（信号与信息处理专业论文）tdscdma基站电磁辐射测量和预测方法研究.pdf

摘要摘要随着3 g 牌照的发放，移动、联通、电信各运营商纷纷建立大规模的3 g 通信基站，极大的满足了人们在通讯交流中对网络速度的要求。人们在充分享受现代通信设备为生活带来的巨大方便的同时，也开始关注越来越多的通信基站是否对周围环境以及人体健康造成危害。因此，如何定性定量的去判断电磁辐射污染问题是一个亟待解决的问题。本文以电磁辐射环境评价为背景，对t d 基站电磁辐射强度进行研究。由于t d s c d m a 基站和g s m 基站所用的天线类型不同，以往的对移动通信基站电磁辐射进行测量和计算的方法已不能完伞满足对t d 系统的智能天线的测量。通过对国家环保局制定的电磁辐射防护规定和辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法以及卫生部制定环境电磁波卫生标准等电磁辐射安全标准的学习，掌握了实地测量应遵循的原则。结合智能天线阵列综合天线方向图，本文提出了针对t d 基站进行实地布点的方法。由于实际布点测量成本代价较高，本文基于移动通信基站电磁辐射特性提出了一种对t d 基站天线非轴线方向进行电磁辐射强度预测算法，并通过实地测量验证该预测算法的可行性。利用此方法对郑州大学新校区行政楼基站的功率密度和电场强度进行了预测和实地测量并对数据分析比较。得出以下结论：( 1 ) 电磁辐射强度预测算法的准确度达到9 5 ，表明利用我们所提的预测算法代替繁杂和昂贵的实地测量是可行的。( 2 ) 通过实测数据以及预测数据与国家标准的比较，验证了实测和预测值都小于国家标准，为电磁辐射环境评价提供了一定的数据支持。关键词：t d s c d m a 基站；电磁辐射；基站测量；天线方向图a b s t r a c tw i t ht h ei s s u a n c eo f3 gl i c e n s e s ，t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fp e o p l eo nt h ec o m m u n i c a t i o ne x c h a n g en e t w o r ks p e e d ，c h i n am o b i l e , u n i c o r n ，t e l e c o mo p e r a t o r sh a v ee s t a b l i s h e dal a r g e s c a l eo f3 gc o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n s h o w e v e r , m a i l vp e o p l eb e g a nt of o c u sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ow h e t h e rt h e s ec o m m l 】n i c a t i o nb a s es t a t i o n sw o u l db eh a r mt ot h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t hw h i l et h e ve n j o yt h e i rg r e a t l yc o n v e n i e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s o ，h o wt oe v a l u a t et h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o l l u t i o ni nt h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ew a yi sa l lu r g e n tp r o b l e m t ot h eb a c k g r o u n do fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ne n v i r o n m e n te v a l u a t i o n w eh a v eas t u d yo nt h ei n t e n s i t yo ft db a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c et y p eo fa n t e n n ab e t w e e nt d s c d m ab a s es t a t i o na n dg s mb a s es t a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n ta n dp r e d i c t i o nm e t h o dc o u l dn o tf u l l vm e e tt h em e a s u r e m e n to ft h es m a r ta n t e n n ao ft ds y s t e m f r o mt h es t