关于手机与基站等通信设备电磁辐射的研究和测试.docx

关于手机与基站等通信设备电磁辐射的研究和测试张昕昕目前，中国手机存量用户已近10亿，移动通信终端已成生活必须品，持有量不断上升，三大运营商移动基站遍布城乡各地。随之而来关于公众移动电话基站和手机电磁辐射问题的讨论也逐渐增多，对于电磁辐射对健康的影响引起人们的普遍关注。本文首先对电磁辐射生物效应的机理与国内外通信设备辐射相关标准进行说明，分析当前国内电信运营商采用的各类移动通信标准中与电磁辐射紧密相关的手机发射功率控制技术，并据此确定现场数据采集方案与数据分析方法，选取具有代表性的基站与手机终端进行数据采样与分析。试图对公众疑虑的如通信设备辐射功率、电磁波比吸收率（SAR指标），移动基站附近的辐射强度，GSM/WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000不同制式手机的辐射差别等问题进行阐释。1 电磁辐射 电场和磁场的交互变化产生的电磁波，电磁辐射（electromagnetic radiation）是能量以电磁波的形式通过空间传播的现象。电磁辐射可按其波长、频率排列成若干频率段，形成电磁波谱。频率越高该辐射的量子能量越大，其生物学作用也越强。1.1 电磁辐射源 电磁辐射源一般分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两类。人类生存的地球本身就是一个大磁场，它表面的热辐射、火山、地震和雷电都可产生电磁辐射，太阳及其他星球也从外层空间原原不断地产生电磁辐射。这些均为天然的电磁辐射；而人为电磁辐射来源，包括广播、电视发射塔等电波发射设施，雷达、卫星、移动通信基站等通信设施和各种高频设备、电力设备。1.2 电磁辐射的生物效应 人体细胞与体液主要由水、胶体颗粒等极性分子组成，生命活动包含一系列的生物电活动，这些极性分子与生物电对环境的电磁波非常敏感，因此，电磁辐射可以对人体造成影响和损害。通常将微波段（300-300000MHZ）、射频段（0.1-300MHZ）的电磁波辐射和电力频段（50-60HZ）高压输电线路周围环境电磁场对生物体所产生的各种生理影响称作电磁辐射的生物效应，包括热效应和非热效应。当生物体受强功率微波照射时，热效应是主要的(一般认为，功率密度在在10mW/cm2者多产生微热效应。且频率越高产生热效应的阈强度越低)；长期的低功率密度(1mW/ cm2以下)微波辐射主要引起非热效应 1.2.1 电磁辐射的热效应 组成人体细胞和体液的分子绝大部分为水、胶体颗粒等极性分子，在高频电场的作用下使原来无规则排列的分子沿电场方向排列起来（取向效应）并跟随高频变换的电场方向变换取向，在此过程中与周围粒子碰撞而产生热效应。热效应可导致人体升温，从而影响到体内器官的正常工作。1.2.2 电磁辐射的非热效应主要是低频电磁波产生的影响，即人体被电磁辐射照射后，体温并未明显升高，但可导致人体内的一些分子产生变形和振动，引起细胞膜共振，干扰人体固有生物电场节律(如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等)。对电磁辐射的非热效应，目前还处于研究与探索阶段。1.3 电磁辐射国家标准 目前普遍认为电磁辐射的伤害具有累积效应，即热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积；因此长期处于功率并不高的电磁辐射下也可能产生未知的影响。为此各国相继开展了关于电磁辐射的各种研究，并制定出电磁辐射卫生标准。1.3.1 电磁辐射强度单位电场强度：通常针对对长、中、短波和超短波电磁辐射，以伏米（Vm）表示计量单位。功率密度（power density）：在空间某点上电磁波的量值用单位面积上的功率表示，单位为瓦/平方米（Wm2）。通常针对微波电磁辐射，以微瓦平方厘米（Wcm2）或毫瓦平方厘米（mWcm2）为计量单位。复合场强：两个或两个以上频率的电磁波复合在一起的场强，其值为各单个频率场强平方和的根值，可以下式表示：式中：E复合场强，Vm，E1、E2En各单个频率所测得的场强，Vm比吸收率（specific absorption rats SAR）：指生物体每单位质量所吸收的电磁辐射功率，即吸收剂量率，单位为瓦/千克（W/kg）。目前SAR指标已成为度量电磁辐射在生物体单位组织中所感应的电场的重要生物学参数，也是各国制定手机辐射标准的主要参数。1.3.2 国家电磁辐射防护与卫生标准为防止电磁辐射污染、保护环境、保障公众健康、促进电磁技术发展我国对电磁辐射防护、环境电磁卫生制定了若干标准与规定，如GB8702-88、GB9175-88。根据相关标准，针对公众照射剂量基本限值为在一天24h内，任意连续6min按全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg；导出限值在一天24h内，环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6min内的平均应满足下表（公众照射导出限值）要求。