（材料学专业论文）天线电磁辐射环境影响分析.pdf

摘要 摘要 随着现代科学技术的发展和各种天线的广泛应用，天线在工作过程中产生的 电磁辐射问题越来越引起人们的关注。本文针对近几年来北京地区电磁辐射污染 项目环境影响评价中遇到的问题，结合国家广播电影电视总局和北京市移动公司 的两个具体项目，从各种应用天线的实际特点出发，运用电磁场和电磁波的基本 理论，推导建立了中波天线、短波天线和移动基站天线周围的电场强度计算模型： 通过实际测试验证了模型的有效性；研究了频率、电导率等影响因素对短波电场 强度的影响；最后，结合实际对短波天线工作时产生的电磁干扰现象进行了分析。 通过理论计算和实际测试验证发现中波天线、同相水平短波天线和移动基 站周围的电场强度或功率密度都随离开天线距离的增加而减小，开始时场强或功 率密度随距离增加迅速降低，之后下降速度逐渐放缓。当中波天线工作于多塔多 频工作模式时，场强随着距离的增加呈阶梯状衰减，在近距离处衰减速度快，随 着距离的进一步增加，场强值衰减幅度变得越来越缓慢。同时，实际测试和理论 计算表明，短波天线的工作频率和大地的电导率和介电常数对天线周围的电场强 度分布都有一定影响，频率越高，近区的场强值越高，电场强度的衰减速度越快。 电导率和介电常数越大，电场强度越小，但影响幅度不大。除此之外，实际情况 显示短波高次谐波产生的电磁干扰对附近居民家中的电视和电话有一定程度的 干扰，电视干扰主要是高次谐波对频段比较低的电视节目产生干扰。抑制干扰主 要从干扰源、传递途径和受扰设备三个方向综合考虑。 用本文建立的中波天线、短波天线和移动基站天线场强计算模型分别预测 分析中波天线、同相水平短波天线远场和移动通信基站的电磁环境是可行的，其 误差较小，对生活中环境保护领域所关心的天线的电磁环境影响评价具有现实意 义。 关键词电磁辐射；天线；理论计算模型；电场强度；电磁干扰 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n dt h ew i d e l yu s eo fv a r i o u sa n t e n n a s ， t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ，c a u s e db yt h ea n t e n n a s ，h a sb e e nc o n c e r n e da b o u tb y m a n yp e o p l e t h i sp a p e r ，a i m i n ga tt h ep r o b l e m sw h i c hw a sc a u s e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i s mr a d i a t i o np o l l u t i o np r o j e c t si nb e i j i n gi nr e c e n ty e a r sd u r i n gt h e p r o c e s so fe l u a t i n g ，t a k i n gt h et w os p e c i f i cp r o j e c t sc a r r i e do u tb yt h es t a t e a d m i n i s t r a t i o no fr a d i of i l ma n dt e l e v i s i o na n dt h eb e i j i n gm o b i l ec o r p o r a t i o ni n t o c o n s i d e r a t i o n ，s t a r t i n gf r o mt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n t e n n a si no u rc o u n t r y , t h ea u t h o ru s e st h eb a s i ct h e o r i e so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cw a v e t oh a v ed e d u c e d c a l c u l a t i n g m o d e l sf o re l e c t r i cf i e l d s t r e n g t h a r o u n dt h e m e d i u m w a v ea n t e n n a s ，t h es h o r tw a v ea n t e n n a sa n dt h ea n t e n n a sf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n b e s i d e st h ec a l c u l a t i n gm o d e l sa r et e s t e da n dv e r i f i e db ya c t u a l m e a s u r e dd a t a ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r st ot h es h o r t w a v ea n t e n n a ，s u c ha sf r e q u e n c ya n d c o n d u c t a n c e ，h a v ea l s ob e e nr e s e a r c h e d t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eh a sb e e n a n a l y z e da sw e io nt h eb a s i so f t h ea c t u a lc o n d i t i o n 。 