u d yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns a f e t ys t a n d a r d sb yt h es t a t ee n v i r 0 啪e n t a lp r o t e c t i o nd e v e l o p e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np r o t e c t i o na n d ) w h i c hw a sm a d eb yt h em i n i s t r yo fh e a l t h ，m a s t e r i n g 廿l ep r i n c i p l eo ff i e l dm e a s u r e m e n t st ob ef o l l o w e d c o m b i n i n gt h es m a r ta n t e n n a 卸r r a vd i r e c t i o nm a p ，w ep r o p o s eap r o g r a mt od i s t r i b u t et h em e a s 蝴肌tp o i n t s d u et ot h eh i g h e rc o s t so ft h ea c t u a la l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h et dd i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n t s ，ap r e d i c t i o nb a s es t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ef i e l dm e a s u r e m e n t sa n dp r e d i c t i o no ft h eb a s es t a t i o n n e w锄p u sa d m i n i s t r a t i o nb u i l d i n go fz h e n g z h o uu n i v e r s i t yh a v eb e e na c c o m p l i s h e d ，d a t aa n a l y s e ss h o wt h a t ：f i r s t ，t h ea c c u r a c yo ft h ep r e d i c t i o nm o d e li s9 5 ，t h i sv e r i f i e st h a tt h ep r e d i c t i o nm o d e li sf e a s i b l e ；t h es e c o n d ，b yc o m p a r i n gt h em e a s u r e dd a t a ，f o r e c a s td a t aa n dt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，i t sf o u n dt h a tt h em e a s u r e dl ia b s t r a c ta n dp r e d i c t e dv a l u e sa lel e s st h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r dv a l u e ，p r o v i d i n gac e r t a i na m o u n to fd a t at os u p p o r te v a l u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ；t d - s c d m ab a s es t a t i o n s ；a n t e n n ap a t t e r n ；b a s es t a t i o nm e a s u r e m e n ti i i1 绪论1 绪论1 1 课题的研究背景和意义随着科技的迅速发展，新波段的应用领域不断出现，为人类社会的发展添注新的活力的同时，也使电磁辐射砼3 的辐射强度暴露水平显著增加。日常生活中，我们每个人都处在0 , - - 3 0 0 g h z 频率的复合电磁场暴露之中。电磁辐射污染已成为诸多环境问题中最广泛的影响环境的因素。世界卫生组织w h o ( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ) 把电磁辐射污染列为继废水、废气、噪声污染之后的第四大污染。电磁辐射污染的主要来源有：各种高低压输变电系统；运输系统；各种通讯设施和便携式通讯工具，例如：手机、小灵通；医药器械；各种商业和工业设备；雷达、无线电通信发射台站及移动通信发射基站；广播电视台发射天线等。移动用户规模的扩大，使得移动通信发射基站十分密集，往往一般闹市区距离2 0 0 - - - 3 0 0 米就有一个基站。空间电磁辐射的强度越来越强，暴露在强电磁场辐射下的人群数也在不断增加。