移動(dòng)通信基站電磁輻射源項(xiàng)及環(huán)境影響范圍與防護(hù)措施分析

陳貽師 李晨 王葉

（海南省輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站 海南?？?571126）

1 引言

移動(dòng)通信在人們的生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，給人類生活帶來(lái)了許多便利，隨著人們對(duì)通信質(zhì)量和信號(hào)覆蓋度要求的提高，基站數(shù)量也在日益增多，同時(shí)信號(hào)強(qiáng)度也在不斷上升，由此引發(fā)的電磁環(huán)境污染問(wèn)題也較為突出。如今怎樣去看待和評(píng)估移動(dòng)通信基站帶來(lái)的電磁環(huán)境污染及防治措施，是當(dāng)前通信事業(yè)工作者和有關(guān)公眾比較關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

2 基站電磁輻射源項(xiàng)分析

2.1 基站輻射基本特征

基站輻射源可分為室內(nèi)與室外兩部分。室內(nèi)部分的主要設(shè)備有控制器、信號(hào)發(fā)射機(jī)、耦合器、雙工器、功率放大器及饋線，此等在設(shè)計(jì)、制造時(shí)已采取了良好的屏蔽措施，向外環(huán)境泄漏的輻射微乎其微。室外部分的主要設(shè)備有饋線和收、發(fā)天線?；菊＿\(yùn)行時(shí)，天線向環(huán)境發(fā)射電磁波，使環(huán)境電磁輻射水平升高。因此，天線是基站電磁輻射主要的產(chǎn)污節(jié)點(diǎn)?；窘邮仗炀€接收來(lái)自環(huán)境的上行電磁波信號(hào)，發(fā)射天線向環(huán)境發(fā)射下行電磁波信號(hào)，因此，對(duì)環(huán)境影響主要是下行電磁波。

天線的架設(shè)方式主要為地面塔和樓頂塔兩種，天線按照方向性可分為全向天線和定向天線，當(dāng)前在用的絕大部分為定向天線。定向天線基站一般有3個(gè)扇區(qū)分別兼顧水平120°。每個(gè)扇區(qū)天線發(fā)射的電磁能量大小與發(fā)射機(jī)輸出功率、從發(fā)射機(jī)端口到天線發(fā)射間的衰減有關(guān)，電磁能量在空間分布與天線增益、天線輻射方向圖、天線俯角有關(guān)。

2.2 基站輻射源項(xiàng)參數(shù)

發(fā)射機(jī)輸出功率、傳輸損耗、天線增益、天線輻射方向圖和天線俯角這些參數(shù)每個(gè)基站都不完全相同，有很多類型，難以全面準(zhǔn)確地表述[1，2]，并結(jié)合多年來(lái)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作積累的經(jīng)驗(yàn)概括性地分析其源項(xiàng)參數(shù)。

2.2.1 發(fā)射機(jī)功率及動(dòng)態(tài)變化

基站發(fā)射機(jī)的標(biāo)稱功率主要有40W、30W和10W。基站具備功率檢測(cè)和控制技術(shù)，會(huì)根據(jù)用戶位置對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制和調(diào)整，并非滿功率連續(xù)發(fā)射：當(dāng)基站扇區(qū)用戶較多時(shí)，它將對(duì)用戶進(jìn)行距離識(shí)別，距離較遠(yuǎn)、處于信號(hào)微弱區(qū)域的，會(huì)以較大發(fā)射功率直到最大；但對(duì)于距離較近的用戶，基站則用較小的輻射功率進(jìn)行發(fā)射。總之，發(fā)射功率是在小于或等于發(fā)射機(jī)標(biāo)稱功率范圍內(nèi)變化的。

