復雜環境下的基站電波輻射測量與研究

范 瑜，潘啟勇，馮靜靜

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

從麥克斯韋建立完整的電磁場理論并預言電磁波的存在，到赫茲證實電磁波的存在，迄今不過100多年的時間，電磁波的應用已經滲透到日常生活的各個方面.日常使用的許多家用電器都是工頻電磁場發射源；而廣播及電視發射塔、雷達、移動電話及基站、微波爐、電子防盜系統等則是環境中常見的射頻電磁場發射源［1,2］.

由于實際環境中存在復雜的影響電波傳播的因素，增大了對電波傳播研究的難度，所以實地測試顯得尤為重要.使用場強儀可以方便地對電磁波進行現場測量研究，分析電磁波傳播的規律特性，從而解決實際應用中的問題.

本文基于便攜式高頻場強儀對手機基站信號進行了實地測量與研究分析，給出了大型建筑物基站輻射強度分布與室內外輻射對比等實測數據，分析了電波輻射對人體的影響.

1 便攜式場強儀的使用

場強儀是測量場強的儀器，以μ V/m為單位.從原理上來說，場強儀所量度的電壓（或叫電勢）是天線在空中某一點感應的電壓.嚴格來說，場強儀由電平表和天線組成.

就場強儀來說，它與天線關系非常密切，它直接與天線增益Ga有關，也與天線的工作頻率范圍有關，這種天線稱之為測試天線，具體形式有鞭狀天線，半波振子天線，對數周期天線，環行天線等.當天線在空中與被測信號極化方向相同時，取得最大感應信號，一般可用射頻(RF)的有效值型電平表(電壓表)來測量.電平表一般以分貝(dB)作單位，如dBmV，場強儀上一般簡寫為dBm［3-5］.

Protek 3200系列的場強儀是功能強大的手持式射頻場強分析儀，常用于測量分析與優化無線電設備.場強儀采用合成方法，其寬帶接收范圍為100kHz到2.9GHz，可解調窄帶調頻（NFM），寬帶調頻（WFM），AM和單邊帶（SSB）調制信號.

Protek 3200系列提供了強大的場強功能和友好的人機操作界面，支持RS 232C串行通訊和GUI圖形用戶界面（見圖1）.這樣，連接電腦后用戶可以基于PC機控制場強儀進行測量，轉換或保存數值或圖形，導出原始測量數據供專業數學軟件進行分析與研究.

2 基站電波輻射測量與研究

圖1 Protek 3200系列射頻場強分析儀GUI運行界面

本文使用Protek 3200系列場強儀，對常熟理工學院東湖校區逸夫圖書館進行相關測量，選取頻段800MHz～900MHz.圖書館外部與內部每一面各取5個點、共20個測試點.在實地測量的基礎上，分析圖書館內、外與圖書館四周電磁輻射場強分布的特點，初步研究建筑物對電磁輻射的影響，包括衰減量、影響的范圍以及圖書館內外部通信質量問題，初步分析了電磁輻射強度與人體健康的關系.圖2是圖書館的環境平面圖，該建筑物高約20m，距發射天線約300m，基站高約30m.考慮到實際環境中電波傳播的復雜性，我們選取813.75MHz和814.375MHz兩個頻率點進行測量.

把圖書館樓頂的場強近似看作是周圍無建筑物遮擋時的場強值，對比圖書館樓底西側、樓底東側與樓頂場強數據如表1所示：

從表1中可以看出，圖書館樓底西側場強相對于樓頂場強衰減量大約為15dB左右.可見由于北食堂的阻擋輻射場有衰減，經過圖書館幾道墻壁的阻擋，圖書館東側的輻射場衰減很大，樓頂比較電磁波的衰減大約為25dB左右.同時也可以看出，在個別位置，由于周邊建筑物的反射和散射等因素，信號強度會有明顯的變化.

建筑物后影響的范圍顯然與建筑物的線度、建筑物至發射天線的距離及發射天線的高度等因素有關.圖書館東側場強的衰減主要是繞射波和反射波，離建筑物越遠繞射越強.由于高頻電磁波的波長遠遠小于建筑物的線度，傳播中遇到建筑物時繞射的能力很差，經過建筑物幾道墻壁的反射和衰減，建筑物后的輻射場衰減很大.把圖書館樓頂的場強近似看作是周圍無建筑物遮擋時的場強值，電磁波從出發經過北食堂的阻擋衰減10dB左右，再經過圖書館的阻擋衰減15～20dB左右，到達圖書館東側的電磁波衰減20～35dB，信號在空間會有至少10dB的幅度波動.

圖書館四周外側與內測場強如表2和表3所示.

由以上看出圖書館室內比室外信號弱很多.圖書館某些角落信號比外部信號衰減了40dB.從測量數據可見由于圖書館自身原因（如墻體較厚、面積較大、樓層較高等），存在某些網絡覆蓋的盲區或信號比較差的區域.移動通信技術正在迅猛發展，對通信質量的要求也不斷提高，若經常發生手機通話中掉線或者無法接通，就必須考慮利用室內覆蓋技術增強信號強度.室內覆蓋系統根據覆蓋區域的具體情況，可以綜合考慮使用組合無源、有源、光纖、泄漏等方式.在實際使用中室內分布系統可使微蜂窩覆蓋范圍增至幾十層樓左右，如果加裝干線放大器，覆蓋范圍還可大幅度增加.

圖2 圖書館及周邊建筑分布圖

表1 圖書館附近場強數據

表2 圖書館東墻及南墻內外場強對比表

根據《中華人民共和國國家標準環境電磁波衛生標準》（GB9175-88），對微波電磁輻射，以功率密度微瓦/平方厘米（μW/cm2）作為計量單位，國家一級（安全區）10μ W/cm2的限值，適用于一切人群經常居住和活動場所的環境電磁輻射，不包括職業輻射和射頻、微波治療需要的輻射.

通過實測數據可見，圖書館周圍頻率為800MHz～900MHz間的電磁場強很低，由于電磁輻射強度與發射功率成正比，而與距離的平方成反比，因此圖書館周圍的功率密度遠遠小于10μW/cm2，是絕對安全的.電磁波在空中傳播衰減很快，而且當電磁波穿過墻壁時一般要衰減10～30dB左右.因此，將基站天線建在一般住宅樓頂，對宅內居民也是安全的.

從國外測量結果看，在最壞的情況下，即樓頂天線以最大功率輻射，而屋頂頂層的衰減系數極小時，在頂層樓內的功率密度低于0.1μW/cm2.一般正常情況下，頂層樓內的功率密度低于1μW/cm2.因此，基站輻射是低強度的，是安全和可以接受的［6-9］.

各種電子設備和產品在使用過程中，都會釋放出電磁波，當電磁輻射達到一定強度時會對人體的健康產生影響.電磁輻射對人體健康的影響主要有兩方面：軀體熱效應和神經效應.由于頻率的不同，電磁輻射對人體的影響也有所不同，低頻電磁輻射對人體的影響以神經效應為主，高頻電磁輻射對人體的影響以熱效應為主.人類長期生活在電磁環境中，任何電器只要通上電流就有電磁輻射，但并非所有的電磁輻射都會對人體產生危害，關鍵是要把電磁輻射控制在安全范圍內.

表3 圖書館西墻與北墻內外場強對比表

3 結束語

本文介紹了基于Protek 3200系列場強儀測量學校圖書館周圍電磁場的強度，并通過分析圖書館各個方位的場強差異及圖書館外部與內部的場強差異，研究建筑物對電磁波傳播的影響，以及建筑物內外信號通暢問題的解決方法.

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