b a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lv a l u ea n dt h ea c t u a lm e a s u r e dd a t a , w ec a l lf o u n d t h a tt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ho rt h ep o w e r d e n s i t ys t r e n g t ha r o u n dt h em e d i u m - w a v e a n t e n n a , t h es h o r t w a v ea n t e n n aa tt h es a m ep h a s ea n dt h ea n t e n n a sf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o nd e c r e a s e sa st h ed i s t a n c ea w a yf r o mt h ea n t e n n ai n c r e a s e s ，f i r s t a b r u p t l y , a n dt h e nt h ed e c r e a s i n gs p e e ds l o w sd o w n t h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ， a r o u n dt h em e d i u m - w a v ea n t e n n aw h i c hw a sw o r k e di nm u l t i t o w e r sa n d m u l t i f r e q u e n c i e sm o d e l ，d e c r e a s e sa st h ed i s t a n c ea w a yf r o mt h ea n t e n n ai n c r e a s e s ， f i r s ta b r u p t l y , a n dt h e nt h ed e c r e a s i n gs p e e ds l o w sd o w n a tt h es a m et i m e ，b a s e do n t h ec o m p u t a t i o n a lv a l u ea n dt h ea c t u a lm e a s u r e dd a t a ，i tc a nb ed r a w nt h a tt h ee l e c t r i c f i e l d s t r e n g t hd i s t r i b u t i o no ft h es h o r t w a v ea n t e n n a c a nb ei n f l u e n c e db yt h e f r e q u e n c i e sa n dt h ec o n d u c t a n c e ，t h eh i g h e rt h ef r e q u e n c yi s ，t h ee l e c t r i cf i e l d s t r e n g t hi sb i g g e ra n dt h ed e c r e a s es p e e di sq u i c k e ro nt h ec o n t r a s t ，t h ee l e c t r i cf i e l d i i a b s f r a c i s 仃e n g t hd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n d u c t a n c es l o w l y b e s i d e st h a t ，t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h et e l e v i s i o na n dt e l e p h o n eo ft h er e s i d e n t sn e a rt h ea n t e n n a sh a v eb e e n i n t e r f e r e d b yt h eh i g ho r