2.2.2 功率傳輸損耗

基站系統(tǒng)本身傳輸損耗，從基站設(shè)備到發(fā)射天線需要使用饋線連接，一般情況下，基站需要用15m長(zhǎng)的1/2軟跳線、40m長(zhǎng)的7/8硬饋線、1個(gè)避雷器和8個(gè)接頭。根據(jù)設(shè)備資料，系統(tǒng)損耗為：900MHz和1800MHz頻段1/2軟跳線損耗是分別是6.9dB/100m、10.1dB/100m；7/8硬饋線損耗分別是3.8dB/100m、5.6dB/100m；連接頭損耗是0.05dB/個(gè)接頭；避雷器損耗約0.3dB。典型的GSM900MHz基站的饋線和接頭損耗共約為3.5dB，GSM1800MHz基站的饋線和接頭損耗共約為4.5dB。貫穿損耗，電磁波穿過(guò)建筑物、人體、汽車時(shí)，均有一定的損耗，稱為貫穿損耗[3]。樓頂塔建設(shè)需考慮建筑物貫穿損耗剩余。建筑物貫穿損耗與結(jié)構(gòu)、門(mén)窗、樓層有很大關(guān)系，一般每層為-2dB。

2.2.3 天線增益和方向圖

目前基站所應(yīng)用天線增益種類有11dBi、12dBi、15dBi、17dBi和18dBi，天線輻射方向性如圖1和圖2所示。從圖1、圖2可知，水平方向比較均勻，差異不明顯；但垂直方向上差異明顯，有主瓣、副瓣和后瓣三大類。主瓣的寬度越窄，說(shuō)明天線的方向性越好；后瓣和副瓣越小，則天線可能出現(xiàn)的竄擾就越小。天線輻射的水平波束寬度決定了天線輻射的電磁波水平覆蓋范圍；天線輻射的垂直波束寬度則決定了天線傳輸距離及縱向覆蓋范圍。一般來(lái)講，天線主瓣方向的電磁輻射強(qiáng)度較大，副瓣方向的電磁輻射強(qiáng)度則較小。

圖1 水平方向性示意圖

3 基站電磁輻射環(huán)境影響范圍分析

由電磁波的傳輸特性可知，天線發(fā)射的電磁波強(qiáng)度將隨距離的增大而減小，基站電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響是有一定范圍的。

3.1 電磁輻射防護(hù)距離理論計(jì)算

3.1.1 測(cè)算方法

目前GSM和CDMA的頻段在800~1900MHz之間，在距離天線1m距離之外就是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。根據(jù)國(guó)家環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》（HJ/T10.2-1996）中所提供的遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度計(jì)算公式：

式中，Pd為功率密度，W/m2；P為天線輻射功率，W；G為天線增益，倍數(shù)，10^(G/10)；r為離天線直線距離，m。如已知Pd、P、G，由上式可推導(dǎo)出r。

3.1.2 參數(shù)選取

《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）中規(guī)定，頻率為30MHz~3000MHz的公眾曝露限值為0.4W/m2。對(duì)于單網(wǎng)基站，《輻射環(huán)境防護(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）中要求，取功率密度限值的1/5作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即0.08W/m2。對(duì)于發(fā)射功率，選40W、30W和10W；天線增益，選取最大值18dBi，方向性系數(shù)按以上方向圖選取，系統(tǒng)本身傳輸損耗選取最小值3.5dB，即G等于28倍。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法，將有關(guān)參數(shù)代入相應(yīng)數(shù)據(jù)得到天線前方水平防護(hù)距離為18m～35m不等，正上、下方垂直防護(hù)距離為2.0m～3.0m不等，后方水平防護(hù)距離為3.0m～5.0m不等。其各方位防護(hù)距離所形成的矩形水平旋轉(zhuǎn)120°圍成的包絡(luò)空間內(nèi)為某扇區(qū)的環(huán)境影響超標(biāo)范圍，外為達(dá)標(biāo)區(qū)。

3.2 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

為了掌握理論計(jì)算參數(shù)選取的合理性，本文選取最大功率為40W、最大天線增益18dBi的?？谀车孛嫠荆ㄌ炀€離地面高40m）采用德國(guó)Narda公司的PMM8053A綜合場(chǎng)強(qiáng)儀進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算比較如圖3所示。從圖3可以看出，理論計(jì)算值比實(shí)測(cè)結(jié)果偏大，但隨著距離的增大與實(shí)測(cè)結(jié)果不斷接近；當(dāng)實(shí)測(cè)點(diǎn)位與天線距離較近時(shí)，理論計(jì)算值偏大得多，而當(dāng)實(shí)測(cè)點(diǎn)位與天線距離較大時(shí)，兩者吻合得較好。這是因?yàn)樵诰嚯x天線較近時(shí)受天線自身尺寸問(wèn)題及鐵塔影響，不是完全理想化的點(diǎn)源向周圍輻射，但當(dāng)隨著距離增大，天線輻射點(diǎn)源化特性越明顯，因此實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算值基本一致。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值比較表明，上述所采用和選取的參數(shù)是合理的，利用其所計(jì)算得到的防護(hù)距離是比較可信的。