公众在充分享受现代通信设备为生活带来的方便之时，我们不能回避的一个客观事实是：遍布各地的移动通信基站，包括：g s m ，t d s c d m a ，c d m a ，w c d m a ，p h s ( p e r s o n a lh a n d y - p h o n es y s t e m )等，其所产生的电磁辐射能量是否对人体健康构成威胁，已成为今年来业界关注的一个热点。目前，国内外的专家学者对于移动通信基站电磁辐射的探索主要集中在对g s m ，c d m a 等基站的研究，加之t d s c d m a 标准是我国自主研制的通信技术标准，尚未在国际上铺开使用。因此，对t d s c d m a 基站造成的电磁辐射污染的研究还比较少，尚未形成成熟的理论成果。即使是在国际电工组织一技术委员会i e c t c l 0 6 ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n )p t 6 2 2 3 2 文稿中也只有中国移动通信设计院研究所马文华博士于2 0 0 8 年提出的在天线轴线方向上t d s c d m a 智能天线电磁辐射的计算方法口1 。因此根据智能天线电磁辐射的计算方法，制定t d 基站切实可行的测量方案，并通过国家标准判定电磁污染对人体的危害已成为当前亟待解决的问题。1 2 基站电磁辐射研究现状1 绪论目前，对移动基站电磁辐射的研究主要集中在预测模型和测量方法的研究上。其中g s m ，c d m a 移动通信基站电磁辐射的研究者居多。关于基站测量的预测模型和测量方法大致分为以下几类：一基站电磁辐射预测系统设计h 钉；二电磁辐射系统及便携式电磁辐射系统设计1 ；三电磁辐射监测系统及污染治理方法口1 ；四基站天线方向图测量方法及改进协州1 0 1 。文献 4 以综合场强仪和频谱测试仪为主要测试仪器，采用虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 技术，g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 和l a b v i e w 语言，设计了一套基于g s m 基站电磁辐射的测量系统，通过对理论计算和实地测量数据的比较，证实了系统的可靠性和有效性，为后续基站建设的选址和电磁辐射的测量提供了一个很好的依据。文献 5 提出了用射线跟踪的方法进行电磁辐射预测研究，通过对直射，反射和衍射不同的传播方式和计算方法的研究，提出了利用反向射线跟踪方法进行理论电磁辐射的预测和实际数值的测量方法，效果颇佳。文献 6 给出了一种基于单片机的电磁辐射测量设备的设计方法。该设备由传感器、滤波放大电路、模数转换器和单片机组成，能很好的完成对信号的采集，转换和处理。体积很小，便于携带，对于3 0 m - 3 g h z 频率范围内，能简便灵活的测得电磁辐射功率谱密度。文献 7 给出了c d m a 移动通信基站的电磁环境监测与评价方法，并对电磁辐射污染的监测和防范措施提出了建设性的意见。 8 9 1 0 都提出了用菲涅尔区测量基站天线的方法，其中 8 提出用菲涅尔区进行伪抽样( 近场抽样近似远场) ，之后通过数值运算重构辐射图，无须矩阵求逆过程，大大减少了运算量，降低了对硬件设备的存储要求。 9 提出当源基站天线与a u t ( a n t e n n au n d e rt e s t ) 满足瑞利远场准则时，利用矽变量扫描方法使远场的方向图和增益获得较高的精度。文献 1 0 基于菲涅尔区域的简单相位检索技术对基站天线的有效全向辐射功率( e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ，e i l 冲) 进行测量。诸多测量方案和预测系统设计的最终目的都是使移动通信基站的建设在不危害人类安全健康的前提下进行。本课题也是基于此目的来展开t d 基站电磁辐射环境评价工作的。1 3 主要研究内容21 绪论第一章：首先本章节介绍了本文的研究背景和研究意义。其次，对移动通信基站的研究现状进行了分析。最后，对移动基站电磁辐射计算和测量方法的研究现状进行了总结和分析。第二章：本章节首先对电磁波的传播方式和传播模型进行了介绍。其次，对各国电磁辐射的安全限值进行了详细阐述，澄清了人们对电磁辐射等于电磁污染了错误认识，并且对电磁辐射对公众可能产生的危害进行了分析和介绍。再次，对移动通信的发展历程以及移动通信基站的电磁辐射特点进行了详细的介绍。最后，对移动通信基站的测量要求和测量方法进行了详细的介绍。第三章：首先对智能天线的基本原理和智能天线的相关概念做出了详细介绍。对目前最常用的均匀线阵和均匀圆阵模型做出了天线方向图的仿真图。结合阵列综合天线方向图，给出了实际测量的方案，包括基站选址，测量仪器的选择，测量点位的布设和测量数据的处理等。其中测量点位布设主要是根据智能天线自适应波束赋形的特点，通过天线辐射方向图主要的辐射能量集中在主瓣范围内这一基本思想，给出了我们的布点方案。第四章：首先对移动通信基站电磁辐射的计算方法进行深入的研究，鉴于目前的计算方法都是针对天线轴线方向来计算的。本文提出一种基于电磁波在自由空间传播模型的t d 基站非天线轴向方向的电磁辐射的预测方法。并通过实际测量对预测方法进行验证。