d e rh a r m o n i cw h i c hw a sd e d u c e db y t h es h o r t w a v e ， e s p e c i a l l yt ot h et vp r o g r a m sa tr e l a t i v e l yl o w e rf r e q u e n c y t h em e t h o d st or e s t r a i n t h ei n t e r f e r e n c es h o u l db ec o n c e r n e dt h r o u g ht h ei n t e r f e r e n c es o t l r c e ，p i p e l i n ea n dt h e e q u i p m e n t sw h i c h h a v eb e e ni n t e r f e r e d i ti sf e a s i b l et op r e d i c ta n da n a l y z et h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to ft h e m e d i u m w a v ea n t e n n a s ，s h o r t w a v ea n t e n n a sa tt h es a n l ep h a s ea n dt h ea n t e n n a sf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o nb yu s i n gt h ec a l c u l a t i n gm o d e l sr e s p e c t i v e l yi nt h i sp a p e r t h e e r r o ri sr e l a t i v e l ys m a l la n dt h er e s e a r c hh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ee v a l u a t i o n o ft h ee f f e c tb r o u g h ta b o u tb yt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ta r o u n dt h ea n t e n n a s ， w h i c hi sc o n c e m e da b o u ti nt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r e ai nl i f e k e y w o r d se l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ；a n t e n n a ；t h e o r i e sc a l c u l a t i o nm o d e l ；e l e c t r i c f i e l ds t r e n g t h ；e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盔121 1 ：篁：日期：2 丛直垒毋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至! ! ! ! 。里2导师签名 j 耻隰毕臼 1 1 课题背景 第1 章绪论 众所周知，随着现代信息科学技术的发展，天线作为一个有效的信息传播媒 介，正越来越受到人们的关注，成为我们生活环境中不可或缺的重要组成部分。 天线是无线电通信系统的重要组成部分，它随着无线电通信技术的发明、发 展而产生和发展起来【1 。它在无线电中的作用是有效地发射或接收电磁波。在发 射端，天线把高频电流形式的能量转变成同频率的无线电波的能量向空间辐射出 去。在接收端，天线又把空间的无线电波能量转变成同频率的高频电流能量，传 送给接收设备。实现无线电通信的目的。天线的应用正使人们的生活发生翻天覆 地的变化。从繁华的都市，到边远的乡村；从偏僻的山区，到辽阔的草原：从与 生活息息相关的电视、收音机，手机等，到远洋通信、航空航天；人们都可以感 受到天线熟悉的身影。 但是，科学技术的发展永远是一柄双刃剑。一方面，各种天线的广泛应用使 我们真正进入了一个信息便捷的时代；另一方面，人们在充分享受天线带来的方 便舒适的同时，天线在工作过程中产生的电磁辐射问题也越来越引起人们的关 注。早在上世纪七十年代，联合国人类环境会议就己将电磁辐射列为国际环保重 点项目之一，定为必须抑制的公害【2 3 1 。电磁辐射污染己成为继水、气、声、固 体废气物之后又一新的环境污染源。1 9 7 5 年专家学者就曾预言，随着城市经济 发展和人口增长，电子、通信、计算机、汽车与电气设备大量进入家庭，城市空 间人为电磁能量每年增长7 1 4 ，也就是说5 0 年后最高可增加7 0 0 倍【4 】。因 此，天线作为电磁辐射的一个典型辐射源，其产生的电磁辐射影响越来越引起人 们的高度关注。 