離之外，天線的電磁輻射值均可降到很低值.

圖5 典型GSM900基站電磁輻射強(qiáng)度隨距離衰減圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過理論預(yù)測(cè)給出了典型GSM900基站電磁輻射防護(hù)距離，即水平防護(hù)距離為26m，垂直防護(hù)距離6 m.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該防護(hù)區(qū)外的輻射值很小，即該防護(hù)距離的劃分是可行的.

［1］ 金 亮.移動(dòng)通信基站的電磁輻射環(huán)境影響［J］.科技資訊，2007（22）：141－141.

［2］ 王榮鎖，楊本，楊國(guó)陳.移動(dòng)通信基站的電磁環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)輻射衛(wèi)生，2007，16（4）：459－461.

［3］ 張 挺，李 祈，馬云杰，等.移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)［J］.實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2009，16（1）：144－145.

［4］ 康 寧.移動(dòng)通信基站電磁輻射研究［M］.北京：北京郵電大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

Prediction of Safety Distance of Antenna Electromagnetic Radiation in Mobile Communication Base Station

ZHANG Ming-hai
（Environmental Protection Bureau of Xiangxi Autonomous Prefecture，Jishou 416000，Hunan China）

With the social progress and the development of communication technology，the number of mobile communication base stations have continually increased in cities.Furthermore，the influence of their electromagnetic radiation on the surrounding environment has attracted people＇s greater attention.In order to standardize the construction of the base station，and eliminate public＇s panic，the author studies the prediction of the safety distance of GSM900mobile communication base station by theoretical and field measurement，the horizontal safety distance being 26meters，while the vertical being 6meters.

mobile communication base station；electromagnetic radiation；safety distance

TN91

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.05.017

1007－2985（2013）05－0070－04

2013－07－25

張明海（1965－），男，湖南吉首人，湘西自治州環(huán)境保護(hù)局工程師，主要從事輻射安全防護(hù)與管理研究.