通过对测量数据与预测数据的分析与比较，验证了我们提出预测方法的可行性，既达到了通过测量进行电磁辐射评价的目的，又为以后t d 基站电磁辐射测量方案的制定提供参考。第五章：对本文的主要内容进行总结，并给出了以后可能研究方向的展望。2 电磁辐射及安全限值2 电磁辐射及安全限值2 1 电磁波的传播2 1 1 电磁波的传播方式电场( e l e c t r i cf i e l d ，符号e ) 和磁场( m a g n e t i cf i e l d ，符号h ) 的存在形式是这样的：变化的电场周围产生磁场，变化的磁场周围会产生电场，电场和磁场相互作用，互相垂直，在与自己垂直的方向上运动，这样的关系的总和我们叫做电磁场。这也是十九世纪英国物理学家麦克斯韦所建立的麦克斯韦方程组所要说明的问题。电磁场和电磁波n 门是研究电磁宏观现象的两种方法，其是客观存在的物质，具有物质和能量两种重要的属性。但由于其质量很小，通常我们只研究能量特性。电磁场，即场方法侧重电磁场量空间分布的研究，电磁波即波方法侧重电磁场量时空分布的研究。两矛| ，方法从不同的视角对电磁场量进行研究。电磁波的空间传播如图2 1 所示：电场强度e 和磁场强度日满足右手螺旋定律：即四指由电场强度e 指向磁场强度h ，此时，大拇指的指向就是电磁波的传播方向，也是，的方向。e 和日的波动为：e = e o s i n 2 n v ( t 二)( 2 1 )ch = h o s i n 2 刀 v ( t 与( 2 2 )c其中e 0 是电场矢量方向的最大值，疡是磁场矢量方向的最大值。，是信源与观测点的距离，c 是光速( 电磁波在真空中的传播速度) ，f 是电磁辐射的频率。从上式和图2 1 中我们也不难看出波长a 是电磁波在一个传播周期中的距离，即c = 名厂，对于不同的波长和频率范围有不同的应用场合。无线电波是指频率从几赫兹到3 0 0 0 g h z 频谱范围，波长从o 1 m m 到1 0 4 k i n 的波，因最早应用在无线电广播事业而得名。无线电波的频率和波长范围比较广( 其频段划分如表2 1 )因此其传播的形式也有所不同。42 电磁辐射及安全限值图2 1 电磁波的空问传播表2 1 无线电波频段划分波段名称频率范围波段名称波长范围极低频3 3 0 z极长波l o m l o m m超低频3 0 3 0 0 h z超长波l o l m m特低频3 0 0 - 3 0 0 0 h z特长波1 0 0 1 0 0 0 0 0 m其低频3 3 0 k h z甚长波l o 1 0 0 0 0 m低频3 0 - 3 0 0 k h z长波1 0 一l 0 0 0 m中频3 0 0 3 0 0 0 k h z中波1 0 l o o m高频3 3 0 m h z短波1 0 0 - - 1 0 m其高频3 0 3 0 0 m h z超短波1 0 1 m特高频3 0 0 - 3 0 0 0 m h z分米波l m l d m超高频o g h z厘米波1 0 _ 一l c m极高频3 0 _ 一3 0 0 g h z毫米波1 m l m m至高频3 0 0 - 3 0 0 0 g h z丝米波l m 1 m m我们根据不同频带的无线电波在介质中的传播过程，将电波的传播方式分为：( 1 ) 地波传播：沿着地球表面传播的电波。优点是：作用距离较远，传输损耗很小；受电离层扰动小，传播状况比较稳定；有较强的穿透力。缺点是：工作频带较窄，噪声电平高。( 2 ) 对流层的电波传播：在低空大气对流层中传播的电波。按照传播机制可以分为视距传播和散射传播。视距传播：当天线架高远大于波长时，无线电波直接从发射点传到接收点的传播。特点是：传播距离仅限于视线距离之内，衰落现象严重，l o g h z 以上的无线电波雨衰减及大气吸收严重。散射传播：用对流层中介质的不均匀性对无线电波的散射作用，而实现的超视距传播，因为散射波强度很微弱，传播损耗大，需要使用高灵敏度的接收机，及高增益的天线等设备，常使用的频段是2 0 0 m h z - 5 g h z 。( 3 ) 电离层的电波传播：经电离层的反射或者散射传播的电波。其传播机制分为：1 ) 电离层反射传播：也叫天波传播。特点是：传播比较损耗小，进行远距离传播需要功率较小；衰落十分现象严重。主用于中、短波的远距离通信，52 电磁辐射及安全限值广播。2 ) 电离层散射传播：利用无线电波对电离层地散射作用完成远距离通信。流星电离余迹散射方式传播，利用发生点处( 一般8 0 1 2 0 册范围处) 流星电离余迹方式对无线电波的散射实现远距离传播( 距离约2 0 0 0 k i n ) ，军事上多应用流星电离余迹持续时间段，出现频繁的特点建立瞬时通信。( 4 ) 地电离层电波传播：在以电离层下缘及地球表面为界的字间传播的电波。特点：传输损耗小；传播相位稳定，受电离层扰动小，预测性良好，但噪声电平高，工作频带窄。上面介绍的几种无线电波的传播方式如图2 2 。在实际应用中，往往取一种主要的传播途径，特定情况下可能多种传播方式都使用。如：中波广播，既利用天波传播，又有地波传播方式。在利用无线电波完成广播电视、无线电通信、遥控遥测等业务中，掌握无线电波的传播方式和规律，对各频段的无线电波传播方式建立明确的概念，进行必要的传播特性估算( 包括噪声电平以及干扰信号，传输损耗，时延，衰落和交叉极化特性的估算) 是研究无线电信道特性的重要依据。