研究表明，天线在工作的过程中会向周围空间发射电磁波，对周围环境产生 一定的电磁环境影响。其电磁辐射会干扰通讯从而造成通讯障碍，对通讯质量产 生影响【5 l ；同时，电磁辐射对人体的健康也有一定的影响，如记忆力衰退、失眠、 多梦、脱发、头昏等症状t 删。根据文献报道，电磁辐射危害人体健康的机理主 要是热效应、非热效应和累积效应等【9 o l 。 随着人们对环境问题的关注日益加强，天线对周围环境的电磁辐射影响正越 北京工业大学硕士学位论文 来越引起人们的关注，成为一个不可回避的问题。我国早期对天线电磁辐射的影 响主要从天线设计和传播信号的角度考虑，关注天线在传播过程中的信号衰减， 而对环保领域所关心的天线周围电磁场的分布规律以及由此产生的电磁环境问 题研究很少，因此，研究天线周围的电磁环境影响，把握天线电磁场的分布规律， 使其更好地服务于城市规划，保护人民身体健康，提高生活质量等均有现实意义。 1 2 天线概况 1 2 ，1 天线的基本工作原理 天线是用来发射或接收无线电波的装置，它和无线电波的传播有着十分密切 的关系，在无线电波的传播过程中起至关重要的作用。作为一种能量转换器，它 一方面可以将传输线送来的导行波的能量转换成向空间传播的电磁波的能量，另 一方面可以接收空间电磁波的能量转换成导行波的能量经传输线送到接收机l “】。 天线作为辐射电磁波的辐射体，在辐射电磁波时必须具备两个条件： ( 1 ) 输入到天线上的电流源频率必须高。只有高频率的电流才能产生高速 变化的电场，才能使天线的周围和空间形成强大的位移电流。这个位移电流又使 其周围产生出很强的磁场，这个磁场随时间变化，又在其周围产生出变化的电场， 即位移电流，并且在空间互相向前推进，从而形成向空间传播的电磁波。在定 的场强下，波源频率越高，位移电流越强，辐射的能量也越多，而静态场不变化， 频率为零，不会产生辐射。 ( 2 ) 天线的结构：并不是任何带电的物件都可以产生和辐射电磁波，要使 波源的能量有效地从辐射体辐射出去，脱离辐射体，就必须使这个辐射体的结构 成为一个带电的开放系统，即将这个辐射体按照电磁场理论与特性做成耦合形、 开放形传导结构。 天线一般既可以做发射天线，也可以做接收天线，满足天线的互易原理。 现在，随着计算机模拟性能和质量的提高以及高性能计算机的发展，天线的 设计也发生了很大变化，我们可以用计算机模型来分析复杂结构【l 引。比如用多目 标逼近法对线性天线排列进行设计【b 】，用最优化方法对超高频卫星天线进行优化 设计1 1 4 1 和用f d t d 法对天线设计建模等。使天线的性能更加符合实际的需要。 1 2 ，2 天线的分类 天线的结构是决定能否辐射无线电波的主要条件之一，多年来，科学家们为 了更好地、有效地、高质量的发射和接收各种有用的无线电波，将天线系统不断 的发展和创新。根据天线的工作原理和实用范围可以将天线的种类归纳为以下几 种【n 1 ： ( 1 ) 从天线的工作性质上划分，天线可分为两大类：即发射天线系统和接 收天线系统。 ( 2 ) 从天线的用途上划分，可分为：通信天线( 电讯部门使用的) 、广播电 视天线( 广电部门使用的) 、雷达天线( 军事、气象部门使用) 。 ( 3 ) 从天线传播无线电波的频段上来划分，可分为：长波天线、中波天线、 短波大线( 米波天线) ，电视、调频天线( 分米波天线) 、微波天线( 厘米波、毫 米波天线) 、卫星天线等等。 ( 4 ) 从高频电流在天线中的工作状态来划分，可分为行波天线、驻波天线。 ( 5 ) 从天线转化电磁波的状态来划分，可分为水平极化天线、垂直极化天 线、圆极化天线。 ( 6 ) 从天线的几何形状来划分，总体上可分为两大类：一类是线形天线。如 直立式桅杆天线；带顶负荷的拉线式直立天线；带有垂直导线的直立天线；带反 射幕的同相水平天线；带反射板的各种偶极子天线：还有笼形天线、角笼天线、 分支笼天线、角锥形、环形、菱形、螺旋形天线；有多单元折合振子天线以及蝙 蝠翼天线、对数周期天线、多模多馈式天线、隙缝天线等等。另一类是面式天线。 如：喇叭形天线、抛物面天线、平反射面天线、双曲发射面天线( 单功能和多功 能卫星接收天线) ，雷达天线、潜望镜天线、介质棒天线、微带天线、m m d s 天 线( 多功能微波传输天线) 等。 1 2 3 天线的主要特性参数 天线的形式和种类很多，不同种类的天线，其电气特性也不一样。随着天线 主要特性参数的不同，天线在周围空间产生的电磁场也不一样。因此，为了更好 地反映天线在工作过程中的电磁场辐射特性，必须首先明确天线的主要技术参 北京工业大学硕士学位论文 数。天线的主要技术参数包括： ( 1 ) 方向图 天线辐射的电波能量在空间各方向的分布通常是不均勺的，就是说，天线的 辐射有方向性，为此，可用一个天线方向图来形象的表示该天线的方向特性，通 常方向图是指天线在等距离的各点上产生的场强随空间方向( e 、p ) 变化的图形， 即场强方向图。方向图是一空间立体模型，为了表示方便，通常将其分解为水平 面方向图( 与地平面平行) 和垂直方向图( 与地平面垂直) 。方向图都是归一化 的，可以用极坐标或直角坐标表示。 ( 2 ) 极化 极化是天线的一个重要特性，在实际选用天线时往往要对其极化提出要求， 用什么极化的天线，也就是要求它辐射什么极化的无线电波，之所以要选用不同 的极化波，是因为电波传播的特性与其极化形式有关。