表:公众照射导出限值频率范围MHz电场强度Vm磁场强度A/m功率密度Wm20.1-3400.1（40）*3-3067/0.17/（12/f)*30-3000（12）*（0.032）*0.43000-15000（0.22）*（0.001）*f/750015000-30000（27）*（0.073）*2注：* 系平面波等效值，供对照参考。*供对照参考，不作为限值；表中f是频率，单位是MHz，表中数据作了取整处理。手机辐射的基本限值是以SAR值来衡量的，其SAR值的测量是在屏蔽室中进行的。而我们生活的空间无线电波复杂程度远远超过屏蔽室，这使人们比较难以接受SAR值的概念。我国的环境电磁波卫生标准(GB9175-88)定义了微波频段电磁波卫生标准。一级安全区：指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的区域，要求电磁辐射强度10/cm2。二级中间区：指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群可能引起潜在性不良反应的区域，容许电磁辐射强度1.5）的参测机型仅有2台，因此仅对正反面测出的大值进行记录。以下各项测试过程与取值均是对正反面做分别测量后取其较大值，不在另做说明。需要说明的是，目前对于蜂窝手机近场处功率密度的测试并无统一的标准和方法，也无理论上的方法可以准确的计算出来，因此本次测试数据仅可作为定性分析的参考。本次测试均在网络状况良好的情况下进行3.3.1 手机待机时的辐射将参测手机置于待机状态，进行1分钟时长的测量，取最大值和1分钟均值作为一组计数。该项测试结果较清晰，故简单将同制式手机作为同组进行取平均值见下表：可见，各制式手机在待机状态下的发射功率均极为微小，GSM手机相对较高。3.3.2 手机接入时初始功率通过跟踪即时电场值观察到，除1个GSM机型和PHS机型外，其余参测手机均在拨号到振铃的过程中出现一个明显的波动，由之前所述各通信标准可知（见2.5节），GSM手机在随机接入阶段没有进入专用模式以前，是没有功率控制的，为保证接入成功，手机以系统能允许的最大功率发射，而CDMA系统在接入阶段通过开环功控计算出一个初始发射功率，之后进入闭环功控调整功率，在本次测试中CDMA、CDMA2000、WCDMA的9台手机终端均在接入后调低了发射功率。因此本次测试中接通功率以手机拨号到振铃过程中的最大值作为读数进行分析。PHS系统不做功率控制，不列入本项测试。本项测试同制手机读数都有明显差距，故对不同终端测得功率密度值不做平均，同时因设备限制，无完善客观的方式测算从功率峰值回落至平稳值所需时间，仅从理论上和跟踪即时值的观感上看，CDMA系列系统调整功率速率要高于GSM系统。对每个参测终端进行2次采样，制表如图。图：GSM手机接入阶段测得近场功率密度最大值（Y轴单位：40/cm2）图：CDMA2000/WCDMA/CDMA手机接入阶段测得近场功率密度最大值（Y轴单位：40/cm2）测试结果显示GSM手机在接入阶段测得功率密度为200-1000/cm2与CDMA系列测得4-13/cm2的数据具有量级上的差距。3.3.3 手机通话和使用数据业务时的辐射因CDMA系列手机在使用数据业务时与通话时功控不同，故针对CDMA、CDMA2000和WCDMA手机分别进行通话和数据业务2项测试，GSM手机只进行通话测试。测得手机正常使用通话或数据业务1分钟的平均功率密度作为计数。测试结果如下，因GSM各手机终端测得结果差异较大未做平均，其余手机均按使用制式分组取均值。测试结果显示，GSM通话辐射相对巨大，单就测得数据来看已多台终端已远超环境电磁波卫生标准二级中间区的限值，但对此无需过于担心，首先如前所述由于蜂窝手机近场处功率密度的测试并无统一的标准和方法，也无理论上的方法可以准确的计算出来，因此本次测试数据仅可作为定性分析的参考；其次测得数值均是贴近手机获取的最大值，只需距终端5厘米以上，跟踪即时值1分钟以上也未超出限值，平均值更是要小的多。3.3.4 测试结果综合分析针对本次手机测试得到的数据，可以得到以下几个结论：A. 手机待机时的发射功率极其微小；B. 由于CDMA系统使用精准的功控方式，虽然手机平均发射功率协议最大值与GSM系统相当，但功控机制将发射功率维持在保持通话质量的最小状态，实测数据远小于GSM系统手机，具有数百倍的差距；C. GSM手机不同终端即使处于同一环境下，其辐射强度都可能相差巨大，手机终端很大层度上影响了其辐射强度；D. CDMA、WCDMA和CDMA2000手机在使用数据业务时，具有近10倍于正常通话的发射功率；E. CDMA、WCDMA和CDMA2000手机开环功控对接入阶段初始功率的控制优于GSM系统，接入阶段测得功率密度同样具有百倍以上的差距。4 本文小结公众移动电话基站和手机均产生微波电磁辐射。长期处于低功率的高频电磁辐射下也可能对人体产生未知的影响，为此各国相继开展了关于电磁辐射的各种研究，并制定出电磁辐射卫生标准。我国的环境电磁波卫生标准(GB9175-88)定义了微波频段电磁波卫生标准，包括一级安全区要求电磁辐射强度10/cm2，二级中间区容许电磁辐射强度40/cm2。根据这个标准本文第二部分从辐射能量空间传播模型，各通信标准功率控制技术和协议等方面分析比较了移动基站和各移动手机的辐