图2 2 电磁波传播方式示意图2 1 2 电波的传播模型在通信系统的网络规划中，我们通常使用无线电波的传播模型1 2 1 来计算电波在传播过程中的路径损耗。推出了路径损耗，可以确定蜂窝小区的覆盖范围。由于实际的环境是复杂多样的，这就决定了电波的传播模型也不可能是万能的。对于不同频段的基站，需要选择不同的传播模型。通过初步的基站覆盖预测和对场强分布规律的研究，可以达到干扰最小，网络资源利用率最高的目62 电磁辐射及安今限值的。常见的电波传播模型有以下几种：1 自由空间的传播模型自由空间指天线周围的环境是无限大的真空环境，是一种理想的传播条件，其传播损耗主要与通信距离和发射机的频率有关，其表达式如下：l = 3 2 4 5 + 2 0 l g 厂+ 2 0 l g d( 2 3 )其中，为发射机频率( m h z ) ，d 为发射设备与接收设备间的距离( 砌) 。由上式可知，当厂或者d 增加一倍时，三增加6 d b 。2 o h m m r a h a t a 模型o k u m u r a h a t a 模型( 奥村哈塔模型) 是日本科学家奥村等人提出的经验公式，该经验公式是通过对日本东京地区进行实地测出的大量的数据进行统计分析得出的。适用的频率范围为：1 5 0 m h z 厂1 5 0 0 m h z ；基站有效高度：3 0 m 玩2 0 0 n ；移动设备的高度为：l m 办。1 0 m 。o k u m u r a 又根据不同的实测环境对公式做了不同的修正，对于市区环境，o k u m u r a - h a t a 经验公式如下：l = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f - 1 3 2 8 1 9 k 一口( k ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 吮) l g d( 2 4 )d 是接收机与发射机间的距离，a ( h 。) 移动设备的天线修正因子，数值由环境决定。在郊区和农村，o k u m u r a h a t a 模型分别为：t = 工( 市区) - 2 ( 1 9 c f 2 8 ) ) 2 - 5 4( 2 5 )丘= ( 市区) 一4 7 8 ( 1 9 f ) 2 - 1 8 3 3 1 9 f - 4 0 9 8( 2 6 )不同的环境口( k ) 如下：f ( 1 1 l g f - 0 7 ) k - ( 1 5 6 1 9 f - 0 8 ) a b 中小城市口( k ) = 8 2 9 ( 1 9 1 5 4 h 。) 2 - 1 1 d b 大城影 3 0 0 m h z在上述路径损耗的计算中，没有考虑基站空间分集的情况。此外，用户天线安装的位置和地理形势也对路径损耗有很大的影响。上述经验公式是奥村在大量测试过程中总结的，其测试时天线高度高于建筑物的屋顶，且没有考虑到地形的轮廓，因此我们在推广使用的时候应该注意这一点。3 c o s t 2 31 - h a t a 模型c o s t 2 3 1 一h a t a 模型是为了解决基站密集区域使用奥村模型时预测值较高的问题，由c o s t 2 3 1 委员会( 欧洲研究委员会) 将o k u n n 饿a h a t a 模型的适用72 电磁辐射及安伞限值上限频段由1 5 0 0 m - z 扩展到2 0 0 0 m h z 改进提出，是o k u m u r a h a t a 模型的一种扩展，其经验公式为：l = 4 6 3 + 3 3 9 1 l g f 一1 3 8 2 1 9 九一口( k ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h 。) l g d + c 卅( 2 8 )j3 大城市中心舯c 撇城市校正配巴= 三2 纛妻l - 2 2 5 2 农村c o s t 2 3 1 一h a t a 模型与o l o m r u r a h a t a 模型相比，除了各初始值的变换外，最大的区别是引入了大城市中心的校正因子q 。大城市中心的路径损耗巴一般为3 d b 。4 s p m 模型s p m 模型( s t a n d a r dp r o p a g a t i o nm o d e l ) 是现代网优网规技术巾经常用的模型。该模型是在c o s t 2 3 1 的基础上建立的。其经验公式如下：l = kl + k 2 l g d + k 3 l g h b e + k 。l d 孵+ k 5 l g h i e l g d + k 6 l g h e + k 1 f c t 蝴( 2 9 、)其中参数如下：k l 为衰减常量，单位d b ；k 2 是距离d 的衰减量；k 3 是基站天线高度魄。的系数；磁是绕射损耗厶矿的系数；k 5 是基站距移动接收设备的相关系数；k 6 是移动设备天线高度k 的相关系数；k 7 是地形损耗厶一的相关系数。s p m 模型常常用于传播模型的校正，对于不同的应用区域，我们通过调整各个系数值来校正模型。尤其是k l ，k 2 的取值，对普通无线环境的结果准确性影响较大。所以在计算传播模型的损耗时，需要关注基站不同位置的路径损耗和信号场强。要计算t d 基站附近的功率谱密度，我们首先需要知道无线电波在传播过程中的路径损耗量，该损耗与多种因素有关，如载波频率、传播速度、地形地貌等。