而电磁波的极化是指它的 电场矢量端点的运动轨迹的形状、取向和旋转方向。电场共有三种极化形式：线 极化、圆极化、椭圆极化。沿电波传播方向看去，电场矢量随时间做顺时针旋转 的是右旋圆极化，做反时针旋转的是左旋圆极化。 ( 3 ) 方向系数( d ) 方向系数是用一个数字定量地表示天线辐射电磁能量的集束程度，也是描述 天线方向特性的一个参数，其定义是：在天线最大辐射方向上某一点的功率密度 ( 或场强平方) 与总辐射功率相同的各向同性天线( 均勺辐射) 在同一距离处的 功率密度( 或场强平方) 2 _ t t b l j ：d ：瓯必卢蹭，盱( 倍数) 。 ( 4 ) 天线效率 天线效率即辐射效率，它是天线辐射的功率( 只) 与输入功率( n ) 之比的 百分数，用来衡量发射天线将高频电流转换为无线电波能量的有效程度。 n fp dp x 1 0 0 = p g 吁寸p l ) x 1 0 0 p 广损耗功率 ( 5 ) 天线增益( g ) 天线的增益也称增益系数，是指天线的方向系数( d ) 与天线效率( 的 乘积，即：g 窖d r l a ，其定义是被研究的天线在最大辐射方向某点处辐射的功率 密度与具有相同输入功率而天线本身无损耗的点源天线在同一点辐射的功率密 第1 章绪论 度之比。增益系数常用分贝表示。即：g ( d 8 ) = 1 0 1 9 g 通常讲，天线的增益，都是指相对增益，我们常用增益容易计算的天线或常 用的天线做参考天线，常用无耗半波振子作参考天线，因为半波振子的方向系数 已知为d = i 6 4 ，其理想的点源( 无耗均匀辐射器) 的增益定为g = i ( 为无方向性 天线) 。 ( 6 ) 天线的输入阻抗( 乙) 天线的输入阻抗是在天线输入端呈现的阻抗。即( 天线的输入电压与输入电 流之比) 称为输人阻抗。它通常是复数的形式，即有电阻成分；也有电抗成分。 z f r + 扛。 天线的输入阻抗决定于天线本身的结构形式、几何尺寸、馈电点的位置、工 作频率以及周围环境( 如地面、雨雪、其它天线或建筑物等) 的影响等诸多因素。 天线输入阻抗是天线设计与应用中最为关注的一个电器参数。 1 3 天线电磁辐射特性 ( 1 ) 天线电磁波传播模式 无线广播在传播过程中因传播的波长不同而采用不同的传播方式。其中主要 分为地波传播、天波传播和直接传播。其传播模式如图1 1 所示。地波传播是指 电波沿着地球表面传播，叫地面波或地波。无线电广播中的中波就是主要靠地面 传播的。 图1 - 1 无线广播信号传播模式 f i g 1 - 1t r a n s m i s s i o nm o d eo f w i r e l e s ss i g n a l 北京工业丈学硕士学位论文 天波传播是指电波发射到空中，通过电离层的反射折回地面进行传播，这种 传播方式叫天波传播。短波主要就是靠天波传播的。 直接传播( 又称空间波传播) 是指无线电波经她面上空的介质层，由发射台 直接到接收机的传播方式叫直接传播。电视广播、超短波调频广播一般采用直接 传播。 ( 2 ) 辐射场区的划分 电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁 场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感 应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。 一般情况下，电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场( 感应 场) 和近区场( 辐射场) 。由于远场和近场的划分相对复杂，要具体根据不同的 工作环境和测量目的进行划分，一般而言，以场源为中心，当， 时称为远区场，也可称为辐 二万 射场。 ( 3 ) 天线方向性和场形 天线的方向性是指天线辐射场强的大小随方向而改变的特性。发射天线的作 用是把高频电流变成发散的电磁波。为了能有效地利用电磁波的能量，有时希望 天线将它的能量集中地向一定方向辐射。不同的工作要求天线有不同的方向性， 例如有时要求天线在某个平面方向性强，而另一个平面则要求方向性弱。所以在 实际工作中对天线的方向性是有选择的。绝对无方向的天线是不存在的。因此在 天线环境影响分析过程中般需要根据天线的方向性来确定天线产生的电磁场 在空间的分布。 1 4 数值模拟技术的应用 随着计算机硬件和软件技术的飞速发展以及计算数学、有限元分析理论的发 展，数值模拟技术以其低成本、高效率的优点越来越为广大科技工作者所接受。 近年来，数值模拟技术得到了迅猛的发展，已应用到国民经济各个领域【旧。数值 模拟技术的优越性是，成本低、周期短 】。数值模拟技术的真正应用始于2 0 第1 蕈绪论 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，在这段时间出现的大型通用有限元分析程序以其功 能强大、用户使用方便、计算结果可靠、效率高而逐渐成为工程技术人员和科研 人员强有力的分析工具。大型通用有限元分析软件的使用避免了低水平的重复， 提高了效率，它们在解决具体问题时，各有特色【1 8 】。