圖3 實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)照?qǐng)D

4 基站電磁輻射防護(hù)措施分析

基站電磁輻射環(huán)境影響防護(hù)的基本方式是時(shí)間防護(hù)、距離防護(hù)和物質(zhì)屏蔽[3]，具體實(shí)施應(yīng)從規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)營(yíng)兩個(gè)階段著手。

4.1 規(guī)劃建設(shè)階段

4.1.1 主動(dòng)開(kāi)展環(huán)評(píng)工作，調(diào)查當(dāng)?shù)仉姶泡椛洵h(huán)境背景情況，避免在電磁輻射環(huán)境背景值較高處建設(shè)基站；測(cè)算防護(hù)距離，并核查現(xiàn)場(chǎng)是否滿足要求。

4.1.2 合理安排基站發(fā)射天線的架設(shè)位置、高度、朝向以及俯仰角，將天線布置在建筑物的樓頂外側(cè)，基站定向天線三個(gè)電磁波主瓣盡量避開(kāi)周圍高層建筑；若不能避開(kāi)時(shí)，可增加天線掛高、適當(dāng)升高天線使之與前方居民樓有一定高差，從而避開(kāi)電磁波主瓣，或調(diào)整天線俯仰角角度；實(shí)在不行，考慮選擇功率較低和增益較小的基站配置。

4.1.3 對(duì)位于樓頂且架設(shè)高度較低的天線（如樓頂抱桿），由于天線相對(duì)于樓頂平臺(tái)較低，因而可能導(dǎo)致平臺(tái)上的電磁輻射強(qiáng)度較大，此類基站考慮將樓頂平臺(tái)的一定區(qū)域封閉或布設(shè)標(biāo)示設(shè)施，盡量減少人群接近，從而減輕基站運(yùn)行期對(duì)群眾的影響。

4.2 運(yùn)營(yíng)階段

4.2.1 基站的發(fā)射功率、天線增益和俯角等重要參數(shù)不得擅自改變，如需調(diào)整須向環(huán)保行政主管部門(mén)匯報(bào)。

4.2.2 主動(dòng)辦理項(xiàng)目竣工環(huán)保驗(yàn)收手續(xù)，開(kāi)展驗(yàn)收監(jiān)測(cè)，以掌握環(huán)境敏感點(diǎn)處的電磁輻射水平。

4.2.3 如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行期間環(huán)境敏感點(diǎn)的電磁輻射水平存在超標(biāo)現(xiàn)象，可通過(guò)調(diào)整基站發(fā)射天線增益倍數(shù)、架設(shè)位置、高度、朝向以及俯仰角和發(fā)射功率，以滿足環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。如通過(guò)調(diào)整仍然超標(biāo)，須重新選址，搬遷基站。

5 結(jié)語(yǔ)

基站的建設(shè)對(duì)公眾生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展是有積極意義的，但不科學(xué)盲目地建設(shè)將引發(fā)環(huán)境污染問(wèn)題，因此應(yīng)當(dāng)取其利避其害。本文通過(guò)分析基站的電磁輻射源項(xiàng)，估算了其輻射防護(hù)距離，并提出了切實(shí)可行的防護(hù)措施，希望對(duì)基站的規(guī)劃選址、建設(shè)及監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)性意義，同時(shí)為公眾了解基站輻射及防護(hù)相關(guān)技術(shù)提供幫助。

[1]中國(guó)移動(dòng)海南公司GSM第十五至十八期數(shù)字移動(dòng)通信工程環(huán)境影響報(bào)告書(shū)[R]成都：四川省輻射環(huán)境評(píng)價(jià)治理有限責(zé)任公司,2010.

[2]陳志平.移動(dòng)通訊基站（GSM900、WCDMA）在環(huán)境中電磁輻射分布的研究[D].南昌：南昌大學(xué),2013.

[3]樊小龍,王文中.電磁輻射的危害與預(yù)防[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2013.