目前，关于3 g 路径损耗的模型大都是由c o s t 2 3 1 - h a t a 模型变化而来。当频率为2 0 0 0 m h z 时，演变公式为：l = 1 6 1 2 + 4 4 9 1 9 d 一1 3 8 2 1 9 丸- 6 5 5 ( 1 9 吮) l g d( 2 1 0 )目前中国移动采用a s s e t 3 g 来计算t d s c d m a 基站的路径损耗，a s s e t 3 g是计算3 g 路径损耗的一种软件，由a i r c o m 公司出品，在通信界使用极为广泛，其公式如下：l = kl + k 2 l g d + k j h 他+ k 4 l g h 悻+ k s l g h 眩+ k 6 l g h i e l g d 七k 7 d i f f r a c t i o l o s s + f d t 。吃汹2 电磁辐射及安全限值( 2 1 1 )其中，当频率为2 0 1 0 姗z 时，k l 为衰减常量，取1 6 2 5 d b ；k 2 是距离d 衰减量，取4 4 9 d b ；k 3 是移动设备k 的系数，取一2 5 5 ；瞄为0 ；k 5 是基站天线高度相关因子，取- 1 3 8 2 ，l ( 6 为基站距移动接收设备的相关系数，取一6 5 5 ：k ，为衍射相关因子，取0 8 ；d i f f r a c t i o n l o s s 表示有无高大障碍物，如无，取值o ，反之为l ；k 鲫指地形地貌损耗，对一般城区的草地取为o ，建筑物取为0 6 5 。对密集和一般城区，t d 基站的室外最大允许路径损耗为1 3 9 5 9 d b 。2 2 电磁辐射的安全标准一直以来大家对电磁辐射的理解都存在一个误区n3 1 ：电磁辐射= 电磁污染，其实不然。电磁辐射分为射频电磁辐射( 也叫无线电辐射) 和工频电磁辐射，这是从频率高低的角度划分的。工频电磁辐射在我国的一般标准频率是5 0 h z ( 美国的是6 0 h z ) ，频率低，电磁场强度较小，般不会对人和其他生物体造成危害，如输电线路，有轨和无轨电车，电力机车运行线路等都未纳入电磁辐射污染源范围。射频电磁辐射是指频率在1 0 0 k h z 到3 0 0 g h z 的频率范围内的电磁波，其电磁辐射源有移动通信基站，雷达，电视广播台等。日常生活中，太阳光、天然磁场以及各种电子电器设备都会发出不同强度的电磁辐射。现实生活中，诸多领域都在运用电磁辐射，如生活中的无线电通信、电视、雷达导航、无线电天文、农业上的微波水分仪、工业上的微波加热、医学上的癌症治疗、磁疗以及军事上的电子光学战等。但其实我们真正需要恐惧的电磁辐射污染是那些给人和生物体的生命安全带来长期，潜在威胁的电磁辐射源，这一点我们不用过度忧虑，诸多理论和实践证明，只有电磁辐射的强度超过一定的安全值，才会对生命体产生危害。虽然目前对电磁辐射污染源的分类尚未有统一的标准，但是从不同角度或依照不同的用途可大致分为以下几类：按来源分：天然( 自然) 和非天然( 人为) 辐射源；按频率分：工频和射频辐射源；按发射电磁波的连续和间断分：连续辐射源和脉冲辐射源；按便于环保管理和治理的角度分：高空高频电磁辐射源，高空低频电磁辐射源，地面高频电磁辐射源以及地面工频电磁辐射源；92 电磁辐射及安伞限值按电磁辐射污染来源分：直接利用电磁能时产生的污染和伴随着电磁能应用时所产生的污染。电磁辐射超过一定限值时可能会对人们身体健康造成威胁。判断其对人体是否有害取决于两个要素：电磁辐射功率的大小和频率的高低。因此，对主要辐射源( 电视台，通信基站，广播电台等) 周边环境的电磁辐射功率和频率的监测是非常必要的，通过建立合适的电磁辐射的计算模型，分析辐射源的电波传播特点和辐射情况，从而判断对人体是否构成潜在危害。通常人体对电磁能量n 钔有吸收作用，吸收量的多少不仅与人体机能( 生物组织的含水量，机体剖面结构，机体生理状况等) 有关还与电磁波的频率有关。下表是机体组织对不同频率电磁能量的吸收比较。当人体吸收了电磁能后会引发生物效应：致热( t h e r m a le f f e c t ) 和非致热效应( n o n t h e r m a le f f e c t ) 。热效应是当电磁辐射照到人体时，除掉被生物体表皮层反射到空间的部分电磁能量外的另一部分能量透过表皮层，被人体组织吸收，由组织中的离子传导和电偶极子分子的释放作用，形成对机体局部组织的加热，使机体升温的致热效应。非致热效应是指机体受到电磁能量照射后局部的器官组织并没有升温( 体温不上升) ，但是，有许多除致热效应以外的症状，即非致热效应。表2 2 机体组织对不i _ j 频率电磁能量的吸收比较相对吸收截面频率( m h z )波长( e r a )皮肤脂肪层肌肉4 0 07 54 3 7 35 0 - 1 0 09 0 03 35 1 8 93 0 0 01 01 8 5 02 0 1 0 01 0 0 0 034 1 5 05 0造成电磁辐射环境和人体污染的原因n 明大致有以下几种：l 、城乡发展过快，原来处在人烟较少地和郊区的大功率的电磁波发射设备逐渐被新的居民区包围；2 、通信技术发展迅猛，近十年来移动通信迅速发展，其基站大都建在高层楼的楼顶，这样众多天线耸立，造成相互干扰，同时附近居民也受电磁辐射环境污染；3 、城镇交通运输的发展，如有无轨电车，地铁，电气化铁道及汽车的迅速增长不可避免的使城、镇无线电噪声增加，干扰了正常的电视、通信及广播信号；4 、高压电缆，输电线，送变电进入市区；5 、工业，医疗，科教上高频设备不合理的布局和使用；6 、家用电器( 电磁炉，冰箱，洗衣机等) 广泛的1 02 电磁辐射及安全限值进入家庭。