比如a n s y s 软件是融结构、 热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，在电磁场的模拟分析 中也得到了越来越广泛的应用。现在对电磁辐射计算的方法主要有有等效电荷法 【1 9 , 2 0 1 、矩量法【2 l 】、有限元法、有限差分法【2 3 】、h a t a 模型及o k u m u r a - h a t a 模型 法【2 4 噜。对不同的天线应采用不同的方法，建立合适的理论模型，并进行理论计 算。时域有限差分法( f d t d ) 由于其易于对复杂形体进行整体建模，所得数学 模型精度较高，近年来己在机载短波天线分析4 5 ，2 6 7 1 、散射与逆散射、电磁兼容、 生物电磁等领域得到了广泛的应用。本文在天线电磁场的计算过程中主要使用 m a t l a b 等数值模拟软件实现对天线电磁场的数值模拟分析。 1 5 国内外研究现状 国外对天线电磁辐射的环境影响分析研究起步较早，美国、西德、日本、英 国等发达国家，早在上世纪3 0 年代就制定了电磁辐射的安全卫生标准，并以将 电磁辐射的监测与管理纳入了日常的环保管理工作中。国外电磁场理论、电磁兼 容与电磁环境学者，越来越多地注意电磁辐射环境的研究。近年来，随着计算机 技术的进一步发展，计算机性能和质量得到了很大提高，数值模拟技术开始广泛 应用于对天线电磁辐射的研究中。国外用数值模拟方法对通信天线之间的电磁辐 射干扰进行了成功模拟【2 8 1 ，并且开始应用空间网络方法【2 9 】和有限差分法对复 杂电磁场进行数值模拟，取得很好的效果。同时，对车内天线辐射场【3 i 】和城市精 细天线电磁辐射的特性p2 】的模拟也取得突破。 归结起来，国外在电磁领域的研究归纳起来主要有以下特点： ( 1 ) 电磁场数值方法的广泛采用：在电磁辐射的研究中，因为被研究对象 边界条件( 包括几何轮廓) 的复杂性以及重点研究近场的问题，使得应用经典的 电磁场理论的解析法建模与分析经常会遇到不可解决的问题，这对电磁辐射的研 究的进一步发展提出了严峻的挑战，而随着计算机技术的进一步发展，计算机越 来越普及，其性能也得到了很大的提高，使得利用电磁场数值计算方法对其进行 北京工业大学硕七学位论文 数值模拟来计算电磁辐射的场分布变得越来越方便，应用也越来越广泛。 ( 2 ) 对场分布的研究越来越趋于细化：早期对暴露在强电磁辐射环境下的 生物体的场分布大多局限于个体，近年来，对场分布的研究无论是理论计算还是 实验研究都趋向细化，场分布的研究由个体转向局部，由体外转向体内。 ( 3 ) 越来越重视现场的研究：由于现场实验的结果更接近实际情况，所以 虽然精度较差，但国内外学者仍不乏应用： ( 4 ) 重视与健康直接有关的设备的敏感度的研究：在此方面国外( 尤其是 加拿大和美国) 十分注重医院的电磁环境监测与评估，并十分重视医疗设备抗干 扰度的研究。 我国的电磁辐射研究起步较晚，但自从改革开放以来，电磁辐射环境的管理 事业也在逐步向前稳定发展、。随着城市的发展与电子技术在国民经济各个领域 中的广泛应用，我国逐渐将电磁污染纳入国家环境保护管理工作中。其发展历程 主要经历了三个阶段。第一阶段为初建期( 1 9 8 2 1 9 8 8 ) ，主要是着手进行电磁辐 射法规与标准的制定。在考察了以美国为代表的西方国家的电磁辐射防护标准和 以前苏联为代表的东方国家的电磁辐射防护标准后，制定了我国的电磁辐射防 护规定( g b 8 7 0 2 8 8 ) 。这个规定提出了电磁辐射防护限值。第二阶段为初始期 ( 1 9 8 9 1 9 9 4 ) ，在这一阶段，重点是对全国一些重要城市的电磁辐射分布规律展 开调查，并对污染控制制定相关对策。第三阶段为发展期( 1 9 9 5 现在) ，这一阶 段的工作从电磁辐射防护标准、检测技术规范、管理程序等方面初步完善了我国 电磁辐射的法律依据，将全国电磁辐射环境管理纳入较正常轨道。 但是，针对天线的电磁辐射问题，早期的国内外研究主要集中于从确保天线 传播信号的角度分析。研究方向主要关注天线远距离传播时电磁场信号的强弱和 分布规律。对天线周围的电磁环境分布研究很少，给环境影响评价工作的进行带 来了不少难题。尤其是针对大功率电台周边的电磁干扰问题，还没有引起科研工 作者的关注。而这些问题的解决却与天线周围居民的正常生活息息相关。因此， 从科研角度分析天线周围的电磁场分布规律和电磁场干扰机制具有非常重要的 意义。 1 6 课题研究的意义 对天线的电磁辐射进行环境影响分析具有非常重要的意义，它主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) 环境管理的需要 我国的电磁辐射环境管理事业还属于发展阶段，尤其是天线电磁辐射环境影 响分析的研究才刚刚起步，没有形成一个真正的数据体系，给管理带来了很多不 便。因此，对天线的电磁辐射分布规律进行理论推导，数值模拟其可能的分布规 律，在实际测量中验证后开发相关天线电磁辐射环境仿真软件，对电磁环境管理 事业的进一步发展具有非常重要的意义。 ( 2 ) 改善居民生活环境的需要 众所周知，随着人类生存环境中电磁辐射的不断增强，由此产生的危害也日 益严重。电磁辐射污染已成为继水、气、声、固体废气物之后又一新的环境污染 源。而中短波电台和移动通信基站天线都是以电磁波的形式向外传送信号，它们 在工作的过程中会在周围空间形成一定的电磁场。这就使很多居民生活在天线电 磁场的辐射之下，给天线周围的居民生活和工作带来了一定影响。因此，对天线 周围的电磁环境进行检测分析，寻找其在具体环境中电磁场的分布规律，避免民 众生活在电磁场严重超标的有害区，具有非常重要的意义。同时，这也是关心民 众，建立和谐社会的体现。 ( 3 ) 给新天线设计提供环保参考 早期的天线在设计时对环境的关注较少，考虑的主要是中短波天线的发射功 率，以尽可能满足通信的需要。在环境评估分析时的主要目的是让居民迁出环境 敏感点，以减小辐射对居民身体和生活可能造成的损害。但是，随着现代经济的 发展和实际需要，很多天线发射台在建立时周围就有很多居民居住，而大规模的 拆迁一直是城市规划中一个令人头疼的问题，因此，如何在保证发射功率的同时 把辐射有害区域的范围减到最小，也是天线设计者必须考虑的问题。所以，对天 线周围的电磁辐射进行数值模拟，找出电磁场的分布规律，对新天线的设计和发 射台的建造都有很好的参考价值。 ( 4 ) “北京地区典型辐射源调查分析”的重要组成部分 本课题研究对象是北京市自然科学基金重点项目“北京地区典型辐射源调查 北京工业大学硕士学位论文 分析”的重要组成部分。对人类造成危害的电磁辐射污染按其产生的原因可分为 天然产生和人为产生两大类。天然的电磁辐射污染源是由某些自然现象所引起 的，如太阳风暴、雷电、火山喷发等。人为产生的电磁辐射现象包括了人类制造 的所有电器和电子设备。按人为制造的系统大致可分为广播电视类、通讯发射类、 工科医类、交通系统类、高压电力类等五大类。 ( 5 ) 给电磁环境管理提供参考 因为北京市的电磁环境在国内具有典型性和代表性，所以本课题的研究成果 不仅能服务于北京的城市建设，同时还对其它城市的电磁辐射管理具有一定的指 导意义。 总之，本课题是北京地区电磁环境现状分析研究的组成部分，是城市可持续 发展的需要，对城市空域电磁辐射环境规划和保护具有现实意义和深远的影响。 1 7 研究内容及方法 本课题是北京市自然科学基金重点项目“北京地区典型辐射源调查分析”的 重要组成部分。从环保的角度分析天线电磁辐射对周围环境的影响。其主要研究 内容包括： ( 1 ) 分析中波广播天线的特点，选取北京地区某双频共塔中波天线作为研 究对象，通过数值模拟和实际监测两种方法分析其工作于单塔单频、双频共塔、 双塔四频等工作模式时的电磁场分布规律： ( 2 ) 分析短波广播天线的特点，选取北京市某短波电台作为研究对象，通 过数值模拟和实际检测两种方法分析其环境电磁场的分布规律，并结合实际分析 对短波电台环境电磁场分布产生影响的因素； ( 3 ) 分析移动通信基站的电磁辐射特点，选取北京市移动通信基站的典型 辐射源作为研究对象，通过数值模拟和实际监测两种方法分析其环境电磁场的分 布规律； ( 4 ) 针对大功率短波电台等信号发射天线在工作过程中产生的电磁辐射干 扰，分析了其电磁干扰机制、原理和相应的应对措施。 第2 章中波天线电磁环境影响分析 2 1 中波概述 2 1 1 中波广播简介 中波广播的频率范围为5 2 6 ，5 1 6 0 6 5 k h z ，频道间隔为9k h z 。从标称载频 5 3 lk h z 到1 6 0 2k h z 为止，共有1 2 0 个频道。根据电波传播特性，中波以天波和 地波两种方式传播，其传播模式如图2 - 1 所示。其中，地波场强十分稳定；天波 传播和电离层的情况有关，在白天受电离层最低的d 层的强烈吸收，场强不稳 定，接收的节目信号一般是通过地波传播的。天波在夜间d 层消失时才会经e 层反射回地面，所以只有在晚上人们才可以听到许多边远省市甚至外国的中波广 播信号。因为地面波传播采用的是垂直极化波，所以中波广播发射天线都使用垂 直铁塔天线。根据地波传播曲线所得到的计算值和实测值十分接近。甚至可以采 用地波衰减法，以实测场强和距离反推出传播途径地面的地导系数。 图2 - 1 中波信号传播模式 f i g 2 - 1t r a n s m i s s i o nm o d eo f m e d i u m w a v es i g n a l 我国中波广播网的技术政策是：中波广播采取大、中、小功率相结合以中、 下功率为主，地波覆盖，同步广播，以改善和提高中波广播的质量。 近年来，随着世界无线电、电子科学的进一步发展，中波无线电在广播与通 信领域得到越来越广泛的应用。中波天线系统也由原来简单的线形天线，逐步发 北京工业大学硕士学位论文 展到拉线塔、并馈式自立铁塔等各种类型天线。现在，为了降低工程造价，集中 有限的资金，获得更好的发射效果，双频共塔技术也开始应用于中波广播与通信 领域删。 但是，随着各种中波天线的广泛使用，它们在工作过程中产生的电磁环境影 响问题也越来越引起人们的关注。因此，分析中波天线工作时的电场分布规律具 有非常重要的意义。为了研究这问题，本章以北京市郊区某中波电台为研究对 象，建立模型模拟了中波天线工作时周围环境的电场强度分布规律，进而分析出 天线工作于双频共塔模式时的场强分布规律。