目前我国关于电磁辐射防护n 刚n 力口町方面的标准有两个：由卫生部发布的国家标准环境电磁波卫生标准和国家环保局发布的国家标准电磁辐射防护规定( 编号g b 8 7 0 2 8 8 ) 。卫生部的环境电磁波卫生标准n 叫分为一级和二级标准：一级标准是安全区，为在该区域的电磁辐射强度下长期生活、工作和居住的所有人群一律不会受到任何有害干扰的区域。二级标准是中间区，为在该区域的电磁辐射强度下长期生活、工作和居住的所有人群可能会受到潜在的有害反应的区域。环境中电磁辐射容许强度分级标准见下表：表2 3 环境电磁辐射容许强度分级标准容许场强( v m )容许功率密度( , u w c m 2 )波长( 朋)一级( 安全区)二级( 中间区)一级( 安全区)二级( 中间区)长中短波 1 0 2 5超短波 5 1 2微波 1 0倒瞬瞬蠼水平距离m图4 9 场强强度和水平距离的关系4 l4 t d 基站电磁辐射预测方法研究枷赌嚣隧嚣蠼水平距离m图4 1 0 功率密度和水平距离的关系水，卜h i 离m图4 1 l 场强预测误差水平距离m图4 1 2 功率密度预测误差4 2萎趟朔碍督州酱露氍越粕静嚣4 t d 基站电磁辐射预测方法研究对第三组测量数据，由方向图可知第一旁瓣和第一零陷于主波束方向呈对称分布，因此我们分别对第一旁瓣和第一零陷处进行选点测量。根据旁瓣和零陷处的天线方向角，与第二组方法相同，可以得出我们的场强值和功率密度值。实际测量与预测值的比较如表4 4 。表4 4 实际测量数据和预测计算值对比实测值预测值编号场强啪，功率谱密度w m 2场强耽m功率潜密度w m 26 11 0 4 5 6 0 90 0 0 2 9 21 2 4 6 8 3 00 0 0 4 1 2 36 20 9 5 1 2 0 90 0 0 2 4 l1 0 7 5 6 1 70 0 0 3 0 6 86 3o 。7 5 19 9 7o 0 0 1 5 30 8 8 7 2 5 70 0 0 2 0 8 86 40 5 4 9 1 8 l0 0 0 0 8 40 7 1 7 8 3 70 0 0 1 3 6 66 50 6 1 4 0 0 30 0 0 1 40 6 5 6 1 5 60 0 0 11 4 26 6o 6 4 3 9 7 2o 0 0 1 1 50 5 9 3 2 2 5o 0 0 0 9 3 36 7o 5 9 2 4 4l0 0 0 0 9 3l0 5 0 0 2 1 40 0 0 0 6 6 36 80 5 5 3 3 8 6o 0 0 0 8 1 20 4 7 6 2 1 80 0 0 0 6 016 90 4 8 4 7 9 00 0 0 0 6 2 3o 4 4 4 9 5 90 0 0 0 5 2 57 00 _ 3 9 1 5 6 8o 0 0 0 4 0 60 4 2 4 2 l10 0 0 0 4 7 77 l0 3 2 9 2 2 2o 0 0 0 2 8 70 4 0 7 8 3 80 0 0 0 4 417 20 3 1 6 9 1 1o 0 0 0 2 6 60 4 3 7 3 3 00 0 0 0 5 0 77 30 2 8 8 9 0 7o 0 0 0 2 2 l0 3 9 4 6 9 20 0 0 0 4 1 37 40 2 6 0 6 4 4o 0 0 0 1 8 00 3 0 5 7 3 40 0 0 0 2 4 77 50 2 5 7 2 9 50 0 0 0 1 7 50 2 8 5 9 0 00 0 0 0 2 1 67 60 2 3 2 8 3 5o 0 0 0 1 4 30 2 8 3 舛90 0 0 0 2 1 37 70 2 2 5 1 8 l0 0 0 0 1 3 40 2 3 7 9 7 00 0 0 0 1 5 07 80 2 1 4 5 4 90 0 0 0 1 2 20 2 2 4 9 9 70 0 0 0 1 3 47 9o 21 4 0 2 20 0 0 0 1 2 1o 2 1 3 3 5 4o 0 0 0 1 2 08 0o 1 9 7 1 5 l0 0 0 0 1 0 3o 2 0 1 8 1 60 0 0 0 1 0 88 l1 2 4 1 2 8 9o 0 0 4 0 8 71 3 6 0 6 3 60 0 0 4 9 1 08 21 1 6 5 1 5 l0 0 0 3 6 0l1 2 7 0 4 2 4o 0 0 4 2 818 30 8 7 3 9 5 70 0 0 2 0 2 61 0 7 9 9 6 90 0 0 3 0 9 38 40 7 7 8 5 9 80 0 0 1 6 0 80 8 3 6 8 5 70 0 0 l8 5 78 50 8 1 4 1 0 40 0 0 17 5 80 9 2 6 6 4 40 0 0 2 2 7 78 60 7 8 5 5 8 80 0 0 1 6 3 70 9 4 4 4 8 80 0 0 2 3 6 68 7o 