同时对天线周围电场进行了现场测 量分析。 2 1 2 中波天线类型 在中波天线的家族中常见的有r 、t 形天线、拉线塔和并馈式自立铁塔。 r 、t 形天线实际上是一种加顶天线。对于小功率电台，建 2 塔天线投资 较大，资金困难，因而采用加顶的办法提高天线的辐射效率。也有伞形天线，但 由于伞形天线的斜线过长会影响天线的辐射场形。实际很少使用。 中波广播天线绝大多数采用拉线塔，高度为o 2 5 一o 5 倍波长，辐射垂直极化 波。发射塔分为单塔形式、双塔形式、四塔形式和八塔形式。单塔形式其水平面 辐射是全向的，即朝所有方向发射电波。双塔形式为弱定向，四塔和八塔形式为 强定向。 单塔中波天线就是一根有拉绳的铁塔，底部绝缘，从机房来的馈线，经调配 室或调配箱后和铁塔底部相接。其大致分布如图2 2 所示。 双塔中波天线由两座高度相同的铁塔相隔一定距离组成，两塔可同时馈电， 也可以仅对一塔馈电，另一塔是无源塔，通常用得最多的还是一塔馈电，另一塔 作无源反射塔。与单塔天线不同的是，双塔天线在水平面内的场强具有方向性， 最大的场强在天线的正前方。 将双塔中波天线视为由一个发射塔和一个反射塔组成的辐射单元，则四塔中 波天线就是由两个辐射单元组成的直线阵，八塔中波天线就是由四个辐射单元构 成的直线阵。八塔天线是为了提高天线增益丽用八个完全相同的振子组成的天线 阵，其中四个为发射塔，四个为反射塔。 第2 章中波天线电磁环境影响分析 图2 - 2 单塔天线布置示意图 f i g 2 - 2s t r u c t u r ep i c t u r eo f s i n g l e - t o w e rm e d i u m w a v ea n t e n n a 并馈式自立铁塔中波天线具有诸多优势：取消底座绝缘、铁塔直流接地、有 利于发射系统的防雷；可以承受大功率：可多频工作；可在其上安装f m 、t v 天线等。它所采用的支持结构就是普通的自立铁塔。塔体截面可以是正三边形， 也可以是正四边形，还可以根据不同需要设计成其他的正多边形。与普通的自立 铁塔不同的是，在铁塔周围分布着若干根导线，导线的上端与铁塔上的平台相连， 导线的下端汇聚于铁塔底部中心，并在此对铁塔馈电。与其他中波天线一样，铁 塔下面也需敷设地网。 2 1 3 中波天线辐射场特性 单塔中波天线不是一根细导线，其截面也不是完全均匀的，因此铁塔表面的 电流分布和细导线表面的电流分布不一样，和正弦分布的假定也有很大出入，尤 其是波节附近的电流相差更大。单塔天线的辐射场强是天线上各段电流的辐射场 强的矢量和，主要由波腹附近的电流起作用，其他部分电流的影响较小，所以辐 射方向图和垂直细振子的方向图相同，即水平面方向图为圆。输入阻抗则对电流 分布很敏感，不能用正弦分布的假定。但电流分布的计算很繁复，它又和馈电点 周围的情况有关，所以一般对定型的铁塔在架设完毕后进行实际测量，取得以波 长计的铁塔机械高度i - i 九输入阻抗曲线，工程中设计匹配网络之用。 北京工业大学硕士学位论文 对于中波天线，并不是单纯追求地波辐射最强，因为还要考虑高仰角辐射的 天波引起的衰落区的远近和弊多利少的天波服务问题。实践证明，天线的高度等 于o 5 3 九，地波覆盖最远。 2 2 中波天线电场强度理论计算 2 2 1 理论计算模型的建立 中波发射天线的主要形式是垂直振子。根据电磁场理论的基础知识f 3 鲫，可以 把单塔中波天线看成由很多电基本振子所组成。中波发射天线产生的电磁场为所 有电基本振子产生的电磁场的矢量叠加。 ( 1 ) 不考虑大地影响时的电场强度 取天线地面投影的几何中心为原点，大地为x o y 平面，x 轴向为正东，y 轴 向为正北，z 轴向为垂直向上，建立如图2 - 3 所示坐标系： h j 一“蛾 d z 么一，一一声一- - 一- - jp 一 o 蛐z 0 ) 图2 - 3 中波天线理论计算模型 f i g 2 - 3c o m p u t a t i o n a lm o d e lo f m e d i u m w a v ea n t e n n a 线元出坐标为( 0 ，0 ，z ) ，矢径 i = x 0 2 + y o 歹+ ( z o z ) i ，2 = d 2 + ( z o z ) 2 s i n 0 = d | r ：! ! ：。一：，! 篓：茎三堡茎彗皇堡圣丝耋堡! 竺，! 。：，：! ： ， c o s t ? = ( z o z ) l r d = x o f + y 。多 i ：j c o s 0 + 孑s i n 毋：兰生王+ ! 生歹+ ( z o - z ) ，r 由于百与尹垂直，所以 万= 一i s i n o + d c o s o = 三譬孑+ 军_ y 。歹+ ( 一鱼) i a r i r， 电基本振子的电场强度表达式： 饵= 去厶s i n k ( f _ ) c o s 研砉一j v - r 出 q 兀 r r 码= 4 x - - 三6i , s i n k ( h 卸s i n 目【等+ 砉一乒p 呐出 rr r 。 考虑塔形中波天线的近场，对各个线元的电场强度进行矢量积分，得到： e = 肛，= i 净去删n 州七d c 。s 口c 砉一争吵出 + 歹詹三4 7 9 f d o