8 3 6 4 8 70 0 0 l8 5 60 7 3 3 9 6 6o 0 0 1 4 2 88 80 7 4 3 9 3 2o 0 0 1 4 6 80 8 2 51 7 30 0 0 18 0 68 90 7 5 2 4 9 8o 0 0 1 5 0 20 8 4 7 9 6 20 0 0 1 9 0 79 00 8 1 4 1 0 40 0 0 17 5 80 9 1 0 2 5 20 0 0 2 1 9 79 11 0 8 7 1 4 9o 0 0 3 1 3 50 9 8 5 2 5 30 0 0 2 5 7 49 21 2 0 9 2 9 00 0 0 3 8 7 91 5 0 6 6 3 80 0 0 6 0 219 31 1 9 4 0 7 40 0 0 3 7 8 21 2 8 1 9 4 2o 0 0 4 3 5 99 40 7 4 6 4 6 20 0 0 1 4 0 80 6 4 8 9 0 00 0 0 1 1 1 69 5o 6 8 1 5 1 50 0 0 1 1 0 20 6 0 6 8 7 8o 0 0 0 9 7 69 60 5 8 3 1 4 l0 0 0 1 0 0 20 6 8 6 5 1 70 0 0 1 2 5 09 70 3 7 7 9 9 80 0 0 0 3 7 90 4 3 8 4 0 80 0 0 0 5 0 99 80 3 6 7 37 7o 0 0 0 3 5 80 41 4 5 3 7o 0 0 0 4 5 59 90 3 6 1 1 6 7o o 0 0 3 4 60 3 9 3 ll o0 0 0 0 4 0 94 34 t d 基站电磁辐射预测方法研究水平距离m图4 1 3 场强强度和水平距离的关系水平距离m图4 1 4 功率密度和水平距离的关系=毯矮鹱癣nujs趟豫鼢薄4 t d 基站电磁辐射预测方法研究槲嗤嚣匿越翻糖督图4 1 5 场强预测误差图4 1 6 功率密度预测误差对第四组测量数据，我们根据实际测量位置和基站的位置，估算出天线的方位角如图4 3 中p ，西，根据p ，西的值可以得出方向函数的数值。在实际的方位中，行政楼正对工程力学实验楼水平距离是8 0 米，楼高都是2 1 m ，我们在实际测量时，选取每层中正对天线的位置进行测量。与第二组，第三组方法相同，可以得出我们的预测值。实际测量与预测值的比较如表4 5 。表4 5 不同建筑物，不同高度处实测值和测量值的比较编号实测值预测值场强形m功率谱密度w m 2场强助m功率谱密度w m 21 0 10 3 6 8 4 50 0 0 0 3 6 00 4 5 6 6 60 0 0 0 5 5 311 0 20 3 7 6 2 90 0 0 0 3 7 50 4 6 1 3 60 0 0 0 5 6 4 61 0 30 3 7 9 4 90 0 0 0 3 8 20 4 6 5 5 90 0 0 0 5 7 5 04 54 t d 基站电磁辐射预测方法研究1 0 40 3 7 3 9 80 0 0 0 3 7l0 4 6 9 3 l0 0 0 0 5 8 4 21 0 50 3 8 3 9 30 0 0 0 3 9l0 4 7 2 4 60 0 0 0 5 9 2l1 0 60 4 1 8 6 90 0 0 0 4 6 50 4 7 5 0 30 0 0 0 5 9 8 51 0 70 4 2 0 0 40 0 0 0 4 6 80 4 7 6 9 70 0 0 0 6 0 3 41 0 80 3 4 7 3 80 。0 0 0 3 2 00 4 2 9 8 70 0 0 0 4 9 0l1 0 90 3 5 0 3 50 0 0 0 3 2 50 4 3 4 3 00 0 0 0 5 0 0 31 l o0 3 6 4 2 80 0 0 0 3 5 20 4 3 8 2 80 0 0 0 5 0 9 51 1 10 3 4 7 8 70 0 0 0 3 2l0 4 4 1 7 80 0 0 0 5 1 7 71 1 20 3 6 8 9 10 0 0 0 3 6l0 4 4 4 7 50 0 0 0 5 2 4 611 30 4 0 0 2 80 0 0 0 4 2 50 4 4 7 1 7o 0 0 0 5 3 0 41 1 40 4 0 1 6 90 0 0 0 4 2 80 4 4 8 9 90 0 0 0 5 3 4 71 1 50 3 4 1 9 l0 0 0 0 31 00 4 2 9 8 70 0 0 0 4 9 0l1 1 60 3 6 6 1 40 0 0 0 3 5 50 4 3 4 3 00 0 0 0 5 0 0 31 1 70 3 3 7 4 20 0 0 0 3 0 20 4 3 8 2 80 0 0 0 5 0 9 51 1 80 3 6 8 9 l0 0 0 0 3 610 4 4 1 7 80 0 0 0 5 1 7 71 1 90 3 5 8 5 40 0 0 0 3 4lo 4 4 4 7 50 0 0 0 5 2 4 61 2 00 3 8 2 4 60 0 0 0 3 8 80 4 4 7 1 70 0 0 0 5 3 0 41 2 l0 3 9 2 1 90 0 0 0 4 0 8o 4 4 8 9 90 0 0 0 5 3 4 7型嘟瞬蜉笔宝剖槲静霄水平即离m图4 1 7